General Dynamics F 16 Fighting Falcon1 Dossier

F 35 take off

De bedoeling van deze opmerkingen is te verklaren waarom wij nog altijd bezorgd zijn omwille van problemen rond de motor en de brandstoftanks die aan de oppervlakte kwamen door enkele incidenten in 2015 en 2016. We zijn er niet van overtuigd dat definitieve oplossingen daarvoor gevonden zijn.

 

 Ons doel was niet een wetenschappelijke verhandeling te schrijven, maar de problemen te benaderen op een zulke wijze dat een min of meer wetenschappelijk geïnteresseerde leek ze kan begrijpen, zonder daarbij al te oppervlakkig te werk te gaan.

 

De Motor

 

Over Coriolis kracht heeft noch Pratt & Whitney, noch LM ooit iets gezegd. Ik ben tot die conclusie gekomen op de volgende wijze:

 Bij de motorbrand en aansluitend vliegverbod werd volgende verklaring gegeven.

  • Afdichtingsring in het compressor deel van de motor was beschadigd en de rotor kwam in contact met het huis. Debris doorsloegen de brandstoftanks. Daardoor ontstond de brand.

  • Dit kon gebeuren omdat er in de rotor ‘grotere dan voorziene vervormingen’ optraden.

Dat laatste kon enkel gebeuren omdat de krachten die op de rotor inwerken fout ingeschat waren. Let wel; dit is een aanname. Maar ze steunt op de veronderstelling dat de ingenieurs van Pratt zich bij de sterkteberekening van een turbinerotor niet vergissen. Dat lijkt een vrij veilige aanname, maar zeker is ze natuurlijk niet.

 

Dus kunnen de krachten fout ingeschat / onderschat zijn. Welke krachten werken op die rotor?

 

  • De axiale kracht van de voortstuwing/compressie. (altijd)

  • De zwaartekracht. (altijd)

  • Centrifugaalkracht (bij bochten/richtingsveranderingen)

  • Corioliskracht (bij bochten/richtingsveranderingen)

We moeten wel voor ogen houden dat die allemaal tegelijk werken. De eerste drie zijn zo eenvoudig dat vergissingen daarbij zeer onwaarschijnlijk zijn. Maar… ook zeer onwaarschijnlijk betekent natuurlijk niet onmogelijk.

 

Coriolis krachten zijn iets gecompliceerder. Dat kan vooral tot problemen leiden bij een machine, gelijk de F-35 die toch wel de grenzen opzoekt. Die rotor is een tamelijk grote massa (ik schat niet veel minder dan een ton), met een aanzienlijke diameter (ongeveer een meter) die aan een hoog toerental (15.000 rpm) loopt. Nota: er zijn verschillende toerentallen. Wat op de tekeningen één as lijkt, zijn er meerdere die in elkaar draaien, met tandwieloverbrengingen ertussen. Niet dat het hier belang heeft: het is maar voor de muggenzifters...

 

Modellen

 

Motor

 

Straalmotoren zijn, ondanks hun ogenschijnlijk eenvoudige mechanische opbouw, ingewikkelde objecten die zich aan conventionele analytische berekeningsmethodes gedeeltelijk onttrekken. Dat is de reden waarom aanvankelijk motoren regelmatig op de proefstand ontploften en in de lucht ook nog veel te vaak. Dat is door moderne CAE (computer aided engineering) en CAD (computer aided design) methodes sterk verbeterd. Vooral als we door de indrukwekkende beelden op de computerschermen in een enthousiaste roes gebracht zijn is dat een beetje moeilijk, maar we moeten blijven begrijpen dat we hier een prijs voor betalen. We verlaten de gegarandeerde zekerheid van de analytische behandeling en begeven ons in het gebied van de modellering. Het probleem is dat we enkel op vrij eenvoudig geometrisch gedefinieerde objecten statische berekeningen kunnen uitvoeren. Voor meer complexe gevallen ontdekten we een goede halve eeuw geleden een geniale kunstgreep: de finite (of eindige) elementen methode. Daarbij heeft zeker de in de bouwkunde toen al gebruikte methode van Cross inspirerend gewerkt. Wat we doen is een onregelmatige vorm (die we niet kunnen berekenen) onderverdelen in een groot aantal regelmatige vormen (die we wel kunnen berekenen). We moeten dan wel de interacties tussen al die ‘elementen’ mathematisch precies beschrijven en het systeem in evenwicht brengen. Dat gaat enkel iteratief, wat massale berekeningen vergt. We waren er dus op aangewezen dat de computers voldoende snel werden om hier tot een doorbraak te komen. Praktisch is dat met de VAX van Digital Equipment in de jaren 70 gebeurd.

 

Het mag raar klinken, maar die zelfde finite elementen methode wordt ook aangewend op heel veel andere problemen, bij voorbeeld: kunststof extruders, blow molding, … weersvoorspellingen en… klimaatmodellen.

 

Laat U daardoor niet afschrikken: de onzekerheden zijn bij die reactiemotor duidelijk veel en veel kleiner dan bij de twee laatste voorbeelden. Ze zijn vooral veel kleiner dan vroeger, toen we deze technieken niet ter beschikking hadden. Maar… ze blijven er! Daar komen nog enkele dingen boven op.

 

In een dergelijke motor worden dozijnen verschillende materialen gebruikt, en dat over een tamelijk breed temperatuurinterval. Alle eigenschappen van materialen variëren niet enkel onderling sterk, maar ook voor één materiaal bij veranderende temperatuur. Ook de voor statica belangrijke grootten elasticiteitsmodulus en elasticiteitscoëfficiënt doen dat. Bovendien zetten al die materialen op een verschillende manier uit. Ook de wrijvingscoëfficiënten variëren met de temperatuur, en wrijving is er in die machines altijd, moet er zelfs zijn. Dat moet allemaal bij de modelering correct meegenomen worden.

 

Bovendien wordt bij deze motoren fanatiek op gewicht, dus materiaal, gespaard, wat tot grotere vervormingen zal leiden. Er zit geen gram te veel in, ook niet in het huis, We gaan hier dus werkelijk tot aan de grens van het mogelijke en we proberen daar natuurlijk niet over te gaan. Dat is echter niet altijd even gemakkelijk en duidelijk.

 

Het Incident

 

Het incident werd veroorzaakt door wrijving tussen rotor en stator in het compressordeel. Maar er moet wrijving zijn, om de compressortrappen tegen elkaar af te dichten, gescheiden te houden. Er was dus onder de gegeven omstandigheden enkel te veel wrijving. Dus moet er meer buiging geweest zijn dan het ontwerp voorzag. Als we berekeningsfouten even uitsluiten moet dat er aan gelegen hebben dat er grotere of andere krachten werkten dan voorspeld. Vandaar het Coriolis vermoeden… De stator en het huis zijn namelijk niet aan dezelfde Coriolis krachten blootgesteld als de rotor. Wel aan andere, maar veel zwakkere.

 

Het schoepenwiel in kwestie was ontworpen om de 500ºC die daar normaal heersen uit te houden. Door iets meer wrijving dan normaal steeg de temperatuur tot 1000ºC en dat werd fataal. Het leidde tot scheurtjes, breuk en fragmenten die de brandstoftanks penetreerden. Nota: dit gebeurde in het zogenaamde koude deel van de machine, meer bepaald bij de derde trap van de compressor. Maar door de compressie van de lucht lopen de temperaturen daar ook al vrij aardig op, zelfs al begin je met lucht op -60ºC.

 

De tekening hieronder toont, omkaderd met rode stippellijn, de plaats waar het gebeurde.

 

De rotor is geel gekleurd en de stator grijs.

 

lockmart f 35 engine problem cutaway via bae systems dec14

 

 

Links zien we een detail van de afdichting met zogenaamde ‘messen’, die in turbomachines heel courant is.

 

Hoe nu die delen precies vervormden en waar de fatale wrijving ontstond is me niet volledig duidelijk. Daarvoor zou ik moeten speculeren, en dat doe ik dus liever niet. Het is ook niet nodig.

 

Remedie

 

De technici reageerden, hoewel ze veel meer weten, net zoals ik ook zou gereageerd hebben. Ze haalden een idee uit de vorige eeuw uit de kast: de goede oude ‘rodage’. Door een aantal uren draaien in een gecontroleerd motor regime slijpen ze op de bewuste plek een groef waardoor uiteraard de wrijving geringer wordt.

 

Maar… ze hebben de 5 g beperking  NIET opgeheven, en dat had ik ook niet gedaan, want…

 

  • Die ‘rodage’ is wel het beste wat men in de gegeven omstandigheden snel kon doen, maar een definitieve oplossing is het niet.

  • Erger: Dat incident betekent vooral één ding: ons CAE model van de motor heeft – om welke reden dan ook – ernstige fouten! De realiteit wijkt af van de voorspelde, berekende situatie! Het is nogal duidelijk dat zulks levensgevaarlijk is. Het ligt tamelijk voor de hand hier eerst naar Coriolis krachten te kijken, maar zeker is dat in geen geval: er kunnen nog dozijnen andere dingen aan de hand zijn. Ik zou dat willen volledig uitgeklaard zien alvorens überhaupt nog met het ding te vliegen. Dat konden ze natuurlijk politiek niet maken. Vandaar die 5g. Daardoor is het risico zeker al duidelijk geminderd, en wordt de schijn bewaard: niets aan de hand. En vooral: het testprogramma kan doorgaan. Voor dat laatste heb ik veel begrip. Zolang hier echter geen duidelijkheid is hangen er allerlei verrassingen boven ons hoofd, en daar zijn geen aangename bij.

 

Conclusie

 

Het is natuurlijk niet uitgesloten (maar moeilijk zal het in ieder geval zijn) dat ze een definitief en toch vrij simpel antwoord vinden. Snel gaat dat in geen geval gebeuren. Verstandige mensen wachten – als ze die optie hebben – af tot het zover is (of ook niet) alvorens contracten te tekenen (of ook niet). Hierbij is te bedenken dat de probleemstelling voor de Nederlanders niet zo simpel is. Ik denk dat wij ons daarvoor niet op de borst kunnen kloppen, maar dat we enkel door ‘de genade van de lege kas’ voor domme voorsnelle engagementen bewaard bleven. Houden zo!

 

Dat ze ons nu vertellen dat de huidige 5g beperking aan de software te wijten is (en die ‘overgang’ is me een beetje te glad gegaan) is natuurlijk een fenomenale truc van de foor. Daarop komt geen fatsoenlijke ingenieur; het waren waarschijnlijk weer de ‘marketing’ jongens.

 

De Brandstoftanks.

Incidenten

 

We kregen volgende informatie:

 

  • Bij bochten met hoge versnellingen (g waarden) komt het tot overdruk in de brandstoftanks die zich daardoor vervormen. Als remedie werd over veiligheidsventielen gesproken.
  • Enkele maanden later kwam een melding – die schijnbaar met de vorige niets te doen had – dat loskomende coating (andere berichten spraken van ‘verkruimelende isolatie’) loskwam en dreigde tot verstopping van het ‘fuel-hydraulic system’ te leiden. Ook daar werd een voorlopige beperking van de versnellingen als voorlopige remedie gezien.

 

Het Brandstof Systeem

 

Bekijken we dat eens even meer nauwkeurig. Hier onder een schema dat de brandstoftanks lokaliseert.

 

Joint strike fighter fuel tank layout BAEDe F35 kan intern 8390 kg brandstof meenemen. Die is opgeslagen in zeven tanks, over het vliegtuig verdeeld.

 

Ik weet niets over de vorm. Enkel één ding is duidelijk: een mooie, gemakkelijk te berekenen cilinder is het in geen der gevallen. Want in een dergelijk toestel wordt met kubieke centimeters even gierig omgegaan als met grammen. Brandstof wordt gestopt waar er plaats is. Dat leidt dus altijd tot meer avontuurlijke vormen voor de tanks. Bovendien zal ook hier weer met iedere gram gewoekerd worden, zodat we ons aan zo gering mogelijk materiaalsterkten moeten verwachten.

 

Er zijn veel verschillende manieren om brandstoftanks in vliegtuigen te bouwen. Zo bij voorbeeld vult men in sommige gevallen de tanks met een schuimstof die een ‘open poriën’ structuur heeft om daarmee het ontstaan van een volumineuze gasfase (explosiegevaar) te vermijden. Ik verwacht niet dat hier aan te treffen: het geeft te veel kubieke centimeters weg! Ik vermoed dat het hier wel om zogenaamde ‘self sealing’ tanks zal gaan, wat betekent dat er een coating in zit die bij penetratie van de binnenste laag door zwelling van de volgende laag – bij contact met de brandstof – het lek automatisch dicht.

 

Koeling

 

Ik vermoed bovendien dat we het met verschillende soorten/constructies brandstoftanks te doen hebben, en dat minstens in de vleugels en de verticale stabilisatoren structurele delen van het toestel ook als tankwand dienen. De uitdrukking ‘carry-through’ duidt er overigens op dat deze ruimtes, met een relatief gering volume, niet in de eerste plaats als opslag gedacht zijn: hier wordt een ander doel vervolgd. Stealth brengt gedwongen relatief ongunstige aerodynamische vorm mee. Daaruit volgt dan weer dat bepaalde delen van het toestel door de wrijving zeer warm worden, wat tot een gevaarlijke IR signatuur leidt. Hier moet gekoeld worden en daarvoor wordt brandstof gebruikt. Dus wordt brandstof uit de ‘engine feed’ tank (F3) waarschijnlijk door de vleugels en de stabilisatoren naar de motor gepompt. De andere tankinhouden worden steeds naar F3 gepompt.

 

Ik vermoed dat het niet zo simpel is, met geen betere reden voor die mening dan dat ik het zo simpel niet zou construeren. De collega’s die hier aan werken hebben een opleiding en een mindset die van de mijne niet zo heel erg verschillen. Ik denk dat in het verhaal, dat hierboven verteld is, de vloeistofsnelheden veel te gering zijn om de warmteoverdrachtscoëfficiënt voldoende hoog te krijgen. Hier zit ook de ‘self sealing’ coating (die we denkelijk toch niet durven weglaten) erg in de weg. Ik zou dus bovendien nog een apart leidingsysteem aanleggen om de kritische plekken extra te koelen. Ik kan daar enkel de coating aanbrengen die nodig is om het systeem tegen corrosie te beschermen en die leidingen, in geval van lek, met kleppen afsluiten. Of zelfs nog liever helemaal geen coating als ik een geschikt metaal kan vinden dat tegen de corrosie bestand is. Maar dat zijn dus veronderstellingen. Ze zijn wel gefundeerd maar er zijn ook alternatieven mogelijk.

 

De Brandstof

 

Bekijken we even de brandstof. Ik ken niet de precieze samenstelling van JPx (x is ergens een getal dat de brandstof in kwestie karakteriseert. Veel moderne jagers vliegen met JP8). De basis is zeker de kerosine fractie van aardolie, maar…

 

  • Het is mogelijk dat de samenstelling gemanipuleerd is om het gemiddeld moleculair gewicht te beïnvloeden.

  • Er zitten gegarandeerd een hele rits additieven bij. Een deel van die additieven is nodig om de schadelijke invloed van andere additieven te neutraliseren.

Dus: een geëxplodeerde apotheek! Waarom al die hokus pokus? Meerdere redenen:

 

In kerosine zitten substanties die kunnen polymeriseren. Dat leidt tot rubberachtige substanties die filters, sproeiers of zelfs leidingen kunnen verstoppen. Er worden dus stoffen toegevoegd om die polymerisatie te ‘inhiberen’ (verhinderen, vertragen). Er zijn echter nog andere en belangrijker redenen voor ingrepen en additieven.

 

Die verbrandingen (meervoud!) zijn extreem complexe processen. Wat daar nu echt gebeurt is eigenlijk alleen maar realistisch afbeeldbaar in een vijfdimensionale ruimte. Er zijn ingewikkelde problemen van reactiekinetiek gecombineerd met energie- en stoftransport. We moeten hier werkelijk alle registers van ‘Reactor Engineering’ trekken om te begrijpen wat er gebeurt. Ik voel me compleet onbekwaam om dit probleem ook maar halfweg aanvaardbaar te vulgariseren.

 

Ook zonder volledig inzicht is het mogelijk te begrijpen dat er bij een dergelijk complex systeem altijd nog wel een paar procent verbetering in rendement en/of stuwkracht inzitten. Dat is het wat men met die additieven bereikt. Maar… sommige van die additieven zijn corrosief voor de gebruikte materialen. Daarom worden dan weer corrosie-inhibitoren (andere additieven) toegevoegd.

 

In ieder geval is het geen goed idee JPx zonder meer met, bij voorbeeld, aluminium in aanraking te brengen. Dat is ook niet nodig: we hebben grote ervaring met ‘container coatings’. Kijk maar aan de binnenkant van conservenblikjes of frisdrankdozen. Dat is echte routine en er is veel know how. Als we ‘self sealing’ tanks willen volstaat dat natuurlijk niet: dan moet de coating uit meerdere lagen bestaan en ook duidelijk dikker worden. De hechtingsproblemen zijn echter dezelfde.

 

Overdrukventielen

Nu moeten we nog even op veiligheidsventielen ingaan.

tank04

Hier zien we de primitiefst denkbare vorm. Als de druk in de ruimte bij ‘Flow’ te hoog wordt zal de kracht op de ‘wing valve’ de veer indrukken en er kan product ontsnappen. Met de ‘Pressure screw’ kan de kracht op veer ingesteld worden en daarmee de druk waarbij het ventiel opent.

 

Primitief is goed, want veiligheidsventielen installeren we om te anticiperen op dingen die wij niet voorzien. Het zijn de bretellen bovenop de broeksriem. Ze moeten dus ALTIJD werken. Als ze behoorlijk onderhouden worden doen ze dat ook: ik heb nooit een veiligheidsventiel weten falen.

 

Dit type gaan we in een vliegtuig nooit zien: weeral te zwaar, maar het principe is altijd hetzelfde.

 

 

 

 

 

Wat er met Brandstoftanks allemaal Fout kan gaan

 

De brandstoftanks zijn niet gemaakt om ernstige druk uit te houden: we sparen gewicht waar we maar kunnen. Ze moeten dus zorgvuldig tegen overdruk beschermd worden en er zijn dan ook altijd veiligheidsventielen voorhanden. Er kan namelijk van alles verkeerd gaan:

Bij het betanken kunnen we gasbellen samenpersen die daardoor te hoge drukken kunnen krijgen. We hebben weliswaar pendelleidingen die er voor zorgen dat het gas geëvacueerd wordt, maar we mogen er niet op rekenen dat alles perfect werkt. Bovendien weet ik niet hoe dat bij lucht-betanken precies zit.

  • We kunnen ook (natuurlijk door fouten) over vullen en we riskeren dan de volledige persdruk van de pomp op het systeem te zetten, wat de tanks gegarandeerd niet uithouden.

Maar dat zijn enkel de voor de hand liggende gevallen. Iets dergelijks is in ons geval ook niet gebeurd. Ik neem trouwens aan dat alle voorzorgen daartegen getroffen zijn.

Kijken we eens wat die brandstoftanks doen tijdens de vlucht.

In het eenvoudigste geval kijken we naar een cilinder en we vliegen recht vooruit, op constante hoogte.

tank05

Nu heerst in de gasfase de normale druk die er was na het tanken.

Helemaal beneden in de tank hebben we diezelfde normale druk plus de (geringe, vanwege de geringe hoogte) hydrostatische druk van de vloeistof die er boven staat.

Vliegen we nu een bocht naar rechts met 9 g.

tank06

In de gasfase heerst nog altijd dezelfde normale druk. Die gasfase is dus onproblematisch.

In de vloeistoffase loopt de druk op naar:

Normale druk + hydrostatische druk, maar in een nu veel sterker veld. Die druk is dus duidelijk hoger.

Nog altijd niet dramatisch: dat gaat niet meer dan 1 bar overdruk zijn, maar dat moet de tank natuurlijk wel uithouden.

Daar we materiaal willen sparen gaan we waarschijnlijk de wanden van het vat dun houden en ze daarvoor op veel plaatsen bevestigen. Die bevestigingen moeten nu, allemaal samen, wel (bij 8390 kg brandstoflading) 75 ton uithouden! Ook nog geen wereldschokkend probleem.

Waterslag

Maar wat als we geen mooie cilinder, maar een iets grilligere vorm van tank hebben? En dat zal in de praktijk het geval zijn.

Hier een voorbeeld met een uitstulping met daarin een ingesloten gasbel.

tank07

Wat als we nu diezelfde bocht naar rechts vliegen?

Statisch schijnt er niet veel aan de hand.

tank08

We hebben nu alleen die gasbel G die samengeperst is tot dezelfde druk als de aangrenzende vloeistof.

Maar dynamisch is er een wereld verschil.

De vloeistof heeft nu bewogen! Rode pijl. Als het maneuver abrupt gebeurde (wat in dergelijke gevallen – denk ik – meestal wel zo zal zijn) is de vloeistof ‘aangeduwd’ met een kracht van in het totaal 75 ton. Ze verzamelt, ook op haar korte weg, een aanzienlijke hoeveelheid kinetische energie, en die kan ze – in eerste instantie – enkel kwijt aan die arme kleine gasbel! Daar ontstaat dus – intermediair – een druk die vele malen hoger kan zijn dan de voor G normale evenwichtsdruk. Bovendien geeft dat een ferme ruk aan de bevestigingen van de tank, en die schokgolf kan ook de tankwand minstens stevig vervormen.

 

Achteraf valt alles natuurlijk weer mooi in zijn plooi… indien er intussen niets gebroken is!

Dat is de gevreesde zogenaamde ‘waterslag’. Die heeft, als mensen nogal enthousiast ventielen openden, al volledig splinternieuwe pijpsystemen verwoest met zoiets onschuldigs als water, tot grote verbazing van de niet begrijpende daders.

Ik vermoed dat dit hier gebeurd is, en dat, waarde collegae is natuurlijk wel een absolute beginnelingenfout! Nog veel geluk gehad dat de tank niet tijdens de vlucht gebarsten is!

 

Wat doen we daaraan?

We kunnen in het brandstofsysteem alle punten zoeken waar zich bij willekeurige vliegmaneuvers dergelijke gas pockets kunnen vormen. Dan kunnen we daar overal overdrukventielen op plaatsen.

Dat beperkt wel de overdruk in de gasfase maar niet de klap van de vloeistof die nog altijd volgt, hoewel die natuurlijk wel gedempt wordt. Dat is een oplossing maar lang geen perfecte. Het is blijkbaar wel wat ze proberen.


Een perfecte oplossing zou enkel kunnen bestaan uit een compleet her-design van het tanksysteem. Daarbij kunnen we dan het ontstaan van ‘trapped pockets’ volledig uitsluiten. Dat leidt echter ofwel tot een vermindering van het totaal tankvolume of tot een praktisch compleet nieuw ontwerp voor de binnenkant van de romp. Geen van beide een aantrekkelijk optie die snel gerealiseerd kan worden.

 

Conclusie

Die brandstoftanks zullen, minstens nog voor lange tijd, een zorgenkind blijven. Plastische vervormingen bedreigen de structurele integriteit. Maar ook elastische vervormingen komen met het risico van metaalmoeheid.

En dan is er nog iets. Die vervormingen belasten ook de hechting van coating allerhande aan de tankwand. Die kan daardoor los komen, brokkelen en in filters en sproeiers parten gaan spelen. Dat is blijkbaar al gebeurd en hangt ook verder voortdurend als lastige storende factor boven ons hoofd.

Slotbemerking

We kunnen het ook helemaal mis hebben. We hopen dat zelfs. Toch menen we niet dat we de proponenten van de F35 hiermee een unfaire bewijslast opleggen. Het is namelijk verschrikkelijk eenvoudig onze stellingen te weerleggen. Vlieg eenvoudig 9g bochten zonder beperking. Meer is niet nodig om ons tot zwijgen te brengen.

Gerard De Beuckelaer

 

 

Dwarsliggers' Defensieteam

Bewaren

Bewaren

Bewaren

Bewaren

Bewaren

Bewaren

Bewaren

Bewaren

Bewaren

Bewaren

Bewaren