反向旋转转子、陶瓷和增强器
F135的一个重要特点是,发动机的两个转子是反向旋转的,就像F119中的一样,这一点普.惠公司并不多说。由于在某些情况下,当芯轴在高压涡轮和低压涡轮之间转换时,可以使用阀芯反向旋转来塑造核心气流的方向,以提高通过发动机的气流的整体效率,这可能使普.惠公司在F135中省去了一排或多排静态定子和叶片(定子和叶片是位于许多风扇、压缩机和涡轮级之间的静叶片,起到调节和向每个后续涡轮级提供最佳核心气流的作用)。因此,普.惠公司可能已经减少了发动机中的零件数量,使其更轻,但它拒绝证实这一点。
普.惠公司也不会证实F135的净重,但在2011年,一个航空博客援引普.惠军用发动机分部前主管沃伦.博利(Warren Boley)的话说,F135比F119重1500磅(680千克)。这将使它的净重约为5400磅(2450千克)。然而,F135的推重比可能比F119高(F119的推重比是26:1,而F135的28:1),所以5400磅的数字可能太高了。博利在2011年还表示,F135的加力推力能力约为51000磅(226.86千牛)。如果是按照这一基础上的读数----其中引气和轴马力将被抽出来为飞机系统提供动力,将整体净推力能力降低一小部分----它应该提供一个超过规范要求的43000磅(119.27千牛)加力推力的舒适使用裕度。
F135在其排气喷嘴中使用陶瓷基复合材料(CMC:Ceramic Matrix Composites),主要用于F135-PW-600 STOVL型发动机的排气喷嘴的外部部分。奥唐纳说,短距起飞/垂直降落型发动机上的部分风扇导管----尤其是底部“所有附件都挂在上面的地方”----由有机复合材料(OMC:Organic Matrix Composites)制成的,而F-35A和F-35C发动机的风扇导管是由钛制成的。飞机上的一些进气道也是由有机复合材料材料制成的。据奥唐纳所说,普.惠公司在F-35B中使用了有机复合材料,减轻了50磅(22.5千克)的重量,这样飞机就可以携带额外的50磅军械,并在任务要求飞机垂直降落时根据需要将其带回。这种“垂直升力恢复”(VLBB:Vertical Lift Bring-Back)测量是F-35B的一个关键性能要求,虽然飞机目前的状态符合当前的规格,但令人担忧的是,如果F-35B的最大净重在其服役历程种越来越重(通常在军用飞机上发生),其垂直升力恢复性能将需要改进。
F135的另一个关键特性是它的增强器或加力燃烧系统。虽然细节仍然很难得到,F135是已知的采用多区(可能是三区)燃油喷射后的加力燃烧室的指示灯。这些区域独立地喷射燃料,这样加力燃烧室就不会以全开或全闭的方式工作,而是在飞行员的命令下提供一个可变范围的附加、平稳过渡的“湿”推力。此外,与F119加力燃烧室一样,F135是隐形的:两台发动机的增强器的设计将多区燃油喷射到弯曲的叶片中,这样就省去了传统的喷管和火焰稳定器。从后面看发动机时,它挡住了涡轮。
F135-PW-100发动机结构图。
维护性
从一开始,F135就被设计成可维护性的,基于普.惠公司在F-15和F-16上获得的经验,然后是F-22上使用的F119(设计F119时,公司聘请了美国空军机械师,以帮助设计安装在发动机上的控制器和配件,便于维护)。在F135上,所有附于外壳上的控制装置都是“单深”的,没有控制装置安装在相互之间的顶部,将它们连接到发动机外壳上的螺母和螺栓封装在控制集成中,拆除时,它们会与控制装置保持在一起。这样可以最大限度地降低螺母和螺栓的丢失以及造成异物碎片(FOD:Foreign-Object Debris)损坏的风险。同样,当F135被拆下进行维护时,所有发动机卡箍和挡块都会留在发动机壳体上,并且发动机不使用安全线,从而消除了另一个潜在的异物碎片损坏源。所有的控制装置和附件都安装在发动机底部,使机械师更容易接近;这些组件是模块化的,这样机械师就可以很容易地将F135燃油控制单元的电子装置、阀门或继电器作为整个模块拆下。
与早期的F100相比“明显更易于维护”----它提供了改善故障与维修间隔时间和所需维护工时的“主要顺序”,而且普.惠希望运营商发现F135比F119更易于维护和可靠。他说,另一个好处是,普.惠可以将其为F135开发的可维护性改进设计应用于新的F119生产批次。F135发动机还配备了数字化预测和健康监测(PHM:Prognostic and Health Monitoring)系统以及广泛的传感器套件。通过传感器,预测和健康监测系统持续监测发动机的运行参数及其部件的状况,并在发现任何异常时向机械师发出警报。“所以花在故障排除上的时间要少得多,”奥唐纳说。普惠公司如此认真地对待使F135具有高度可维护性,以至于它试图设计的发动机只需要一个单独的手动工具就可以进行所有的线路维护工作,不使用时夹在发动机上。它不能完全实现这个理想,但却成功到了只需要六个工具的地步。
2006年3月24日,F135-PW-100正在加力或增强推力状态下试车。
F135的生产
普.惠公司于2010年2月获得了美国国防部关于常规起降型 F135的初始使用中放行(ISR:Initial Service Release)认证,十个月后获得了短距起飞/垂直降落发动机的初始使用中放行认证,到2011年3月,普.惠公司每月将交付三台F135发动机。F135生产项目负责人布雷特.罗德斯(Brett Rhodes)表示,公司随后在2011年4月将产量提高到每月4台,因为公司完成了小批量初始生产型第2批的交付,并开始为第 3批次的飞机交付发动机。至2011年3月底,通过分包商罗尔斯.罗伊斯公司,普.惠公司已经完成了F-35B可变面积叶片箱的交付工作,这些叶片箱通过第3批被引入第4批。可变面积叶片箱(VAVB:Variable Area Vane Box)是F-35B升力系统中的一个关键部件,实际上构成了飞机龙骨的一部分,因此对于任何F-35B来说,它必须比发动机更早交付。此外,到那时,普惠公司已经为小批量初始生产型第3批次交付了F135进气道碎片监测系统(IDMS:Inlet Debris Monitoring Systems检测进气口或发动机中的任何地方的碎片,并向飞行员和机械师发出警报)。
在国防部2012财年预算中,普.惠公司获得了10亿美元,如五角大楼在其部件改进计划(CIP:Component Improvement Program)下资助的项目一样,这些钱用于在2016年10月之前提供更多发动机和飞行试验支持,以及部件改进。2011年,普.惠公司军用发动机部门主管博利在接受《AIR International》杂志采访时表示,2012财年预算中所谓的“类似部件改进计划”的4亿美元资金用于将F135发动机的“可维护性、可持续性和可承受性”成熟化,而不是提高部件的耐久性。他说,普.惠公司将在批次升级中引入此类改进。F-35B的试用期并没有在小批量初始生产型第4批次生产阶段后停止F135-PW-600短距起飞/垂直降落发动机的生产,但这意味着F135的产量并没有按原计划增加。“第4批次完成后,我们的生产速度与之前计划的相同。” 博利说:“第5、6、7批次的数量被减少,因为这是试用期。”
此前,F135生产计划要求小批量初始生产型第5批次交付等量的短距起飞/垂直降落和常规起降型发动机,但由于F-35B的试用期,第5批次的常规起降型产量超过了短距起飞/垂直降落型。到2013年,普.惠能够将F135的产量提高到每年50台,国防部的预算削减和F-35B的试用期使公司无法将产量提高到最初设想的125台年生产率。2014年5月20日,普惠公司总裁保罗.亚当斯(Paul Adams)在康涅狄格州东哈特福德(East Hartford)总部接受记者采访时指出,普惠于2010年交付了12台F135,2011年交付了27台,2012年交付了47台,2013年交付了50台。至2020年,随着F-35的全速生产和三种型号的飞机全部投入使用,该公司每年将交付超过200台F135。根据亚当斯5月20日对记者的介绍,2014年,普.惠公司对F135的官方目标是“超过50台”。不过,该公司工程和运营高级副总裁丹尼.迪珀纳(Danny Di Perna)当天告诉国际航空公司,2014年的目标实际上是交付58台发动机,“但我们正在努力完成62台”。在撰写本文时,小批量初始生产型第6批次的发动机已经在制造中。