چرا جنگنده F-35 Lightning II فقط یک موتور دارد؟

با این وجود، انتخاب سیستم پیشرانه برای جنگنده اف 35 تنها محدود به جنبه موتور نمی‌شد و به طراحی کلی برنامه جنگندۀ چند منظوره وابسته بود. این برنامه به منظور استفاده از اجزا و سامانه‌های مشترک و همچنین مدیریت وزن و هزینه‌های موجود در نسخه‌های مختلف جنگنده، به شکل‌گیری رسید.

به همین جهت، سوال کلیدی این نیست که آیا یک جنگنده نسل پنجم می‌تواند با یک موتور پرواز کند یا خیر. نکته قابل توجه‌تر این است که چرا برنامه جنگندۀ چند منظوره از مراحل اولیه به سوی معماری تک‌موتوره اشتغال پیدا کرده است.

چالش‌های ایجاد پیشرانه در جنگندۀ F-35 Lightning II

راز طراحی تک‌موتوره بودن جنگنده F-35 Lightning II تنها در موتور یا نیازهای فنی یک مدل خاص نهفته نیست. شروع این پروژه از جایی دیگر رقم خورد؛ هدف اصلی، ایجاد یک خانواده از جنگنده‌ها برای سه بخش مختلف ارتش آمریکا بود که از قطعات و سامانه‌هایی با طراحی و آرایش مشابه بهره‌مند شوند. لاکهید مارتین در سال ۲۰۰۲ اذعان کرد که بهینه‌بودن هزینه‌های پروژه و موادی که به‌طور مشترک در سه مدل F-35 به کار می‌روند، از اهداف مرکزی برنامه جنگنده چند منظوره محسوب می‌شود.

بر این اساس، طراحان موظف بودند معماری‌ای را ایجاد کنند که برای F-35A نیروی هوایی، F-35C نیروی دریایی، و F-35B تفنگداران دریایی مناسب باشد. هدف فراتر از ساخت سه نوع کاملاً متفاوت از جنگنده‌هایی با یک نام مشترک بود؛ سه مدل قرار بود با وجود تفاوت‌ها در مأموریت و روش‌های اجرایی، به‌طور قابل توجهی از یک چارچوب مهندسی و اقتصادی مشترک بهره‌برداری کنند.

موتور نیز بخشی از این معادله به حساب می‌آید. در صورتی که هر مدل موتور خاصی داشته باشد، به اشتراک‌گذاری طراحی دشوارتر می‌شود و تفاوت‌ها میان سه نوع جنگنده افزایش خواهد یافت. با این حال، فشار اصلی در این زمینه از سمت F-35B وارد می‌شد؛ زیرا این نسخه به‌ویژه ملزم به تعبیه سیستمی بود که امکان برخاست کوتاه و فرود عمودی (STOVL) را فراهم می‌کرد.

بنابراین موتور آن باید به‌جز تأمین توان لازم برای پرواز افقی، توانایی قرار گرفتن در داخل بدنه‌ای با محدودیت فضای قابل استفاده و وزن را نیز داشته باشد و همچنین روش متفاوتی برای فرود را ممکن سازد. همین نیاز خاص، طراحی تک‌موتوره F-35B را یکی از چالش‌های بزرگ در روند طراحی کل خانواده جنگنده تبدیل کرد.

فن بالابر چگونه امکان استفاده از یک موتور را فراهم آورد؟

ریشه راه‌حل اتخاذ شده برای F-35B به طرح مفهومی ابتدایی لاکهید مارتین با نام رمز «220-2» بازمی‌گردد. در این طرح، ایده فن بالابر که به موتور اصلی متصل است یا همان Shaft-driven Lift Fan در نظر گرفته شد. لاکهید مارتین این فناوری را یک دستاورد مهندسی قلمداد می‌کند که در فرآیند ساخت نمونه آزمایشی و رقابت برای برنامه JSF موثر بوده است. ایده اصلی بر این اساس بود که به‌جای نصب یک موتور دوم که تنها در زمانی که نیاز به برخاست و فرود عمودی هست فعال گردد، از موتور اصلی جنگنده در به‌کارگیری فن بالابر استفاده شود.

این فن در جلوی موتور نصب شده و از طریق یک اتصال مکانیکی، نیرو را از موتور اصلی می‌گیرد. به این شکل، همان موتوری که برای پرواز عادی استفاده می‌شود، در حالت STOVL نیز قسمتی از توان خود را به سیستم بالابر اختصاص می‌دهد. این روش، قابلیت فرود عمودی را فراهم می‌سازد و در عین حال اصل استفاده از یک موتور مشترک در سه نسخه جنگنده F-35 Lightning II را حفظ می‌کند.

البته یک موتور به مفهوم ساده‌تر شدن سیستم نیست. در پرواز عادی، موتور F135 گازهای خروجی را به سمت عقب هدایت می‌کند تا نیروی پرواز رو به جلو تأمین گردد. در زمان تغییر به حالت STOVL، درها حول فن بالابر و نازل عقب باز می‌شوند و سیستم انتقال نیرو فن بالابر را به موتور متصل کرده و فعال می‌سازد. همزمان با این رخداد، ماژول چرخان سه‌یاتاقانه نازل عقب را حدود ۹۵ درجه به سمت پایین می‌چرخاند.

به این ترتیب، فن جلویی و خروجی عقب موتور همکاری کرده و نیروی کافی برای عملیات عمودی تأمین می‌کنند، بدون آنکه احتیاج به یک موتور جداگانه باشد. این طراحی به فشار طراحی زیادی روی پیشرانه وارد می‌کرد. موتور F135 باید به‌همان اندازه‌ای توان مورد نیاز برای یک جنگنده نسل پنجم را تأمین و همچنین فشارهای مکانیکی و حرارتی ناشی از عملکرد سیستم STOVL در F-35B را تحمل نماید.

تمایز میان F-35B و هریر در برخاست و فرود عمودی

هواپیمای هریر که توسط BAe تولید شده و به‌عنوان نسل قبلی F-35B در زمینه برخاست کوتاه و فرود عمودی شناخته می‌شود، نسبت به F-35B دارای طراحی ساده‌تری بود. هریر از موتور Rolls-Royce Pegasus استفاده کرده و گازهای خروجی موتور را از طریق چهار نازل چرخان به سمت پایین هدایت می‌کرد. این نازل‌ها جریان خروجی را به سمت پایین تابانده و نیروی لازم برای برخاست عمودی یا پرواز معلق را تولید می‌کردند.

با این حال، این روش با یک محدودیت رو‌به‌رو بود. جریان خروجی هریر بسیار متمرکز و داغ بود و به‌دلیل شدت بالای خود می‌توانست به سطوح فرود آسیب برساند. این عامل یکی از موانع محدودکننده زمان پرواز معلق ایمن این هواپیما بود. در F-35B، ساختار مبتنی بر محور انتقال نیرو سعی کرد تا این مشکل را از طریق طراحی متفاوتی حل کند.

موتور هواپیما هنگام ورود به حالت معلق نیازی به کناره‌گذاری کامل نقش یک موتور جنگنده معمولی ندارد. در حقیقت، توان تولیدشده به‌وسیله موتور میان اجزاء مورد نیاز برای پرواز عمودی تقسیم می‌شود. فن بالابر که در بخش جلویی موتور قرار دارد، نیروی عمودی تولید کرده و خروجی در قسمت عقب هنوز بخشی از رانش موتور را مدیریت می‌کند. به این ترتیب، F-35B قابلیت جابه‌جایی میان حالت‌های پرواز مختلف را بدون نیاز به یک موتور دوم اختصاصی پیدا می‌کند.

آزمایش‌های چالشی F-35B

برنامه آزمایشی F-35B با مجموعه‌ای از آزمایشات که به تدریج دشواری آنها افزایش می‌یافت تشکیل شده بود. تیم توسعه ابتدا بایستی عملکرد اجزا از جمله سامانه پیشرانه، فن بالابر، نازل چرخان و سامانه‌های کنترلی را در شرایط مختلف مورد آزمایش قرار می‌دادند و سپس به تست‌های عملیاتی پیچیده‌تر می‌پرداختند. گراهام تاملینسون، خلبان آزمایشی اولین فرود عمودی رسمی این برنامه را در تاریخ ۱۸ مارس ۲۰۱۰ در پایگاه هوایی نیروی دریایی پاتوکسنت ریور و فرودگاه تراپنل فیلد انجام داد.

او پیش از فرود، هواپیما را به مدت یک دقیقه در ارتفاع ۱۵۰ فوتی (تقریباً ۴۵ متر) در حالت معلق نگه داشت. سه ماه بعد، یک فروند F-35B موفق شد به سرعت مافوق صوت دست یابد. این رویداد به‌خوبی اهمیت خود را نشان می‌دهد، زیرا نشان می‌دهد هواپیما باید بتواند بین دو وضعیت کاملاً متفاوت عمل کند: از یک سو پرواز مافوق صوت مانند یک جنگنده پیشرفته و از سوی دیگر پرواز معلق و فرود عمودی با استفاده از سامانه‌ای مکانیکی و چندبخشی.

تا اکتبر ۲۰۱۱، یک فروند F-35B توانست تا فرود عمودی بر یک ناو تهاجمی آبی‌خاکی نیروی تفنگداران دریایی انجام دهد. این آزمایش توان عملیاتی سامانه را در محیطی غیرزمینی معین کرد. این موفقیت‌ها ثابت کردند که معماری تک‌موتوره F-35B تنها یک ایده نظری نیست.

چالش‌های کلیدی؛ وزن و فضای داخلی

اثبات امکان وجود یک سامانه تنها یکی از موانع موجود در فرآیند توسعه جنگنده F-35 Lightning II بود. پرسش‌هایی که باید پاسخ داده می‌شد این بود که آیا هواپیما قادر است تمامی این تجهیزات را حمل کند و به اهداف تعیین‌شده از لحاظ وزن و عملکرد دست یابد یا خیر. این موضوع تیم پروژه جنگنده چند منظوره را مجبور به انجام یکی از بزرگ‌ترین بازطراحی‌ها در تاریخ F-35B کرد.

برنامه در ابتدا حاشیه وزنی کافی برای اسراف در اضافه کردن یک موتور دوم در اختیار نداشت. پس از بررسی‌های اولیه طراحی، مهندسان لاکهید مارتین دریافتند که وزن پیش‌بینی شده واقعی F-35B با اهداف تعیین‌شده همخوانی ندارد. در نتیجه، تیم توسعه به مدت شش ماه طراحی را معلق کرد تا بازطراحی جامع‌تری روی F-35B انجام دهد.

مشکل اصلی این بود که جنگنده F-35 Lightning II روی کاغذ بیش از حد سنگین ارزیابی شده بود. بنابراین مهندسان در مرحله اول بایستی فضایی برای وزن قرار می‌دادند نه اینکه یک سیستم پیشرانه بزرگ دیگر به آن اضافه کنند. در چنین شرایطی، موتور دوم عملاً به‌عنوان یک گزینه ساده یا کم‌هزینه مطرح نبود.

• چرا جنگنده‌های جدید F-35 بدون رادار به خریداران تحویل می‌شوند؟
• مقایسه بین F-35 و F-22؛ دوئل جنگنده‌های رادارگریز برتر جهان
• چرا بوئینگ X-32 در رقابت جنگنده JSF شکست خورد؟
• چرا جنگنده F-35 از تسلیحات خود در بدنه پنهان استفاده می‌کند؟

نقش ستون‌های غلتشی در کنترل پرواز

پیچیدگی سامانه STOVL تنها محدود به فن بالابر و نازل چرخان نیست. ستون‌های غلتشی یا Roll Posts که در هر بال F-35B تعبیه شده‌اند، بخشی از سامانه کنترل پرواز را شامل می‌شوند. این ستون‌ها از هوای برداشت‌شده از موتور اصلی بهره‌برداری می‌کنند و برای ایجاد کنترل جانبی در حین پرواز معلق به کار می‌روند.

در زمانی که هواپیما در حالت عادی پرواز می‌کند، بال‌ها نیروی بالابر و کنترل پرواز حیاتی را تأمین می‌کنند. اما هنگام انتقال از پرواز افقی به وضعیت معلق، نقش بال‌ها کمتر می‌شود و هواپیما باید بیشتر به نیروهای ایجادشده توسط سیستم پیشرانه عمودی اولیه اتکا کند. در این مرحله، ستون‌های غلتشی به خلبان کمک می‌کنند تا پایداری جانبی این هواپیما را حفظ کند و آن را در حالت متعادل قرار دهد.

این مقطع از پرواز یکی از دشوارترین مراحل عملکرد F-35B به شمار می‌آید، چرا که هواپیما باید بین نیروی بالابر آیرودینامیکی بال‌ها و نیروی بالابر عمودی انتقال پیدا کند. ستون‌های غلتشی در همین زمان مأموریت مهمی را ایفا کرده و اجازه می‌دهند تا هواپیما در حین تغییر وضعیت، کنترل خود را از دست ندهد.

چرا موتور دوم کنار گذاشته شد؟

بازطراحی شش‌ماهه F-35B به‌وضوح نشان می‌دهد که چرا افزوده شدن یک موتور دوم از ابتدا راه‌حل مناسبی نبوده است. مشکل صرفاً شامل وزن موتور نیست. اضافه‌کردن یک موتور دوم نیازمند فضای بیشتر، ورودی‌های هوا، خطوط انتقال، ساختار تقویت‌شده، سامانه‌های کنترلی و تجهیزات نگهداری می‌باشد. این مجموعه تغییرات به‌طور همزمان به وزن و پیچیدگی اضافه می‌کند.

از طرف دیگر، این جنگنده باید فن بالابر و سیستم جابجایی مکانیکی آن را در بدنه‌ای محدود جای دهد. افزوده شدن یک موتور دوم می‌توانست فضای ضروری برای این سامانه‌ها را تحت تأثیر قرار داده و یا موجب می‌شد تا طراحان به بازنگری حجم وسیعی از بدنه و ساختار داخلی جنگنده بپردازند. در چنین شرایطی، کاهش وزن و بازطراحی اجزای موجود منطقی‌تر از اضافه کردن یک سامانه پیشرانه مستقل به نظر می‌رسید.

این تصمیم به برنامه این اجازه را داد تا موتور واحد حفظ بماند و همزمان ساختار مشترک میان نسخه‌های مختلف F-35 Lightning II دست نخورده باقی بماند. این بازطراحی تنها برای F-35B اهمیت نداشت. کاهش وزن ناشی از اعمال تغییرات صورت گرفته، برای F-35A و F-35C نیز مفید واقع شد و ایده اصلی برنامه را تقویت کرد. ایده‌ای که بر اساس آن سه نسخه مختلف F-35، با وجود تفاوت‌ها در مأموریت و شیوه‌های عملیاتی، همچنان بخشی از یک برنامه مشترک محسوب می‌شوند.

• ۶ نقص عمده جنگنده F-35؛ از آسیب در سرعت مافوق صوت تا هزینه‌های تریلیون دلاری
• دلایل اینکه چرا جنگنده‌های F-35 هنوز از موشک‌های ۷۰ ساله آمریکا استفاده می‌کنند؟
• فناوری شگفت‌انگیز صندلی F-35؛ چطور سیستم اجکت خودکار جان خلبان را نجات می‌دهد؟
• چرا F-55 نمی‌تواند جایگزین واقعی جنگنده F-35 باشد؟

تبعات انتخاب موتور واحد برای آینده F-35

پس از تثبیت معماری مشترک، پیامدهای تصمیم‌گیری در خصوص پیشرانه فراتر از نسخه STOVL به نحوه به‌روزرسانی و توسعه آتی خانواده جنگنده F-35 Lightning II تأثیر گذاشت. انتخاب موتور واحد تنها به معنای کاهش پروفای انواع موتورها در برنامه نبود؛ بلکه کل طراحی جنگنده بر اساس این فرض شکل گرفت که یک موتور منبع اصلی توان آن خواهد بود.

سامانه‌های مشترک F-35 شامل فضای داخلی، ساختارهای خنک‌کننده و معماری پیشرانه، همگی بر مبنای این فرض ایجاد شده‌اند. بنابراین، هرگونه تغییر آتی باید در چارچوب بدنه‌ای صورت گیرد که فضای داخلی و وزن قابل‌استفاده آن به دقت برنامه‌ریزی شده است. این هواپیما در ابتدا با حاشیه‌های قابل قبولی طراحی نشده تا بعداً بدون محدودیت هر سامانه جدیدی را به آن اضافه کنند.

این موضوع در حین تکامل سامانه‌های مأموریتی اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. نیاز به حسگرهای بیشتر، تجهیزات مأموریتی پیشرفتۀ و نیازهای رو به رشد به ظرفیت الکتریکی و خنک‌کنندگی، توسط منابع موجود در معماری همان جنگنده با یکدیگر در رقابت هستند.

هر قابلیت جدید باید به‌طور همزمان بدون سرکوب کردن تصمیم‌های طراحی اولیه در مورد هواپیما، ادغام شود؛ جایی که همین تصمیمات باعث شدند مدل‌های F-35A، F-35B و F-35C از یک پایه مشترک بهره‌برداری کنند. به بیان روشن، هر ارتقا باید در فضای محدود موجود جای گرفته، وزن هواپیما را در محدوده قابل قبول حفظ کرده و نیازهای انرژی و خنک‌کنندگی خود را نیز تأمین کند.

آیا معماری تک‌موتوره برای آینده کافی است؟

این موضوع ما را به پرسش اصلی برمی‌گرداند. استفاده از یک موتور واحد مسئله‌ای مهم را در سطح برنامه حل کرده و به اشتراک‌گذاری بین نسخه‌های مختلف جنگنده F-35 Lightning II افزوده است؛ اما در عوض، هر تغییر آتی باید پیامدهای همین تصمیم را نیز بپذیرد. بنابراین سوال اصلی این نیست که آیا لاکهید مارتین از همان ابتدا می‌توانست یک F-35 با دو موتور طراحی کند یا خیر. پرسش اساسی‌تر این است که آیا معماری انتخاب‌شده در آن زمان، به‌طور کافی برای نیازهای عملیاتی و توسعه‌های آتی جنگنده در سال‌های آینده کارایی لازم را دارد یا خیر.

پیامد گسترده‌تر این تصمیم بدین معناست که معماری تک‌موتوره F-35 دیگر تنها به مأموریت اولیه این جنگنده مربوط نمی‌شود. موضوع اصلی اکنون این است که آیا این معماری ظرفیت پذیرش قابلیت‌های جدید را دارد یا خیر. جنگنده چند منظوره بر اساس یک بدنه واحد و سامانه‌های مشترک ساخته شده است؛ بنابراین، اهمیت حفظ آرایش پیشرانه واحد به این بستگی دارد که آیا این طراحی می‌تواند فضای کافی برای تکامل آینده فراهم سازد یا خیر.

• نوآورترین جنگنده‌های تاریخ در هر نسل؛ ۱۲ جنگنده پیشگام که تاریخ نبرد هوایی را دگرگون کردند
• شکارچی بی‌رحم در آسمان؛ فناوری‌های پنهان جنگنده سوخو 35 که نمی‌دانستید
• ۵ جت جنگنده از دهه ۱۹۷۰ که هنوز در حال خدمت هستند
• پرواز موفقیت‌آمیز جنگنده خودگردان فیوری؛ پایان عصر خلبانان جنگی

اگر قابلیت‌های جدید، تجهیزات بیشتر و سامانه‌های پیشرفته‌تر بدون ایجاد فشار تازه بر وزن و فضای داخلی به هواپیما اضافه شوند، معماری فعلی هنوز می‌تواند نیازهای برنامه را برآورده سازد. اما اگر هر ارتقا منجر به تکرار چالش‌های وزنی و فضایی ای شود که در دوران توسعه F-35B وجود داشت، برنامه با مشکلات جدیدی رو‌به‌رو خواهد شد.