Embora construído para a Força Aérea dos EUA, a Luftwaffe foi o principal usuário do Starfighter, operando mais de 35% de todos os F-104 construídos.
A Luftwaffe da Alemanha Ocidental recebeu um total de 915 Starfighters. Em seu auge em meados da década de 1970, o Starfighter equipou cinco alas de bombardeiro, duas de interceptação e duas de reconhecimento. Além disso, duas alas de ataque da Marineflieger (marinha alemã) foram equipadas com Starfighters
Os primeiros Starfighters Alemães foram F-104F (biplaces) construídos pela Lockheed e que foram inicialmente usados nos EUA para treinar instrutores alemães. Naquela época, os F-104F eram pintados com a insígnia padrão da USAF e carregavam números de série da USAF. Esses aviões foram entregues à Waffenschule 10, que ficava em Norvenich, na Alemanha. Após a entrega, eles foram repintados nas insígnias da Luftwaffe e receberam números de série na Alemanha. Eles começaram a treinar pilotos para o JBG31 em julho de 1960.
A primeira unidade operacional a ser equipada com o F-104G foi a Jagdbombergeschwader 31 “Boelcke” (JBG31), também baseada em Norvenich. O JBG31 tornou-se totalmente operacional em 1963.
Com as novas aeronaves sendo entregues quase diariamente para a nova Luftwaffe, era necessário um treinamento massivo para os pilotos, a fim de colocá-los em serviço rapidamente. As restrições climáticas e operacionais do norte da Europa impunham severas limitações na quantidade de treinamento que poderia ser feito na Alemanha. A solução foi estabelecer uma operação de treinamento da Luftwaffe no sudoeste dos Estados Unidos, onde havia muito espaço e onde o tempo estava bom na maior parte do ano.
Muitos Starfighters da Luftwaffe permaneceram nos Estados Unidos e foram estacionados na base aérea de Luke, no Arizona, para treinamento dos pilotos alemães, mas apesar de serem propriedade da Luftwaffe, essas aeronaves carregavam insígnias da USAF e recebiam números de série da USAF.
No serviço da Luftwaffe, o F-104G obteve uma má reputação devido ao grande número de acidentes, muitos deles fatais.
Operações intensivas de voo com o Starfighter não começaram na Alemanha até 1961, quando apenas dois acidentes ocorreram. Houve sete acidentes em 1962, 12 em 1964 e 28 em 1965. Em meados de 1966, 61 Starfighters alemães haviam caído, com uma perda de 35 pilotos. No auge da crise, a taxa de acidentes do Starfighter chegou a 139 por 100.000 horas de voo. Como resultado, a imprensa alemã entrou em num frenesi e alimentou a ideia de que o F-104G era um “fazedor de viúvas”. Uma piada corrente na época era que, se você esperasse o suficiente, quase todos os quilômetros quadrados da Alemanha teriam um Starfighter colidindo sobre ela.
A imprensa deixou muitas pessoas com a impressão de que havia algo intrinsecamente errado com o F-104G, que era um avião muito difícil de ser voado por pilotos novatos. A alta taxa de perdas gerou uma enxurrada de críticas ao governo de Bonn, alguns críticos alegando que todo o programa Starfighter tinha sido politicamente motivado e deveria ser cancelado de imediato.
Durante seu período de serviço com as forças armadas alemãs, 270 caças Starfighters alemães foram perdidos em acidentes, pouco menos de 30% da força total. 110 pilotos foram mortos. No entanto, a taxa de atrito no serviço alemão não foi muito maior do que a do F-104 em serviço com várias outras forças aéreas, incluindo a Força Aérea dos Estados Unidos. O Canadá teve o histórico nada invejável de perder mais de 50% de seus 200 CF-104 de assento único em acidentes aéreos. A taxa de perda da Luftwaffe não foi tão extraordinária, uma vez que a Luftwaffe havia sofrido uma taxa de desgaste de 36% com o Republic F-84F Thunderstreak, o predecessor imediato do Starfighter. Não havia nada intrinsecamente perigoso sobre o Starfighter,
No entanto, alguns dos acidentes da Luftwaffe podem, na verdade, estar relacionados a problemas técnicos com o próprio F-104G. Problemas no motor, incluindo dificuldades com o bico variável do pós-combustor do J79, e a contaminação do sistema de oxigênio líquido do Starfighter, causando perda de consciência do piloto, foram listados como fatores contribuintes em alguns dos acidentes. Também houve problemas com o limitador de pitch-up automático durante voos de alta velocidade em baixa altitude e em curvas apertadas, resultando em sua remoção temporária, com restrições na capacidade de manobra.
No entanto, a alta taxa de acidentes no serviço da Luftwaffe poderia ser atribuída mais aos perigos de voar em missões de baixa altitude em altas velocidades no mau tempo do norte da Europa do que em qualquer falha intrínseca com o F-104G. O erro humano foi provavelmente a principal causa da maioria dos acidentes.
O Starfighter precisava de 38 a 45 horas de manutenção para cada hora no ar, e muitos dos técnicos de terra da Luftwaffe eram recrutas que provavelmente eram treinados com muita pressa. Além disso, os pilotos alemães de Starfighter voavam apenas 13 a 15 horas por mês, em comparação com a média da OTAN de cerca de 20 horas. Outro fator pode ter sido o fato de que o treinamento inicial das tripulações da Luftwaffe ocorria nos EUA e não na Alemanha. A razão dada para treinar os pilotos da Luftwaffe nos EUA, e não na Alemanha, era que o tempo bom no sudoeste americano eram muito mais propício ao treinamento de pilotos do que o clima muitas vezes ruim do norte da Europa. No entanto, poder-se-ia indicar que, se a guerra estourasse, a luta seria feita no clima desagradável da Europa, e não nos céus do oeste americano. A transição repentina dos claros céus do deserto do Arizona para os céus de inverno do norte da Europa pode ter sido outro fator na erupção de acidentes.
No auge da crise política de Starfighter em meados de 1966, o chefe da Luftwaffe, General Wernher Panitzki, foi forçado a renunciar depois de ter criticado o programa Starfighter dizendo que a compra fora política. Seu sucessor foi o Tenente-General Johannes Steinhoff, que na Segunda Guerra Mundial, fora piloto de Me-262. Steinhoff não nutria simpatias pelo Starfighter, de fato, ele havia se queixado do fracasso do Ministério da Defesa de Bonn em implementar as recomendações de seu relatório de 1964 sobre as medidas de sobrevivência do F-104G. Um dos primeiros movimentos de Steinhoff foi revisar o sistema de ejeção do F-104G para aumentar a probabilidade de uma fuga bem sucedida por um piloto em baixo nível. O assento de ejeção Lockheed C-2, inicialmente montado no F-104G, foi equipado com um foguete Talley Corp 10100 mais potente em novembro de 1966 para dar a capacidade zero-zero real. No entanto, verificou-se que os foguetes Talley tiveram um efeito desestabilizador após a ejeção e tiveram que ser removidos.
Depois que o Starfighter alemão teve que ser novamente aterrado para reparos nos assentos do C-2 em dezembro de 1966, decidiu-se mudar para assentos ejetáveis zero-zero Martin-Baker Mk GQ7A. Um contrato foi assinado em 8 de março de 1967 para reequipar toda a força alemã F-104G. Isso levou cerca de um ano para ser feito. O primeiro uso bem sucedido de um assento GQ7 ocorreu no dia 24 de setembro de 1968, com o piloto sobrevivendo a perda de mais um F-104G.
Outra parte do programa para reduzir a taxa de acidentes com o Starfighter foi a revisão das técnicas e procedimentos de treinamento. A taxa de acidentes do Starfighter caiu para cerca da metade em 1968. No entanto, isso foi apenas temporário, pois entre 1968 e 1972, 20 Starfighters foram perdidos. As quedas continuaram a uma taxa de 9 a 11 aeronaves por ano até o início dos anos 80, quando todos os alemães F-104G começaram a ser substituídos pelo Tornado.
No papel nuclear, o F-104G podia transportar uma única bomba nuclear sob a fuselagem na linha central. 250 Starfighters estavam comprometidos com as forças nucleares da OTAN. No auge da Guerra Fria, cada uma das alas de bombardeiros manteve uma força de seis caças em prontidão 24h, armados, abastecidos e prontos para decolar dentro de 17 minutos após a autorização.
Embora essas armas nucleares fossem transportadas sob aviões alemães, essas bombas permaneciam sob controle americano em todos os momentos, e só podiam ser liberadas para ataque sob uma ordem direta transmitida pela cadeia de comando do presidente dos Estados Unidos.
A Marineflieger operou 151 F-104G. Eles foram atribuídos a duas alas de ataque naval de 1964 em diante, substituindo o Hawker Sea Hawk.
Esses F-104G usualmente carregavam um míssil Kormoran MBH em cada um dos cabides internos das asas.
A Luftwaffe ficou preocupada com a possível vulnerabilidade de seus aeródromos aos ataques do Pacto de Varsóvia e começou a procurar meios de dispersar seus Starfighters em todo o país. Sob contrato da Luftwaffe, a Lockheed realizou testes com um F-104G lançado por um foguete de uma plataforma (sistema ZEL). A Luftwaffe previa que frotas de Starfighters com armas nucleares fossem transportadas para o campo e montadas em rampas pré-posicionadas. A partir daí, a aeronave seria lançada sob o poder de um enorme motor de foguete. Após a missão, a recuperação ocorreria em pistas de pouso preparadas às pressas, talvez até mesmo o uso das autobans.
Embora os testes tenham sido bem sucedidos, o esquema não foi adotado para uso operacional.
A MBB ficou interessada desde cedo em aeronaves altamente manobráveis. Um F-104G foi modificado pela MBB como parte de um programa de pesquisa de cinco anos em tecnologias de veículo configurado para controle (CCV) e fly-by-wire. A estabilidade natural foi substituída por sistemas fly-by-wire controlados por computador que permitiram que a aeronave se tornasse instável. Essa instabilidade natural poderia ser controlada para fornecer agilidade extra. Os dados coletados foram de grande ajuda para o projeto da EFA e também foram utilizados durante o desenvolvimento do Rockwell/MBB X-31. O F-104CCV foi então transferido para o Wehrtechnisches Museum, em Koblenz.
No final de 1968, a taxa inesperadamente alta de acidentes levou o Ministério da Defesa Federal a encomendar outros 50 F-104G.
O Starfighter começou a ser retirado do serviço da Luftwaffe em 1971, quando os esquadrões de reconhecimento receberam o McDonnell RF-4E Phantom.
Na Marinha começaram a dar baixa quando o Panavia Tornado chegou em julho de 1982.
Em 1982, a unidade de treinamento da Luftwaffe em Luke foi fechada. Em meados da década de 1980, a maioria dos Starfighters tinha sido retirada do serviço da Alemanha Ocidental.
F-104G alemães foram transferidos para as forças aéreas da Grécia, Turquia e Taiwan. A última unidade operacional da Luftwaffe a operar o F-104G foi a JBG34, que retirou sua ultima aeronave no final de 1987
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