17.05.2018
Erschienen in: 07/ 2012 FLUG REVUE

Kolibri mit JetantriebLockheed XV-4 Hummingbird

Die XV-4 war das erste Flugzeug der Welt, das senkrecht starten konnte, obwohl seine Masse höher als der zur Verfügung stehende Schub war. Ein ausgeklügeltes Düsensystem im Rumpfinneren machte dies möglich.

Die Lockheed XV-4 Hummingbird (Kolibri) machte ihrem Namen alle Ehre. Das fand zumindest Testpilot Glen Gray: „Wenn man die Gashebel bedient, zweifelt man keinen Augenblick daran, dass der kleine Vogel in der Lage ist, sofort in jede beliebige Richtung loszustürmen.“ Im Vordergrund stand das Prinzip des erhöhten Massendurchsatzes für den Schwebeflug (Augmented Jet Ejector Vertical Lift). Dabei leiten Düsen die Triebwerksgase in Mischkammern im Flugzeugrumpf um. Aufgrund der hohen Gasgeschwindigkeit entsteht dort ein Unterdruck, so dass durch Öffnungen von oben Außenluft eingesaugt wird. Auf diese Weise erhöht sich der Massestrom und damit der Schub. Seit 1956 hatte Lockheed in Marietta, Georgia, auf eigene Kosten Versuche mit einem solchen Ejektorsystem durchgeführt.

Zur Erprobung des neuen Konzeptes schlug der Flugzeugbauer der US Army schließlich die GL-224-14 vor, einen zweisitzigen Mitteldecker zur Gefechtsfeldüberwachung. Die Forschungsabteilung der US Army (US Army Transportation Research Command, TRECOM) zeigte sich interessiert, bestellte im Juli 1964 aber nur zwei reine Forschungsflugzeuge ohne militärische Ausrüstung im Gesamtwert von 2,5 Millionen Dollar. Sie erhielten die Bezeichnung VZ-10 (später in XV-4 geändert) und die Kennungen 62-4503 und 62-4504. Zur gleichen Zeit arbeiteten General Electric und Ryan ebenfalls im Auftrag der Army an der XV-5, die sich auf einen Lift-Fan konzentrierte.

Projektingenieur bei Lockheed war Albert Mooney, Gründer der gleichnamigen Flugzeugfirma, die er zuvor verlassen hatte. Beim Entwurf hatten die Konstrukteure einige Herausforderungen zu bewältigen, denn um eine ausreichende Schuberhöhung zu erreichen, musste die Mischkammer eine entsprechende Größe aufweisen. Daher wählten sie einen kastenförmigen Rumpfquerschnitt. Direkt hinter dem Cockpit mit nebeneinander angeordneten Schleudersitzen schloss sich das Rumpfmittelstück an. In dessen Oberteil waren die aus Titan und Edelstahl bestehenden Ejektorleitungen platziert, deren hohes Gewicht nur schwer zu kompensieren war. Darunter befanden sich zwischen den Austrittsschächten drei Treibstofftanks.

Düsensystem mit 20 Reihen sorgt für Auftrieb

Den Antrieb lieferten zwei Pratt & Whitney JT12A-3LH, die an den Rumpfseiten oberhalb der Flügelwurzeln montiert waren. Direkt dahinter befanden sich jeweils zwei Umlenkklappen, die den Abgasstrahl entweder geradeaus in die Schubdüse (konventioneller Flug) oder zur Seite in ein Verteilersystem leiteten, das von oben betrachtet wie eine Art Heizkörper aussah. In 20 Reihen waren T-Stücke mit nach unten gerichteten Ejektordüsen angeordnet, wobei jedes Triebwerk jeweils abwechselnd eine Reihe speiste. Somit gab es bei unterschiedlichen Schubleistungen oder einem Ausfall keine Neigung zum Rollen oder Kippen. Aus den Düsen strömten die Abgase im Senkrechtflug nach unten in die beidseitigen Mischkammern und saugten gleichzeitig Luft durch die Öffnungen an der Rumpfoberseite. Auf diese Weise steigerte sich der Schub um den Faktor 1,4. Außerdem reduzierten sich die Geschwindigkeit und die Temperatur der Abgase (von 650 auf 150 Grad Celsius), was sich positiv auf den Bodeneffekt bei Start und Landung auswirkte. Im Schwebeflug dienten kleine, schwenkbare Düsen an Bug und Heck zur Steuerung des Anstellwinkels. Sie erhielten ihren Schub aus dem Abgasstrahl der Turbojets, während die Düsen in den Tragflächenenden zur Beeinflussung des Rollmoments von Zapfluft aus den Verdichtern gespeist wurden.

Erste Probleme traten allerdings schon bei den Rollversuchen auf. Ein Manko des Bugfahrwerks war der zu große Schwenkwinkel zur Steuerung am Boden. Erst nach entsprechenden Änderungen waren höhere Rollgeschwindigkeiten möglich. Dabei offenbarten sich wiederum zu hohe Querruder-Steuerkräfte. Außerdem sollten neue Bremszylinder die eingeschränkte Bremskraft erhöhen. Nach einigen Modifikationen hob Lockheeds Cheftestpilot Leo Sullivan am 7. Juli 1962 auf der angrenzenden Dobbins Air Force Base in Marietta mit der XV-4 zum Erstflug ab. Dabei zeigte sich eine Tendenz zu Nickbewegungen bei nach unten gerichtetem Bug; sie wurde wenig später mit einer geänderten Trimmung ausgeglichen. Beim zweiten Flug fuhr der Pilot erstmals das Fahrwerk ein. Die Klappen schlossen sich allerdings so schnell, dass es kurzfristig zu Problemen mit der Seitenstabilität kam. Um dies zu verhindern, sorgten später Drosseln in der Hydraulik für ein langsameres Einfahren. Trotz dieser Schwierigkeiten waren die Testpiloten recht angetan von den Flugeigenschaften des Jets.

Tests am Boden offenbaren mangelnden Schub

Bis August 1962 erfolgten acht konventionelle Flüge mit einer Gesamtdauer von vier Stunden und fünf Minuten. Anschließend erhielt der erste Prototyp die VTOL-Anlage, die vorher bereits mit Hilfe einer speziellen Anordnung am Boden erprobt worden war. Hier zeigte sich, dass der Schub aufgrund von Strömungsverlusten nicht ausreichte und daher Änderungen der Düsen notwendig waren. Nach dieser Zwangspause absolvierte Glen Gray am 28. Mai 1963 den ersten freien Schwebeflug. Knapp ein halbes Jahr später, am 20. November 1963, erfolgte der erste Senkrechtstart mit anschließender Transition. Dabei öffnete der Pilot die Klappen auf der Ober- und Unterseite des Rumpfes und gab Schub. Die Ventilklappen leiteten die Abgasluft zu den Senkrechtdüsen. Um die Transition zu erleichtern, waren die Ejektordüsen um zwölf Grad nach hinten geneigt. Nach dem Erreichen der nötigen Höhe drückte der Pilot den Bug nach unten, um Geschwindigkeit aufzunehmen. Bei rund 150 km/h nahm er die Nase wieder nach oben, um einen positiven Anstellwinkel der Flügel zu erzielen, und schaltete ein Triebwerk auf Horizontalflug. Dabei verhinderte ein System zur Grenzschichtbeeinflussung einen Strömungsabriss am Höhenleitwerk. Ab einer Geschwindigkeit von 220 km/h war der Auftrieb der Tragflächen wieder ausreichend, und das zweite JT12A konnte entsprechend umgestellt werden.

Der zu geringe Schub der XV-4 blieb weiterhin ein Problem. Am 10. Juni 1964 stürzte zu allem Unglück die erste Maschine bei Marietta nach einer Transition ab. Der von der US Army beauftragte zivile Testpilot kam dabei ums Leben. Zu diesem Zeitpunkt hatten die beiden Flugzeuge 82 Schwebeflüge mit einer Gesamtzeit von acht Stunden und sieben Transitionen absolviert. Nach dem Unfall wurden die Flugversuche gestoppt. Lockheed nutzte die Unterbrechung, um weiter an den Schubdüsen zu feilen. Jedoch kam es zu keiner weiteren Erprobung, denn die Army stellte das Programm Ende 1964 ein. Das zweite Flugzeug wurde eingemottet. Im September 1966 erhielt Lockheed allerdings von der US Air Force den Auftrag, den Jet als XV-4B mit sechs YJ95-GE-19, davon zwei als Marsch- und vier als Hubtriebwerke, umzurüsten. Außerdem erhielt die Maschine eine Fly-by-Wire-Flugregelung. In dieser Form flog sie erstmals am 28. September 1968. Zu einem Senkrechtflug kam es indes nicht mehr. Nach einem konventionellen Start in Dobbins verlor Testpilot Harlan Quamme die Kontrolle und musste mit dem Schleudersitz aussteigen. Mit dem Verlust der letzten XV-4 endete das Programm.

FLUG REVUE Ausgabe 07/2012

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Patrick Hoeveler


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