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| F135 | |
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| JSF システム開発およびデモンストレーション (SDD) フェーズ中の F135 エンジン | |
| タイプ | ターボファン |
| 国籍 | アメリカ合衆国 |
| メーカー | プラット・アンド・ホイットニー |
| 主な用途 | ロッキード・マーティン F-35 ライトニング II |
| 開発元 | プラット・アンド・ホイットニー F119 |
プラット・アンド・ホイットニー F135 は、ロッキード・マーティン F-35 ライトニング II単発戦闘機用に開発されたアフターバーニング ターボファンです。このエンジンには 2 つの派生型があり、F-35A と F-35C で使用される通常離着陸 ( CTOL ) 型と、前方リフトファンを備えた F-35B で使用される 2 サイクル短距離離陸垂直着陸 ( STOVL ) 型です。[1]最初の量産エンジンは 2009 年に納入されました。[2]
F135は、 F-22ラプターに使用されたプラット・アンド・ホイットニーF119エンジンから開発され、約28,000 lbf（125 kN）の推力とアフターバーナー使用時の43,000 lbf（191 kN）の推力を生み出します。[3] [4] F135は、F-35の動力源としてゼネラル・エレクトリック/ロールス・ロイスF136と競合しました。
発達
F135は、ロッキード社の スカンクワークスで、 1986年にDARPAプロジェクトの一環として、アメリカ海兵隊向けにステルスSTOVL戦闘機を開発する取り組みから始まりました。このプロジェクトは、統合打撃戦闘機（JSF）の原型となった先進STOVL（ASTOVL）プログラムの一環でした。ロッキード社の技術者ポール・ベビラクアは、コンセプト機とシャフト駆動リフトファン（SDLF）と呼ばれる推進システムを開発し、最終的に特許を取得し、その後、プラット・アンド・ホイットニー（P&W）にデモ用エンジンの製造を依頼しました。[5] [6]地上試験デモ機では、リフトファンにF119エンジンの第1段ファンを使用しました。F100-PW-220のエンジンファンとコアはデモンストレーターエンジンのコアに使用され、F100-PW-229 のより大きな低圧タービンはデモンストレーターエンジンの低圧タービンに使用されました。より大きなタービンは、STOVL モードではクラッチによって接続される低圧スプールシャフトを介してリフトファンを動作させるために必要な追加電力を供給するために使用されました。最後に、可変推力偏向ノズルが追加され、「F100-229- Plus」デモンストレーターエンジンが完成しました。[N 1]この地上デモンストレーターエンジンは、シャフト駆動リフトファンのコンセプトを実証し、最終的な JSF エンジンの開発につながりました。[8]
ASTOVLは1993年に共通低価格軽量戦闘機（CALF）プログラムの下で継続され、最終的に統合先進打撃技術（JAST）に統合され、1995年にJSFに改名されました。JSFプログラムの下で、飛行可能なコンセプト実証機の契約は、航空機の設計についてはロッキード・マーティンとボーイングに、初期の推進システムについてはP&Wに1996年に授与されました。[N 2] P&Wは、 F-22ラプターの動力源であるF119ターボファンからJSFエンジンを「F119-JSF」として開発しました。シャフト駆動リフトファンを組み込んだ飛行可能なプロトタイプシステムは「YF119-PW-611」と名付けられ、ロッキード・マーティンX-35コンセプトデモ機でテストされ、2000年に初飛行した。P&Wはまた、直接リフトシステムを備えた競合機のボーイングX-32用に「YF119-PW-614」という別のプロトタイプも製造した。飛行テストでは、X-35Bは500フィート（150メートル）で離陸し、その後超音速で飛行して垂直着陸することでSTOVLを実証することができた。[9] X-35コンセプトはJSFコンペティションでX-32に勝ち、YF119-611はF119コアとJSFに最適化された新しいコンポーネントを統合したF135の基礎となった。[10]
F135チームは、プラット・アンド・ホイットニー、ロールス・ロイス、ハミルトン・サンドストランドから構成されています。プラット・アンド・ホイットニーは、メインエンジンとシステム統合の元請け業者です。ロールス・ロイスは、STOVL航空機の垂直離着陸システムを担当しています。ハミルトン・サンドストランドは、電子エンジン制御システム、作動システム、PMAG、ギアボックス、およびヘルスモニタリングシステムを担当しています。 ウッドワード社は燃料システムを担当しています。F135は、コネチカット州ミドルタウンの工場で組み立てられています。エンジンの一部の部品は、カナダのケベック州ロンゲール[11]とポーランド[12]で製造されています。運用サービス用の最初の量産推進システムは、米国、英国、その他の国際顧客へのサービス提供を目的として、2007年に納入される予定でした。最初のF-35はF135エンジンで生産されたが、GE /ロールスロイス社は2009年7月に代替のF136エンジンを開発する計画を立てた。2010年に国防総省は2つの推進システムを競争入札で調達する計画を立てた。しかし、2006年以来、国防総省は代替のF136エンジンプログラムに資金を要求していないが、議会はプログラム資金を維持している。[13]
2009年、P&Wは主要部品の耐用年数を延ばすため、より耐久性の高いF135エンジンを開発した。エンジンの高温部（特に燃焼器と高圧タービンブレード）が予想以上に高温になったため、部品の耐用年数は減少した。テストエンジンはXTE68/LF1と命名され、2010年にテストが開始される予定である。 [14]この再設計により「大幅なコスト増加」が生じた。[15]
P&Wは、F135の方がより強力なエンジンであるにもかかわらず、F119よりもコストを抑えて提供できると予想していた。[16]しかし、2013年2月、定期検査中にタービンブレードの亀裂が発見された。亀裂は、通常よりも長時間、タービンを高温で運転したことが原因であった。[17] 2013年12月、中空の第1段ファンブリスクが地上テスト中に予想寿命の77%で故障した。これは、重量が6ポンド（2.7kg）増える固体部品に交換される予定だった。[18] 2013年、P&Wの元従業員が、F135に関する機密情報を「多数の箱」に詰めてイランに出荷しようとしていたところを捕まった。[19]
トラブルにもかかわらず、100台目のエンジンは2013年に納入された。[20] LRIP-6は2013年に様々なタイプのエンジン38台に対して11億ドルで合意され、ユニットコストの削減に貢献した。[21]
F-35プログラムの執行責任者であるクリストファー・C・ボグダン空軍中将は、エンジンの製造品質が不十分で納品が遅いとしてP&Wを非難した。[22]副部長のランディ・マー少将は、P&Wは「独占権を獲得した」後、コスト削減の努力をやめたと述べた。[23] 2013年にF135の価格は43億ドル上昇した。[24]
2014年5月、プラット・アンド・ホイットニーは、F135を含む一部のエンジンに使用されているチタン素材の原産地に関する矛盾した文書を発見した。同社は、この不確実性は飛行の安全性にリスクをもたらさないと判断したが、結果としてエンジンの納入を一時停止した。ボグダンはP&Wの行動を支持し、問題は今やサプライヤーであるA&Pアロイにあると述べた。米国防契約管理局は2014年6月、プラット・アンド・ホイットニーの「サプライヤーに対する継続的な管理のまずさが、潜在的な問題通知の増加の主な原因である」と記した。A&Pアロイは、部品にアクセスして独自のテストを行うことはできなかったが、自社製品に責任があると述べた。ボストンに拠点を置くデメオ法律事務所のA&Pアロイの代理人である弁護士トレイシー・マイナーは、「問題の素材にA&Pがアクセスすることを許可せずにA&Pのビジネスを破壊するのは明らかに不公平だ」と述べた。[25] [26] [27]
2014年7月、同機が離陸準備中にファンローターの無制限の故障が発生した。部品が燃料タンクを突き抜けて火災を引き起こし、F-35機隊は地上にとどまった。[28]飛行の3週間前の高重力操縦中に、エンジンのたわみによりファンブリスクとファンステーター間のシール部分が過度に擦れ、故障のきっかけとなった。この擦れにより温度が1,000℃ (1,900℉)を超え、材料限界の540℃ (1,000℉)をはるかに超えた。プログラムマネージャーのクリストファー・ボグダン氏によると、第3段ファンブレードに微小な亀裂が生じ、ブレードがディスクから外れた。故障したブレードが燃料タンクに穴を開け、高温の空気が燃料と混ざって火災が発生した。[29] [30] [31]短期的な解決策としては、各航空機を特定の飛行プロファイルで飛行させ、ローターシールがステーターの嵌合溝を摩耗させて過度の摩擦を防ぐことが挙げられます。[32]
プラット・アンド・ホイットニーは2015年の生産目標を達成したが、タービンブレードと電子制御システムにおける「製造品質の問題が繰り返し発生した」ため、エンジンを航空機から撤去する必要があった。[33]
デザイン
F119エンジンから派生したF135は、F119と同様のコアに新しいファンとLPタービンを搭載した混合流アフターバーニングターボファンです。[34] F135には、-100バージョンと-600バージョンの2つの派生型があります。[1] -400バージョンについては、-100に似ていますが、主な違いは塩分腐食に強い材料を使用していることです。[35] [36] -600については、ホバリングのために行われるエンジン構成の変更について説明しながら以下で説明します。エンジンとロールスロイスリフトシステムは、統合リフトファン推進システム（ILFPS）を構成しています。[37]
STOVL バージョンの垂直推力は、エンジンの前にある2 段リフトファン (約 46% [38] )、ベクトル排気ノズル (約 46% [38] )、およびバイパスダクトからのファン空気を使用する各翼のノズル (約 8% [38] ) から得られます。これらの総揚力への寄与は、それぞれ 18,680 lbf (83.1 kN)、18,680 lbf (83.1 kN)、3,290 lbf (14.6 kN) の推力値に基づいています。[38]別の情報源では、推力値はそれぞれ 20,000 lbf (89 kN)、18,000 lbf (80 kN)、3,900 lbf (17 kN) となっています。[39]
この構成では、バイパス流の大部分はロールポストと呼ばれる翼ノズルに送られる。一部は3ベアリングスイベルダクトノズル（3BSD）と呼ばれる後部排気ノズルの冷却に使用される。[40]同時に、ホバリング中に歪みの少ない追加の空気をエンジンに供給するために、機体上部に補助吸気口が開かれる。[34]
低圧（LP）タービンは、LPローターの前部のシャフト延長部とクラッチを介してリフトファンを駆動します。エンジンは、より高いバイパス比を持つ別流ターボファンとして動作します。[41]ファンを駆動する電力（約30,000 shp（22,000 kW）[41]）は、LPタービンのホットノズル面積を増やすことで得られます。[41]
バイパス比が高いほど、同じエンジン出力で推力が増加するが、これは小径の推進ジェットから大径の推進ジェットに動力を移すという基本的な結果である。[42] F135がリフトファンからのバイパス比の増加を利用して垂直揚力を提供している場合、推力増強は50% [38]であり、燃料流量は増加しない。アフターバーナーを使用した場合の通常飛行では推力増強は52% [38]であるが、燃料流量は大幅に増加する。
ホットノズル推力に利用可能な電力の約1 ⁄ 3 [43]をリフトファンに転送すると、地面に衝突する後部リフトジェットの温度と速度が低下します。[43] F-35は、アフターバーナーなしでマッハ1.2の制限付き100％スロットル巡航を150マイル（240 km; 130 nmi）で達成できます。[44]
F119と同様に、F135にはステルス増強装置があり、従来のスプレーバーとフレームホルダーがセラミックレーダー吸収材（RAM）でコーティングされた厚い湾曲したベーンに置き換えられています。アフターバーナー燃料インジェクターはこれらのベーンに統合されており、タービンの視線を遮り、後方セクターのステルスに貢献しています。軸対称ノズルは、後縁に鋸歯状のパターンを作成する15個の部分的に重なり合うフラップで構成されています。これにより渦流が発生し、排気煙の赤外線シグネチャが減少します。その効果はF119のウェッジノズルに匹敵すると報告されていますが、コスト効率が大幅に向上し、メンテナンスも少なくなります。[45]
このエンジンは熱電発電センサーを使用してタービンベアリングの状態を監視します。[46]
エンジンの信頼性とメンテナンスのしやすさを改善することは、F135の主な目的です。このエンジンは、同様のエンジンよりも部品数が少なく、信頼性が向上しています。すべてのライン交換可能部品（LRC）は、6つの一般的な手工具セットを使用して取り外し、交換できます。[47] F135のヘルスマネジメントシステムは、地上の整備士にリアルタイムのデータを提供するように設計されています。これにより、機体が基地に戻る前に、問題のトラブルシューティングを行い、交換部品を準備することができます。プラット・アンド・ホイットニーによると、このデータは、従来のエンジンに比べて、トラブルシューティングと交換時間を大幅に94％短縮するのに役立ちます。[48]
計画された改善
いずれの軍もエンジンのアップグレードを要求し始める前に、プラット・アンド・ホイットニーは米海軍と協力してF135エンジンの2ブロックの改良計画を進めていた。ブロック1の目標は推力の7～10%増加と燃料消費量の5～7%削減である。計画にはタービンブレードの冷却技術の改善も含まれており、これによりエンジンの寿命が延び、メンテナンス費用が大幅に削減される。ブロック2の目標は米空軍のアダプティブエンジン移行プログラムと連携し、第6世代戦闘機に使用する推力45,000ポンドのエンジン技術を導入することである。[49]
プラット・アンド・ホイットニーのF135のアップグレード・パスは数回変更され、ブロック1と2は当初、グロース・オプション1と2になった。2017年5月末、プラット・アンド・ホイットニーは、F135 グロース・オプション1のテストが終了し、生産可能になったと発表した。アップグレードには、デポのオーバーホール中に古いエンジンのパワー・モジュールを交換する必要があり、将来の量産エンジンにシームレスに挿入でき、ユニット・コストの増加は最小限で、納期には影響しない。グロース・オプション1は、F-35の飛行範囲全体で6～10%の推力向上を実現するとともに、燃料消費量を5～6%削減する。[50] 2018年6月、 P&Wの親会社であるユナイテッド・テクノロジーズは、電力および熱管理システム（PTMS）の容量増加を支援するグロース・オプション2.0を発表し、例えばより重火器へのアップグレードを希望するオペレーターに選択肢を提供した。[51]成長オプション2.0は当初、F135のさらなる発展型としてアダプティブファンを搭載し、3ストリームアダプティブサイクルエンジンであるXA101となる予定だったが、プラット・アンド・ホイットニーはその後、XA101を新しいコアを備えた完全に別の設計として分割し、成長オプション1.0はF135エンジン強化パッケージ（EEP）に進化し、後にエンジンコアアップグレード（ECU）に改名された。[52] [53] [54] 2023年、米空軍はF-35のブロックIVアップグレードをサポートするために、2029年までにECUのさらなる開発と配備に資金を提供することを決定した。[55]
バリエーション
- F135-PW-100/400 : F-35A通常離着陸機（CTOL）とF-35C海軍型（CV）に使用。海軍型には耐塩腐食性材料が採用されている[56]
- F135-PW-600 : F-35B短距離離陸垂直着陸型（STOVL）に使用[56]
アプリケーション
仕様（F135）
F135-PW-100/400
プラット・アンド・ホイットニーのデータ、[4]技術指示書TO-00-85-20、[57] アメリカ機械学会[58]
一般的な特徴
- タイプ: 2軸軸流型ターボファン
- 長さ: 220インチ (5,590 mm)
- 直径:最大46インチ (1,170 mm)、ファン入口で43インチ (1,090 mm)
- 乾燥重量: 6,422 ポンド (2,910 kg)
コンポーネント
パフォーマンス
- 最大推力:
- 28,000 lbf (125 kN) の軍事推力、
- アフターバーナー付き43,000 lbf (191 kN)
- 総圧力比： 28:1
- タービン入口温度: 3,600 °F (1,980 °C; 2,260 K)
- 推力重量比:軍用推力4.36:1、増強推力6.70:1
F135-PW-600
データはプラット・アンド・ホイットニー社から提供されたもの、[4] TO-00-85-20、[57]アメリカ機械学会[58]
一般的な特徴
- タイプ: 2 スプール、軸流、シャフト駆動リモート リフト ファンを備えた拡張ターボファン
- 長さ: 369インチ (9,370 mm)
- 直径:最大 46 インチ (1,170 mm)、ファン入口 43 インチ (1,090 mm)、リフトファン入口 53 インチ (1,350 mm)
- 乾燥重量: 7,260 ポンド (3,290 kg)
コンポーネント
- コンプレッサー: 3 段ファン、6 段高圧コンプレッサー、2 段二重反転シャフト駆動リフトファン
- 燃焼器： 環状燃焼器
- タービン：単段高圧タービン、2段低圧タービン
- バイパス比:従来型 0.56:1、電動リフト 0.51:1
パフォーマンス
- 最大推力:
- 27,000 lbf (120 kN) の軍事推力
- アフターバーナー付き41,000 lbf (182 kN)
- 40,650 lbf (181 kN) ホバリング
- 総圧力比： 28:1（従来型）、29:1（動力式リフト）、
- タービン入口温度: 3,600 °F (1,980 °C; 2,260 K)
参照
関連開発
同等のエンジン
関連リスト
参考文献
- 注記
- ^ ASTOVLの下で検討された他のSTOVLコンセプトには、ノースロップ・グラマンによる専用のリフトエンジンを備えたリフト・プラス・リフト/クルーズ（LPLC）、メインエンジンのブリードエアを使用してリフトファンに電力を供給するマクドネル・ダグラスによるガス駆動リフトファン（GDLF）、およびハリアーのペガサスエンジンに似た直接リフト推力偏向のさらなる開発が含まれていました。[7]
- ^ 当初の計画では、初期のJSFはすべて、F-22先進戦術戦闘機（ATF）用に設計されたプラット・アンド・ホイットニーのF119ターボファンから派生したエンジンを搭載する予定であったが、ロット6以降はエンジン契約が競争入札となり、ゼネラル・エレクトリック、アリソン・エンジン・カンパニー、ロールス・ロイスが競合としてYF120派生エンジン（最終的にF136と命名）を開発する予定であった。
- 引用
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- 文献
- コナーズ、ジャック（2010年）。プラット・アンド・ホイットニーのエンジン：技術史。レストン。バージニア州：アメリカ航空宇宙学会。ISBN 978-1-60086-711-8。
- ジェーンズ情報グループ。プラット・アンド・ホイットニー F135。ジェーンズ航空エンジン。2009 年 7 月 10 日更新。
外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、プラット・アンド・ホイットニー F135に関連するメディアがあります。
- プラット・アンド・ホイットニーのウェブサイトにあるプラット・アンド・ホイットニー F135
- www.jsf.mil: F135 ギャラリー
- 世界最強の戦闘機エンジンの製造方法 - サム・エックホルム (F135 とその製造現場を巡るビデオ)