Die X-31 war ein einstrahliges Experimentalflugzeug aus US-amerikanisch-deutscher Koproduktion. Das Flugzeug auf Basis des Entwurfs Taktisches Kampfflugzeug 90 (TKF-90) diente zur praktischen Erprobung der Schubvektorsteuerung für Flüge jenseits des maximalen dynamischen Anstellwinkels. Das Konzept, auch nach dem Erreichen des maximalen Anstellwinkels noch kontrolliert weiterfliegen zu können (englisch post-stall technology, PST), wurde von Messerschmitt-Bölkow-Blohm Ende der 1970er-Jahre erfunden und sollte die Manövrierfähigkeit zukünftiger Kampfflugzeuge erhöhen. MBB und vor allem der Projektleiter und „Vater der X-31“, Wolfgang Herbst, sahen in der von ihnen so genannten SupermaneuverabilityDie moderne Demonstration von „Supermanövrierfähigkeit“ besteht meist darin, bei Flugschauen in den Strömungsabriss zu ziehen, um möglichst spektakuläre Drehungen zu vollführen. Der Geschwindigkeitsverlust ist dabei sehr hoch. Mit der ursprünglichen Idee von Wolfgang Herbst bzw. Messerschmitt-Bölkow-Blohm (MBB) hat das wenig zu tun. Herbst postulierte damals folgende Manöver-Charakteristiken: 1) 5 Sekunden PST-Dauer im Durchschnitt, 2) 10 % der gesamten Nahkampfzeit im PST, 3) geringe G-Lasten von etwa 1 g, 4) geringere Manövergeschwindigkeiten von etwa 0,1 Mach (W. Herbst: Supermaneuverability. 1983, Messerschmitt-Bolkow-Blohm; sowie Introduction der RTO HFM Lecture Series Human Consequences of Agile Aircraft. 2001). Die PST-Manöver sollten also nur für Transienten eingesetzt werden, beispielsweise um statt einer langsamen Wende die Nase aufzurichten, um eine noch engere Kurve zu fliegen (Herbst-Manöver). Der Gedanke, eine 20-Tonnen-Maschine in den Strömungsabriss zu wuchten, und sie dann durch ihre Massenträgheit weiterfliegen zu lassen, war ihm völlig fremd. eine Antwort auf die neuen infrarotgelenkten Kurzstrecken-Luft-Luft-Raketen, die Ziele aus jedem beliebigen Winkel ausschalten können, und nicht mehr nur von hinten. Der Programmmanager Robinson wies darauf hin, dass das X-31-Projekt eines der wenigen mit reverse technology flow für die Vereinigten Staaten sei, das heißt, dass die Vereinigten Staaten vom Wissen anderer profitieren würden, was bis dahin in größerem Umfang nur durch systematische Auswertung der Hochtechnologie des Dritten Reichs (im Projekt Paperclip) zu erheblichem Know-How-Transfer von Deutschland in die USA gelungen war.
Die X-31 war das erste X-Flugzeug der Vereinigten Staaten, das in internationaler Kooperation entstand, das erste Kampfflugzeug, dessen Schubvektorsteuerung (SVS) eine Kontrolle der Bewegungen sowohl um Nick- als auch Gierachse ermöglichte, und das erste, das ausschließlich mit dem Steuerknüppel geflogen werden konnte. Die quasi seitenleitwerkslosen Testflüge waren bei der Wiederaufnahme eines neuen Erprobungsabschnitts nach der Reaktivierung der X-31 nach vierjähriger Pause (eingelagert in Palmdale/Kalifornien) auch die ersten, in denen ein Flugzeug ohne die stabilisierende Wirkung eines Seitenleitwerks Überschallgeschwindigkeit erreichte. Ferner wurden ein 3D-Audiosystem und eine virtuelle Zieldarstellung durch erweiterte Realität erprobt. Zur gleichen Zeit wurden von der NATO RTO Working Group 27 Meinungsumfragen unter erfahrenen Piloten zu den Themen 3D-Schubvektorsteuerung, 12-g-Flugenveloppe, Helmvisier und negative G-Lasten durchgeführt, um die Nützlichkeit dieser Konzepte bewerten zu können.
Der Rollout fand am 1. März 1990, der Erstflug am 11. Oktober desselben Jahres statt. Es entstanden zwei Exemplare, von denen eines während der Versuche abstürzte. Die Amerikaner verwendeten die X-31 nur für allgemeine Versuche, zum Beispiel für Luft-Boden-Angriffe im JAST-Programm, und die US Navy war an den Vorteilen der Schubvektorsteuerung (SVS) bei Landungen auf Flugzeugträgern interessiert. Deutschland und andere Länder, die eine Beteiligung am X-31-Programm anstrebten, wollten dagegen die Schubvektorsteuerung (SVS) in Eurofighter Typhoon bzw. Saab 39 Gripen implementieren und die X-31 als Testflugzeug für Düse und Triebwerk verwenden. So sollte das Triebwerk Eurojet EJ200 mit Schubvektordüse in die X-31 im Rahmen eines deutsch-spanisch-amerikanischen Abkommens eingebaut und geflogen werden; aus verschiedenen Gründen kam dies jedoch nicht zustande.
Geschichte Das Konzept MBB und Rockwell arbeiteten bereits ab 1981 an einem gemeinsamen hochagilen Kampfflugzeugentwurf. Nachdem MBB das EAP-Projekt verlassen hatte, einigte man sich 1982 mit Rockwell, das Konzept der Supermanövrierfähigkeit weiter zu verfolgen. MBB hatte bereits mit Saab eine Saab 37 modifiziert, um die Entkopplung von Flugpfad und Rumpfausrichtung zu demonstrieren. MBB legte das Konzept 1983 der Luftwaffe vor, diese entschloss sich aber, es wegen technischer Unreife nicht in das European Fighter Aircraft (EFA) einfließen zu lassen. MBB ermutigte daraufhin Rockwell, die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) um Gelder zu bitten. Rockwell reichte daraufhin 1983 unaufgefordert Pläne für ein Testflugzeug unter dem Namen Supernormal Kinetic Enhancement (Snake) ein. Ab November 1984 wurden Untersuchungen durchgeführt, ein preisgünstiges Experimentalflugzeug auf Basis dieser Erkenntnisse zu fertigen. Das Flugzeug sollte die Flugsteuerung nach einem Strömungsabriss, an der MBB schon seit Jahren arbeitete, praktisch demonstrieren, um sie später in das EFA zu integrieren. Im November 1984 vergab die DARPA eine Machbarkeitsstudie an Rockwell, die wiederum MBB als Subunternehmer einbanden. 1985 initiierten die Senatoren Sam Nunn und Dan Quayle die Nunn-Quayle Nato co-operative Research and Development Initiative, die 1986 vom US-Kongress abgesegnet wurde.
Deutschland und die Vereinigten Staaten unterzeichneten daraufhin im Mai 1986 ein Memorandum of Understanding, mit dem die Konstruktionsphase eingeleitet wurde, die bis zum September 1987 andauerte. Im September 1986 vergab die DARPA einen vorläufigen Auftrag über ein Jahr Entwicklungsleistungen. Die Beziehungen glichen sich nun an, da direkt von Regierung zu Regierung verhandelt wurde. Die Auftragsleitung oblag der DARPA, der Leiter kam von der US Navy, sein Stellvertreter vom deutschen Bundesministerium der Verteidigung. MBB und Rockwell schlossen noch ein Abkommen, das die Arbeitsanteile und Zuständigkeiten regelte: MBB war für die Flugsteuerung und Kontrollgesetze, Schubvektordüse, Lufteinlauf und die CFK-Doppeldeltatragflächen verantwortlich, Rockwell für den Rest. Die US Navy war daran interessiert, wie sich die Landegeschwindigkeit auf Flugzeugträgern reduzieren ließe. Im Februar 1987 wurde die offizielle Bezeichnung X-31 für das Projekt vergeben. Es war das erste X-Flugzeug der Vereinigten Staaten, das in internationaler Kooperation entstand. Die Kosten für den Bau zweier Maschinen und ihrer Tests wurden mit 75 Mio. US-Dollar beziffert. Der MBB-Anteil von 20 % wurde vom deutschen Staat getragen, Rockwell bekam über die Nunn-Quayle-Initiative seine Kosten finanziert. 1987 begannen bereits die Tests mit den Triebwerksauslässen in den Vereinigten Staaten. Im September 1987 wurde der technische Entwurf festgelegt und die Fabrikation begann.
Ein Jahr später, 1988, hatte das Projekt seine erste Hürde zu überwinden: Der US-Senat störte sich an der 80/20-Aufteilung der Arbeitsanteile und verweigerte die Gelder. Das Pentagon schrieb daraufhin an den Senat einen Brief, in dem darauf hingewiesen wurde, dass die Vereinigten Staaten Deutschland zu einer Teilnahme am Projekt eingeladen hätten und ein Rückzug die Vereinigten Staaten blamieren würde. MBB hatte bereits einen Kompositflügel gefertigt, der andere befand sich gerade in der Herstellung. Der Senat gab schließlich kurz vor dem Ende 47,3 Mio. US-Dollar für die nächsten 22 Monate und die ersten 12 Testflugstunden frei.
Anfang 1989 wurde das Datum des Erstfluges auf November/Dezember 1989 gelegt, die zweite Maschine sollte drei Monate später abheben. Bis Januar 1991 sollten 300 Flugstunden in 400 Flügen erfolgen. Die Hälfte der Flüge sollte die konventionelle Flugenveloppe erweitern, die andere Hälfte nach einem Strömungsabriss. Die erste Testserie sollte bei Rockwell in Palmdale, Kalifornien (United States Air Force Plant 42), stattfinden. Die taktische Anwendung sollte in der Naval Air Station Patuxent River demonstriert werden, da hier die Verfolgungsmöglichkeiten der Nellis Air Force Base in der Nähe verfügbar waren. Die amerikanische und die deutsche Regierung forderten ein zügiges Voranschreiten des Projektes, um den taktischen Nutzen des Herbst-Manövers und weiteren Flugmanövern zu zeigen. Die taktische Evaluation sollte zuerst gegen computergenerierte Ziele durchgeführt werden, dann gegen die andere X-31 ohne aktive Schubvektorsteuerung, dann gegen Aggressorflugzeuge.
Manövertests Anfang 1989 war die Endmontage der ersten X-31 im Gange. Am 1. März 1990 fand der Rollout des ersten Flugzeuges statt. Ende April sollte der erste Flug erfolgen, und die zweite X-31 sollte im Juni fertig sein. Die Flugsteuerungssoftware war kurz vor der Fertigstellung und wurde in einem Flugsimulator in Kalifornien von MBB- und Rockwell-Testpiloten bei bis zu 70° Anstellwinkel (Angle of Attack, AOA) geprüft. Die Entwicklung lief parallel in der Bundesrepublik Deutschland und den Vereinigten Staaten ab, die Daten wurden über Modems ausgetauscht. Durch die umfangreiche Verwendung bewährter Bauteile konnten die Kosten für den Bau der beiden X-31 auf das Niveau von zwei F-16 gedrückt werden. Um auf Bruchtests an einem Iron Bird verzichten zu können, wurden alle Lasten mit 110 % überdimensioniert, was auch eine schnelle Zertifizierung – Deutschland die Tragflächen und die Schubvektorsteuerung, Rest Vereinigte Staaten – ermöglichte.
Aus nicht näher genannten Sicherheitsüberlegungen verschob sich der Erstflug auf Mitte Juni. Letztlich fand der Erstflug mit Rockwell-Testpilot Ken Dyson am 11. Oktober 1990 statt, fünf Monate später als zunächst geplant aufgrund von Feinabstimmungen mit dem Fly-by-Wire-System. Das Testprogramm sollte nun 1992 abgeschlossen sein. Am 23. April 1992 fand nach einem langen Wartungsintervall der Erstflug im Dryden Flight Research Center der NASA statt, nachdem die beiden X-31 dorthin verlegt worden waren. Hier sollte die Flugenveloppe erweitert werden, um die Flugzeuge Anfang 1993 zur Naval Air Station Patuxent River zu verlegen. Dort sollte mit den Gefechtsübungen begonnen werden. Im Mai 1993 waren die Testflüge nach Strömungsabriss abgeschlossen. Für Dezember waren die ersten Testgefechte gegen konventionelle Kampfflugzeuge geplant.
Im Oktober 1993 wurde bekannt, dass bei Testflügen 1994 das Seitenleitwerk entfernt werden solle, um Luftwiderstand und Radarsignatur zu senken. Grund war auch, dass bei Flügen mit einem Anstellwinkel von über 40° das Seitenleitwerk nutzlos war, und ab 45° auch das Seitenruder. Bevor man das Seitenleitwerk entfernte, wurde zuerst der Effekt eines kleineren Ruders untersucht, indem das Ruder destabilisierend programmiert wurde und der Effekt durch Schubvektorsteuerung (SVS) kompensiert werden musste. Das Ziel war eine quasi-seitenleitwerkslose Variante, bei der nur die Wurzel des Leitwerkes übrig bleiben sollte. Das Projekt sollte die Nützlichkeit von Schubvektorsteuerung (SVS) im Überschallflug untersuchen. Dazu sollte im Januar 1994 erstmals die Schallmauer durchbrochen werden. Die Kampftests gegen F-18 verliefen bis zu diesem Zeitpunkt vielversprechend, Manöver wie Pitch Reverse, J-Turn und Helicopter Gun Attack wurden evaluiert. Am 17. März 1994 wurde der erste Flug mit dem neutralisierten Seitenleitwerk durchgeführt und dabei Mach 1,2 erreicht. Es war das erste Mal, dass ein Flugzeug ohne die stabilisierende Wirkung eines Seitenleitwerks Überschallgeschwindigkeit erreichte. Als Vorteile wurden Radarsignatur, Luftwiderstand, Kraftstoffverbrauch und Gewicht genannt.