انتخاب یک موتور برای جنگنده F-35 Lightning II شاید در یک جنگنده معمولی تصمیمی منطقی باشد، اما نسخه F-35B شرایط متفاوتی دارد.

لاکهید مارتین جنگنده F-35 را برای خدمت در سه شاخه ارتش آمریکا طراحی کرد، اما همه نسخه‌های آن را به یک موتور واحد مجهز ساخت. بر اساس آخریناخبار نظامیاین تصمیم در یک جنگنده معمولی می‌تواند منطقی به نظر برسد، اما درباره F-35B پرسش‌های بیشتری ایجاد می‌کند. F-35B باید علاوه بر پرواز عادی قابلیت برخاست کوتاه و فرود عمودی یا STOVL را نیز داشته باشد.

با این حال، انتخاب یک موتور برایجنگنده اف 35فقط به موضوع پیشرانه مربوط نمی‌شد و با طراحی کلی برنامه جنگنده ضربتی مشترک ارتباط داشت. این برنامه با هدف استفاده مشترک از قطعات و سامانه‌ها و همچنین کنترل وزن و هزینه نسخه‌های مختلف جنگنده شکل گرفته بود.

به همین دلیل، پرسش اصلی این نیست که آیا یک جنگنده نسل پنجم می‌تواند با یک موتور پرواز کند یا نه. مسئله مهم‌تر این است که چرا برنامه جنگنده ضربتی مشترک از ابتدا معماری تک‌موتوره را پذیرفت.

چالش ساخت پیشرانه در جنگنده F-35 Lightning II

راز تک‌موتوره بودن جنگنده F-35 Lightning II را نباید فقط در طراحی موتور یا نیازهای فنی یک نسخه خاص جست‌وجو کرد. نقطه شروع این پروژه، خود موتور نبود؛ بلکه هدف اصلی ساخت خانواده‌ای از جنگنده‌ها برای سه شاخه ارتش آمریکا بود که تا حد امکان از قطعات، سامانه‌ها و معماری مشترک استفاده کنند. لاکهید مارتین در سال ۲۰۰۲ اعلام کرد که مقرون‌به‌صرفه‌بودن پروژه و اشتراک گسترده قطعات و سامانه‌ها میان سه نسخه F-35، از اهداف اصلی برنامه جنگنده ضربتی مشترک یا Joint Strike Fighter به شمار می‌رود.

بر همین اساس، طراحان باید معماری‌ را ایجاد می‌کردند که بتواند برای F-35A نیروی هوایی آمریکا، F-35C نیروی دریایی آمریکا و F-35B تفنگداران دریایی آمریکا مورد استفاده قرار گیرد. هدف این نبود که سه هواپیمای کاملاً متفاوت با یک نام مشترک ساخته شود؛ بلکه قرار بود هر سه نسخه، با وجود تفاوت در مأموریت و شیوه عملیات تا حد زیادی از یک برنامه مهندسی و اقتصادی مشترک بهره ببرند.

پیشرانه نیز بخشی از همین معادله بود. اگر برای هر نسخه موتور متفاوتی انتخاب می‌شد، اشتراک‌گذاری طراحی دشوارتر می‌شد و تفاوت میان سه هواپیما افزایش پیدا می‌کرد. با این حال، فشار اصلی در این زمینه از سوی F-35B وارد می‌شد؛ زیرا این نسخه باید سامانه‌ای را در خود جای می‌داد که امکان برخاست کوتاه و فرود عمودی یا STOVL را فراهم کند.

بنابراین موتور آن نباید فقط رانش لازم برای پرواز رو به جلو را فراهم می‌کرد؛ سامانه پیشرانه باید درون بدنه‌ای با محدودیت فضا و وزن جا می‌گرفت و در عین حال، روش متفاوتی از فرود را نیز ممکن می‌ساخت. همین نیاز ویژه، تک‌موتوره‌بودن F-35B را به یکی از پیچیده‌ترین بخش‌های طراحی کل خانواده تبدیل کرد.

• پرفروش‌ترین جنگنده‌های غربی در سال ۲۰۲۶؛ از Typhoon تا F-35 Lightning II
• ۵ جنگنده برتر جهان که رکوردداران سرعت اوج‌گیری هستند را بشناسید
• هزینه‌های سنگین جنگنده F-35، متحدان آمریکا را فراری می‌دهد
• رقابت نفس‌گیر با F-35؛ جنگنده J-20 چین با موتور بومی WS-15 وارد عصر جدید شد

فن بالابر چگونه استفاده از یک موتور را ممکن کرد؟

ریشه راه‌حل انتخاب‌شده برای F-35B به طرح مفهومی اولیه لاکهید مارتین با نام داخلی «220-2» بازمی‌گردد. در این طرح، ایده فن بالابر متصل به محور موتور یا Shaft-driven Lift Fan مطرح شد. لاکهید مارتین این فناوری را دستاوردی مهندسی توصیف کرده که به این شرکت در مرحله ساخت نمونه آزمایشی و رقابت برنامه JSF کمک کرد. ایده اصلی این بود که به‌جای نصب موتور دومی که فقط هنگام برخاست و فرود عمودی کار کند، از موتور اصلی هواپیما برای به‌کارانداختن فن بالابر استفاده شود.

این فن در بخش جلویی موتور قرار دارد و از راه یک اتصال مکانیکی، توان لازم را از موتور اصلی دریافت می‌کند. به این ترتیب، همان موتوری که نیروی پرواز معمولی را فراهم می‌کند، در حالت STOVL نیز بخشی از توان خود را در اختیار سامانه بالابر قرار می‌دهد. این راه‌حل، امکان فرود عمودی را فراهم کرد، بی‌آنکه اصل استفاده از یک موتور مشترک در سه نسخه جنگنده F-35 Lightning II کنار گذاشته شود.

البته یک موتور به معنای یک سامانه ساده نیست. در پرواز معمولی، موتور F135 گازهای خروجی را به عقب هدایت می‌کند تا هواپیما نیروی رانش رو به جلو داشته باشد. هنگام تغییر وضعیت به حالت STOVL، درهای اطراف فن بالابر و نازل عقب باز می‌شوند و سامانه انتقال نیرو، فن بالابر را به موتور متصل و فعال می‌کند. هم‌زمان، ماژول چرخان سه‌یاتاقانه، نازل عقب را حدود ۹۵ درجه به سمت پایین می‌چرخاند.

در نتیجه، فن جلویی و خروجی عقب موتور در کنار یکدیگر نیروی لازم برای عملیات عمودی را فراهم می‌کنند، بدون آنکه موتور جداگانه‌ای برای این کار وجود داشته باشد. این آرایش، فشار طراحی زیادی بر پیشرانه وارد می‌کرد. موتور F135 باید هم توان موردنیاز یک جنگنده نسل پنجم را تأمین می‌کرد و هم فشارهای مکانیکی و حرارتی ناشی از کارکرد سامانه STOVL در F-35B را تحمل می‌کرد.

تفاوت F-35B با هریر در برخاست و فرود عمودی

هواپیمای هریر ساخت BAe که نسل قبلی F-35B در حوزه برخاست کوتاه و فرود عمودی محسوب می‌شود، در مقایسه با F-35B از طراحی ساده‌تری برخوردار بود. هریر از یک موتور Rolls-Royce Pegasus استفاده می‌کرد و گازهای خروجی موتور را از طریق چهار نازل چرخان تغییر جهت می‌داد. این نازل‌ها جریان خروجی موتور را به سمت پایین هدایت می‌کردند و نیروی لازم برای برخاست عمودی یا پرواز معلق را به وجود می‌آوردند.

با این‌ حال، این روش یک محدودیت مهم داشت. جریان خروجی هریر بسیار متمرکز و داغ بود و به‌دلیل شدت بالای خود می‌توانست به سطوح آماده‌نشده آسیب بزند. همین مسئله، یکی از عواملی بود که مدت زمان پرواز معلق ایمن هواپیما را محدود می‌کرد. در F-35B، ساختار مبتنی بر محور انتقال نیرو تلاش می‌کند این مشکل را از راه معماری متفاوتی حل کند.

موتور هواپیما هنگام ورود به حالت معلق، مجبور نیست به‌طور کامل نقش یک موتور جنگنده معمولی را کنار بگذارد. در عوض، توان تولیدشده توسط موتور میان سامانه‌های موردنیاز برای پرواز عمودی تقسیم می‌شود. فن بالابر که در جلوی موتور قرار گرفته است، نیروی عمودی ایجاد می‌کند و سامانه خروجی عقب همچنان مدیریت بخشی از رانش موتور را بر عهده دارد. به این ترتیب، F-35B بدون حمل یک موتور دوم اختصاصی می‌تواند میان حالت‌های مختلف پرواز جابه‌جا شود.

• رقابت سرعت جنگنده F-35B با خودرو فراری SF90 در پایگاه هوایی ایتالیا
• فناوری عجیب کانوپی جنگنده F-35؛ ترکیبی از شیشه هوشمند، پوشش ضد رادار و محافظ
• مقایسه توانایی رادارگریزی جنگنده J-20 و F-35؛ آیا چین به سطح تکنولوژی آمریکا رسیده است؟
• هوش مصنوعی اهداف ناشناس را برای جنگنده F-35 شناسایی می‌کند

آزمایش‌های دشوار F-35B

برنامه آزمایشی F-35B شامل مجموعه‌ای از آزمایش‌ها بود که به‌تدریج دشوارتر می‌شدند. تیم توسعه ابتدا باید عملکرد اجزای سامانه پیشرانه، فن بالابر، نازل چرخان و سامانه‌های کنترل را در شرایط مختلف بررسی می‌کرد و سپس به سراغ آزمایش‌های عملیاتی پیچیده‌تر می‌رفت. گراهام تاملینسون، خلبان آزمایشی نخستین فرود عمودی رسمی این برنامه را در 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 کامل در ارتفاع ۱۵۰ فوتی، معادل حدود ۴۵ متر در حالت معلق نگه داشت. سه ماه بعد، یک فروند F-35B توانست از سرعت صوت عبور کند. این رویداد اهمیت زیادی داشت، زیرا نشان می‌داد هواپیما باید بتواند میان 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 نیز یک فروند F-35B توانست فرود عمودی روی یک ناو تهاجمی آبی‌خاکی نیروی تفنگداران دریایی آمریکا را انجام دهد. این آزمایش، قابلیت عملیاتی سامانه را در محیطی متفاوت از پایگاه زمینی نشان داد. این دستاوردها ثابت کردند که معماری تک‌موتوره F-35B فقط یک ایده نظری نیست.

چالش اصلی؛ وزن و فضای داخلی

اثبات امکان‌پذیری سامانه تنها یکی از چالش‌های برنامه توسعه جنگنده F-35 Lightning II بود. پرسش دشوارتر این بود که آیا هواپیما می‌تواند تمام این تجهیزات را حمل کند و همچنان به اهداف تعیین‌شده از نظر وزن و عملکرد برسد یا نه. همین مسئله تیم برنامه جنگنده ضربتی مشترک را مجبور کرد یکی از مهم‌ترین بازطراحی‌های تاریخ توسعه F-35B را انجام دهد.

برنامه از ابتدا حاشیه وزن زیادی در اختیار نداشت که بتوان آن را به‌راحتی صرف اضافه‌کردن یک موتور دوم کرد. پس از بررسی‌های اولیه طراحی، مهندسان لاکهید مارتین متوجه شدند وزن پیش‌بینی‌شده واقعی F-35B با اهداف تعیین‌شده مطابقت ندارد. در نتیجه، تیم توسعه برای مدت شش ماه روند طراحی را متوقف کرد و بازطراحی گسترده‌ای را روی F-35B انجام داد.

مشکل اصلی این بود که جنگنده F-35 Lightning II روی کاغذ، بیش از اندازه سنگین شده بود. بنابراین مهندسان ابتدا باید حاشیه وزنی ایجاد می‌کردند، نه اینکه یک سامانه پیشرانه بزرگ دیگر به آن اضافه کنند. در چنین شرایطی، موتور دوم عملاً گزینه‌ای ساده یا کم‌هزینه نبود.

• چرا جنگنده‌های جدید F-35 بدون رادار تحویل داده می‌شوند؟
• مقایسه F-35 با F-22؛ دوئل تمام‌عیار برترین جنگنده‌های رادارگریز جهان
• چرا بوئینگ X-32 در رقابت جنگنده JSF از F-35 شکست خورد؟
• چرا جنگنده F-35 لایتنینگ تسلیحات خود را داخل بدنه پنهان می‌کند؟

نقش ستون‌های غلتشی در کنترل هواپیما

پیچیدگی سامانه STOVL فقط به فن بالابر و نازل چرخان محدود نمی‌شود. ستون‌های غلتشی یا Roll Posts که در هر بال F-35B تعبیه شده‌اند، بخش دیگری از سامانه کنترل هواپیما را تشکیل می‌دهند. این ستون‌ها با استفاده از هوای برداشت‌شده از موتور اصلی تغذیه می‌شوند و برای ایجاد کنترل جانبی در زمان پرواز معلق به کار می‌روند.

در پرواز عادی، بال‌ها بخش مهمی از نیروی بالابر و کنترل هواپیما را فراهم می‌کنند. اما هنگام انتقال از پرواز افقی به حالت معلق، نقش بال‌ها کاهش پیدا می‌کند و هواپیما باید بیشتر به نیروهای ایجادشده توسط سامانه پیشرانه عمودی متکی باشد. در این مرحله، ستون‌های غلتشی به خلبان کمک می‌کنند پایداری جانبی هواپیما را حفظ کند و آن را در وضعیت متعادل نگه دارد.

این بخش از پرواز یکی از دشوارترین مراحل عملکرد F-35B است، زیرا هواپیما باید میان نیروی بالابر آیرودینامیکی بال‌ها و نیروی بالابر عمودی جت انتقال پیدا کند. ستون‌های غلتشی در همین دوره نقش مهمی دارند و اجازه می‌دهند هواپیما هنگام تغییر وضعیت، کنترل خود را از دست ندهد.

چرا موتور دوم کنار گذاشته شد؟

بازطراحی شش‌ماهه F-35B به‌خوبی نشان می‌دهد که چرا اضافه‌کردن موتور دوم از ابتدا راه‌حل مناسبی نبود. مشکل فقط وزن خود موتور نبود. یک موتور دوم به فضای بیشتر، ورودی‌های هوا، مسیرهای انتقال، سازه تقویت‌شده، سامانه‌های کنترلی و تجهیزات نگهداری نیاز داشت. این مجموعه تغییرات، وزن و پیچیدگی را به‌طور هم‌زمان افزایش می‌داد.

از سوی دیگر، F-35B باید فن بالابر و سامانه انتقال مکانیکی آن را در بدنه‌ای محدود جای می‌داد. اضافه‌کردن موتور دوم می‌توانست فضای موردنیاز برای همین سامانه‌ها را از بین ببرد یا طراحان را مجبور کند بخش‌های زیادی از بدنه و ساختار داخلی هواپیما را دوباره طراحی کنند. در چنین شرایطی، کاهش وزن و بازطراحی اجزای موجود منطقی‌تر از افزودن یک سامانه پیشرانه مستقل بود.

این تصمیم به برنامه اجازه داد موتور واحد حفظ شود و معماری مشترک میان نسخه‌های مختلف جنگنده F-35 Lightning II از بین نرود. این بازطراحی فقط برای F-35B اهمیت نداشت. کاهش وزن حاصل از تغییرات انجام‌شده، برای F-35A و F-35C نیز مفید بود و ایده اصلی برنامه را تقویت کرد. این ایده بر آن استوار بود که سه نسخه مختلف F-35، با وجود تفاوت در مأموریت و نحوه عملیات، همچنان بخش‌هایی از یک برنامه مشترک باقی بمانند.

• ۶ نقص بزرگ جنگنده F-35؛ از آسیب در سرعت مافوق صوت تا هزینه‌های تریلیون دلاری
• چرا جنگنده‌های F-35 هنوز از موشک 70 سال پیش آمریکا استفاده می‌کنند؟
• فناوری شگفت‌انگیز صندلی F-35؛ سیستم اجکت خودکار چگونه جان خلبان را نجات می‌دهد؟
• چرا F-55 نمی‌تواند جایگزین واقعی برای جنگنده F-35 باشد؟

پیامدهای تصمیم موتور واحد برای آینده F-35

پس از تثبیت معماری مشترک، پیامدهای تصمیم مربوط به پیشرانه از نسخه STOVL فراتر رفت و بر نحوه ارتقا و توسعه آینده خانواده جنگنده F-35 Lightning II نیز تأثیر گذاشت. انتخاب موتور واحد، تنها به معنای کاهش تعداد موتورهای مورد استفاده در برنامه نبود؛ بلکه کل هواپیما بر اساس همین فرض شکل گرفت که یک موتور، منبع اصلی توان آن خواهد بود.

سامانه‌های مشترک F-35، فضای داخلی، ساختارهای خنک‌کننده و معماری پیشرانه آن، همگی با همین پیش‌فرض توسعه یافتند. بنابراین، تغییرات آینده باید در چارچوب بدنه‌ای انجام شوند که فضای داخلی و وزن قابل‌استفاده آن از قبل با دقت تخصیص داده شده است. این هواپیما از ابتدا با حاشیه‌های خالی و فراوان طراحی نشده بود که بعدها بتوان هر سامانه جدیدی را بدون محدودیت به آن اضافه کرد.

این موضوع با تکامل سامانه‌های مأموریتی اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. حسگرهای بیشتر، تجهیزات مأموریتی پیشرفته‌تر و نیازهای رو‌به‌رشد به توان الکتریکی و ظرفیت خنک‌کنندگی، همگی برای استفاده از منابع موجود در همان معماری هواپیما با یکدیگر رقابت می‌کنند.

هر قابلیت جدید باید بدون از بین‌بردن تصمیم‌های طراحی اولیه در هواپیما ادغام شود؛ تصمیم‌هایی که باعث شدند نسخه‌های F-35A، F-35B و F-35C بتوانند از یک پایه مشترک استفاده کنند. به بیان ساده، هر ارتقای جدید باید در فضای محدود موجود جای بگیرد، وزن هواپیما را در محدوده قابل‌قبول نگه دارد و نیازهای انرژی و خنک‌کنندگی خود را نیز تأمین کند.

آیا معماری تک‌موتوره برای آینده کافی است؟

این موضوع ما را دوباره به پرسش اصلی بازمی‌گرداند. استفاده از یک موتور واحد، یک مشکل مهم در سطح برنامه را حل کرد و اشتراک میان نسخه‌های مختلف جنگنده F-35 Lightning II را افزایش داد؛ اما در مقابل هر تغییر آینده باید پیامدهای همین تصمیم را نیز بپذیرد. بنابراین مسئله اصلی دیگر این نیست که آیا لاکهید مارتین می‌توانست از ابتدا یک F-35 دوموتوره بسازد یا نه. پرسش مهم‌تر این است که آیا معماری انتخاب‌شده در آن زمان، همچنان حاشیه کافی برای نیازهای عملیاتی و توسعه‌های آینده هواپیما در سال‌های پیش‌رو دارد یا خیر.

پیامد گسترده‌تر این تصمیم آن است که معماری تک‌موتوره F-35 دیگر فقط به مأموریت اولیه هواپیما مربوط نمی‌شود. موضوع اصلی اکنون این است که این معماری تا چه اندازه توانایی پذیرش قابلیت‌های جدید را دارد. جنگنده ضربتی مشترک بر پایه یک بدنه واحد و سامانه‌های مشترک ساخته شد؛ بنابراین، ارزش حفظ آرایش پیشرانه واحد به این بستگی دارد که آیا همین طراحی می‌تواند فضای کافی برای تکامل آینده داشته باشد یا نه.

• نوآورانه‌ترین جنگنده‌های تاریخ در هر نسل؛ ۱۲ جنگنده پیشگام که تاریخ نبرد هوایی را تغییر دادند
• شکارچی بی‌رحم در آسمان؛ تکنولوژی‌های پنهان جنگنده سوخو 35 که نمی‌دانستید
• ۵ جت جنگنده دهه ۱۹۷۰ که هنوز در حال خدمت هستند
• پرواز موفقیت‌آمیز جنگنده خودمختار 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 همچنان می‌تواند نیازهای برنامه را پاسخ دهد. اما اگر هر ارتقا باعث شود همان فشارهای وزنی و فضایی دوران توسعه F-35B دوباره تکرار شوند، برنامه با چالش‌های تازه‌ای روبه‌رو خواهد شد.