X-31A EFM


Der zweite Prototyp von der Seite, man beachte die Schaufeln für die Schubvektorierung

 
Geschichte

Die X-31 verdankt ihre Existenz Studien von MBB (Messerschmitt-Bölkow-Blohm, heute EADS), deren Anfänge bis ins Jahr 1977 zurückgehen. Mit Rockwell stieß 1983 ein weiterer Partner hinzu, so dass im November 1984 mit einer Machbarkeitsstudie begonnen werden konnte. Nach dem erfolgreichen Abschluss der Grundlagenuntersuchungen wagte man sich auf deutscher Seite an eine Zusammenarbeit mit den Amerikanern, die im Mai 1986 schriftlich festgehalten und von Phase 2, dem vorläufigen Flugzeugentwurf, eingeleitet wurde. Experten der U.S. Navy, dem deutschen Verteidigungsministerium und der NASA trugen gemeinschaftlich zum Design der X-31 bei. Nachdem die Finanzierung der Prototypen im August 1988 sichergestellt war, konnte Phase 3 beginnen: der Bau von zwei Prototypen durch Rockwell International (heute Teil von Boeing). Die DASA lieferte Steuerungssysteme und die Schubumlenkung sowie neben ein paar anderen nicht unwichtigen Komponenten auch die Tragflächen. Rockwell kümmerte sich zudem um Konfiguration und Aerodynamik der Maschinen.
Die bei Rockwell bereits durchgeführten Projektarbeiten zum HiMAT RPV und der TKF-90 von MBB lieferten ein solides Know-how für Design und Entwicklung der X-31, dem ersten internationalen X-Flugzeug der USA.

Rollout des ersten Flugzeugs war am 1. März 1990, der 38-minütige Erstflug fand wenige Monate später am 11. Oktober 1990 statt. Der zweite Prototype folgte im Januar 1991 und wurde von einem deutschen Piloten der EADS eingeweiht. Obwohl die Maschinen eigentlich identisch aufgebaut waren, hatte man offensichtlich die zweite Maschine mit geringerer Genauigkeit zusammengesetzt. Das brachte ihr den Beinamen „Evil Twin“, den sie erst mit dem Einbau einer modifizierten Front loswurde. Der Erstflug einer Maschine mit der Schubvektorsteuerung fand am 14. Februar 1991 statt und bereits im November 1991 begann man mit der Erprobung der Nach-Überziehungsphase, bei der Ende 1991 nach 108 absolvierten Testflügen Anstellwinkel von 52° erreicht wurden. Im Januar 1992 zog man nach Dryden und führte dort weitere Tests durch..

Im Juni 1992 begann die Phase 4, deren Ziel es war einen Anstellwinkel von 70 Grad bei 45 Grad Querlage zu erreichen. Dies gelang dem ersten Prototypen am 18. September 1992. Am 6. November wurden erste 360-Grad-Rollen bei einem Anstellwinkel von 70 Grad geflogen. Das Programm der Nach-Überziehungsphase wurde im März 1993 abgeschlossen, danach folgte eine taktische Erprobung durch Militärpiloten am Naval Air Test Center Patuxent River. Dort kam es auch zum ersten Mal zu einem simulierten Kampf zwischen einer X-31A mit aktivierten Nach-Überziehungskontrollen gegen eine X-31 mit deaktivierten Kontrollen. Nach dem Sieg der Technik über den Menschen folgte die Kampferprobung gegen andere im Einsatz befindliche Flugzeuge.
Am 17. März konnte von einer X-31 mit deaktiviertem Seitenruder eine Höhe von 11.582 m bei einer Geschwindigkeit von Mach 1,2 erreicht werden. Trotz der großen Höhe bleib die Maschine noch manövrierbar, dies war vor allem auf das schubumgelenkte Triebwerk zur Richtungssteuerung und diverse andere Funktionen des Flight Control Systems zurückzuführen.
Am 29. April 1993 wurden erste 180-Grad-Kurven bei einem Anstellwinkel von 70 Grad geflogen. Danach erfolgte ein weiterer Teil der Kampferprobung mit simulierten Luftkämpfen gegen F/A-18 aus gleicher Position. Die X-31 bewies dabei gute Überlebensfähigkeiten in der Verteidigung und verzeichnete gute Erfolge im Angriff. Teilweise trugen die Piloten GEC-Marconi Avionics Viper-Helme mit Video- und Audio-Anzeige, auf die vom Boden gesteuert ein virtueller Gegner projiziert wurde. Nachdem die offizielle Finanzierung im April 1994 ausgelaufen war, konnte das Projekt nur noch bis Oktober 1994 am Leben gehalten werden. Auf der Pariser Luftfahrtschau in Le Bourget 1995 absolvierte das meistgenutzte X-Flugzeug seinen vorerst letzten Flug.

Im März 1998 wurde eine deutsch-amerikanische Absichtserklärung unterschrieben, die eine weitere Nutzung der einzigen noch verbliebenen X-31 vorsieht. Die neue Testserie unter dem Namen "Vector-Program" (Vectoring, Extremely Short Takeoff and Landing, Control and Tailless Operation Research) dient zur Erforschung von drei verschiedenen Punkten: Erstens sollen extreme Kurzlandungen bei niedrigen Anfluggeschwindigkeiten untersucht werden. Mit Hilfe der Vektorsteuerung können so Anflüge mit Anstellwinkeln von rund 40° realisiert werden.
Ab Ende 1998 wurde die einzige verbliebene X-31 von Boeing wieder hergerichtet. Als Triebwerk wählte man nun das moderne RM-12 des SAAB JAS-39 Gripen, an das die bereits getesteten Schubumlenk-Klappen montiert wurden.
Am 24. Februar 2001 hob die X-31 unter der US Navy Kennnummer 164585 zu ihrem "zweiten" Erstflug ab. Bis einschließlich April 2001 wurden erste Flugtests durchgeführt, einerseits um die Piloten an die ungewohnte Maschine zu gewöhnen als auch um die Funktion der Systeme zu überprüfen. Neu dazugekommen waren unter anderem ein GPS-basiertes Navigationssystem von IntegriNautics, eine der F/A-18 entnommene automatische Schubkontrolle sowie ein selbstentwickelter Autopilot des VECTOR-Teams.

Phase II der Flugerprobung startete im Mai 2002 und endete im März 2003. Dabei wurden virtuelle Landungen in einer Höhe von rd. 1.500 m durchgeführt um die Funktion des IBLS Navigationssystem zu validieren und mit den gewonnenen Daten das System entsprechend zu parametrieren. Als zweites wurde ein von deutscher Seite entwickelter Luftwertesensor, der in die Nase des Flugzeugs eingebaut wird, erprobt. Das Besondere an diesem Gerät ist die hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit bei hohen Anstellwinkeln und die sich an die Nase anpassende Kontur, die somit die Stealtheigenschaften verbessert. Da die Gelder für das Projekt begrenzt sind, konnte man die Tests nicht ohne das Seitenleitwerk oder zumindest mit reduziertem Leitwerk durchführen. Deshalb wird ein Flugregler für diese Konfiguration, als dritter Forschungspunkt, nur in Windkanalversuchen studienhaft durchgeführt.

Am 3. April 2003 begann letztendlich die entscheidende Phase III des Projekts; automatische Landungen auf einem Rollfeld. Der Pilot manövriert dazu die Maschine in einen Bereich 350 m vor der Landebahn und in 4 km Höhe. Da der Pilot durch den hohen Anstellwinkel die Rollbahn nicht sehen kann, übergibt er an das Landesystem. Der Autopilot steuert die Maschine daraufhin in einer s-förmigen Kurve bis 60 cm über den Boden. Die X-31 reitet sozusagen mit 180 km/ Vorwärtsgeschwindigkeit auf ihrem Abgasstrahl. Nun wird der Anstellwinkel mit einer Geschwindigkeit von 20 Grad je Sekunde zügig verringert und das Hauptfahrwerk setzt auf. Für dieses Manöver ist natürlich eine hohe Präzision notwendig und die spezielle mit einem GPS kombinierte Trägheitsplattform garantiert Genauigkeiten im Zentimeterbereich. Die Vorteile des ESTOL (Extremly Short Take-Off an Landing) liegen beispielsweise in den möglichen höheren Landemassen bei Trägereinsätzen, so dass teure ungenutzte Waffen nicht mehr vor der Landung ins Meer geworfen oder Treibstoff abgelassen werden muß.

An dem Projekt sind an Behörden die US Navy und das Bundesamt für Wehrtechnik und Beschaffung sowie die DLR beteiligt. An Firmen sind Boeing und EADS in das Projekt involviert. Mittlerweile wird die X-31 für die kommenden Testflüge modifiziert und EADS hat zudem einen Simulator entwickelt der nicht nur zum Training der Piloten sondern auch zum Verifizieren der neuen Software verwendet wird.
Die modifizierte X-31 absolvierte ihren letzten Flug am 29. April 2003 auf der Patuxent River Naval Air Station, Md. und landete mit einem Anstellwinkel von 24 Grad (was mehr als dem doppelten des Normalwertes entspricht) und einer Aufsetzgeschwindigkeit von nur 220 km/h (normal sind etwa 320 km/h). Die gewonnenen Daten wurden anschließend genauestens analysiert und stehen damit zukünftigen Forschungsteams zur Verfügung.

Technik

Die X-31 beinhaltet zur Flugsteuerung vier digitale Rechner, denen kein analoges oder mechanisches Notsystem nachgeschaltet ist. Zur Erhaltung der Ausfallsicherheit ist der vierte Rechner vorhanden, der erkennen soll, ob einer der drei anderen Fehlfunktionen aufweist. Eine ähnliche Konfiguration findet man auch bei den Space Shuttles der NASA.

Das Design der X-31 lässt sich wie folgt beschreiben:
Die tief angesetzten Delta-Knickflügel verfügen über einen speziell von Rockwell entwickelten Tragflächenquerschnitt (Verhältnis von Dicke zu Sehne 5,5 %), die einschließlich Wölbung und Verdrehung, keine positive oder negative V-Stellung und eine Neigung von 0° besitzen. Die Pfeilung am Viertelpunkt beträgt 48 Grad 6 Minuten innen und 36 Grad 36` außen. Die X-31 verfügt des Weiteren über gepfeilte Vorflügel, Seitenleitwerk und Seitenruder, jedoch kein Höhenleitwerk. Neben den auffälligen Klappen der Schubumlenkung verfügt das Design auch über Canards, die im Zusammenspiel mit dem Flight Control System zusätzlich die Manövrierbarkeit steigern sollen und im „Dogfight“ entscheidende Vorteile bringen könnte. Durch die beschleunigte Rumpausrichtung und damit verbundene schnelle Zielauffassung kann ihr Leistungsspektrum auf Luftkämpfe bei niedrigen, schallnahen und überschallschnellen Geschwindigkeiten ausgedehnt werden.
Aufgrund der hohen bei Tests erreichten Anstellwinkel von bis zu 70° werden zudem Luftkämpfe bei Winkeln möglich, die normalerweise zum Überziehen der Maschine führen würden.

Die X-31 ist mit einem mit Nachbrenner ausgestattetem General Electric F404-GE-400 Mantelstromtriebwerk ausgestattet. Dieses wird von einem einzelnen Treibstofftank im Rumpf knapp hinter der Pilotenkanzel gespeist. Es verfügt über eine einzelne Lufteinlassöffnung, mit beweglicher unterer Lippe, im unteren Rumpf.
Die drei Klappen der Schubumlenkung werden aus einer Graphit-Verbindung hergestellt und widerstehen Temperaturen von dauerhaft bis zu 1500° Celsius, mit ihnen lässt sich der Rumpf ohne zusätzliche Hilfe der Steuerklappen in jede beliebige Richtung ausrichten.
Das unter Druck stehende und klimatisierte Cockpit bietet einem Piloten auf Martin-Baker SJU-5/6 Schleudersitz Platz. Die nach hinten öffnende Kanzel ist der F/A-18 Hornet nachempfunden. Die General Electric Aerospace Business Group war am Cockpit-Design maßgeblich beteiligt. Das Fahrgestell wurde von der F-16 Fighting Falcon übernommen und angepasst. Dabei handelt es sich um ein hydraulisch einziehbares Dreirad-Fahrwerk, wobei die Haupteinheiten nach vorne klappen und die Bugeinheit nach hinten.


Eine X-31 in Formationsflug mit einer F/A-18

 
Bezeichnung des Flugzeugs: X-31A EFM
Typ: Einsitziges Testflugzeug zur Erprobung eröhter Kampfmanövrierfähigkeit
Hersteller: Rockwell/DASA
Baujahr: 1990
Besatzung: 1 Pilot
Antrieb: 1 General Electric F404-GE-400 Mantelstromtriebwerk
Schub (kN): 71,17
Höchstgeschwindigkeit: Mach 1,3
Steigleistung (m/sek): 218,43
Dienstgipfelhöhe (m): 12.200
Kraftstoffvorrat (kg): 1.876 intern
Gewicht (kg): 5.175 Leergewicht,
7.228 maximales Startgewicht
Länge (m): 14,85
Höhe (m): 4,4
Spannweite (m): 7,26
Bewaffnung: unbewaffnet
Produktionszahlen: 2


Eine X-31A mit demontiertem Seitenleitwerk

 
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Pictures by NASA Dryden Flight Research Center.