چرا F-35 با یک موتور پرواز می‌کند؟

لاکهید مارتین برای خانواده F-35 یک معماری پیشرانه مشترک انتخاب کرد؛ تصمیمی که به‌ویژه برای نسخه F-35B، چالش‌های مهندسی پیچیده‌ای به همراه داشت.

وقتی صحبت از یک جنگنده نسل پنجم می‌شود، استفاده از یک موتور ممکن است در نگاه نخست تصمیمی ساده به نظر برسد. اما در مورد F-35، ماجرا پیچیده‌تر است. این جنگنده برای خدمت در سه شاخه ارتش آمریکا طراحی شد و قرار بود نسخه‌های F-35A، F-35B و F-35C تا حد زیادی از قطعات و سامانه‌های مشترک استفاده کنند.

این موضوع برای F-35B اهمیت بیشتری داشت؛ زیرا این نسخه باید علاوه بر پرواز عادی، قابلیت برخاست کوتاه و فرود عمودی یا STOVL را نیز ارائه می‌کرد. بنابراین انتخاب تعداد موتور، صرفاً به قدرت پیشرانه مربوط نمی‌شد و با معماری کلی برنامه جنگنده ضربتی مشترک (Joint Strike Fighter) ارتباط داشت.

هدف اصلی برنامه در سال ۲۰۰۲، ایجاد سه نسخه متفاوت از یک جنگنده با میزان بالایی از اشتراک در طراحی، سامانه‌ها، قطعات، وزن و هزینه بود. طراحان نمی‌خواستند F-35A نیروی هوایی، F-35C نیروی دریایی و F-35B تفنگداران دریایی عملاً سه هواپیمای کاملاً مستقل باشند که فقط نام مشترکی دارند.

پیشرانه نیز بخشی از همین راهبرد بود. استفاده از موتورهای متفاوت برای هر نسخه، میزان اشتراک میان هواپیماها را کاهش می‌داد و توسعه و نگهداری آن‌ها را پیچیده‌تر می‌کرد. در نتیجه، راهکاری مورد نیاز بود که بتواند نیازهای هر سه مدل را پوشش دهد.

در نهایت موتور F135 ساخت Pratt & Whitney به پیشرانه مشترک هر سه نسخه تبدیل شد. این انتخاب باعث شد F-35A، F-35B و F-35C یک موتور اصلی مشترک داشته باشند؛ اما برای رسیدن به قابلیت STOVL در مدل B، مهندسان مجبور شدند معماری پیشرانه را به شکل ویژه‌ای توسعه دهند.

ریشه این راهکار به طرح مفهومی داخلی 220-2 در لاکهید مارتین بازمی‌گردد. این طرح، مفهوم فن بالابر متصل به محور موتور یا Shaft-driven Lift Fan را معرفی می‌کرد. براساس توضیحات لاکهید مارتین، همین فناوری یکی از دستاوردهای مهمی بود که به این شرکت در رقابت برای ساخت نمونه آزمایشی JSF کمک کرد.

در این معماری، به جای نصب یک موتور دوم که صرفاً وظیفه ایجاد نیروی بالابر عمودی را بر عهده داشته باشد، از موتور اصلی برای تأمین انرژی فن بالابر استفاده می‌شود. این فن در قسمت جلویی موتور قرار دارد و به‌صورت مکانیکی به آن متصل است.

در نتیجه، یک موتور می‌تواند هم نیروی لازم برای پرواز عادی را تولید کند و هم در حالت STOVL، سامانه مورد نیاز برای برخاست کوتاه و فرود عمودی را فعال کند. بخش پشتی موتور وظیفه ایجاد رانش معمولی را بر عهده دارد و فن بالابر نیز نیروی عمودی تولید می‌کند.

این راهکار البته پیچیدگی‌های زیادی به همراه دارد. F135 باید هم توان مورد نیاز یک جنگنده نسل پنجم را تأمین کند و هم فشارهای مکانیکی و حرارتی ناشی از سامانه STOVL در F-35B را تحمل کند. به همین دلیل، بخش مهمی از طراحی نسخه B حول همین موتور شکل گرفت.

در پرواز معمولی، F135 گازهای خروجی را به سمت عقب هدایت می‌کند تا نیروی رانش رو به جلو ایجاد شود. هنگام ورود F-35B به حالت STOVL، درهای اطراف فن بالابر و نازل عقب باز می‌شوند و سامانه انتقال نیرو وارد عمل می‌شود.

فن بالابر در این حالت توان مکانیکی مورد نیاز خود را از موتور دریافت می‌کند. هم‌زمان، ماژول چرخان سه‌یاتاقانه، نازل خروجی عقب را حدود ۹۵ درجه به سمت پایین می‌چرخاند. در نتیجه، دو منبع تولید نیروی بالابر در کنار یکدیگر فعالیت می‌کنند و دیگر نیازی به یک موتور مستقل برای پرواز عمودی وجود ندارد.

این ساختار تفاوت مهمی با راهکار به‌کاررفته در Harrier دارد. جنگنده Harrier ساخت BAe از موتور Rolls-Royce Pegasus استفاده می‌کرد که با کمک چهار نازل چرخان، مسیر گازهای خروجی را تغییر می‌داد. جریان خروجی بسیار داغ و متمرکز این موتور می‌توانست به سطوح آماده‌نشده آسیب بزند و مدت زمان پرواز معلق ایمن را نیز محدود کند.

در F-35B، معماری مبتنی بر انتقال نیرو اجازه می‌دهد موتور اصلی هنگام ورود هواپیما به حالت معلق همچنان نقش خود را حفظ کند و بخشی از توانش را به سامانه‌های مورد نیاز برای پرواز عمودی منتقل کند.

فن بالابر که در قسمت جلویی موتور قرار گرفته، نیروی رو به بالا ایجاد می‌کند و سامانه خروجی عقب نیز وظیفه مدیریت رانش موتور را ادامه می‌دهد. همین یکپارچگی باعث می‌شود F-35B بدون حمل موتور دوم، میان حالت‌های مختلف پروازی جابه‌جا شود.

البته رسیدن به این مرحله آسان نبود. برنامه آزمایش F-35B شامل مجموعه‌ای از آزمون‌های دشوار بود که به‌تدریج انجام شدند. گراهام تاملینسون، خلبان آزمایشی، نخستین فرود عمودی رسمی این برنامه را در ۱۸ مارس ۲۰۱۰ در پایگاه هوایی نیروی دریایی پاتوکسنت ریور/فرودگاه تراپنل فیلد انجام داد. او پس از آنکه هواپیما را به مدت یک دقیقه در ارتفاع ۱۵۰ فوتی، معادل حدود ۴۵ متر، در حالت معلق نگه داشت، این آزمایش را به پایان رساند.

سه ماه بعد، یک فروند F-35B توانست از سرعت صوت عبور کند. سپس در اکتبر ۲۰۱۱، یک فروند F-35B فرود عمودی روی یک ناو تهاجمی آبی‌خاکی نیروی تفنگداران دریایی آمریکا را انجام داد.

این آزمایش‌ها نشان دادند که معماری تک‌موتوره فقط یک راهکار روی کاغذ نیست و ترکیب موتور F135 با سامانه بالابر یکپارچه می‌تواند نیازهای عملیاتی متفاوت F-35B را برآورده کند.

با این حال، یک مشکل اساسی همچنان وجود داشت: وزن هواپیما. برنامه از همان ابتدا حاشیه وزنی زیادی برای اضافه کردن تجهیزات سنگین نداشت. مهندسان لاکهید مارتین در مراحل اولیه توسعه متوجه شدند وزن واقعی پیش‌بینی‌شده F-35B با اهداف تعیین‌شده مطابقت ندارد.

به همین دلیل، تیم توسعه حدود شش ماه روند طراحی را متوقف کرد و یک بازطراحی گسترده روی F-35B انجام داد. مسئله اصلی این بود که وزن هواپیما بیش از حد افزایش یافته بود و پیش از هر تصمیم دیگری باید این مشکل برطرف می‌شد.

سامانه STOVL نیز تنها به فن بالابر محدود نمی‌شود. ستون‌های غلتشی یا Roll Posts که در هر بال قرار دارند و با هوای برداشت‌شده از موتور اصلی تغذیه می‌شوند، برای کنترل پایداری جانبی هواپیما به کار می‌روند. این سامانه به خلبان کمک می‌کند در مرحله دشوار انتقال میان نیروی بالابر آیرودینامیکی و نیروی بالابر عمودی جت، تعادل هواپیما را حفظ کند.

در چنین شرایطی، اضافه کردن موتور دوم فقط به معنای نصب یک پیشرانه اضافی نبود. چنین تغییری به فضای بیشتر، سازه جدید، کانال‌های انتقال هوا، سامانه‌های کنترلی، تغییرات در سیستم سوخت‌رسانی، دسترسی متفاوت برای تعمیرات و در نهایت وزن بیشتر نیاز داشت.

F-35B حتی با معماری فعلی نیز باید فن بالابر و سامانه انتقال مکانیکی آن را در فضای محدود بدنه جای می‌داد. بنابراین بازطراحی شش‌ماهه برای کاهش وزن نشان می‌دهد که طراحان با چه محدودیت شدیدی در فضای داخلی و وزن روبه‌رو بودند.

اهمیت این بازطراحی فقط به F-35B محدود نمی‌شد. کاهش وزن و حفظ اشتراک میان سامانه‌ها برای F-35A و F-35C نیز اهمیت داشت و ایده اصلی برنامه جنگنده ضربتی مشترک را تقویت می‌کرد؛ یعنی سه نسخه متفاوت همچنان باید بخشی از یک برنامه مهندسی مشترک باقی می‌ماندند.

امروز نیز انتخاب موتور واحد همچنان بر مسیر توسعه خانواده F-35 تأثیر می‌گذارد. فضای داخلی هواپیما، ساختارهای خنک‌کننده و معماری پیشرانه بر این اساس شکل گرفته‌اند که یک موتور منبع اصلی توان هواپیما باشد.

در نتیجه، ارتقای آینده F-35 باید در چارچوب همین بدنه و محدودیت‌های موجود انجام شود. حسگرهای جدید، تجهیزات مأموریتی پیشرفته‌تر و افزایش نیاز به توان الکتریکی و ظرفیت خنک‌کنندگی، همگی به منابع محدودی نیاز دارند که از قبل در معماری هواپیما تعریف شده‌اند.

بنابراین هر قابلیت جدید باید بدون از بین بردن مزیت اصلی برنامه، یعنی استفاده از یک پایه مشترک در F-35A، F-35B و F-35C، به هواپیما اضافه شود. انتخاب یک موتور مشترک در ابتدا به حل مسئله اشتراک میان سه نسخه کمک کرد، اما توسعه‌های آینده نیز باید با پیامدهای همین تصمیم هماهنگ باشند.

در نهایت، پرسش اصلی دیگر این نیست که آیا لاکهید مارتین می‌توانست F-35 را به شکل دوموتوره طراحی کند یا خیر. مسئله مهم‌تر این است که معماری انتخاب‌شده تا چه اندازه می‌تواند نیازهای عملیاتی و فناوری‌های آینده را بدون ایجاد فشار جدی بر وزن، فضای داخلی و ظرفیت سامانه‌ها پاسخ دهد.

آزمون واقعی این تصمیم در برنامه‌های نوسازی آینده خواهد بود. هر ارتقا باید در همان بدنه موجود جای بگیرد و در عین حال توان الکتریکی، خنک‌کنندگی، حسگرها یا قابلیت‌های مأموریتی بیشتری در اختیار جنگنده قرار دهد.

بازطراحی شش‌ماهه F-35B یک نمونه مهم از این محدودیت‌هاست. زمانی که وزن و فضای داخلی به مشکل تبدیل شدند، راهکار اضافه کردن فضای بیشتر یا تغییر کامل معماری پیشرانه نبود؛ بلکه خود هواپیما با توجه به محدودیت‌های موجود دوباره طراحی شد.

بنابراین موفقیت معماری تک‌موتوره F-35 در سال‌های آینده تا حد زیادی به این بستگی دارد که بسته‌های ارتقایی جدید تا چه اندازه بتوانند بدون ایجاد بحران تازه در وزن، فضای داخلی و ظرفیت سامانه‌ها، قابلیت‌های بیشتری به این خانواده جنگنده اضافه کنند.

اگر این معماری بتواند چنین مسیری را ادامه دهد، موتور واحد F-35 را می‌توان بخشی از همان تصمیم مهندسی دانست که امکان داد F-35A، F-35B و F-35C با وجود تفاوت‌های عملیاتی قابل‌توجه، در قالب یک خانواده مشترک توسعه پیدا کنند.