miniatur|Eurofighter der Luftwaffe mit eingeschalteten Nachbrennern Die Aerodynamik des Eurofighters Typhoon war die größte Herausforderung bei der Entwicklung des Flugzeuges. Grund hierfür ist, dass ein Kampfflugzeug mit maximal möglicher Instabilität gebaut werden sollte. (PDF; 1,4 MB) Dieser Artikel beschreibt die dafür notwendige Entwicklung, von den ersten Gehversuchen mit der F-104G CCV bis zur X-31. Auf alternative Entwicklungen für ein europäisches Kampfflugzeug wird hier nicht eingegangen, die wirtschaftlich-politische Entwicklungsgeschichte des Eurofighters Typhoon kann dem Hauptartikel entnommen werden.

Überblick

miniatur|Frankreich entwickelte die Dassault Rafale für Trägereinsätze

Im Jahre 1971 wurden in Großbritannien die Anforderungen an ein neues Kampfflugzeug formuliert. Die Anforderungen, welche 1972 veröffentlicht wurden, resultierten Ende der 1970er Jahre in einem konventionellen Design P.96. Aufgrund der Ähnlichkeit zur F/A-18 Hornet wurde der Entwurf aber fallen gelassen. British Aerospace schloss sich stattdessen dem Entwurf Taktisches Kampfflugzeug 90 (TKF-90) von Messerschmitt-Bölkow-Blohm an. Beide veröffentlichten einen Vorschlag, der als European Collaborative Fighter oder European Combat Fighter bezeichnet wurde, während Frankreich auf eine Eigenentwicklung setzte.

miniatur|links|Die Gripen basiert auf dem P.106 Entwurf von BAE Systems.

BAE entwickelte daraufhin zwei eigene Designs: Der Entwurf P.106 war ein leichtes Kampfflugzeug mit einem Triebwerk, P.110 besaß zwei Triebwerke und zwei Seitenleitwerke. Beide waren konventionelle Delta-Canard-Entwürfe, bei denen die Entenflügel knapp vor und über der Tragfläche angeordnet waren. Der P.106-Entwurf wurde von der Royal Air Force zurückgewiesen, BAe Systems entwickelte das Konzept aber in Kooperation mit Saab Technologies zur Saab 39 Gripen weiter. Da man mit Frankreich zu keiner Einigung kommen konnte, starteten die Panavia-Partnerfirmen (BAe, MBB und Aeritalia) das Agile-Combat-Aircraft-Programm (ACA) im April 1982, was zum Experimental Aircraft Programm (EAP) führte.

1983 starteten das Vereinigte Königreich, Frankreich, Deutschland, Italien und Spanien das Future European Fighter Aircraft (FEFA) Programm. Wegen vollkommen abweichender Leistungsforderungen der Franzosen zogen sich die anderen Staaten jedoch 1984 aus dem Programm zurück. Frankreich bestand auf einer Flugzeugträgerversion, 50 Prozent des Arbeitsanteils und auf der Systemführerschaft von Dassault. Das Flugzeug sollte dabei leichter und einfacher sein, da sich Dassault davon bessere Exportchancen versprach.Der Spiegel, Ausgabe 31/1985 Diese Forderungen waren für die anderen Herstellerstaaten unannehmbar und unvereinbar mit ihren eigenen Anforderungen. Mit Frankreich würde der „Eurojäger“ qualitativ schlechter werden als erwünscht, ohne Frankreich spürbar teurer. Der damalige Bundesminister der Verteidigung Manfred Wörner drohte gar mit einer deutsch-amerikanischen Lösung.

Am 1. August 1985 einigen sich Großbritannien, Deutschland und Italien auf den Bau des EFA (European Fighter Aircraft, in Deutschland als Jäger 90 bezeichnet). Im September schloss sich auch Spanien an. 1986 wurde dazu in München die Eurofighter Jagdflugzeug GmbH gegründet, um das Projekt zu managen, analog dazu wurde ebenfalls in München die EuroJet Turbo GmbH gegründet, um das EJ200-Triebwerk zu entwickeln. Das Flugzeug war ursprünglich wie der Advanced Tactical Fighter als Luftüberlegenheitsjäger mit Luft-Boden-Fähigkeit geplant. Dazu sollte es eine Leermasse von 9750 kg besitzen und eine Waffenlast von 6500 kg transportieren können. Mit dem Zusammenbruch der Sowjetunion wurde das Konzept hinfällig, was 1992 in einer Überarbeitung der Verträge resultierte. Die Zelllebensdauer wurde dabei verdoppelt und die Waffenlast auf 7500 kg erhöht, im Gegenzug stieg die Leermasse des Flugzeuges auf 11.000 kg an. Das EFA/Jäger 90 wurde daraufhin in Eurofighter EF 2000 umbenannt.

Grundlagen

miniatur|Die Grumman X-29 war das erste Flugzeug mit vorwärts gepfeilten Flügeln, das Überschallgeschwindigkeit erreichte.

Colonel John Boyd entwickelte Anfang 1960 zusammen mit dem Mathematiker Thomas Christie die Energy-Maneuverability-Theorie (E-M-Theorie), welche in zwei Bänden 1964 veröffentlicht wurde. In ihr wird die Manövrierfähigkeit eines Kampfflugzeuges anhand des spezifischen Leistungsüberschusses (engl. specific excess power, SEP) bestimmt. Die daraus resultierenden Parameter wie kurzzeitige Wenderate, dauerhafte Wenderate, Steigleistung, Beschleunigung und Verzögerung werden auch heute noch zur Leistungsbeurteilung eines Kampfflugzeuges verwendet.

Bei Betrachtung der kurzzeitigen Wenderate steht die Fähigkeit eines Flugzeugs im Vordergrund, eine hohe Wenderate zu erzielen, bei der gegebenenfalls Energieverlust eintritt. Die dauerhafte Wenderate ist dann erreicht, wenn das Flugzeug eine möglichst enge Kurve fliegen kann, ohne dabei langsamer zu werden. Wird eine noch engere Kurve geflogen, nimmt der Strömungswiderstand des Flugzeuges durch den höheren Anstellwinkel und die größeren Steuerflächenausschläge zu. Das Fluggerät müsste durch mehr Schub beschleunigt werden oder sinken, um potentielle Energie in kinetische Energie einzutauschen. Würde das Fluggerät langsamer, könnte es die Abrissgeschwindigkeit (engl.: Stall Speed) unterschreiten, ein Strömungsabriss wäre die Folge. miniatur|links|Die YF-16 (vorne) und YF-17 (hinten) waren die ersten Kampfflugzeuge, welche nach der E-M-Theorie entwickelt wurden. Um eine möglichst hohe dauerhafte Wenderate zu erreichen, sind eine niedrige Tragflächenbelastung und eine hohe Schubkraft sinnvoll. Eine möglichst große Tragfläche erhöht aber das Leergewicht der Maschine und vergrößert die Trägheitsmomente, was zur Verschlechterung des Schub-Gewicht-Verhältnisses und zur Erhöhung des Luftwiderstandes beim Manövrieren führt. Es ist also ein Kompromiss notwendig. Eine Möglichkeit besteht darin, das Flugzeug instabil auszulegen. Zum Erreichen bestimmter Wenderaten sind also geringere Ruderausschläge als bei einem identischen, stabilen Fluggerät nötig, dessen Schwerpunkt vor dem Auftriebsvektor liegt. Die Wenderaten können so gesteigert werden.

Um die notwendige Stabilität zu gewährleisten, ist ein Fly-by-wire-System mit Fluglagecomputer erforderlich. Dabei ist zu beachten, dass sich der Druckpunkt (der Punkt, an dem die Auftriebskraft angreift) während des Fluges verschieben kann. Bei einer kleinen Anstellwinkelerhöhung wandert er nach vorne, beim Überschallflug nach hinten. Das Problem kann unter anderem durch eine geringe Profiltiefe gemindert werden, was aber zu einer (relativ) hohen Tragflächenbelastung führt. Ein weiteres Problem ist der Bedarf nach linearer Aerodynamik. Klassische Flugregler benötigen sie, um das Flugzeug steuern zu können. Nicht-lineare Aerodynamik liegt zum Beispiel vor, wenn der Auftriebsbeiwert nicht mehr linear vom Anstellwinkel abhängt. Weitere Möglichkeiten sind, dass Aktuatoren je nach Manöverlast unterschiedliche Kräfte ausüben müssen oder Hysterese vorliegt.

Bei instabilen Canard-Kampfflugzeugen sind Effekte nicht-linearer Aerodynamik unvermeidlich. Die Kunst besteht darin, diese Effekte zu linearisieren oder das Flight Control System (FCS) dagegen zu immunisieren. Durch die hohe Instabilität des Eurofighters war die Anforderung nach linearer Aerodynamik wesentlich verbindlicher. Es gab allerdings die Ansicht, dass das FCS auch mit äußerst nicht-linearer Aerodynamik umgehen könne („Never mind, the FCS will take care of it!“). Der ganze Erfolg des Konzeptes hing davon ab, ob es gelingen würde, das Flugzeug sorgenfrei in seiner Envelope zu steuern (engl. carefree handling).

Entwicklung

miniatur|links|Experimentalflugzeug Mitsubishi T-2 CCV. Man beachte die drei Canards, davon einer unter dem Rumpf. miniatur|hochkant|Rockwell/MBB X-31 EFM über der Wüste von Kalifornien. Die X-31 war das einzige X-Flugzeug, das nicht rein amerikanisch war. miniatur|Eurofighter Entwicklungsflugzeug DA-2 im Royal Air Force Museum

Die Entwicklungsgeschichte des Eurofighters Typhoon begann recht früh, als das Bundesministerium der Verteidigung im Jahre 1974 einen Entwicklungsauftrag an Messerschmitt-Bölkow-Blohm vergab. Es sollte mit einer modifizierten F-104G untersucht werden, welches Maß an Instabilität noch durch einen Flugregler beherrschbar war. Ferner sollte untersucht werden, wie das dafür benötigte Flugkontrollsystem (FCS) aufgebaut sein müsste, welcher Grad an Redundanz darin notwendig war und welche Leistungsvorteile ein solches Fluggerät hätte. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse sollten in die Entwicklung eines taktischen Kampfflugzeuges (TKF) einfließen.Aeronautical research in Germany: from Lilienthal until today (Vorschau auf Google Bücher) Eine ähnliche Entwicklung fand ab 1978 auch in Japan statt, dort wurde eine Mitsubishi T-2 mit 3 Canards ausgerüstet und als T-2 CCV bezeichnet.

Im ersten Schritt wurde dazu eine F-104G mit einem Fly-by-wire-System ausgestattet und als F-104G CCV (Control Configured Vehicle) bezeichnet. Dazu wurden auch vier Flugmessdatensensoren am Unterrumpf direkt hinter dem Radom angebracht. Diese Konfiguration wurde als B1 bezeichnet. Der Pilot konnte dabei noch das Fly-by-wire-System abschalten, um das Flugzeug mit der klassischen Methode „von Hand“ zu steuern. Im nächsten Schritt wurde eine Trimmmasse von 600 kg im Heck der Maschine untergebracht, was zu einer Instabilität von 10 % der mittleren aerodynamischen Flügeltiefe (engl. mean aerodynamic cord, MAC) führte. Diese Konfiguration der F-104G CCV wurde als B2 bezeichnet. Statt den Treibstoff der Flügelspitzenbehälter zu verbrauchen, wurde zuerst der Treibstoff im Rumpf verbraucht, um die Stabilitätsmarge für die Landung zu erhöhen. Zusätzlich konnte der Treibstoff vor der Landung im Flugzeug umgepumpt werden, um die Stabilität zu erhöhen. Im dritten Schritt wurde der Heckballast entfernt und zwei Canards an einem schmalen Steg auf dem Rücken der Maschine hinter dem Cockpit montiert. Um die Verschiebung des Druckpunktes nach vorne auszugleichen, wurden 320 kg Ballast in die Nase montiert. Die F-104G CCV war dadurch stabil und konnte auch manuell geflogen werden, die Bezeichnung lautete E1. Am 20. November 1980 hob Testpilot Nils Meister damit zum ersten Mal von Manching aus ab.https://www.916-starfighter.de/Large/Special/f104CCV5.htm Bei der Konfiguration E2 wurde der Heckballast wieder anmontiert. Die instabilste Konfiguration E3 verzichtete auf den Nasenballast, damit wurde eine Instabilität von 20 % der mittleren aerodynamischen Flügeltiefe erreicht. Dabei war es möglich, den Heckballast im Flug abzuwerfen, um die Maschine in Notfällen schneller stabilisieren zu können. Das Programm endete 1984 nach 176 Testflügen.https://www.916-starfighter.de/Historie_CCV-F-104G.pdf

Am 26. April 1978 stellte MBB seinen Delta-Canard Entwurf TKF-90 der Öffentlichkeit vor. Darin waren mit den weit vorne liegenden Entenflügeln, dem keilförmigen Baucheinlauf und einem Seitenleitwerk die wesentlichen aerodynamischen Merkmale des späteren Eurofighters bereits enthalten.https://www.airpower.at/flugzeuge/eurofighter/geschichte-konzept.htm Ebenfalls wurde eine Schubvektorsteuerung eingeplant. Die Instabilität sollte 8 %, maximal 10 % der mittleren aerodynamischen Flügeltiefe betragen, dieser Wert wurde aus den F-104G CCV-Daten ermittelt. Gleichzeitig wurde von 1977 bis 1985 in einer gemeinsamen Studie von MBB und IABG die taktischen Vorteile der CCV-Technologie bei Flugmanövern nach einem Strömungsabriss (engl. post-stall) mit diesem Entwurf untersucht. Vorteil hierbei sind die weit vorne angeordneten Canards, welche auch nach einem Strömungsabriss der Tragfläche zusätzlichen Auftrieb erzeugen oder den Rumpf auf ein Ziel ausrichten können.