Windtunnels en het ontwerp van de F-16
‘The biggest wind tunnel is up there. It’s called reality.’ – John Boyd
Het ontwerp van de F-16 was in veel opzichten revolutionair. Behalve technische innovaties als fly by wire, mogelijk gemaakt door de toepassing van computers, hebben de ontwerpers ook veel aandacht besteed aan de aerodynamica. In de zoektocht naar de ideale romp- en vleugelvorm waren aerodynamische testen in windtunnels van groot belang.
Aeronautical engineer
Tijdens de voorbereiding op de expositie ‘F-16: 50 JAAR FAST FORWARD’ kwamen we in contact met een gepensioneerde Amerikaanse aeronautical engineer, Herbert (Herb) Hutchinson. Hutchinson was als chief system engineer van General Dynamics lid van één van de ontwerpteams van het Light Weight Fighter Programme, waaruit de F-16 zou voortkomen. Zijn taak was binnen het air frame verschillende technische componenten een plaats te geven. Omdat de F-16 een klein vliegtuig was ‘an air frame wrapped around an engine’ had Herb nogal een uitdaging. Zijn bijnaam onder testvliegers was daarom ‘Stuffer’.
Herb heeft de ontwerpgeschiedenis van de F-16 vastgelegd in twee dikke boeken, zo kwamen we met hem in contact. Hij was toen al 90 jaar, en nog altijd gepassioneerd over de F-16. We hebben hem ontmoet toen we in Tucson waren voor de interviews ten behoeve van de expositie, hij bleek daar in de buurt te wonen.
Leermeester van NASA
Herb heeft de grote namen uit de ontwerpgeschiedenis van de F-16: John Boyd, Harry Hillaker, Tom Christie en Pierre Sprey van dichtbij meegemaakt. En hij kende ze persoonlijk goed. Iemand die Herb beschouwt als zijn leermeester was Dr. Richard Whitcomb, destijds de expert van NASA op het gebied van aerodynamica.
Whitcomb werkte voor NASA in Langley Virginia waar ook modellen voor General Dynamics getest werden. Van Whitcomb leerde Hutchinson “to think like a molecule. He [Whitcomb] also reminded me that when molecules get disturbed, they get angry and cause much drag [luchtweerstand] in protest”. De vloeiende lijnen van de F-16 zijn mede te danken aan Whitcomb. ‘Whitcomb’s fingerprints are all over the smoothly blended wing-body contouring of the F-16 aircraft’, aldus Herb.
Windtunneltesten
General Dynamics heeft voor het ontwerp van het prototype van de F-16 veel gebruik gemaakt van windtunnelmodellen en de expertise van Whitcomb. In de aanloop naar de Lightweight Fighter competitie tussen General Dynamics en Northrop zijn in 1.272 windtunneluren 78 verschillende configuraties getest. De windtunnelmodellen geven een goed inzicht in de ontwerpdilemma’s van Harry Hillaker, de hoofdontwerper van General Dynamics, en John Boyd de geestelijk vader van de Light weight Fighter. De belangrijkste variabelen die beproefd werden in de windtunnel waren:
- de vorm van de vleugel;
- de positie van de luchtinlaat;
- de positie en het aantal (één of twee) staarten;
- de vorm van de romp, het verloop van de romp in de vleugel;
- de bubble canopy.
Voor- en nadelen
Iedere ontwerpkeuze heeft uiteraard voor- en nadelen. Die moeten in verschillende combinaties getoetst worden aan de uitgangspunten van het ontwerp, waarbij ook gelet wordt op kosten. Een voorbeeld: een tweemotorig toestel heeft in theorie een grotere actieradius, maar is ook zwaarder en duurder. Toen John Boyd kon aantonen dat een eenmotorig vliegtuig met voldoende brandstof een vrijwel even grote actieradius had, was duidelijk waar voor Light Weight Fighter de voorkeur lag: één motor levert een lichter, kleiner en goedkoper vliegtuig op.*
*Uit veiligheidsoogpunt was voor de US Navy was een tweemotorig toestel een eis, vanwege het vliegen boven zee. De F-18 voldeed aan die eis.
Vleugelvorm
Een belangrijk onderdeel van het F-16 ontwerp is de vleugelvorm: blended wing en forebody and nose strakes. De vleugels van de F-16 zijn niet onder een hoek aan de romp gemonteerd, maar de romp loopt min of meer over in de vleugel. Dit wordt een blended wing genoemd. Het voordeel hiervan is dat de romp ‘meedoet’ in het liftvermogen van de vleugel. Hierdoor kan de vleugel en de romp wat korter worden, wat weer gewicht bespaart. Ander voordeel is dat de ruimte tussen de vleugel en de romp gebruikt kan worden voor bijvoorbeeld brandstoftanks.
Ook richting de voorzijde van de F-16 loopt de romp vloeiend over in de vleugel, dit worden fore body and nose strakes genoemd. Het als het ware uitstrekken van de vleugel naar voren richting de neus van het vliegtuig zorgt voor meer lift bij subsone (lagere) snelheden, en daarmee een grotere wendbaarheid. Het geeft de F-16 mede zijn karakteristieke vorm.
Het toepassen van deze vleugelvorm was nieuw. Omdat de ontwerpers niet over data beschikten op basis waarvan ze voorspellingen konden doen, moesten ze die verzamelen met behulp van windtunneltests. Deze informatie is afkomstig uit één van weinige (openbare) bronnen die beschikbaar zijn over de windtunneltests.[1] De tests duurden van 1968 tot 1975, dus de gehele periode van de conceptie van het prototype (model 401) tot aan de uiteindelijke F-16.
Originele windtunnelmodellen
De F-16 verandert in het proces regelmatig flink van vorm voordat het uiteindelijke ontwerp tevoorschijn komt. De doorbraak in de ontwikkeling van het ontwerp van de YF-16 kwam toen de ingenieurs naar verluidt twee modellen doormidden zaagden en de voorkant van één (model 401F) monteerden aan de achterkant van de ander (model 785). Om de bezoeker mee te kunnen nemen in de gedachtewereld van de ontwerpers, hebben we geprobeerd voor de expositie een aantal van deze originele windtunnelmodellen op te sporen. Dat is niet gelukt, ondanks de vele contacten die we hebben gelegd, en e-mails die we naar diverse instanties hebben verstuurd. De modellen liggen niet op ‘logische’ of voor de hand liggende plaatsen in de VS zoals het officiële museum van de U.S. Air Force, Het Virginia Air and Space Center (bewaarplaats van de NASA collectie), of bij de fabriek van Lockheed Martin (voorheen General Dynamics), in Fort Worth. Het is zelfs zeer goed mogelijk dat ze niet meer bestaan. Verschillende deskundigen die we hebben gesproken zeiden dat het waarschijnlijk is dat ze zijn vernietigd toen ze niet meer nodig waren, of doormidden waren gezaagd. Dat is natuurlijk bijzonder jammer. De modellen geven immers een bijzondere inkijk in de gedachtewereld van de ontwerpers, en het maakt de keuzes waarvoor zij stonden juist zo tastbaar.
[1] NASA Contractor report 3053 Aerodynamic Characteristics of forebody and nose strakes based on F-16 wind tunnel test experience (1979)
Windtunnelmodellen nagemaakt
Er is een bekende serie foto’s van fabrieksmodellen die weliswaar lijken op windtunnelmodellen, maar dat niet zijn. Ze zijn echter wel waardevol, want het zijn referentiemodellen voor de eigenlijke windtunnelmodellen, waarschijnlijk voor intern gebruik en presentatiedoeleinden binnen de fabriek van General Dynamics. Deze modellen, dicht bij de bron, die zoveel vertellen over de ontstaansgeschiedenis van de F-16, hadden we graag willen lenen voor de tentoonstelling. Ook dat is niet gelukt. Naar alle waarschijnlijkheid worden ze bewaard in de fabriek van Lockheed Martin, te Fort Worth.[2] De modellen die nu in de expositie hangen zijn gebaseerd op drie van deze referentiemodellen. Bob Kos, medewerker van het Nationaal Militair Museum heeft ze op basis van de foto’s met grote precisie en deskundigheid nagemaakt, op de klassieke manier, van hout. Zo hebben ook deze objecten weer hun eigen verhaal en herkomst gekregen. We gaan ze zeker bewaren!
[2] We hebben een voormalig medewerker gesproken die ze kent en zegt ze daar gezien te hebben.
F-16: 50 JAAR FAST FORWARD
Windtunnelmodellen te zien
In de tentoonstelling F-16: 50 JAAR FAST FORWARD waren foto’s van de referentie modellen en de replica’s zelf te zien.
"Iets wat er vanzelfsprekend en simpel uitziet is vaak het product van veel trial en error, bijschaven en verbeteren. Zo ook hier. De ontwerpers van de F-16 hebben heel veel uren in windtunnels besteed op zoek naar de ideale vorm. En die hebben ze gevonden." Alfred Staarman - Conservator
