Minnen från utvecklingen av JAS 39 Gripen från vindtunnelprov till flygprov.

Bakgrund

Min första tid på Saab från anställningen hösten 1982 arbetade jag på aerodynamikkontoret för arbete som aerodynamiker med framtagning av stabilitets och styrningsunderlag för det nya strids­flygplanet JAS 39 Gripen. Chef för avdelningen TKLAB var Lorenz Elmeland och Krister Karling basade för arbetsgruppen som skulle ta fram den nya ADDB’n (”Aerodynamic Data Book”) för det nya flygplansprojektet JAS 39 Gripen. Vid denna tid på Saab anställdes mycket ny personal efter lågperioden med flygplan 37 och projektarbeten med B3LA. Beslutet om ett nytt flygplanssystem som togs av riksdagen vid 1982 års försvarsbeslut var anledningen till att jag slutade min anställning vid AB Bofors där jag arbetade med robotutveckling. Som flygingenjör utbildad vid KTH var jag helt enkelt tvungen att komma med i utvecklingsarbetet med det nya flygplanet. Jag minns att när jag kom till kontoret så fanns där ingen kontorsplats för mig. Avdelningen var lokaliserad på 2:a våningen i H-huset på den tiden. Det hela löste sig vid att jag fick sätta mig vid bordsänden till Per Elvemars skrivbord. Tanken var väl att han skulle agera mentor åt mig i konsten att skapa aerodynamiska underlag från ”Data Sheets” och data från vindtunnelprov. Efter en veckas studier av 37:ans ADDB var jag i gång med arbetet. I början var det en fråga om att få en översikt av genomförda vindtunnelprov för att ur provdatabasen extrahera flygplanets grundläggande aerodynamiska funktioner som underlag till 39:ans ADDB. Det aerodynamiska underlaget för flygplanet som finns definierat i en ADDB utgör grunden för alla beräkningar och simuleringar av flygplanets prestanda och flygegenskaper och är därför av stor betydelse för utvecklingen av flygplansegenskaperna genom optimala styrlagar, definition av operationsområden och kontroll av kravspecifikationers uppfyllande. Detta framstod ganska tydligt för flygplan 39 jämfört med flygplan 37 beroende på 39:ans heldatoriserade styrsystem (EFCS). När väl flygproven kom igång framkom ständigt nya utökade krav på aerodatamodellen för mer detaljerade analyser som underlag för nya reviderade programvara för EFCS. 

Figur 1. ”KLABBET”. Från vänster främst: Ulla Teige, Gerd Levin, Krister Karling. Från vänster bakerst: Tor Stavöstrand, Lars Holmquist, Per Elvemar, okänd praktikant. 

I början av aeromodeleringsarbetet fanns inte så mycket vindtunneldata att tillgå. Det mesta var data från konfigurationsstudier innan valet av den slutliga konfigurationen. Dessa prov var sällan anpassade för dataunderlag. Exempelvis måste effekter av roderutslag kartlägges systematiskt med lämpliga increment i roderutslagen. Underlagen var inledningsvis därför av lägre noggrannhet beroende på en stor del ”gissningar” och extrapoleringar baserat på tidigare erfarenheter från flygplan 37 och ”data sheets”. Vid sidan av underlagsarbetet planerade vi också för kommande vindtunnelprov där vi inom arbetsgruppen definierad provupplägg och provgenomförande. Detta var ett stort manglande då projektets ekonomi krävde en begränsning i provvolymen något som vi var frustrerade över. Utbudet av datoriserade verktyg för arbetet var inte så stort som i dag när vi har kraftfulla datorer och avancerad programvara för aerodynamiska beräkningar. Inledningsvis i ett nytt projekt skapas underlagen med enklare metoder baserat på empiriska data som fanns samlade i eget material eller som sammanställdes från olika handböcker som exempelvis det engelska ”Engineering Sciences Data Unit” (ESDU). Ett annat alternativ var att använda dataverktyget ”USAF Digital DATCOM” som var kodat i Fortran och som kördes på våra VAX-datorer via bordsterminal som nu var det nya arbetsverktyget. Efter hand som flygplanskonfigurationen började ta fast form blev det dags att uppgradera aerodatamodellen baserat på de detajerade vindtunnelprov som nu kördes. Under åren 1984/1985 genomförde vi omfattande vindtunnelprov för att få en ”heltäckande” modell av 39:ans aerodynamik. För lågfartsdelen genomförde vi prov i F+W Emmens (Schweiz) ”Grosser Windkanal” med en avancerad modell i skala 1:16 (se bild 2). Vindtunneln var ganska stor med en mätsträcka på 7×5 m och kapabel för strömningshastighet upp till 80 m/s. Denna vindtunnel byggdes en gång i början på 50-talet för utveckling av det Schweiziska projektet N-20 Aiguillon som aldrig kom i luften. Modellen av 39:an var försedd med rörlig nosvinge för studium av nosvingens rodereffektivitet, rörliga alfa/beta-flöjlar och pitotrör för kartläggande av platsfelseffekter, sugning av luft genom luftintagen för studium av luftintagseffekter. För roderverkan på övriga roder fanns en hel uppsättning med fasta roder för olika utslag som monterades fast.  

Figur 2. 39:ans vindtunnelmodell för lågfartsprov. 

Proven omfattade också provlöpor till extrema anblåsningsviklar långt utanför flygplanets tänkta flygenvelopp. Resultatet från ett av dessa prov fäste min uppmärksamhet. Vid höga anfallsvinklar över 30o uppstod stora girmoment trots att snedanblåsningsvinkeln var noll. Jag mindes då en artikel från Northrop om varför dom införde ”Hajnosen” på F-5F. Tidigare versioner av F-5 var nämligen plågad av många fall där flygplanet fick girdivergens som sedan övergick i spinn. Lösningen med en ”bredare nos” stabiliserade den assymetriska virvelavlösning på kroppsnosen som ger upphov till de stora girmomenten som uppstår i det aktuella anfallsvinkelområdet. Inspirerad av denna hågkomst testade vi därför nosstrakes längst fram vid pitotröret för en liknade virvelstabilsering. Detta fungerade väl och girmomentet reducerades nästan till noll. Dessa strakes infördes som standard på flygplanet sedan dess.  

Figur 3. Vindtunnelmodellen illustrerande ett svep i anfallsvinkeln till överstegrad strömning. 

Under ca. en månads tid löpte provningen på med ett stort antal provlöpor som kartlade hur olika flygtillstånd, som definierades av anblåsningsvinklar, roderutslag, yttre beväpning, luftintagsflöde etc., påverkade de krafter och moment som luftlasterna genererade på flygplansmodellen. Dessa prov visade sig ha mycket stort värde långt fram i utvecklingsarbetet med 39:an bland annat för uttolkning av flygprovresultaten avseende både aerodynamik och platsfel och till förfining av aerodatamodellen. Denna erfarenhet påvisar att det är av största vikt att i ett liknande skede genomföra grundlig underlagsprovning med en omfattande provvolym som även kan tänkas inkludera kommande okända behov. Att få tillräcklig provvolym i våra vindtunnelprov var något vi fick kämpa för när vi presenterade våra provprogram. Ekonomin vill gärna styra över de reella behoven. Vid en jämförelse av provvolym i kända amerikanska projekt visar det sig att vi fått nöja oss med avsevärt lägre volymer vilket bevisar att vi har varit ganska kostnadseffektiva trots allt. Lågfartsprovning täcker ju inte allt som exempelvis kompressibiltetseffekter. Dessa uppstår vid högre farter upp till högsta överljudsfart. Vi behövde därför genomföra s.k. högfartsprov för kartläggning av hur luftlasternas krafter och moment på flygplanet ändrades med flygplanets Machtal. Underlagsprovningen för detta genomfördes vid NAE:s överljudstunnel i Ottawa Canada. Jag minns att de första dagarna där var jobbiga beroende av jet-lag och av att min resväska hade kommit bort så att jag fick införskaffa en ny tandborste och en ny skjorta. Proven flöt på bra som tur var och jag lärde mig mycket om flygplanets transoniska egenskaper något som kom till mycket nytta längre fram vid flygutprovningen där vi råkade på transoniska störningar. Dessa uppträder som en snabb ”g”-tillväxt (lastfaktor) vid retardation från överljud till underljud. Problemet är typiskt för alla deltaflygplan men nu kunde flygegenskaperna förbättras avsevärt med styrsystemets hjälp genom förfinade styrlagar. Givetvis förekom mycket vindtunnelprovning vid FFA (Flygtekniska Försöksanstalten) och vid andra instutioner men denna provning var för vår del kompletterande prov för utökade provenveloper eller för vissa detaljstudier. Väl hemma igen från dessa provsejourer satt vi nu med stora mängder data som skulle transformeras till det aerodynamiska underlaget som skulle ingå i ADDB i form av diagram och superponeringsregler för alla delbidrag som ingick i fastställande av flygplanets aerodynaniska kraft- och momentfunktioner. I Saab-minnen del 22 berättar Ulla Teige i mer detalj om hur man skapar aerodynamiska underlag. I detta arbete blev jag väl insatt i mattvävandets ädla konst. Mattor var ju Saabs sätt att visualisera tvåvariabelfunktioner som underlättade för interpolation av olinjära avsnitt där data saknades i proven. Sålunda blev jag medlem av den exklusiva klubben för extra interpolatörer.  

Figur 4. Mitt intyg som extra interpolatör. 

I början var arbetet mycket manuellt. Urval från provdatabasen plottades upp i vår Textronic bordsplotter. Dessa diagram blev underlag för uppritande av ”mattor” på A2 millimetepapper där vi kunde interpolera med våra kurvmallar. Den färdiga mattan digitaliserades sedan till tabeller som ingick i aerodatamodellens digitala motsvarighet. Våra arbetsmetoder kom att förbättras och effektiviseras efter hand som vi fick nya datorverktyg som exempelvis bordsterminaler med kapacitet för grafisk plottning. Förutom vindtunnelproven för fastställande av flygplanets statiska aerodynamik genomfördes även dynamisk provning i vindtunnel med rotationsrigg och rigg för olika typer av påtvungna svängningar. Dessa prov gav som resultat data på flygplanets aerodynamiska dämpderivator som har stor betydelse vid simulering av dynamiska flygtillstånd. All denna provning skulle också bearbetas i lämplig form för aerodatamodellen. En viktig komponent i aerodatamodellen är aerolasticitetens inverkan på modellfunktionerna. Dessa provades ej beroende av vindtunnelmodellens komplexitet avseende skalning av flygplanstrukturens deformationsegenskaper. Detta provades för flygplan 37 till stora kostnader och begränsad nytta. Proven fick störst nytta för kalibrering av en ny metod för beräkning av aeroelasticiteten. Därför tillämpades erfarenheterna från 37 genom att basera den aeroelastiska effekten på beräkningar i det sk. ”NASA Wing Body” programmet. Detta var en ickeviskös panelmetod för linjär potentialströmning i ren underljuds eller överljudströmning. I det transoniska fartsområdet var problemet inte lösbart varför interpolation med ”kurvmallen” fick tillgripas. Detta innebar ju en stor osäkerhet i just machtalsintervallet Mach 0,9 till 1,2 där de aeroelastiska effekterna ökar markant på grund av tryckcentrumvandringen bakåt vid övergången från underljudsfart till överljud. Detta visade sig senare i flygproven där de största diskrepanserna i tippstabilitet och roderverkan förekom just där. Utöver aerodatamodellen för själva ”grundflygplanet” måste den även omfatta tillskottseffekter på kraft och momentfunktionerna från alla tänkbara kombinationer av yttre laster som kunde monteras på flygplanet. Detta är en synnerligen svår uppgift att få till bra då antalet möjliga vapenkombinationer är ganska stort. Provmängden måste begränsas så man fick interpolera och extrapolera på bästa sätt. Hur som helst fick vi i min mening ihop ett ganska bra aerodynamiskt underlag i rimlig tid. Det visade sig senare att händelseförloppen i de spektakulära haverierna kunde simuleras med hög realism varför haverierna kunde härledas till reglertekniska problem. Senare tillkom för mig arbeten att skapa ett aerodataunderlag för tvåsitsaren 39B. Omfattningen av detta underlag visade sig bli ganska begränsat då 39B skiljer sig lite från 39A (se figur 5). Den förlängda framkroppen och den större huven påverkade mest girmomentet med något reducerad girstabilitet för 39B. Underlagsmässigt valdes att ge dessa effekter som ett tillskott till 39A-modellen.  

Figur 5. 39B jämfört 39A. 

Arbetet med aerodatamodellen var dock inte klart bara för att ADDB:n i rapportform var utgiven. Denna var 1:1/2-ryggspärm innehållande referensdata för flygplanet, algoritmer för hur alla deleffekter skulle superponeras och givetvis diagram över alla deleffekter på de aerodynamiska kraft- och momentfunktionerna. Nu kom mitt arbete över på att översätta det hela till ett datorprogram i FORTRAN som skulle ingå som en modul i olika simulatorverktyg. Vid denna tid var det ju den s.k. ”Digitalmodellen” som det var fråga om. Tillhörande programmet var den databas som innehöll tabeller över alla deleffekter. När VAX-eran tog slut och vi gick över till PC-baserade terminaler fick vi ju ARES som passade bra in i vår Matlab-baserade programmiljö som SAPUC gick över till. Detta programmeringsarbete gav mig idén att utveckla dataverktyget AER39. Jag tyckte det var mycket mödosamt att ur ADDB:n syntetisera aerodatfunktioner för olika syften som exempelvis modellkontroll, beräkna trimmade flygtillstånd etc. utan att gå till ren simulering. Med AER39 kunde jag få fram plottar med diagram över aerofunktionerna för valda flygtillstånd samt beräkna mattor för trimmade tillstånd. Dataverktyget blev mycket uppskattat och gjorde stor nytta under hela 39 tiden både för provplanering och provanalyser. 

Dags för första flygning

I god tid (1987) när vi började närma oss den planerade tiden för första flygning blev jag tillfrågad om jag kunde tänka mig assistera flygprovavdelningen i arbete med provutvärdering. Jag tyckte detta var lockande så jag blev utlokaliserad till provhus 2 och Erik Kullbergs metodikgrupp. Gruppens huvudsysselsättning var att utarbeta utvärderingsmetodik som fastställdes i så kallade ”provrecept”. Till dessa utvecklades även ett stort antal datorverktyg anpassade till SAPUC:s modulära datorbearbetning av provresultat. Det hela var ganska utvecklande och jag lärde mig mycket om mätsystem i flygplan, mätdatabehandling, provanalys och speciellt parameteridentifiering av aerodynamiska stabilitetsderivator som blev mitt huvudintresse. Under denna tid var jag medlem i olika provgrupper som Aerodynamik, Prestanda, Platsfel och HögAlfa-gruppen där vi diskuterade våra provmetoder och provplanering. Så äntligen efter något års fördröjning kom vi till första flygning den 9 december 1988. Det var en fin solig vinterdag och tillsammans med mina kollegor och många andra var vi samlade på radarkullen för att beskåda det hela. Starten gick bra tyckte jag men min chef Lorentz Elmeland kommenterade att den såg lite ”rollorolig” ut vid lättning. Detta kom att besannas på 6:e flygningen.  

Figur 6. 39-1:s luftdop. 

Tillbaks på kontoret var vi nu ivriga att påbörja våra dataanalyser av de provdata som nu fanns till hands. Resultatet såg bra ut och visade på förväntade egenskaper. Det första flygpasset flögs ju ganska lugnt enligt principen ”mitt i kläderna”. Annat var det i det andra passet då det flögs överljud för första gången och med ganska stor dramatik. Vid ca Mach 0,92 inträffade en nedkoppling av styrsystemet till en backup-mod på grund av feldeklaration i fartmätningen. Detta resulterade i ”lägre” frysta förstärkningar i styrsytemets spakkänslighet något som visade sig tursamt. Den lägre förstärkningen gav en ”slö” rollstyrning i det vindbyiga vädret som rådde under provdagen varav ett haveri sannolikt undveks. Orsaken till styrsystemsnedkopplingen kunde snabbt fastställas och berodde på en i luftdataenheten osäker mätning av Machtalet. Fartinformation till styrsystemet tas från tre oberoende källor och därsom skillnaden mellan dessa är för stor felförklaras fartberäkningen och styrsystemet kopplar ned till en förenklad styrmod. Det visade sig att platsfelskorrektionen för fenans pitotrör var inlagd med ett teckenfel som resulterade i ett stort fel i det beräknade Machtalet. Vi kunde för ett kort tag andas ut då målsättningen med 1:a flygning innan 1989 var avklarad. Nu skulle en snabb enveloppsöppning genomföras för att hämta in något av de förseningar som projektet led av. Andra projekt som vi kände till visade ju att detta var möjligt. Exempelvis berättade våra engelska kontakter för oss att EAP-projektets envelopsöppning genomfördes med ca 100 provpass. 

Haveri med 39-1

I februari 1989 tog denna ambition om snabb envelopsöppning brått slut i det 6:e provpasset. Denna dag var ganska blåsig med kraftiga vindbyar. Jag minns att jag stod på provplattan framför provhus 2 och bevittnade starten. Anmärkningsvärt var de kraftiga rollpendlingar som förekom under utflygningen. Själva provet förlöpte som förväntat fram till landning. Jag var då tillbaka på kontoret och märkte att något var på gång. Provledare kom från vår provcentral ”Houston” i uppjagad stämning och berättade att 39-1 hade havererat. Vad de kunde se från TV-monitorerna såg det hopplöst ut men som tur var gick det bra för piloten. Några av oss var ute på radarkullen och beskådade eländet i väntan på att haverikommissionen som snabbt var på plats kunde tillåta att den ”svarta lådan” plockades ut för avspelning av provdata. Haveriet inträffade vid 12 tiden och ca kl. 17 fick Thomas Lampe och jag tillgång till alla data från provpasset. Ganska snabbt framstod en bild av att haveriet berodde på s.k. PIO (”Pilot Induced Oscillation”) i rollkanalen med kraftiga växande rollpendlingar fram till nedslag. Alla som har landat på Linköpings flygplats i byig västlig vind vet att bakom radarkullen förekommer kraftiga störningar som kräver precis rollkontroll inför sättningen. Orsaken till haveriet var enkelt förklarat en kombination av det dåliga vädret och att flygplanet var alldeles för ”hett” i rollkanalen något som leder till PIO. Att flygplanet var för hett i rollkanalen berodde nog på att vald förstärkning för rollresponsen var bestämd i en golvfast (”fixed based”) simulator. Detta fenomen var känt efter en incident från högfarts taxiprov med F-16 protoytypen 1974. Då förekom PIO inducerade rolloscillationer som tvingade piloten att lyfta då flygplanet var för känsligt i roll och haveririsk förelåg. Det blev klart att nya styrlagar måste utvecklas och nu i en rörlig simulator. Valet blev att definiera nya rollförstärkningar i Calspans (USA) NT-33A ”in-flight simulator”. Inför dessa nya prov fick vi skapa en förenklad aerodatamodell som kunde inprogrammeras i T-33an. Med en JAS-lik styrspak och JAS liknande aerodynamiska egenskaper artificiellt skapade med datorernas hjälp kunde nu nya rollförstärkningar fastställas. 

Figur 7. Calspan NT-33A In-Flight simulator. Finns i dag på National Museum of the US Air Force.

Fortsatt flygprovning med 39-2

I maj 1990 var det äntligen dags igen. Medlemmar ur provgrupp prestanda samlades på gräsytan vid sidan av startbanan nära den predikterade lättningspunkten. Starten gick bra men efter en kort flygtid hörde vi på flygradion att det var problem med luftkylningen till datorrummet för EFCS styrdator. Flygplanet måste återvända snarast. Det lät dramatiskt och vi blev något anspända men det hela förlöpte lugnt utan att temperaturen nådde kritiska nivåer.

Figur 8. Vår arbetshäst 39-2 utrustad för spinnprov med momentskärmsinstallation på bakkroppen och svart/vit kontrastmålning för bättre målföljning.

Något senare var dramatiken högre när vi satt i Houston och varningstablån lyste rött för huvudgeneratorfel. Starten gick västerut så piloten kunde ”direktlanda” på Malmen utan något missöde. I början var det förstås också en del mindre ”barnsjukdomar” som berodde mestadels på för snävt satta villkor i styrsystemets logik. Dessa problem rättades snabbt till och problemen försvann så småningom. Vi kom nu igång med det egentliga provingenjörsarbetet, dvs. deltaga i provgruppsmöten, planera och skriva provprogram, förbereda flygning genom simulering och utfärdande av flygprogram, ta hand om provdata och analysera dessa och slutligen skriva provrapporter. Under denna inledande period var jag medlem i provgrupperna för aerodynamik, prestanda och platsfel och i den speciella grupp som planerade de riskfyllda spinnproven. För att höja vår kompetens inom flygegenskaper och avancerade styrsystem (EFCS) inför den kommande provningen fick vi genomgå ”Calspan Flight Test Course ”. Året var 1993 och kursen bestod av teori och praktiska övningar i deras flygande laboratorium. Detta var en Learjet med ett ombyggt styrsystem som kunde programmeras för olika grader av stabilitet (”in flight simulation”). Av piloterna var flygplanet döpt till ”The Vomit Comet” pga. de många illamåenden flygövningarna skapade.  

Figur 9. Kursdeltagarna samlade framför Calspans Learjet. I detta flygande ”laboratorium” kunde olika typer av flygegenskaper studeras.

Utvärderingsmässigt ägnade jag mest tid på analys av aerodata som ju var mitt specialområde. Förutom att beräkna aerodatafunktioner för jämförelse med aerodatamodellen identifierades flygplanets stabilitetsderivator med vårt dataverktyg DIVA. Givetvis var aerodatamodellen inte 100 procent korrekt i alla delar av flygenveloppen. När provanalysen påvisade modellfel fastställde jag korrektioner som vi publicerade internt i de så kallade ”Gula Bladen”. Som nämnt tidigare förekom de största korrektionerna i det transsoniska området. Jag mins att vår typledare Karl Erik Modin ibland jagade på mig för ”Gula Blad” när det uppstod dispyt med våra styrlagsutvecklare om aerodatamodellens noggrannhet. De ”Gula Bladen” gav modellkorrektionen i form av tillskott till stabilitetsderivatorna i den del av flygenveloppen som proven var genomförda. Metoden visade sig efter hand vara för otymplig och övergavs till fördel för koefficientkorrektioner som aerodatakontoret ansvarade för. I samråd med aerodynamiker, styrlagsutvecklare, flygmekanister och vi flygprovare kom vi överens om att bygga upp en provdatabas som korrektionerna baserades på. Detta visade sig vara ett framgångsrikt effektivt arbetssätt som snabbt gav alla inblandade parter tillgång till provresultatet och en snabb återmatning till styrlagsutvecklarna. Arbetsmässigt blev det lyft för oss när SAPUC utvecklade sina datorverktyg och vi kunde arbeta i ett flerfönster ”desktop” miljö på våra bordsterminaler. Effektiviteten ökade mångfalt och vi kunde enkelt skapa våra egna datorverktyg i ”Matlab”. Ett exempel på hur det kunde se ut i ett fall av parallellsimulering av en flygprovlöpa visas i figur 10.  

Figur 10. En studie av hur mitt kontor och min desktop såg ut sent 90-tal vid parallellsimulering av en flygprovlöpa.

Med verktyget ROMAC kunde vi även i kontrollcentralen Houston parallellsimulera en pågående flygning och direkt följa hur bra vår simuleringsmodell var. Detta snabbade upp provförloppet avsevärt då vi kunde klarera vidare provning utan att invänta efterbearbetning. Vid debriefingen kunde vi ge snabba svar på hur provet hade gått. I Saab-minnen del 26 (referens 2) beskriver jag i mer detalj om metoderna för aerodataanalys av flygprovdata enligt den praxis vi kom till att etablera. Det viktiga för oss var att snabbt få fram resultat till våra styrlagsutvecklare. I början av utprovningen var det ju fråga om att kontrollera och verifiera flygplanets egenskaper i den normala flygenveloppen för grundflygplanet och för flygplanenet lastat med ett begränsat antal yttre laster. Det senare med laster blev en historia för sig med ständigt tillkommande provning längre fram när flygplanet skulle NATO- anpassas för exportändamål (EBS proven) och när nya vapen som IRIS-T och Meteor fanns att tillgå.

Spinn & MLL-provning

I slutet av 1995 var den inledande del av provningen avklarad så nu var det fråga om ”hög-alfa”-provning. Syftet med dessa prov var att visa att JAS 39 Gripen uppfyllde projektspecifikationens krav på fullgoda lågfartsegenskaper genom verifiering av tillåten anblåsningsenvelopp och styrsystemets MLL-funktioner (”Maneuver Load Limiter”). Vidare skulle Stall/Spin-prov genomföras för fastställande av styrsystemets urgångsalgoritm för ”auto recovery”. Inför dessa prov hade vi mycket diskussioner i högalfagruppen (kallad HAG) där vi i några tillfällen fick besök av amerikaner och engelsmän som berättade om sina tillvägagångssätt. Båda dessa länder tillämpade metoden att stega sig upp i anfallsvinkel tills flygplanet stallade eller fick departure. Denna metod tillämpade vi inte. Baserad på Saabs positiva erfarenhet från tidigare spinnprov med flygplan 37 ”kastade” vi oss direkt in i en superstall (se figur 11).  

Figur 11. Metod för ”kontrollerad” spininngång som Saab flygprov praktiserade.

Denna metod ger en kontrollerad ingång till spinnen till skillnad för vad som händer vid en departure. Metoden bygger på att på hög höjd typiskt 9 km och Mach 0,9 anta en stigning med konstant attitydvinkel. När attitydvinkel etablerats görs motoravdrag till flygtomgång. Med konstant stigvinkel kommer farten avta och ett ”överslag” till superstall nås. Baserad på ”digitalmodellens” svar på lämplig attitydvinkel för stigningen gick det hela bra och flygplanet satte sig snällt i superstall med en långsam högerroterande girrörelse. Nu kunde spinnen utforskas med avseende på lämpliga urgångskommandon som sen skulle inprogrammeras i styrlagarna för styrsystemets ”autorecover”-funktion. För detta ändamål fanns i styrsystemet en ”manuell” styrmod som gav piloten full auktoritet över rodren. I ”superstallområdet” är flygplanet statiskt stabilt varför ingen auto-stabilisering erfordras. Spinnen kunde därför lätt kontrolleras med rollkomandon.

Figur 12. Författaren vid spinnsymposiet på Söderköpings brunn inför de kommande proven.

Figur 13. Exempel på ryggspinn med urgång i ”lodrät pike’”.

Hela spinnutprovningsprogrammet blev ganska vällyckat med 260 genomförda spinnar utan några incidenter. Proven genomfördes även med olika laster och med 39B. Speciellt genomfördes prov med 39-101 som hade serielik instrumentering och inte var utrustad med spinnskärm. I figur 14 visas den provade spinenvelopen för 39-2 som omfattade både rättvända spinnar som inverterade. Envelopen skall jämföras med rektangeln i mitten som representerar den normala flygenvelopen.  

Figur 14. Provad spinenvelopp för 39-2.

Parallellt med spinnproven körde vi MLL-prov. Vid ett av dessa fick vi en ofrivillig departure på hög höjd. Med andan i halsgropen såg vi i ”Houston” hur betavinkeln ”försvann” ur diagrammet på vår dataskärm. Piloten Björn Johansson som var den mest lugna av oss väntade in ”torktumlarförloppet” tills flygplanet hade etablerat ett lugnt spinnförlopp som vi tidigare hade utforskad i de inledande spinnproven. Under tiden som flyghöjden reducerades snabbt misslyckades flera urgångsförsök beroende av att styrsystemet var nedkopplad till en back-up mod som reducerade den manuella styrauktoriteten. På 6000 m höjd utlöste piloten den momentskärm som provflygplanet var speciellt utrustad med och flygplanet gick snällt ur spinntillståndet. Vi kunde andas ut för det här var första (och enda) gången momentskärmen användes skarpt och den fungerade till belåtenhet. Flygplanet kunde nu ”linka” hem till Linköping i sin back-up styrmod utan vidare missöden.

Figur 15. Momentskärmen på 39-2.

Analyserna av denna incident påvisade brister i programvaran till underleverantören för flygplanets TN system som inte var anpassad för de exceptionella flygtillstånd som MLL-manövrer fordrade. MLL-proven syftade till att ge operativa gränser i form av en tillåten anblåsningsenvelopp (alfa/beta) för olika yttre vapenalternativ. Dessa klassades i ett antal kategorier och genom mängdsimuleringar kunde kritiska lastkombinationer fastställas. Ett urval av dessa gick sedan till verifierande flygprov för bedömning av manövergränser och flygegenskaper. Som exempel kan nämnas att för klarering av ”NATO-laster” genomfördes 74 flygningar med 17 laster i ensits och 20 flygningar med 7 lastfall i tvåsits. Dessa prov öppnade för 60000 möjliga kombinationer av laster.

Figur 16. Lastkombinationer vid MLL-prov.

Andra haverier

39:an drabbades ju som bekant av några spektakulära haverier efter det första 1989. Den 8 augusti 1993 var jag i Stockholm med min son och hustru för att beskåda flyguppvisningen under vattenfestivalen. Det var vår bröllopsdag och efter en fin flyguppvisning skulle vi ut på krogen.Vi hittade en bra plats vid stadshuset med fin utsikt över Riddarfjärden. Så kom 39:an och efter en förbiflygning och en snäv sväng vid Västerbron gungade flygplanet till och stegrade sig. Vad var det där för puff frågade mitt sällskap när de såg pilotens utskjutning. Jag fick svårt att svara för nu inträffade ett märkligt fenomen. Jag var så koncentrerad på att följa förloppet så allt gick i ”slow motion” så att jag tappade min hörsel. Som tur var gick det hela bra för pilot och publik men jag undrade hur det skulle gå för projektet och min framtida sysselsättning. Något fint krogbesök efter detta blev det inte då vi var ganska uppskakade.Efter endast två dagar fick vi data från svarta lådan (KSM – kraschskyddat minne) att analysera. Det visade sig också att detta haveriet var PIO-relaterat. Själva uppvisningen var inget märkvärdig och den hade inövats i ett flertal pass över flygfält bland annat på samma dag som haveriet utan vad jag kan minnas med antydningar till problem. Flygmekanisterna gjorde här en stor insats i utredningsarbetet. Genom detaljerade studier av pilotens spakarbete kunde hela haveriförloppet simuleras. Det visade sig att känsligheten för spakarbetets frekvens var mycket svårupptäckt i en normal omfattning av relevanta simuleringsfall för klarering av styrprogramvaran. Detta väckte mycket uppmärksamhet även internationellt från företag med liknade styrsystem i sina flygplan.Haverirapporten som baserades på Saabs utredningar fastställer att ”haveriet orsakades av en obalans i styrsystemet som tillät föraren att ge sådana styrkommandon att rodren inte hann ge förväntat flygplansvar. De tidsfördröjningar som uppstod ledde till en kombinerad PIO i roll- och tippled. Styrsystemet förmådde inte begränsa kommandosignalerna vilket medförde att tippsvängningarnas storlek kontinuerligt ökade. Överstegringen som följde skedde på så låg höjd att föraren saknade möjlighet att återta kontrollen”. Hur som helst fick problemet en bra lösning genom ett smart filter för spaksignalen och Saab fick ett nytt världspatent. Nu med facit i hand kan vi påstå att alla problem var lösta utom ett kvarstående nämligen flygplanets känslighet för passage av ändvirvlar. Andra utredningar som jag deltog i tillsammans med flygmekanister och styrlagsutvecklare var Vänerhaveriet 20 september 1999 där det tog 15 månader innan det kraschskyddade minnet (KSM) kunde fiskas upp med turligt nog bibehållet datainnehåll. Detta var oerhört värdefullt då vi i detalj kunde rekonstruera hela händelseförloppet. Med hela tidshistoriken känd skapade flygmekanisterna en animerad film som visade händelsen från både pilotens perspektiv och som för en utomstående betraktare. I detta fall orsakades olyckan av att flygplanet under en luftstridsövning kom in i ändvirvlarna från det framförvarande målflygplanet. Nedsvepet från virvlarna orsakade att anfallsvinkelsensorena registrerade en kraftig minskning av anfallsvinkeln vilket styrsystemet kompenserade för genom ett kraftigt noshöjande roderutslag som ledde till överstegring. Under förloppet fick föraren samtidigt markkollisionsvarning varför föraren sköt ut sig då han inte kunde manövrera planet. Den tekniska undersökningen visade att styrsystemets MLL-funktion fungerade enligt design och återförde flygplanet till normalt flygläge dock på låg höjd. Som en konsekvens av haveriet framkom krav på att reducera styrsystemets känslighet vid ändvirvelpassager.

Figur 17. Visualisering av flygplanets ändvirvlar med rök.

Ändvirvelprov

Under åren 2005 till 2006 genomfördes så ändvirvelprov på Saab. En ny funktion WVTR i styrsystemet var utvecklad för att kunna undertrycka de störningar som ändvirvelpassager eller allmänt flygning i svår turbulens orsakade på flygplanets anfallsvinkelsensorer. Frågan var nu hur proven skulle genomföras. I tidigare prov med flygplan 37 genomfördes ändvirvelprov genom att flyga bakom ett målflygplan försedd med ett rökaggregat för visualisering av virvlarna. Provfallen genomfördes i horisontell sväng med ökande belastning.Inledningsvis provade vi också detta med Gripen men piloterna klagade på att röken var svår att se på de avstånd som krävdes. Vi ändrade då taktik genom att genomföra proven i vertikalplanet. Efter en dykning genomförde målflygplanet en upptagning som skapade virvlar som provflygplanet kunde passera. Det blev mycket lättare att hitta virvelkärnorna och ingen rök behövdes. Min uppgift i detta sammanhang blev att simulera villkoren för hur flygplanen skulle positioneras avseende höjdstaffling, dykning och upptagning utan för hög kollisionsrisk. Metoden krävde att målflygplanet påbörjade sin upptagning utom synhåll framför och under provflygplanet.  

Figur 18. Beräknade flygbanor för ändvirvel-passage. G är målflygplanet.

Beräkningarna stämde bra så jag kunde andas ut efter en ganska effektiv och framgångsrik provning. Flygplanet var nu med det nya styrsystemet okänsligt för virvelstörningar och turbulens. Det skall också nämnas att systemet provades ganska nära i propellerströmmen bakom en Hercules som ju är ett flygfall ganska aktuellt vid lufttankning.

Udda projekt

Några udda men ändå roliga projekt jag fick deltaga i var de obemannade experimentflygplanen Baby-Sharc och Filur. Baby-Sharc provades först för test av programvaran för autonom styrning. Programmet kröntes framgångsrikt med helt autonoma flygningar från start till landning vid Vidsel provplats. Filur var nog mera tänkt som en ”smyg­drönare”. Denna prototyp kraschade oturligt nog tidigt i utprovningen p.g.a. motor-tekniska problem. Min uppgift i dessa program var som sedvanligt att analysera flygprovdata för verifiering av aerodatamodellen för flygplanen. Vad jag kommer i håg så var rollauktoriteten för Baby-Sharc kraftigt underskattad och fick korrigeras innan den fortsatta provningen.

Figur 19. Baby Sharc & Filur.

DEMO39

Den 27 maj 2008 var det så dags igen för prov med ett nytt flygplan. Flygplan 39 skulle vidareutvecklas varför ett nytt provflygplan 39-7 krävdes för preliminära prov på de ändringar som var tänkt att införas i det nya projektet Gripen 39NG (”Next Generation” som nu heter Gripen 39E/F). Provflygplan 39-7 som var en modifierad 39C hade fått en starkare motor, 40 procent utökad bränslevolym genom en omkonstruktion av landstället som flyttades ut till vingroten, en ny AESA- radar och två nya vapenbalkar under kroppen. Till det yttre med infällt landställ var skillnaden mot en 39C ganska marginell varför vi inte förväntade oss några större ändringar i aerodynamiken. För att effektivera utprovningen togs beslut att de olika provgrupperna som aerodynamik, flygegenskaper, motor etc. skulle samordna sina provprogram för att då spara in på antalet provpass. Ofta vill de olika provgrupperna genomföra prov vid samma flygtillstånd avseende flyghöjd, Machtal och provmanövrer. Genom att slå ihop våra ”provposer” skulle vi kunna höja vår proveffektivitet avsevärt. Detta var baserat på den erfarenhet vi hade från den tidigare provningen. Genom att vi nu med erfarna flygprovare kunde arbeta som ett team i kombinerad provning kunde vi snabbt och effektiv genomföra provningen på ett sätt som jag tror kom att tillämpas i 39E/F-proven. En av höjdpunkterna från DEMO39-proven var när 39-7 flög superkritiskt utan bruk av efterbrännkammare.

Figur 20. DEMO 39 provflygplan 39-7 med IRIS-T i vingspetsbalken, Meteor i de yttre vingbalkarna, stora fälltankar i de inre vingbalkarna och två GBU i de nya kroppsbalkarna.

Slutord

Sålunda var min anställning på Saab fylld med många intressanta och spännande episoder. Mest dramatik skapade givetvis de spektakulära haverierna som vi kom genom tack vara den enastående laganda och kreativitet som rådde inom våra arbetsgrupper. Genom haveriutredningarna lärde vi oss mycket och vad jag minns renderade det hela i en del världspatent för Saabs del. Höjdpunkten anser jag nog var spinnproven som blev så lyckade tack vare att vi var ett så gott sammansvetsat team. Bättre laganda var svårt att önska sig och jag tror detta kan kallas Saab-andan som många utlänningar förundras över. DEMO39 var också en framgång som bevisade att vi var på rätt spår.