برات آند ويتني F119

محرك برات آند ويتني F119 ، المعروف تجارياً باسم PW5000 ، هو محرك توربيني مروحي مزود بحارق لاحق ، طورته شركة برات آند ويتني لبرنامج المقاتلة التكتيكية المتقدمة (ATF)، الذي أثمر عن طائرة لوكهيد مارتن F-22 رابتور . يولد هذا المحرك قوة دفع تصل إلى 156 كيلو نيوتن (35000 رطل) ، وقد صُمم للطيران الأسرع من الصوت بشكل مستمر دون استخدام الحارق اللاحق، أو ما يُعرف بالتحليق الأسرع من الصوت دون استخدام الحارق اللاحق ؛ إذ يسمح محرك F119 لطائرة F-22 بتحقيق سرعات تصل إلى 1.8 ماخ. ^{[ N 1 ] [ 1 ] [ 2 ]} تتضمن فوهات محرك F119 تقنية توجيه الدفع التي تمكنها من توجيه قوة دفع المحرك بزاوية ±20 درجة على محور الميل ، مما يمنح طائرة F-22 قدرة محسّنة على المناورة.  

يُعدّ محرك F119 أساس نظام الدفع الخاص بطائرة المقاتلة الضاربة المشتركة (JSF)، حيث تُستخدم نسخ منه في كلٍّ من طائرتي بوينغ X-32 ولوكهيد مارتن X-35 التجريبيتين. فازت طائرة X-35 بمنافسة JSF، بينما تُزوّد ​​طائرة لوكهيد مارتن F-35 لايتنينغ II الإنتاجية بمحرك برات آند ويتني F135 ، وهو نسخة مشتقة من محرك F119، ويُنتج قوة دفع تصل إلى 43,000 رطل (191 كيلو نيوتن) . ^{[ 3 ]}  

نتج محرك F119 عن برنامج المحرك المقاتل المتقدم المشترك (JAFE) في أوائل ثمانينيات القرن الماضي، والذي كان يهدف إلى تزويد المقاتلة التكتيكية المتقدمة (ATF) التابعة للقوات الجوية والمقاتلة متعددة المهام المتقدمة المحمولة على حاملات الطائرات (VFMX) التابعة للبحرية بالطاقة. بدأ التصميم التفصيلي لمقدمة شركة برات آند ويتني، والذي كان يُعرف داخليًا باسم PW5000، عندما تم إصدار طلب تقديم العروض (RFP) لبرنامج JAFE، والذي أعيدت تسميته لاحقًا ببرنامج محرك ATF (ATFE) بعد إلغاء برنامج VFMX، في مايو 1983. ^{[ 4 ]} سمحت التطورات في تكنولوجيا المحركات، مثل تلك التي ظهرت في برنامجي مولد الغاز لمحرك التوربين المتقدم (ATEGG) ومحرك العرض التكنولوجي المشترك (JTDE)، للتصميم بأداء المزيد من العمل بمراحل أقل، حيث يحتوي ضاغط PW5000 على 6 مراحل فقط مقارنة بـ 10 مراحل في ضاغط F100 . كانت التوربينات ذات الضغط العالي والمنخفض أحادية المرحلة ومتعاكسة الدوران، مما قلل من قوى الدوران المؤثرة على المحرك. وكان يُؤمل أن يُلغي الدوران المتعاكس صفًا من دوارات التوربينات الثابتة، مما يُتيح واجهة توربينية بدون ريش للضغط العالي والمنخفض، وبالتالي توفير الوزن وتقليل عدد الأجزاء، إلا أن هذا لم ينجح في نهاية المطاف، وتم الإبقاء على الدوارات الثابتة. ^{[ 5 ] [ 6 ]} وكان من المقرر أن تستخدم مرحلتا المروحة والضاغط دوارات ذات شفرات متكاملة (IBR)، تُعرف أيضًا باسم "بليسك"، لتقليل الوزن والتكلفة وتحسين الأداء. ونظرًا لمتطلبات برنامج ATF الصارمة للتحليق بسرعة تفوق سرعة الصوت، يتميز تصميم PW5000 بنسبة تجاوز منخفضة، ودرجات حرارة عالية للقلب ومدخل التوربين، وفوهة متقاربة-متباعدة متغيرة بالكامل لتحقيق قوة دفع نوعية عالية في نطاق الطاقة المتوسط، أو بدون احتراق لاحق. وقد تم الاستغناء عن اللحامات في غرفة الاحتراق، التي تُسمى داخليًا "الجدار العائم"، للحد من نمو الشقوق الناتج عن التغيرات الحرارية. نص طلب تقديم العروض الأصلي على أقصى قوة دفع في فئة 30000 رطل (133 كيلو نيوتن) لوزن إجمالي للطائرة يبلغ 50000 رطل (22700 كجم) . ^{[ 7 ]}    

تم اختيار شركتي برات آند ويتني وجنرال إلكتريك لتصنيع محركات نموذجية، تحمل اسمي YF119 و YF120 على التوالي، لأغراض العرض والتحقق. وقد زودت الشركتان محركاتهما لطائرتي YF-22 و YF-23 التجريبيتين، من تطوير لوكهيد/بوينغ/جنرال دايناميكس ونورثروب/ماكدونيل دوغلاس . ونظرًا لزيادة وزن محرك ATF خلال مرحلة التطوير، فقد تطلب الأمر قوة دفع أكبر لتلبية متطلبات الأداء؛ فمع ازدياد الوزن الإجمالي إلى 27,200 كيلوغرام (60,000 رطل) ، زادت قوة الدفع المطلوبة بنسبة 20% لتتجاوز 105 كيلو نيوتن (23,500 رطل) في وضع القدرة العسكرية/المتوسطة، و 156 كيلو نيوتن (35,000 رطل) في وضع الاحتراق اللاحق الكامل. ^{[ 8 ]} وقد عدّلت برات آند ويتني تصميمها ليشمل مروحة أكبر بنسبة 15%، مما زاد نسبة التجاوز من 0.25 إلى 0.30. مع ذلك، وعلى عكس شركة جنرال إلكتريك، لم تقم شركة برات آند ويتني بتركيب مروحتها الأكبر حجماً على طائرات YF119 الصالحة للطيران المخصصة لعروض الطيران التجريبية التابعة لمكتب اختبار الطيران (ATF) لتجنب أي مشاكل محتملة في الموثوقية. وبدلاً من ذلك، خضعت المروحة المُعدّلة لاختبارات أرضية مكثفة في قاعدة رايت باترسون الجوية. ونتيجةً لذلك، انخفض أداء كل من طائرتي YF-22 وYF-23 مع محركات YF119 مقارنةً بمحركات YF120. ^{[ N 2 ] [ 8 ]}      

في 3 أغسطس 1991، مُنحت شركة برات آند ويتني عقد التطوير الكامل، أو عقد التطوير الهندسي والتصنيعي (EMD)، لمحرك ATF، بينما فاز فريق لوكهيد/بوينغ/جنرال دايناميكس بعقد هيكل طائرة ATF. وعلى الرغم من أن تصميم YF119 كان أكثر تقليدية مقارنةً بتصميم YF120 ذي الدورة المتغيرة من جنرال إلكتريك، فقد جمعت برات آند ويتني ساعات اختبار أكثر بكثير (بنسبة 50% أكثر) وركزت على الموثوقية وانخفاض المخاطر. ^{[ 8 ]}

أُجريت أولى الاختبارات الأرضية لمحرك EMD F119 في فبراير 1993. ^{[ 8 ]} واجه التطوير الكامل في البداية مشكلات في التوربين عالي الضغط، مما أدى إلى عدم تحقيق التصميم لكفاءة استهلاك الوقود دون سرعة الصوت، أو استهلاك الوقود النوعي (SFC)، بنسبة تصل إلى 8%؛ وقد سمحت التعديلات الهندسية على التوربين والجزء الثابت للمحرك بتحقيق نسبة 2% من المتطلبات. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 6 ]} حلّقت نسخة EMD من محرك F119 لطائرة EMD/الإنتاج F-22 ، والتي تحمل اسم F119-PW-100، لأول مرة في الرحلة التجريبية الأولى للطائرة في 7 سبتمبر 1997. ^{[ 11 ]} تم إنتاج 507 محركات إجمالاً. ^{[ 12 ]} يقع مركز الصيانة الثقيلة لمحرك F119 (HMC) لإجراء عمليات الصيانة الشاملة في قاعدة تينكر الجوية، أوكلاهوما، وقد اكتملت أول عملية صيانة شاملة له في عام 2013. ^{[ 13 ]}

استمر تطوير محركات التوربينات من قبل شركتي ATEGG وJTDE مع برنامج تقنية محركات التوربينات المتكاملة عالية الأداء (IHPTET)، مع تطبيقات في حزم تحسين محرك F119 ومشتقاته. وقد زُوّدت طائرات بوينغ X-32 ولوكهيد مارتن X-35 المقاتلة الضاربة المشتركة (JSF) التجريبية بنماذج أولية من محرك YF119، وأدى التطوير الكامل اللاحق لمشتق F119 إلى عائلة محركات F135 التي تُشغّل طائرة لوكهيد مارتن F-35 لايتنينغ II . ^{[ 5 ]} كما سمحت البيانات التشغيلية لشركة برات آند ويتني بتعديل البرنامج لزيادة قوة الدفع الديناميكية في أجزاء معينة من نطاق التشغيل. ^{[ 14 ]}

لضمان مستقبل محرك F119-PW-100، أبرمت شركة برات آند ويتني عقدًا بقيمة 1.5 مليار دولار في فبراير 2025 لصيانة هذه المحركات. إلى جانب هذه الصيانة، ستعمل برات آند ويتني أيضًا على تحديث المحرك من خلال تبسيط الصيانة وزيادة التوافر وإجراء تحسينات عامة ^{[ 15 ] .}

المحرك F119 هو محرك توربيني مروحي ثنائي المحور ذو تدفق محوري ونسبة تجاوز منخفضة. يتكون من مروحة ثلاثية المراحل تُدار بواسطة توربين أحادي المرحلة منخفض الضغط، وضاغط سداسي المراحل عالي الضغط يُدار بواسطة توربين أحادي المرحلة عالي الضغط. تتميز المروحة المكشوفة بشفرات مجوفة من التيتانيوم عريضة الوتر ومنخفضة النسبة، ملحومة بالاحتكاك الخطي بالأقراص لتشكيل دوارات متكاملة الشفرات (IBRs) من قطعة واحدة. تستخدم أجزاء المروحة والضاغط الثابتة وفوهة توجيه الدفع سبيكة تيتانيوم مقاومة للاحتراق تُسمى سبيكة C، مع صف أول من الشفرات متغير لزيادة هامش التوقف والاندفاع. غرفة الاحتراق الحلقية ذات الجدار العائم مبطنة بمادة عالية الكوبالت لمقاومة الأكسدة ومتانة غرفة الاحتراق، مما يضمن احتراقًا نظيفًا للوقود وتقليل انبعاثات أكاسيد النيتروجين . داخل غلاف عادم التوربين، تُصنع شفرات التوربين عالية الضغط من سبائك فائقة أحادية البلورة ، ويتم تبريدها بالصدم باستخدام هواء من ضاغط عالي الضغط. تدور بكرات الضغط العالي والمنخفض في اتجاهين متعاكسين. يتطلب محرك F119-PW-100، الذي يعمل بتقنية الاحتراق اللاحق، نسبة تجاوز منخفضة للغاية تبلغ 0.30 لتحقيق قوة دفع نوعية عالية . يتميز محرك F119 بنظام تحكم رقمي كامل مزدوج التكرار ( FADEC )، يُشار إليه داخليًا أيضًا باسم نظام التحكم الإلكتروني الرقمي للمحرك (DEEC)، وهو من إنتاج شركة هاميلتون ستاندرد ومدمج بالكامل في نظام إدارة المركبة F-22، مما يجعل المحرك عالي الموثوقية، ومقاومًا للتوقف المفاجئ، وسريع الاستجابة لتغيرات دواسة الوقود المفاجئة. ^{[ 16 ]}

يُساهم نظام الاحتراق اللاحق ثلاثي المناطق (مُخفّض من أربع مناطق في النموذج الأولي)، أو ما يُعرف بالمُعزِّز، في تعزيز قدرة الطائرة على التخفي، وذلك بفضل دمج حاقنات الوقود في ريش سميكة منحنية مطلية بمواد خزفية ماصة للرادار . تحل هذه الريش محل قضبان رش الوقود التقليدية وحوامل اللهب، وتحجب خط رؤية التوربينات. تتميز فوهة توجيه الدفع ثنائية الأبعاد، المستطيلة الشكل، ذات التقارب والتباعد، بإمكانية تغييرها بالكامل لكل من منطقة التقارب ومنطقة الخروج المتباعدة، مما يُتيح نسبة ضغط عالية للفوهة، كما يُمكنها توجيه الدفع بزاوية ±20° على محور الميل، مما يُحسّن بشكل كبير من قدرة الطائرة على التحكم في الميل، وذلك من خلال تعزيز عزم ميل الذيل بدفع المحرك؛ وهذا يُمكّن طائرة F-22 من الحفاظ على قابليتها للتحكم أثناء الطيران بزاوية هجوم مُعدّلة تزيد عن 60°. تم دمج نظام توجيه الدفع بالكامل في نظام التحكم في طيران F-22 لتسهيل عملية المناورة. يتكون الجزء المتباعد للفوهة المستطيلة من رفرفين على شكل إسفين لتحقيق التخفي، كما يساهمان في تقليل البصمة الحرارية عن طريق تسطيح عمود العادم وتسهيل مزجه بالهواء المحيط من خلال الدوامات المتولدة. ^{[ 17 ]}

يُولي محرك F119 اهتمامًا بالغًا بتكامل الأنظمة البشرية ؛ وتشمل الميزات التي تُسهّل صيانة المحرك وخدمته تصميمًا معياريًا، مثل غلاف مُقسّم محوريًا، وكابلات وأسلاك مُرمّزة بالألوان، وتقليل عدد الأدوات اليدوية اللازمة للصيانة إلى خمس أدوات فقط. معظم المكونات مُصممة بعمق واحد، ويمكن إجراء الصيانة أثناء ارتداء ملابس واقية من المواد الخطرة. ^{[ 18 ]} يبلغ العمر التصميمي للمحرك 8650 دورة تشغيل تراكمية، مع فحص وإصلاح الجزء الساخن كل 2000 ساعة تقريبًا، والجزء البارد كل 4000 ساعة. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

نماذج أولية

بينما يشتمل محرك F119 الإنتاجي على طائرة F-22 على فوهات توجيه دفع مستطيلة، فإن النماذج الأولية على الطائرات الأخرى كانت تحتوي على حلول فوهات مختلفة مصممة خصيصًا لهيكل الطائرة.

كان محرك YF119 في طائرة YF-23 مزودًا بفوهة تمدد أحادية (SERN) تتكون من رفرف إسفيني متغير، أو مجداف، في الأعلى للتحكم في مساحة الفوهة، ومنحدر ثابت في الأسفل، والذي يتحول بدوره إلى حوض أعلى سطح المؤخرة لجسم الطائرة. ورغم أن فوهة التمدد الأحادية (SERN) كانت تفتقر إلى خاصية توجيه الدفع، إلا أنها سمحت بتبريد العادم بشكل أكبر في الأحواض، مما قلل بشكل ملحوظ من البصمة الحرارية عند النظر إليها من أسفل الطائرة؛ وقد بُطّنت الأحواض في سطح المؤخرة ببلاطات عازلة للحرارة مصنوعة من مادة مسامية تُسمى "لاميلوي" من شركة ديترويت ديزل أليسون ، وتم تبريدها عن طريق " التعرق " من هواء سحب المحرك لتحمل حرارة العادم. ^{[ 17 ]}

زُوِّدت طائرات X-32 وX-35 بمحركات YF119 المتخصصة، التي كانت مزودة بإمكانية الإقلاع القصير والهبوط العمودي (STOVL). وكان كلا المحركين من فئة محركات الدفع 40,000 رطل (178 كيلو نيوتن) . يحتوي محرك YF119-PW-614 في طائرة X-32 على فوهة توجيه دفع محورية وصمامات لإعادة توجيه عادم المحرك والهواء المسحوب لتوفير قوة رفع مباشرة، على غرار محرك بيغاسوس في طائرة هارير . في المقابل، يحتوي محرك YF119-PW-611 في طائرة X-35 على فوهة دائرية متناظرة محوريًا قابلة للدوران للأسفل، بينما يقوم بكرة الضغط المنخفض بتشغيل مروحة رفع تعمل بواسطة قابض؛ كما يتم توجيه هواء التجاوز من المحرك إلى دعامات الدوران لزيادة قوة الرفع والاستقرار. فازت الطائرة X-35 بمسابقة JSF وتم تطوير نظام مروحة الرفع الذي يعمل بعمود الدوران، والذي يسمى LiftSystem ، بالكامل بواسطة رولز رويس وبرات آند ويتني للطائرة F135-PW-600. ^{[ 21 ]}  

• YF119-PW-100L : محرك نموذجي للطائرة YF-22 ؛ مصنف بقوة دفع 30000 رطل.
• YF119-PW-100N : محرك نموذجي للطائرة YF-23 ؛ مصنف بقوة دفع 30000 رطل.
• F119-PW-100 : محرك إنتاجي للطائرة F-22A بمروحة أكبر ونسبة تجاوز متزايدة (BPR) مصنف لفئة قوة دفع 35000 رطل.
• YF119-PW-611 : محرك نموذجي للطائرة X-35 ؛ مصنف بقوة دفع 40000 رطل.
• YF119-PW-614 : محرك نموذجي للطائرة X-32 ؛ مصنف بقوة دفع 40000 رطل.

• بوينغ إكس-32 (YF119-PW-614)
• لوكهيد YF-22 (YF119-PW-100L)
• لوكهيد مارتن إف-22 رابتور (إف119-بي دبليو-100)
• لوكهيد مارتن إكس-35 (YF119-PW-611)
• نورثروب YF-23 (YF119-PW-100N)
• روكويل بي-1 آر لانسر (مقترح) (F119-PW-100)

بيانات من أرونستين وهيرشبيرج، ^{[ 8 ] [ 5 ]} برات آند ويتني، ^{[ 22 ]} RAND، ^{[ 11 ]} أسبوع الطيران، ^{[ 23 ]} USAF TO-00-85-20. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

الخصائص العامة

• النوع: توربيني مروحي مزدوج البكرة، ذو تدفق محوري معزز
• الطول: 196  بوصة (497.8  سم) مع فتح أغطية الفوهة ^{[ N 3 ]}
• القطر: 97  سم (38  بوصة) عند المدخل، 122 سم  (48  بوصة) إجمالاً، 127 سم  (50  بوصة) كحد أقصى
• الوزن الجاف: حوالي 5000  رطل (2270  كجم) إجمالاً ^{[ 25 ] [ N 4 ]}

عناصر

• الضاغط: مروحة ثلاثية المراحل، ضاغط عالي الضغط سداسي المراحل
• نسبة التجاوز : 0.30:1
• غرف الاحتراق : غرفة احتراق حلقية
• التوربين : توربينات ذات مرحلة واحدة عالية الضغط، وتوربينات ذات مرحلة واحدة منخفضة الضغط تدور في اتجاهين متعاكسين.
• الفوهة : توجيه ثنائي الأبعاد متقارب-متباعد
• نوع الوقود: JP-8

أداء

• أقصى قوة دفع :
  • 26000  رطل (116  كيلو نيوتن) (قوة عسكرية/متوسطة)
  • >35000  رطل (156  كيلو نيوتن) (مع الحارق اللاحق ) ^{[ N 5 ] [ 28 ]}
• نسبة الضغط الإجمالية : 26:1
• درجة حرارة مدخل التوربين: 3000  درجة فهرنهايت (1649  درجة مئوية؛ 1922  كلفن)
• نسبة الدفع إلى الوزن : 5.2:1 (متوسطة)، 7.0:1 (الاحتراق اللاحق)

التطورات ذات الصلة

• برات آند ويتني F135

محركات مماثلة

• جنرال إلكتريك YF120
• زحل AL-41
• ساتورن AL-51
• شيان WS-15

قوائم ذات صلة

• قائمة محركات الطائرات

• برات آند ويتني F119
• صفحة F119 على موقع GlobalSecurity.org