Rolls-Royce LiftSystem

Schéma du LiftSystem et distribution des flux de sustentation.

Courbe de puissance du prototype du LiftSystem.

Courbe de poussée de sustentation de l'avion équipé du LiftSystem.

Le Rolls-Royce LiftSystem est constitué de quatre éléments principaux[3] :

• La soufflante de sustentation (LiftFan) ;
• L'arbre de transmission des efforts reliant le moteur à la soufflante[11]
• Le module pivotant à trois roulements, désigné en anglais : Three-Bearing Swivel Module (3BSM) ;
• Les deux buses auxiliaires de contrôle du roulis, désignées en anglais : roll posts.

Le module pivotant à trois roulements, le 3BSM, est une tuyère à vectorisation de la poussée installée à l'échappement du moteur, qui permet au même moteur utilisé pour la propulsion horizontale de fonctionner soit en propulsion classique, avec la postcombustion, soit apporter sa contribution à la sustentation de l'appareil, en déviant son jet de gaz chauds vers le bas[11] - [9]. Il peut pivoter de 95° en 2,5 secondes[12].

En « mode vertical », 29 000 ch de puissance[11] - [13] sont prélevés sur le moteur et renvoyés depuis la turbine basse-pression vers la soufflante verticale, par le biais de l'arbre de transmission, d'un embrayage[11] et d'un couple conique. Cette puissance est délivrée à une soufflante verticale dotée de deux étages contrarotatifs installée en avant du moteur principal[12]. Le flux créé par cette soufflante, à faible vitesse et non réchauffé, est expulsé vers le sol à travers une veine orientable située sous l'avion, équilibrant ainsi la poussée produite par le 3BSM accroché à l'arrière du réacteur principal.

Pour la stabilité latérale et le contrôle en roulis de l'avion, l'air passant par le canal secondaire du moteur principal (le « deuxième flux », dans un turbofan) est dévié via deux canalisations vers des « roll posts », deux buses d'éjection d'air sous pression situées dans chacune des ailes[11]. Elles sont contrôlées par deux actionneurs hydrauliques. Pour le contrôle en tangage, la section de la tuyère et de l'entrée d'air de la soufflante sont en permanence ajustées pour modifier l'équilibre entre elles[12] sans toutefois modifier la somme de leurs poussées cumulées, et également maintenir constante la vitesse de rotation de tous les éléments internes du système (turbines et soufflantes)[13]. Les déplacements en avant, et même en arrière, sont contrôlés par l'inclinaison du 3BSM et de la sortie de la soufflante verticale[5]

Ci-dessous, les valeurs de poussée produites par les différents composants du LiftSystem, en vol stationnaire vertical[3] :

En comparaison, la poussée maximale fournie par le Rolls-Royce Pegasus 11-61 (F402-RR-408), la version la plus puissante de ce moteur, utilisée dans l'AV-8B Harrier II, est de 106 kN[14], soit 57 % de la poussée produite par le LiftSystem. La masse de l'AV-8B représente toutefois seulement 46 % de celle du F-35B, ce qui semble finalement indiquer un rapport poids/poussée plus favorable en faveur de l'avion britannique, moins moderne mais bien plus léger.

Comme des moteurs de sustentation dédiés (système employé par le Yak-38), le LiftSystem représente un poids mort pendant le reste du vol, mais l'avantage de son emploi est que la poussée plus importante qu'il produit augmente d'autant la charge utile que l'avion peut emporter. Aussi, le flux d'air froid que brasse le LiftSystem réduit les dégradations habituellement causées aux ponts d'envol des porte-avions par les gaz chauds et à haute vitesse des systèmes précédents (en particulier le Harrier).

Au cours du développement du LiftSystem, de nombreuses difficultés ont dû être surmontées, et de nouvelles technologies exploitées[15].

La soufflante emploie des disques aubagés monoblocs (« blisks », contraction de « blade » et de « disk ») en titane creux de 1,30 m de diamètre[16], fabriqués par formage superplastique et soudage par friction linéaire au moyeu du disque[16]. Des matériaux composites à matrice organique (CMO) sont utilisés pour les étages redresseurs intermédiaires (le stator). Le LiftFan doit fonctionner de manière sécurisée[2] à des vitesses allant jusqu'à 250 nœuds (463 km/h). Cette vitesse apparaît en fait comme un très fort vent de travers, pour l'entrée d'air horizontale de la soufflante, et ces conditions se produisent lorsque l'appareil effectue ses transitions entre vol horizontal et vol vertical[16].

Le mécanisme d'embrayage emploie un disque à technologie carbone/carbone, développée à l'origine pour les freins d'aviation. La friction n'est utilisée que pour entraîner la soufflante à de faibles vitesses de rotation du moteur principal. Un verrou mécanique est engagé avant de commencer à augmenter le régime vers la pleine puissance[17]. La boîte d'engrenages doit être capable de fonctionner avec des interruptions de son alimentation en huile pouvant durer jusqu'à une minute, tout en transférant la puissance maximale à la soufflante à travers un renvoi d'angle de 90°.

Le module arrière pivotant à trois roulements 3BSM doit, à la fois, supporter la chaleur de la tuyère vectorielle expulsant les gaz chauds du moteur, et ensuite transmettre la poussée produite en retour vers les supports fixant le moteur à l'avion (effet d'action/réaction). Les actionneurs hydrauliques du 3BSM n'emploient pas d'huile, mais du carburant maintenu à une pression de 3 500 psi, soit environ 241 bars[15], afin de réduire le poids du système et simplifier sa conception. L'un des actionneurs se déplace en même-temps que la tuyère pivotante, ce qui le fait pivoter de 95° et l'expose également à la chaleur intense et aux vibrations.

Au cours de la période tests de définition du Joint Strike Fighter, deux structures produites par Lockheed furent testées : Le X-35A, qui fut plus tard converti en X-35B, et le X-35C, doté d'ailes plus grandes[18]. La version ADAC/V F-35B était équipée du système Rolls-Royce LiftFan.

Les tests en vol du LiftSystem commencèrent en juin 2001, et le 20 juillet de la même année, le X-35B devint le premier avion de l'histoire à effectuer un décollage court, un vol en palier supersonique et un atterrissage vertical dans le même vol. Quand les tests furent terminés en août, l'avion avait effectué 17 décollages verticaux, 14 décollages courts, 27 atterrissages verticaux et 5 vols supersoniques[4]. Au cours des derniers tests de qualification du programme JSF, le X-35B décolla en moins de 150 m, effectua un vol horizontal supersonique et revint se poser verticalement[19].

Des tests au sol de la combinaison LiftSystem/réacteur F136 furent également menés, au sein de l'usine General Electric, à Pebbles, en Ohio, en juillet 2008. Le 18 mars 2010, un F-35B effectua une démonstration de vol stationnaire et d'atterrissage vertical à la Patuxent River Naval Air Station à Lexington Park, dans le Maryland[20].

En 2001, le système est récompensé par le prestigieux trophée Collier[1], en reconnaissance de la « plus grande réussite de l'aéronautique ou de l'astronautique en Amérique », en particulier dans l'« amélioration de la performance, de l'efficacité et de la sécurité des engins aériens ou spatiaux, ce qui a été largement démontré par l'utilisation faite au cours de l'année précédente »[4].

• Lockheed Martin F-35 Lightning II
• Rolls-Royce Pegasus
• Boeing X-32
• Lockheed XV-4 Hummingbird
• Rolls-Royce RB.108
• Yakovlev Yak-38

• (en) Karen Auguston Field, « The man with the fan » [archive du 8 octobre 2010], Design News (consulté le 29 février 2016).