Interview: Mød ingeniøren der skabte Joint Strike Fighter

Joint Strike Fighter bliver verdens første operationelle supersoniske kampfly, der kan lette og lande lodret. Årsagen er et revolutionerede motordesign, der blev udtænkt af Paul Bevilaqua, og som skal stå sin første, rigtige prøve efter nytår. Mød ingeniøren fra det legendariske Skunk Works, der brød et af aerodynamikkens største problemer.

Da Dr. Paul Bevilaqua fra Lockheed Martin i de tidlige 1990'ere præsenterede sit bud på et nyt kampfly til det amerikanske forsvars agentur for avancerede projekter, Darpa, var det med en radikalt anderledes tilgang til flydesign.

Flyet var det der i dag er kendt som F-35 Joint Strike Fighter. Efter nytår skal flyet gennemgå omfattende test. Inden da forklarer Paul Bevilaqua historien om udviklingen af flyets enestående egenskaber til Ing.dk.

»Beskeden var: Byg os et fly, der er supersonisk, stealthy og kan lande og lette vertikalt, og som samtidig er til at betale. Det var en helt anden tilgang, end vi var vant til. Før rev vi os i hovederne over at skulle bygge et fly, der kunne leve op til nogle ret ekstreme specifikationskrav - nu sagde vi: hvordan skal vi designe et fly uden af have nogle specifikationer,« siger Paul Bevilaqua.

Læs også: Video: Sådan fandt jeg på at lade et kampfly lette vertikalt

Læs også: Joint Strike Fighter kan lette og lande lodret

Lockheed Martin havde en fordel. De havde Paul Bevilaqua, der forinden havde udtænkt et revolutionerede motordesign, der muliggjorde verdens første supersoniske kampfly med vertikale egenskaber og endte underskriften på historiens største militærkontrakt til en værdi af 300 milliarder dollars.

Flyvningens hellige gral

Drømmen om et supersonisk kampfly med vertikale egenskaber har eksisteret siden jetmotorens oprindelse. En slags hellig gral inden for flyvningen og for aerospace ingeniører, forklarer Bevilaqua som Ing.dk møder i Fort Worth, Texas.

Han taler roligt, men passioneret, og hans øjne lyser op i en næsten ungdommelig eufori, hver gang han forklarer om jagten på vertikal flyvning og over 50 mislykkede forsøg, der har været siden 1950'erne.

Det britiske Harrier blev det første succesfulde vertikale fly. Inden da havde man prøvet alt fra såkaldte 'tail sitters', hvor man rejste flyet op på halen over indbygning af opdriftsmotorerne i selve flykroppen til montere drejbare motorer.

Men enten var der problemer med dårligt udsyn for piloterne, problemer med at motorerne udgjorde dødvægt under normalt flyvning, eller også kæmpede ingeniørerne med varme udstødningsgasser, der ødelagde materialerne og underlaget.

»Man kan sige, at udviklingen gik mod en større grad af enkelhed, indtil man fandt ud af at det eneste, man skulle styre, var trykkraften (vectored thrust, red.), og det lykkedes på Harrier.

Her blev trykkraften fra jetmotoren styret ved hjælp af fire dyser. Flyet kunne desuden øge sin nyttelast og rækkevidde betragteligt ved starte fra korte landingsbaner, hvilket var en stor fordel og som også vil blive den måde, man vil anvende i den vertikale udgave af Joint Strike Fighter,« forklarer Bevilaqua.

Men selv om Harrier havde succes i flere landes værn herunder det amerikanske Marinekorps, kæmpede det med ét af aerodynamikkens største problemer.

»Man kom den størst mulige rotordiameter i flyet, for at få kraft nok til at flyet kunne lette vertikalt, men rotordiameteren blev for stor til at flyet kunne flyve supersonisk. Et supersonisk fly skal være langt og slankt. Det er et fundamentalt aerodynamisk problem, der gennem historien har vist sig er ekstremt svært at løse.«

Ideen

Imens ingeniører og flydesignere verden over kæmpede med at finde den rette løsning på det tekniske problemerne, var Paul Bevilaqua i gang med at lære sig de fundamentale aerodynamiske regler.

Læremesteren var den tyske opfinder af jetmotoren, Hans von Ohain, der i 1947 kom til USA for at arbejde for luftvåbnet på Wright-Patterson luftbasen i Ohio.

»Han prægede den måde, jeg tænker på. Han lærte mig at tænke som en ingeniør frem for en matematiker. Han arbejdede meget på vertikale fly, og det var den måde, jeg kom ind i det arbejde på,« fortæller Paul Bevilaqua.

Den viden skulle han få brug for.

I 1986 arbejdede Paul for Lockheed Martin Skunk Works, da Darpa uddelte en kontrakt på ni måneder til at undersøge muligheden for at udvikle en supersonisk, stealthy afløser for Harrier til Marinekorpset.

Konceptet var et Stovl, Short Take Off and Vertiacal Landing, og flyet skulle udføre missioner som luftafvisning som F-18 Hornet og troppestøtte som Harrier. Motoren skulle altså både have nok kraft til give vertikal opdrift og samtidig være slank nok til at flyet kunne opnå supersoniske hastigheder.

Bevilaqua analyserede alle de flejlslagne projekter og studerede i detaljer, hvorfor de ikke virkede. Han rangerede alle projekterne efter principperne: rart at have, vigtigt at have og nødvendigt at have. Det gav ham et ideelt koncept på indeks 100, hvor Harrier lå som det bedste Stovl-koncept lå på indeks 80.

»Efter otte måneder havde vi stadig intet at rapportere til Darpa, så jeg satte sig ved skrivebordet og tænkte resultaterne fra studierne igennem fra bunden. Vi vidste, at den bedste måde at ekstrahere kraft til stovl-fly er, som man altid har gjort det, ved hjæp af en turbine.

Vi vidste også, at en aksel er den bedste måde at flytte kraften frem fra motoren, og ved at koble et nyt trin på turbinen, kunne vi drive akselen. Og så vidste vi, at fanblade er den bedste måde af skabe trykkraft. De elementer lå fast.«

Men noget manglede. Under Hans von Ohain arbejdede Paul på forskellige projekter med at forstærke trykkraften i jetmotorer, og han vidste, at han i princippet kunne trække mere kraft ud af motoren ved at udnytte bypass-luften fra udstødningsdysen. Men det indebar en risiko.

Trykket falder omkring udstødningsdysen, når mængden af luft pludselig reduceres kraftigt. Det får motoren til at øge hastigheden, og til sidst vil den havarere.

»Men så kom det efter ti sekunder. Det var jo lige præcis, hvad jeg ønskede. Jeg havde brug for den ekstra kraft, motoren ville skabe, når jeg afledte noget af bypass-luften. Hvis jeg kunne koble en vertikal rotor (liftfan, red.) til på samme tid, som jeg fjernede bypass-luften, ville systemet fungere, fordi rotoren ville udnytte den ekstra kraft fra motoren.

Jeg testede konceptet på min skala, og det gav indeks 98. Det var ikke perfekt, men næsten. Da vidste jeg, at det her var løsningen,« siger Bevilaqua.

Ved at sprede fremdriftssystemet over flyets længe, kunne Paul holde sit design slankt nok til supersonisk flyvning samtidig med at han kunne genere nok trykkraft til vertikal løft. Den ekstra rotor fungerede som en helikopter bag cockpittet og kunne levere 18.000 pund trykkraft, mens selve jetstrålen ved hjælp af et tre-trins roterbar dyse blev drejet ned mod jorden og gav 20.000 pund bagude. I vingerne gav to dyser på i alt 2.000 pund stabilitet.

F-35B Stovl var født, og Darpa klappede i hænderne.

Første vertikale landing i 2010

I 2001 vandt Lockheed Martin konkurrencen om at bygge Joint Strike Fighter foran Boeing. Flyet bygges i tre varianter, der i grundtrækkene er ens, men har specialiserede egenskaber.

Der er en version til luftvåbenet, som Danmark også har lagt billet ind på, en version til den amerikanske flåde og så Stovl-versionen, der skal bruges af Marinekorpset og den britiske flåde og som lagde det designmæssige fundamentet for de tre varianter.

Men udviklingen fra at være et Stovl-fly til kun Marinekopset til JSF betød samtidig, at Pauls oprindelige design løbende ændrede sig, eftersom forskellige generaler fra de tre værn fik indført flere krav til flyet. De ekstra krav forøgede radikalt vægten af flyet, og det blev det store problem for JSF, der på et tidspunkt var 3.000 pund for tungt.

»Alt flydesign er et kompromis, men da vægt ikke udgjorde et designparameter, som det plejer, blev vægtgrænsen hele tiden rykket, til vi sagde stop og koncentrede alle kræfter i projektet om at reducere vægten.

Resultatet i dag er et kampfly, der præstere som F-16 og F-18, og som vil have en større overlevelsesevne gennem stealth og samtidig have længere rækkevidde.«

Den 18. december 2008 kunne det første Stovl-fly lette fra fabrikken i Lockheeds fabrik i Fort Worth. Flyet har svævet frit uden problemer, og i starten af 2010 skal det foretage sin første overgang fra aerodynamisk flyvning til vertikal. Paul Bevilaqua følger med mere end tyve år efter at hans ide første gang og form.

»Motoren har kørt i tusinder af timer uden nogen problemer, og jeg er fuldstændigt overbevist om, at teknologien virker i praksis. De komponenter, vi har tilføjet for at give flyets det vertikale egenskaber, er helt almindelige komponenter. Det er i virkeligheden meget simpel teknologi, vi taler om her,« siger Paul Bevilaqua.

Kommentarer (3)

Russernes Yak 141 har ikke en akseldrevet lift-fan i forenden af flyet, men to separate simple jetmotorer, der peger nedad. Det burde give en vægtmæssig fordel, simplificere vedligeholdelsen og forhindre kølingsproblemer.
Jeg håber dog, at de har styr på problemet med erosion af underlaget ved lodret landing. Selv Harriers kan nedbryde det underlag de lander på over tid. De har ellers ikke nogen efterbrænder på motoren. En F35 er faktisk blevet så tung, at den er nødt til at bruge efterbrænder for at lande lodret. En Harrier har også en række paneler, som fanger luften fra motoren når den reflekteres fra underlaget. Resultatet er, at flyet hjælpes opad af en luftpude. En F35 vil sikkert samle for meget varme op, hvis den prøver det samme.
Fordelen ved en F35 i forhold til en Harrier, er at en medium by-pass motor med efterbrænder kan opnå en højere topfart end en high by-pass motor uden.
Problemet er bare at brændstofforbruget bliver enormt ved supersonisk hastighed, så det er tvivlsomt, hvor meget hurtigere flyet egentligt vil flyve i praksis. Moderne visdom dikterer iøvrigt at jagerfly skal have low by-pass motorer for at kunne supercruise med supersonisk hastighed uden at bruge efterbrænder. Med en sådan motor vil en F35 ikke kunne lande lodret selv med efterbrænder.
Det synes defor mere at være en øvelse i at bygge større rækkevidde og mere udstyr ind i et fly til lodret landing. Også selvom man må vandkøle landingsdækket. Og nej, det er ikke et jagerfly.
Det er dog småproblemer sammenlignet med det overordnede problem med flyet. Man svor nemlig man aldrig igen ville bygge ét fly til alle tjenestegrenene (flåden, marinen og flyvevåbnet) og til alle rollerne efter F111 skandalen. Nu gør man det igen og med nøjagtigt samme problem til følge med overskridelse af budget, tidsplan og specifikation. At det så også var General Dynamics der stod bag den gang (nu del af Lockheed Martin) gør det ikke just bedre. De gamle erfarne rotter fra dengang såsom Pierre Sprey bliver simpelthen ignoreret, selvom de prøver at ytre sig.
Uanset hvad, så vil flyet aldrig blive en ny F-16. Det vil være en stealthy F111. Så kan de sige hvad de vil. Læs f.eks. om idéen bag F-16 her:
http://en.wikipedia.org/wiki/Fighter_Mafia

  • 0
  • 0

Efterbrænder bruges kun til supersonisk flyvning, ikke til lodret flyvning. Fan'en giver mere løft end jetmotoren kunne alene (deri består opfindelsen) - F35 skulle derfor være betydeligt mere kølig end Harrier.
F35B har max g=7,5 hvor F35A når 9.
X35B lettede på 150fod, fløj supersonisk, og landede lodret 20.Juli 2001 : http://www.space.com/businesstechnology/07...

http://en.wikipedia.org/wiki/LiftFan

Fremlæggelse: http://www.dtic.mil/dticasd/sbir/sbir032/n...
Patent: http://www.patentgenius.com/patent/5209428...

  • 0
  • 0