Der Eurofighter "Typhoon" (IV)
Werkstoffe, Aerodynamik, Flugsteuerung
Als Flugzeug der vierten Generation ist der "Typhoon" ein aerodynamisch instabiles Flugzeug, das nur mit Hilfe eines ausgeklügelten Flugsteuerungssystems beherrscht werden kann. Damit und mit Hilfe der beiden schubstarken EJ 200-Triebwerke erreicht dieses Kampfflugzeug aber beeindruckende Leistungen.
Der Eurofighter "Typhoon" basiert auf einem Konzept, welches auf die Entwicklung eines Jagdflugzeuges ausgerichtet war. Die primären Anforderungen waren daher die Erreichbarkeit eines Lastvielfachen von 9 g (neunfache Erdbeschleunigung) sowie einer Geschwindigkeit von Mach 2. Darüber hinaus waren eine entsprechende Stabilität der Zelle sowie eine Lebensdauer von mindestens 6 000 Flugstunden gefordert.
Da der Jet eine Startmasse erreichen sollte, die dem Doppelten der Leermasse entspricht, ist der "Typhoon" ein relativ kleines Flugzeug, vergleicht man ihn mit einer F-14 "Tomcat", einer F-15 "Eagle" oder mit einer Su-27 (FLANKER). Größenmäßig liegt der Eurofighter "Typhoon" zwischen der MiG-29 (FULCRUM) bzw. der F/A-18 "Hornet" und der F-16 "Fighting Falcon". Seinem französischen Rivalen, der Dassault "Rafale", entspricht der "Typhoon" größenmäßig beinahe auf den Zentimeter.
Werkstoffe
Der "Typhoon" ist zu großen Teilen aus entwicklungstechnisch neuen Materialien gefertigt:
- 70 Prozent Kohlefaser-Verbundwerkstoffe;
- 12 Prozent Glasfaser;
- 15 Prozent Metall (vorwiegend Aluminium, Aluminium-Lithium-Legierung und Titan);
- 3 Prozent sonstige Materialien.
Dies gewährleistet die geforderte Stabilität und Belastbarkeit der Flugzeugzelle bei einer möglichst geringen Leermasse.
Durch die Weiterentwicklung zum Mehrzweckkampfflugzeug stieg zwar die Leermasse aufgrund der Einrüstung entsprechender Systeme an, allerdings konnte auch die maximale Startmasse (MTOW - Maximum Take-Off Weight) vergrößert werden.
Bei der Entwicklung und Konstruktion des "Typhoon" standen Stealth-Eigenschaften (vergleichbar mit jenen der B-2 oder der F-22) nicht im Vordergrund. Vorgabe für das neue Kampfflugzeug war ein Radarquerschnitt von maximal 25 Prozent des Radarquerschnittes des "Tornado". Einige konstruktive Merkmale des "Typhoon" wurden daher in diese Richtung optimiert, insbesondere die großen, kastenförmigen Lufteinläufe. Darüber hinaus wurden einige radarkritische Flächen (Tragflügelvorderkanten, Lufteinläufe, Klappen) mit radarabsorbierenden Materialien beschichtet.
Aerodynamik
Im Vordergrund der Überlegungen standen jene Fähigkeiten, welche die Qualität eines Luftüberlegenheitsjägers ausmachen; dazu zählen insbesondere die Wendigkeit und Manövrierfähigkeit sowie eine hohe Steigleistung und Beschleunigung. Die Konstrukteure wählten daher für den "Typhoon" eine Auslegung, die in der Fachsprache als "schwanzloser Deltaflügler" mit zusätzlichen Vorflügeln, den so genannten "Canards", bezeichnet wird. Konkret handelt es sich beim Eurofighter "Typhoon" um ein einsitziges (bzw. doppelsitziges) zweistrahliges Allwetter-/Tag-/Nacht-Mehrzweckkampflugzeug mit Deltaflügel-/Canard-Konfiguration und einfachem Seitenleitwerk. Zwei leistungsstarke Turbofan-Triebwerke sorgen für den nötigen Schub.
Deltatragflächen:
Die tief angesetzten Deltatragflächen des "Typhoon" weisen an der Vorderkante eine Pfeilung von 53° auf. Über die gesamte Vorderkante jedes Flügels erstreckt sich ein einteiliger Vorflügel, der - ebenso wie die beiden an der Hinterkante angebrachten Klappen - durch das Flugsteuerungssystem automatisch gesteuert wird. Diese Konfiguration dient in erster Linie der Auftriebserhöhung bei geringen Geschwindigkeiten und/oder hohen Anstellwinkeln (beispielsweise bei Start und Landung, aber auch bei bestimmten Flugmanövern).
Vor- und Nachteile des Deltaflügels: In seiner Reinform ist der Deltaflügel nur bedingt für den Kurvenluftkampf geeignet, da bei eng geflogenen Kurvenradien sehr viel Energie verlorengeht. Außerdem benötigt ein klassischer Deltaflügler hohe Anstellwinkel bei Start und Landung bzw. ist beim Deltaflügler die Landegeschwindigkeit relativ hoch, was wiederum lange Landebahnen bedingt. Dennoch entschieden sich die Konstrukteure beim "Typhoon" für Deltatragflächen, da sie ein hohes Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand sowie eine niedrige Flächenbelastung gewährleisten, was bei engen Flugmanövern im Kurvenluftkampf von Vorteil ist. Außerdem ist im Überschallbereich der Widerstand des Deltaflügels geringer. Eigentlich ist der Deltaflügel für den oberen Flugleistungsbereich (hohe Geschwindigkeiten in großer Höhe) prädestiniert. Weitere Vorteile des Deltatragwerkes sind die breite Anbindung an den Rumpf entlang der Flügelwurzel, was Platz für Kraftstofftanks bietet und die Stabilität erhöht. Die Nachteile des Deltaflügels wurden beim "Typhoon" durch die Canards - in Verbindung mit der instabilen Auslegung und dem elektronischen Flugsteuerungssystem (FCS - Flight Control System) - mehr als wettgemacht.
Canards:
Beiderseits am Bug vorne befinden sich kleine Canards (Flügelfläche knapp 2,5 m²), die ebenfalls vollautomatisch vom Flugsteuerungssystem bewegt werden. Sie sind nicht miteinander verbunden und können so unabhängig voneinander gesteuert werden. Diese beim "Typhoon" im Vergleich mit anderen Kampfflugzeugen sehr weit vorne angebrachten Canards erhöhen in Verbindung mit den Klappen an der Tragflügelhinterkante die Manövrierfähigkeit in allen Geschwindigkeitsbereichen beträchtlich und verbessern auch die Handhabungsmöglichkeiten des Flugzeuges bei geringen Geschwindigkeiten.
Da mit den Canards das Anströmverhalten der Tragflächen beeinflusst werden kann, dienen sie auch zur Erhöhung des Auftriebes. Dies gleicht einen wesentlichen Nachteil des Deltaflügels aus: Zur Auftriebserhöhung muss nicht mehr der Anstellwinkel der Tragflächen erhöht werden (was zu hohem Luftwiderstand und damit zum Energieverlust führen würde).
Das Seitenleitwerk:
Markant am "Typhoon" ist auch das große Seitenleitwerk, das dem Flugzeug eine gute Richtungsstabilität sowie - teilweise automatisch gesteuert - sehr gute Giereigenschaften (Gieren ist eine Drehbewegung um die Hochachse) verleiht.
Luftbremse und Bremsschirm:
Direkt hinter dem Cockpit befindet sich die große, mechanisch bedienbare Luftbremse, die selbst bei hohen Geschwindigkeiten verwendet werden kann und auch im Flug hilft, rasch die Geschwindigkeit zu reduzieren.
Am Rumpfende, oberhalb der beiden Triebwerke, im Ansatz des Seitenleitwerkes, befindet sich ein einfacher Bremsschirm. Er wird jedoch nur bei Bedarf eingesetzt, da die für die Landung benötigte Pistenlänge beim "Typhoon" ohnehin durchschnittlich nur knapp 700 Meter beträgt.
Der Eurofighter "Typhoon" verfügt über kein Schubumkehrsystem.
Triebwerkseinlauf:
Der Triebwerkseinlauf des "Typhoon" befindet sich unter dem Rumpf, da diese Lösung eine bessere Aerodynamik versprach. Insbesondere bei mittleren und hohen Anstellwinkeln bringt diese Auslegung gegenüber den seitlich angeordneten Lufteinläufen ein günstigeres Strömungsverhalten. Nachteilig ist, dass bei einem tiefliegenden Lufteinlauf - verglichen mit seitlich angeordneten Lufteinläufen - aufgrund der relativen Nähe zum Boden die Gefahr des Ansaugens von Fremdkörpern, die auf der Piste liegen, größer ist. Solche angesaugten Fremdkörper können zu teuren Triebwerksschäden führen. Die US Air Force kämpft mit diesem Problem bei der F-16 "Fighting Falcon", die ebenfalls einen unter dem Rumpf angeordneten Lufteinlauf besitzt.
Flight Control System (FCS)
Das FCS hat die Aufgabe, das aerodynamisch instabile (siehe unten) Flugzeug für den menschlichen Piloten steuerbar zu machen. In der Praxis bedeutete dies eine enorme Herausforderung bei der Entwicklung des "Typhoon".
Der "Typhoon" verfügt über ein vierfach redundantes, voll digitales Fly-by-Wire Flugsteuerungssystem. Dieses umfasst vier Boxen mit je acht Prozessoren mit je einem Hochgeschwindigkeitsdatenbus zur Anbindung an die Avioniksysteme sowie einen Datenbus zur Anbindung an das Utility Control System (UCS). Damit der "Typhoon" flugklar ist, darf beim Pre-flight-Check von keinem der vier Flugsteuerungscomputer eine Fehlermeldung kommen. Diese einschränkende Sicherheitsvorschrift kann im Einsatzfall angepasst bzw. geändert werden.
Das Flugsteuerungssystem erfasst jede Bewegung des Steuerknüppels, interpretiert diese und leitet sie in digitaler Form an die einzelnen Steuerflächen weiter, wo Servomotoren die entsprechenden Bewegungen durchführen. Aufgrund der permanenten Kenntnis des Systems über die eigene Fluglage und den Flugzustand werden an den Steuerflächen stets die optimalen Steuerausschläge erzeugt. Insgesamt werden mit diesem vollautomatischen System neun Steuerflächen kontrolliert. Außerdem verfügt das FCS noch über g-Kraft- und Anstellwinkelbegrenzer, um Überbelastungen der Zelle bzw. unkontrollierte Flugzustände zu verhindern.
Das FCS des "Typhoon" ermöglicht auch das so genannte Carefree Handling (CFH). Dabei hat der Pilot die Möglichkeit, die gesamten Fähigkeiten des Systems auszunutzen, während das FCS alle Steuerflächen kontrolliert. Darüber hinaus verfügt der "Typhoon" auch über einen so genannten "Panikknopf", mit dessen Hilfe der Pilot das Luftfahrzeug aus einem instabilen Flugzustand zurückholen kann. So kann der Pilot beispielsweise bei einem Orientierungsverlust diese Funktion auslösen, woraufhin die Maschine stabilisiert wird und in einen leichten Steigflug geht.
Aerodynamische Instabilität: Als Vertreter der vierten Generation zählt der Eurofighter "Typhoon" (neben der Dassault "Rafale", dem Lockheed-Martin F-22 "Raptor" und dem Saab JAS 39 "Gripen") zu den aerodynamisch instabil ausgelegten Flugzeugen. Die hohe Manövrierfähigkeit der Flugzeuge der vierten Generation wäre ohne dieses aerodynamische Merkmal nicht erreichbar bzw. nur mit Hilfe einer Schub-Vektor-Steuerung, also einer Schubdüse mit lenkbarem Abgasstrahl. Diese Lösung haben die russischen Konstrukteure bei den neuen Kampfflugzeugen Su-37 und MiG-29OVT sowie die Konstrukteure von Lockheed-Martin bei der F-22 "Raptor" erfolgreich verwirklicht.
Bei der aerodynamisch instabilen Auslegung liegt der Schwerpunkt des Flugzeuges im Heck; die daraus resultierende Neigung der Maschine, nach oben auszubrechen, erhöht - eine entsprechende Steuerung vorausgesetzt - die Manövrierfähigkeit ganz erheblich. Außerdem wurde auf dämpfende Höhenleitwerke ("schwanzloser Deltaflügler") verzichtet, die eine aerodynamisch stabilisierende Wirkung hätten.
Das ursprüngliche Problem bei der aerodynamisch instabilen Auslegung lag darin, dass ein (menschlicher) Pilot ein solches Flugzeug nicht stabil steuern kann. Denn mit mechanischen Steuermechanismen alleine wäre es nicht möglich, rasch und exakt genug zu reagieren, um ein Ausbrechen der Maschine zu verhindern. Aus diesem Grund verfügen alle instabil ausgelegten Flugzeuge über eine elektronische Flugsteuerung.
Flugeigenschaften und Flugleistungen
Die extrem hohe Leistungsfähigkeit des "Typhoon" resultiert aus der Kombination des geringen Eigengewichtes aufgrund der Verwendung moderner Materialien, der gelungenen aerodynamischen Auslegung sowie der fortschrittlichen Flugsteuerung in Verbindung mit den leistungsstarken Triebwerken. Die nachfolgenden Leistungsangaben beziehen sich auf eine Maschine in Air Policing-/Air Defence-Konfiguration, bewaffnet mit zwei Kurzstrecken-Luft-Luft-Lenkwaffen unter den Tragflächen und vier Langstrecken-Luft-Luft-Lenkwaffen, halbversenkt unter dem Rumpf.
Der "Typhoon" erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von jenseits Mach 2 ( 2 125 km/h), wobei selbst in Meereshöhe eine Geschwindigkeit von über Mach 1,1 ( 1 390 km/h) erreicht und gehalten werden kann. Aufgrund der oben angeführten Fähigkeiten ist das Flugzeug auch in der Lage, "Supercruise" zu fliegen. Das bedeutet, dass Überschallgeschwindigkeit ohne Einsatz des Nachbrenners erreicht und gehalten werden kann, was große Mengen an Kraftstoff spart. Im Supercruise erreicht die Maschine - bewaffnet mit Luft-Luft-Lenkwaffen - in 11 000 Meter Höhe eine Geschwindigkeit von Mach 1,2 (1 470 km/h).
Die Dienstgipfelhöhe des "Typhoon" liegt bei 18 000 Meter - einer Höhe, die kaum ein ziviles Luftfahrzeug schafft und die auch nur wenige Jagdflugzeuge erreichen können. Die Steigleistung und die Beschleunigung sind ebenfalls wichtige Kriterien, insbesondere für ein Jagdflugzeug. Der "Typhoon" kann auf Meereshöhe mit mindestens 313 m/s steigen und erreicht in weniger als zweieinhalb Minuten nach dem Abheben 10 000 Meter Höhe. Das Flugzeug kann dabei aufgrund des hohen Schub-/Gewichtsverhältnisses auch bei einem Fluglagewinkel von 90° (senkrecht nach oben) noch immer beschleunigen! In Meereshöhe und im Horizontalflug benötigt der "Typhoon" weniger als 30 Sekunden, um von Mach 0,3 auf Mach 1 zu beschleunigen.
Der Eurofighter "Typhoon" ist ein sehr agiles und hochmanövrierfähiges Kampfflugzeug, das entsprechend für die dabei entstehenden hohen Belastungen (Lastvielfache von -3 g bis +9 g) ausgelegt ist. Höhere Beschleunigungskräfte wären zwar möglich, das Flugsteuerungssystem ist jedoch auf diese Werte limitiert, um die Belastung der Piloten in erträglichen Grenzen zu halten und um eine aus unverhältnismäßigen Belastungen resultierende Verringerung der Zellenlebensdauer zu vermeiden. Die +9 g kann der "Typhoon" nicht nur über längere Zeit halten, sondern die hohen Beschleunigungskräfte werden als Folge der außerordentlichen Manövrierfähigkeit auch sehr rasch aufgebaut, was extreme Anforderungen an die Maschine, insbesondere aber an den Piloten stellt. Damit sind auch sehr hohe Wenderaten möglich, was die Überlegenheit im Luftkampf enorm unterstützt.
Im Vergleich zu vielen anderen Kampfflugzeugen behält der "Typhoon" seine Wendigkeit auch im Überschallbereich bei. Derzeit einzigartig ist die Fähigkeit dieses Flugzeuges, 9-g-Manöver auch im Überschallbereich (bis Mach 1,2) fliegen zu können.
Seine Leistungsfähigkeit hat ein "Typhoon" bei einem Übungsluftkampf gegen zwei amerikanische F-15 "Eagle" demonstriert. Bei diesem Scheingefecht konnte der "Typhoon" die beiden F-15 innerhalb kürzester Zeit ausmanövrieren und simuliert abschießen. Auch eine Studie der britischen Defense Evaluation and Research Agency (DERA) billigt dem "Typhoon" im Luftkampf überdurchschnittliche Fähigkeiten zu: Beim simulierten Luftkampf gegen Kampfflugzeuge Su-35 erzielte der "Typhoon" ein Abschussverhältnis von 4,5:1.
Reichweiten und Verweildauer:
Mit den internen Kraftstoffreserven - also ohne die Möglichkeit der Luftbetankung, über die dieses Kampfflugzeug verfügt, mit einzubeziehen - kann der "Typhoon" bis zu 2 600 Kilometer weit fliegen. In einem möglichen Einsatzprofil Hi-Lo-Hi beträgt der Einsatzradius (bewaffnet mit Luft-Boden-Kampfmitteln) knapp 1 400 Kilometer. Hi-Lo-Hi bedeutet, dass der Anflug und der Rückflug so ökonomisch (kraftstoffsparend) wie möglich erfolgen (Hi), während der Angriffseinsatz unter Einhaltung der taktischen Grundsätze (Lo) durchgeführt wird.
Eine Combat Air Patrol (CAP), also das Verweilen in einem definierten Warteraum in der Luft, ist - bei einer Entfernung des Warteraumes vom Einsatzflugplatz von 185 Kilometern - bis zu einer Dauer von drei Stunden möglich. Werden die Zusatzaußentanks verwendet, erhöht dies die Reichweite in den verschiedenen Einsatzszenarien nochmals beträchtlich.
(wird fortgesetzt)
Autoren: Amtsdirektor Ing. Gerald A. Simperl, Jahrgang 1962. Ausbildung an der Höheren Technischen Bundeslehr- und Versuchsanstalt in Mödling/Höhere Abteilung für Feinwerktechnik. Anschließend als Projektsachbearbeiter in der Industrie tätig; ab 1987 im Amt für Wehrtechnik/Abteilung Mathematik, Chemie, Physik. Seit 1985 freier Mitarbeiter und seit 1992 Redakteur der Zeitschrift TRUPPENDIENST; Mitverfasser von Fachpublikationen, Verfasser zahlreicher Beiträge in zivilen und militärischen Fachzeitschriften im In- und Ausland sowie Korrespondent deutscher Fachzeitschriften.
Oberstleutnant dG Mag. Reinhard Zmug, Jahrgang 1968. Eingerückt 1986 zum Fliegerabwehrbataillon 2 in Zeltweg. 1987 bis 1990 Offiziersausbildung an der Theresianischen Militärakademie in Wiener Neustadt, ausgemustert als Flugsicherungsoffizier ins Military Control Center nach Wien. Von 1997 bis 2000 Generalstabslehrgang an der Landesverteidigungsakademie in Wien, danach Verwendung als G4 im Kommando Fliegerdivision bzw. Kommando Luftstreitkräfte. Anfang 2004 Verwendung im BMLV, Abteilung Ausbildung A; seit Mai 2004 Verwendung im Rüstungsstab/Luftzeugabteilung als Leiter der Stabsstelle in der Projektgruppe Luftraumüberwachungsflugzeug. Ab 1. April 2008 Truppenverwendung als Leiter der Fliegerwerft 2 in Zeltweg.