Sistema de elevación Rolls-Royce

Sistema de elevación
El sistema de elevación de Rolls-Royce acoplado a un turbofán F135 en el Salón Aeronáutico de París de 2007
Tipo	Sistema de elevación STOVL
Fabricante	Rolls-Royce S.A.
Aplicaciones principales	F-35 Relámpago II

El sistema de elevación de Rolls-Royce , junto con el motor F135 , es un sistema de propulsión de aeronaves diseñado para su uso en la variante STOVL del F-35 Lightning II . El sistema completo, conocido como sistema de propulsión de ventilador de elevación integrado (ILFPS), recibió el Trofeo Collier en 2001. ^[1]

La variante F-35B STOVL del avión Joint Strike Fighter (JSF) estaba destinada a reemplazar al McDonnell Douglas AV-8B Harrier II y al McDonnell Douglas F/A-18 Hornet utilizados por el Cuerpo de Marines de los Estados Unidos . También reemplazaría al British Aerospace Harrier II y al British Aerospace Sea Harrier utilizados por la Real Fuerza Aérea y la Marina Real . ^[2] El avión tenía que tener una capacidad supersónica , y se necesitaba un sistema de elevación vertical adecuado que no comprometiera esta capacidad para la variante STOVL. Este requisito fue cumplido por el Rolls-Royce LiftSystem, desarrollado a través de un contrato de Desarrollo y Demostración de Sistemas (SDD) de 1.300 millones de dólares de Pratt & Whitney . ^[3] Este requisito se cumplió el 20 de julio de 2001. ^{[4] [5]}

En lugar de utilizar motores de elevación separados, como el Yakovlev Yak-38 , o toberas giratorias para el aire de derivación del motor, como el Harrier, el "LiftSystem" tiene un LiftFan impulsado por eje, diseñado por Lockheed Martin y desarrollado por Rolls-Royce, ^[3] y una tobera de vectorización de empuje para el escape del motor que proporciona sustentación y también puede soportar temperaturas de postcombustión en vuelo convencional para alcanzar velocidades supersónicas. ^[4] El sistema de elevación/propulsión con su tobera de conducto giratorio de tres cojinetes (3BSD) se parece más a los planos del caza de control marítimo Convair Modelo 200 de 1973 que a la generación anterior de diseños STOVL a la que pertenece el Harrier. ^[6]

El equipo responsable del desarrollo del sistema de propulsión incluyó a Lockheed Martin, Northrop Grumman , BAE Systems , Pratt & Whitney y Rolls-Royce, bajo el liderazgo de la Oficina del Programa de Cazas de Ataque Conjunto del Departamento de Defensa de los Estados Unidos . Paul Bevilaqua , ^[7] ingeniero jefe de Lockheed Martin Advanced Development Projects ( Skunk Works ), inventó el sistema de propulsión con ventilador de sustentación. ^[8] El concepto de un ventilador de sustentación accionado por eje se remonta a mediados de la década de 1950. ^[9] El ventilador de sustentación fue demostrado por la Allison Engine Company en 1995-97. ^[10]

El Departamento de Defensa de los Estados Unidos (DOD) adjudicó a General Electric y Rolls-Royce un contrato de 2100 millones de dólares para desarrollar conjuntamente el motor F136 como alternativa al F135. El LiftSystem fue diseñado para ser utilizado con cualquiera de los dos motores. ^[3] Tras la finalización de la financiación gubernamental, GE y Rolls-Royce pusieron fin al desarrollo del motor en 2011. ^[11]

Rolls-Royce gestionó el programa general de desarrollo e integración en Bristol , Reino Unido , y también fue responsable de los diseños de turbomáquinas LiftFan, 3BSM y Roll Post. Rolls-Royce en Indianápolis proporcionó la caja de cambios, el embrague, el eje de transmisión y la tobera y realizó la construcción y las pruebas de verificación del LiftFan.

El sistema de elevación de Rolls-Royce consta de cuatro componentes principales: ^[3]

• Ventilador elevador
• Eje de transmisión del motor al ventilador ^[12]
• Módulo giratorio de tres cojinetes (3BSM)
• Puestos de rollo (dos)

El módulo giratorio de tres cojinetes (3BSM) es una boquilla vectorizadora de empuje en la parte trasera de la aeronave que dirige el escape del motor para que pase directamente con capacidad de recalentamiento para el vuelo hacia adelante o para que se desvíe hacia abajo para proporcionar sustentación. ^[13]

Para el vuelo vertical, 29.000 hp ^{[14] [15] [16]} se transfieren mediante un eje de extensión en el ventilador del motor utilizando un embrague ^[17] y una caja de engranajes cónicos a un ventilador de sustentación contrarrotante ubicado delante del motor. El flujo de aire del ventilador (aire no calentado a baja velocidad) sale a través de álabes de empuje vectorial en la parte inferior de la aeronave y equilibra la sustentación de la tobera trasera. Para la estabilidad lateral y el control del alabeo , se utiliza aire de derivación del motor en una tobera de poste de alabeo en cada ala. ^[18] Para el control del cabeceo , las áreas de la tobera de escape y la entrada del LiftFan se varían mientras se mantiene constante la sustentación total. El control de guiñada se logra guiñando el 3BSM. ^[16] El movimiento hacia adelante, y también hacia atrás, se controla inclinando el 3BSM y los álabes en la tobera de caja de álabes de área variable del LiftFan. ^[5]

Los siguientes son los valores de empuje de los componentes del sistema en modo de elevación: ^[3]

En comparación, el empuje máximo del Rolls-Royce Pegasus 11-61/F402-RR-408, la versión más potente que se utiliza en el AV-8B , es de 23.800 libras-fuerza (106 kN). ^[19] El peso del AV-8B es aproximadamente el 46% del peso del F-35B .

Al igual que los motores de elevación, los componentes adicionales del LiftSystem son un peso muerto durante el vuelo, pero la ventaja de emplear el LiftSystem es que su mayor empuje de elevación aumenta la carga útil de despegue en una cantidad aún mayor. ^{[ cita requerida ]}

Durante el desarrollo del LiftSystem hubo que superar muchas dificultades de ingeniería y aprovechar nuevas tecnologías. ^[20]

El LiftFan utiliza blisks de titanio con álabes huecos (un disco de álabes o "blisk" logrado mediante la formación superplástica de los álabes y la soldadura por fricción lineal al eje del blisk). ^[21] Se utilizan compuestos de matriz orgánica para los álabes entre etapas. El LiftFan está autorizado ^[22] para volar a una velocidad de hasta 250 nudos (130 m/s). Esta condición se presenta como un viento cruzado en la entrada horizontal y ocurre cuando la aeronave pasa del vuelo hacia adelante al vuelo estacionario. ^[23]

El mecanismo de embrague utiliza tecnología de disco seco carbono-carbono derivada originalmente de los frenos de los aviones. La fricción solo se utiliza para activar el ventilador de sustentación a bajas velocidades del motor. Se activa un bloqueo mecánico antes de aumentar a plena potencia. ^[24]

La caja de cambios debe poder funcionar con interrupciones en su suministro de aceite de hasta un minuto mientras transfiere potencia total a través de 90 grados al LiftFan. ^{[ cita requerida ]}

El módulo giratorio de tres cojinetes tiene que soportar la tobera de vectorización de empuje final y transmitir sus cargas de empuje a los soportes del motor. Los actuadores "fuel-hidráulicos" para el 3BSM utilizan combustible presurizado a 3500 libras-fuerza por pulgada cuadrada (24 000 kPa; 250 kgf/cm ² ), en lugar de fluido hidráulico, para reducir el peso y la complejidad. Un actuador se desplaza con la tobera giratoria, moviéndose 95 grados mientras está sujeta a un calor y una vibración intensos. ^{[ cita requerida ]}

Durante la definición del concepto del Joint Strike Fighter, se probaron en vuelo dos fuselajes de Lockheed: el Lockheed X-35A (que luego se convirtió en el X-35B) y el X-35C de alas más grandes, ^[25] con la variante STOVL que incorpora el módulo LiftFan de Rolls-Royce.

Las pruebas de vuelo del LiftSystem comenzaron en junio de 2001 y el 20 de julio de ese año el X-35B se convirtió en el primer avión de la historia en realizar un despegue corto, un vuelo supersónico nivelado y un aterrizaje vertical en un solo vuelo. Cuando se completaron las pruebas en agosto, el avión había logrado 17 despegues verticales, 14 despegues cortos, 27 aterrizajes verticales y cinco vuelos supersónicos. ^[4] Durante las pruebas finales de vuelo de clasificación del Joint Strike Fighter, el X-35B despegó a menos de 500 pies (150 m), pasó al vuelo supersónico y luego aterrizó verticalmente. ^[26]

En julio de 2008 se llevaron a cabo pruebas terrestres de la combinación F136/LiftSystem en las instalaciones de General Electric en Peebles, Ohio . El 18 de marzo de 2010, un F-35B equipado con STOVL realizó una demostración de vuelo estacionario vertical y aterrizaje en la Estación Aérea Naval del Río Patuxent en Lexington Park, Maryland. ^[27]

En 2001, el sistema de propulsión LiftSystem recibió el Trofeo Collier , ^[28] en reconocimiento al "mayor logro en aeronáutica o astronáutica en Estados Unidos", específicamente por "mejorar el rendimiento, la eficiencia y la seguridad de los vehículos aéreos o espaciales, cuyo valor ha sido ampliamente demostrado por el uso real durante el año anterior". ^[4]

Motor principal

Pratt & Whitney F135

17.600 libras-fuerza (78 kN) de empuje seco

Componentes : ^[3]

Ventilador elevador

Ventilador de blisk hueco de titanio contrarrotante de dos etapas de 50 pulgadas (1,3 m) de diámetro. El ventilador superior está equipado con álabes guía de entrada variables. Capaz de generar más de 20.000 libras-fuerza (89 kN) de empuje frío ^[21]

Módulo giratorio de tres cojinetes

Capaz de girar 95 grados en 2,5 segundos y vectorizar un empuje seco de 18 000 libras de fuerza (80 kN) en modo de elevación, con capacidad de recalentamiento en actitud horizontal normal.

Publicaciones en rollo

Dos: accionado hidráulicamente

• Demostración de vuelo del X-35/LiftSystem de transición a configuración VTOL, vuelo estacionario, despegue en configuración STOVL, reabastecimiento de combustible en vuelo, vuelo estacionario vertical y aterrizaje.
• Demostración de aterrizaje vertical que muestra el funcionamiento del 3BSM.
• 
  Conjunto de turbina y ventilador de elevación en exhibición en el Museo Nacional del Aire y el Espacio, Centro Steven F. Udvar-Hazy

• Boeing X-32
• Ventilador de elevación
• XV-4 Colibrí
• Rolls-Royce RB108
• Plataforma de medición de empuje de Rolls-Royce
• Yakovlev Yak-38

Listas relacionadas

• Lista de motores de aeronaves

Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Rolls-Royce LiftSystem .

• Pratt & Whitney F135: hitos del proyecto
• Rolls-Royce - Sistema de elevación
• GovExec: El motor que podría
• El hombre con el abanico
• Paul M. Bevilaqua : Sistema de propulsión por eje de ventilador de sustentación para el Joint Strike Fighter DTIC.MIL Documento Word, 5,5 MB. Fecha: 1997.
• Dos enfoques para lograr un despegue corto y un aterrizaje vertical Ingeniero de diseño - Aeroespacial, 21 de febrero de 2013
• Revista Código Uno, 12 de agosto de 2014, tobera giratoria de tres cojinetes del F-35B Lightning II