Turbofan chinês WS-15 para o caça J-20 superou obstáculos tecnológicos

O terceiro lote de turbofans WS-15 da China foi entregue e apresenta desempenho melhor que o motor F135 americano usado no caça F-35, relatam fontes chinesas.

Isso significaria que a China alcançou a meta de cerca de 197 quilonewtons (44.000 lbf) de empuxo com um pós-combustor no futuro motor do caça J-20.

O Pratt & Whitney F135 é um turbofan com pós-combustão desenvolvido para o Lockheed Martin F-35 Lightning II, um caça de monomotor.

O F-135-PW-100 tem o seguinte desempenho:
– Empuxo militar de 28.000 lbf (128 kN) e 43.000 lbf (191 kN) com pós-combustor
– Relação de pressão geral: 28:1
– Relação empuxo-peso: 7.47:1 empuxo militar, 11.47:1 aumentado

O WS-15 é um motor turbofan de pós-combustão chinês projetado pelo Shenyang Aeroengine Research Institute e fabricado pela Xi’an Aero-Engine Corporation, que será usado para propulsar o Chengdu J-20, capaz de obter supercruise.

Desempenho do WS-15
– Empuxo militar: 105 kN
– Pós-combustor: 180+ kN
– Objetivo: 197 quilonewtons (44.000 lbf) com pós-combustor
– Temperatura da entrada da turbina: 1.850K
– Relação empuxo/peso: 9,7-10,87

Caça J-20 entrou em operação com motores provisórios

O South China Morning Post relatou em setembro de 2018 que a China teria corrigido os problemas do motor WS-15 que atrasaram a produção em massa do caça furtivo J-20.

O problema principal do WS-15 estava amplamente relacionado ao superaquecimento das palhetas nas velocidades máximas. Desde então, foram realizados testes de solo e voos de teste no motor WS-15 aprimorado.

A China precisava do WS-15 mais poderoso para produzir localmente um motor para o J-20. Anteriormente, os chineses usaram motores com pouca potência ou motores russos mais antigos. Os motores russos estavam uma geração atrás dos motores dos EUA e os chineses estavam apenas obtendo motores russos inferiores.

A China espera que os EUA desdobrem entre 200 e 300 caças F-35 na Ásia até 2025. Por isso os chineses querem ter até lá pelo menos 200 caças J-20. O país poderá produzir posteriormente 500 caças J-20B, mais do que o número futuro total de outros caças de quinta geração na Ásia-Pacífico.

Em abril de 2018, foi relatado que a Chengdu Aerospace Corporation deveria abrir uma quarta linha de produção para o caça furtivo J-20 em 2019.

A China produziu 8 protótipos e mais de 20 caças de produção inicial que usam motores provisórios.

Os protótipos eram propulsados inicialmente pelos motores WS-10 ou pelos russos AL-31F. O WS-15 levará o J-20 para um nível de desempenho mais alto e permitirá que ele alcance a tão esperada velocidade de supercruise.

O modelo LRIP (cadência de produção inicial) do J-20 é equipado com dois motores WS-10B, um modelo aprimorado baseado no motor que equipa o caça J-10.

A meta de empuxo do WS-15 em 2012 era de 180 quilonewtons (40.000 lbf).

Derivado do motor F119, o F135, produz 40.000 lbf (180 kN) de empuxo para o Lockheed Martin F-35 Lightning II.

Se o WS-15 atingir os objetivos de projeto, a velocidade de cruzeiro do J-20B será de Mach 1,8 e a velocidade máxima excederá Mach 2.2. Seriam equivalentes em desempenho ao F-22 dos EUA.

O F-22 da USAF esteve em produção por 15 anos (1996-2011), a uma taxa de aproximadamente dois aviões por mês durante o pico de produção. A China estaria cerca de 23 anos atrás da tecnologia americana de caças e motores a jato. Os chineses poderiam alcançar em 2019 o que os EUA tiveram em 1996).

A China conseguiu roubar via internet projetos das tecnologias dos F-22 e F-35. Por volta de 2030, a China poderá ter 500 caças furtivos J-20B e 100 caças J-20 e J-20A. Os EUA teriam 185 caças F22 e talvez 1.500 F-35.

Um motor WS-15 explodiu durante testes em 2015

A China colocou em serviço o seu primeiro caça furtivo avançado antes do previsto no ano passado, usando motores provisórios, diante dos crescentes desafios de segurança na região, apurou o South China Morning Post.

Mas isso significa que suas capacidades serão severamente limitadas, afetando sua capacidade de manobra e eficiência de combustível, bem como sua furtividade em velocidades supersônicas.

Sem dizer quantas unidades estavam em operação, a Força Aérea do Exército de Libertação Popular confirmou que o J-20, o caça de quinta geração do país, havia entrado em serviço de combate.

No entanto, a aeronave está equipada com motores inferiores projetados para aviões de combate anteriores porque “problemas críticos” não haviam sido corrigidos no motor WS-15 feito sob medida e que causaram um acidente em 2015, segundo duas fontes militares independentes.

“O motor WS-15 projetado para o J-20 explodiu durante um teste de corrida em solo em 2015”, disse uma fonte, acrescentando que ninguém ficou ferido no acidente.

“A explosão indicou que o WS-15 não era confiável e, até aquele momento, não havia solução fundamental para superar esse problema … é por isso que o J-20 está usando motores WS-10B até agora.”

O WS-10B é uma versão modificada do motor WS-10 Taihang, projetado para os caças J-10 e J-11 de quarta geração do país.

A explosão foi confirmada por outra fonte próxima às forças armadas, que disse que as razões pelas quais isso aconteceu eram complicadas, sendo uma delas o controle de qualidade de suas palhetas monocristais de turbina, o componente principal de um poderoso motor turbofan.

A nova geração de palhetas monocristais de turbina projetadas para o WS-15 deveria suportar o aumento das cargas mecânicas causadas por velocidades rotacionais significativamente mais altas e temperaturas extremamente altas.

O ex-presidente da Corporação da Indústria de Aviação da China (AVIC), Lin Zuoming, disse à mídia estatal em 2017 que as pás da turbina monocristais de terceira geração da China poderiam suportar temperaturas de até 2.000 graus Celsius em motores WS-10, estendendo a vida útil de 800 horas a 1.500 horas do motor, quando comparado com àqueles que usam a geração anterior de palhetas da turbina.

No entanto, a relação empuxo/peso do motor WS-10 original era de apenas 7,5, enquanto a do WS-10B alcançava cerca de 9. A relação empuxo/peso do motor turbofan WS-15 de empuxo vetorial é superior a 10 – um dos requisitos básicos para fornecer ao J-20 a capacidade de supercruise.

O supercruise permite que caças furtivos como o F-22 Raptor dos EUA voem em velocidades supersônicas sem usar pós-combustores, tornando-os mais difíceis de detectar. O F-22 é equipado com o motor a jato mais avançado do mundo, o Pratt & Whitney F119.

Mas alcançar supercruise exigiria que as palhetas monocristais da turbina do motor WS-15 lidassem com temperaturas ainda mais extremas do que aquelas alcançadas pelo WS-10.

“Técnicos chineses são capazes de produzir pás monocristais de turbina de alta qualidade quando se concentram em um único item específico”, disse a segunda fonte militar. “Mas eles ainda não tinham conseguido transformar a tecnologia avançada em um produto padrão para produção em massa. É um problema de gargalo que precisava de mais tempo para ser resolvido após inúmeras experiências e testes, com base nas experiências ocidentais”.

“O uso dos motores WS-10B é apenas um estágio temporário e conveniente do desenvolvimento do motor do J-20. No futuro, a aeronave poderá usar outro novo motor, a versão de desempenho aprimorado (IPE) do WS-10, o WS -10 IPE, até que o desenvolvimento do WS-15 seja bem-sucedido”, afirmou a primeira fonte.

“É tão embaraçoso trocar de motor para um projeto de aeronave tão importante várias vezes … apenas por causa da falta de confiabilidade dos primeiros motores WS-15. É o problema central de longa data entre as aeronaves de produção local.”

O J-20 trocou de motor três vezes. No voo inaugural da aeronave foi propulsada por dois motores russos AL-31, que são menos capazes que o WS-10B da China.

A Rússia se recusou a exportar seus motores mais avançados para a China porque eles são a tecnologia principal de sua indústria de aviação. Isso levou a China a desenvolver uma alternativa autóctone, o WS-15, como parte de seu esforço para produzir uma das aeronaves de combate mais avançadas do mundo.

A China investiu US$ 23,7 bilhões no desenvolvimento do WS-15

Pequim intensificou o desenvolvimento dos sofisticados motores a jato desde a virada do século, com pelo menos 150 bilhões de yuans (US$ 23,7 bilhões) investidos entre 2010 e 2015, informaram militares em 2016.

A Aero Engine, estatal, empresa formada em agosto de 2016 por meio da fusão de 24 subsidiárias da AVIC com cerca de 10.000 funcionários, liderou o desenvolvimento e a produção da China de motores de aeronaves e turbinas a gás nos últimos anos. Uma das ex-subsidiárias da AVIC, Shenyang Aeroengine Research Institute, desenvolveu o WS-10 e WS-15.

A China Central Television se vangloriou em 2017 de que o desempenho do WS-15 se equipara ao do F119, com um documentário exibido em maio, alegando que os motores do WS-15 seriam amplamente utilizados no J-20 até 2020.

Isso tornaria a China o terceiro país a ter um caça de quinta geração – depois dos EUA e da Rússia. Justin Bronk, pesquisador especializado em poder aéreo no Royal United Services Institute, disse ao site Business Insider que o design do J-20 proporciona “maior alcance, mais capacidade interna de combustível e maior capacidade de armas internas” do que seus colegas americanos, o F-22 e o F-35, e isso significava que representava uma ameaça real para as forças americanas no Pacífico.

No entanto, analistas militares disseram que era muito cedo para tais prognósticos, porque o motor WS-15 em desenvolvimento ainda não era tão sofisticado quanto o F119, que tinha uma vida útil de mais de 4.000 horas.

O protótipo do primeiro caça de quinta geração da Rússia, o Su-57, foi ao ar pela primeira vez em janeiro de 2010, mas em seu voo com o novo motor Izdelie 30, especialmente projetado para ele, só ocorreu em 2018. O novo motor permitirá que o Su-57 atinja a velocidade de supercruise e voe consistentemente a 2.242 km/h, mas ainda passa por muitos testes, com o site Russia Beyond informando que não seria montado no Su-57 antes 2019 ou 2020.

O projeto do motor WS-15 da China começou nos anos 90, com o primeiro protótipo entregue em 2004 e o primeiro teste de solo realizado em 2015, disse Antony Wong Dong, um observador militar de Macau.

“A China levou 11 anos para testar o WS-15 após a criação do protótipo”, disse Wong. “É muito comum levar de três a oito anos para um maior desenvolvimento.

“E ainda é uma conquista significativa para a China desenvolver o WS-10B como um paliativo para o J-20. A base de tecnologia avançada para motores de aeronaves da China era muito fraca porque sua pesquisa e desenvolvimento começaram várias décadas depois dos seus parceiros ocidentais.”

As americanas Pratt & Whitney e General Electric passaram mais de 12 anos desenvolvendo protótipos do motor F119 na década de 1980, seguidos por outros 14 anos de testes após o voo inaugural do motor, instalado em um F-22, em setembro de 1997.

Os EUA também começaram a desenvolver o F-35, um caça multifunções furtivo monoposto, monomotor e para qualquer clima nos anos 90, com o primeiro esquadrão – usando os motores Pratt & Whitney F135, um derivado do F119, alcançando a capacidade operacional inicial (IOC) em 2016.

FONTE: South China Morning Post, Next Big Future e fóruns militares chineses