Dr. Bernd Sträter Aktueller Stand der Leichter-als-Luft-Technologie

Transkript

1 Dr. Bernd Sträter Aktueller Stand der Leichter-als-Luft-Technologie Dr. Bernd Sträter Zeppelin Luftschifftechnik GmbH

2 22 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Kurzer Rückblick und heutiger Stand der Luftschiffindustrie 24 3 Der Zeppelin Neuer Technologie (NT) Neue Luftschiffprojekte Ausblick... 51

3 23 1 Einleitung Gerne habe ich die Einladung angenommen, an alter Wirkungsstätte anläßlich der August Euler-Luftfahrtpreisverleihung einen Vortrag über die Aktuelle Situation der Leichter-als-Luft Technologie zu halten. Ich möchte Ihnen einen Überblick über die Luftschiffindustrie, deren Stärken und Schwächen, und über die derzeitigen Luftschiffprojekte geben. Der Vortrag soll nicht wissenschaftliches Basiswissen vermitteln, sondern eine Situationsbeschreibung sein. Ich werde den Vortrag wie folgt gliedern (siehe Abb. 1): Aktueller Stand der Leichter-als-Luft-Technologie Gliederung: Heutiger Stand der Luftschiffindustrie Der Zeppelin Neuer Technologie (NT) Neue Luftschiffprojekte Resümee Abb. 1: Gliederung Es werden ausschließlich mit Traggas gefüllte Luftschiffe, die kommerziell eingesetzt werden, betrachtet (keine Heißgasluftschiffe).

4 24 2 Kurzer Rückblick und heutiger Stand der Luftschiffindustrie Der Traum des Menschen, wie ein Vogel zu fliegen, ist vermutlich so alt wie die Menschheit. In nahezu jeder Epoche hat der menschliche Entdeckerdrang und Innovationsgeist Fluggeräte entstehen lassen. Sieht man von Montgolfierschen Heißluftballonen ab, so waren es die Luftschiffe, die erstmals als Fluggeräte eine Serienreife und industrielle Umsetzung erfuhren. Ende des 19. Jahrhunderts konkurrierten verschiedene Baukonzepte wie Ganzmetallluftschiffe, Kielluftschiffe oder halbstarre Luftschiffe sowie Starrluftschiffe um den Erfolg. Graf Zeppelin setzte auf die Vorteile der Starrluftschiffe und war der Luftschiffpionier, der zu Beginn des 20. Jahrhunderts mit Energie, Disziplin und seiner Persönlichkeit Regierung und Bevölkerung gleichermaßen überzeugte und begeisterte, so daß er die notwendigen Geldgeber fand, um am Bodensee eine Luftschiffindustrie aufzubauen. Zwischen 1890 und 1940 wurden insgesamt 119 Zeppeline gebaut. Die größten je gebauten Luftschiffe Graf Zeppelin und Hindenburg hatten bei einem Gesamtvolumen von rund m³ mit 245 m Länge und einem Durchmesser von rund 45 m beträchtliche Ausmaße. Spektakuläre Reisen (Weltumrundung), der erste regelmäßige Postflug aber auch die Schlagzeilen der Abstürze (Echternach, Lakehurst) haben den Namen Zeppelin und die Zeppeline weltbekannt gemacht. Der Name Zeppelin ist auch heute noch sehr bekannt, er gilt als Synonym für Luftschiffe unabhängig von der Bauart. Der richtige Zeppelin ist und bleibt das Starrluftschiff. Graf Zeppelin hat zwar die spektakulären Projekte realisiert, aber es gab auch in anderen Industrienationen Luftschiffprogramme, ging es doch auch schon zu Beginn des 20. Jahrhunderts um technologische Vormachtstellungen. Kriegsereignisse beschleunigen in der Regel technologische Entwicklungen, insbesondere wenn man sich militärische Vorteile verspricht. Abbildung 2 verdeutlicht, dass die kriegsführenden Länder vor und während des ersten Weltkrieges auf die Kriegsmaschine Luftschiff gesetzt haben. Die der Abbildung angeführte Zahl 200 stellt einen Mittelwert dar. Gebaut wurden viel mehr als die angegebenen 200 Luftschiffe (insgesamt mehr als 700). Die Lebensdauer war jedoch sehr kurz.

5 Jahre Luftschiffe Ca. 700 fertiggestellte Luftschiffe 1. Weltkrieg 2. Weltkrieg Abb. 2: 100 Jahre Luftschifft Drei wesentliche Gründe gab es dafür: Erstens der Krieg: viele Luftschiffe wurden abgeschossen oder am Boden vernichtet. Zweitens die schwierige Handhabung am Boden bei starkem Wind. Luftschiffe sind sehr groß und bieten Windböen eine große Angriffsfläche. Viele Luftschiffe rissen sich von der Verankerung los oder konnten beim Landevorgang nicht festgehalten werden und trieben gegen ein festes Hindernis. Drittens die unzureichenden Auslegungsverfahren und Testerfahrungen. Viele Luftschiffe überlebten den Jungfernflug wegen schlechter flugmechanischer Auslegung oder zu geringen Auftriebs, was gleichbedeutend mit einem zu schweren Gerät ist, nicht. Bereits während des ersten Weltkrieges setzten einige Nationen auf die neueste Technologie: Flächenflugzeuge. Es wurde das kriegerisch überlegene Potential dieser neuen Fluggeräte erkannt mit der Folge, daß die Luftschiffe nach dem Krieg sehr schnell an Bedeutung verloren und im wesentlichen nur noch die Zeppeline aufgrund der spektakulären Groß-

6 26 projekte und der zivilen Einsätze weiter flogen. Interessanterweise änderte sich die Situation zu Beginn des Zweiten Weltkrieges. Auf der deutschen Seite wurden die noch flugfähigen Zeppeline als nicht kriegstauglich erklärt und abgewrackt, auf der amerikanischen Seite wurden Luftschiffe als Beobachtungs- und Erkundungsplattform neu entdeckt. Neue Luftschiffflotten wurden bei der Navy aufgebaut und als Flottenbegleitschutz eingesetzt. Lange Missionszeiten und die Fähigkeit, sich der Geschwindigkeit des Flottenverbandes anzupassen, haben die Luftschiffe zu sehr erfolgreichen Aufklärern gegen deutsche U-Boote werden lassen. Diese Luftschiffe waren Prallluftschiffe oder Blimps mit einem Volumen von bis zu ca m. Wie die Grafik zeigt wurde Anfang der sechziger Jahre der Luftschiffbetrieb bei der Navy eingestellt. Die Luftfahrtund Verteidigungsindustrie hatte kein Interesse mehr an Luftschiffen, private Kleinunternehmen geführt von Luftschiffenthusiasten haben Kleinluftschiffe (2 000 bis m³ Volumen) entwickelt und gebaut. Alle Luftschiffe waren Prallluftschiffe, die auf den Werbemarkt ausgerichtet waren. Die Luftschiffindustrie hat Mitte der achtziger Jahre durch Initiativen in England und Amerika neue Impulse erhalten. In den jeweiligen Verteidigungsministerien wurden Ausschreibungen für eine neue Generation von militärisch einsetzbaren Luftschiffen insbesondere für Aufklärungs- und Überwachungsaufgaben vorbereitet. Diese Projekte wurden zwar nicht realisiert, jedoch haben sich neue Unternehmen am Markt etabliert, über die im Folgenden noch zu berichten ist. Es wurden die verschiedenen Baukonzepte bereits erwähnt. In Abbildung 3 sind die Wesentlichen zusammengestellt. Das Zeppelinsche Starrluftschiff zeichnet sich durch ein starres Aluminiumgerippe aus, dass gleichzeitig die Form vorgab. Das Traggas war Wasserstoff, der sich in verschiedenen Kammern ohne Überdruck befand. Im Gegensatz zu den Starrluftschiffen haben die Blimps oder auch Prallluftschiffe keinerlei Struktur innerhalb des Tragkörpers. Man kann sie mit einem Ballon in Luftschiffform vergleichen (siehe auch Abb. 4). Die Form wird durch einen geringen Überdruck im Inneren erzeugt. Während beim Starrluftschiff die Lasten wie Wind-, Manöver- und Nutzlasten direkt von der Struktur aufgenommen werden, muss bei den Prallluftschiffen die flexible Hülle alle Lasten aufnehmen.

7 27 Luftschiffarten Blimp Kiel-Luftschiff (z. B. CargoLifter) Halb-Starres Luftschiff ( Zeppelin NT) Starr Luftschiff (Zeppelin) Abb. 3: Luftschiffarten Blimps Abb. 4: Blimps

8 28 Die Antriebselemente sind bei den Blimps direkt an der Passagiergondel angebracht, bei den Starrluftschiffen können die Antriebskräfte an beliebigen Stellen in die Struktur eingeleitet werden Die Flexibilität der Hülle, an der auch die Leitwerke befestigt sind, und die die Auslegung beeinflussenden Biegemomente haben die Größe bisher realisierter Prallluftschiffe begrenzt. Die größten Blimps hatten etwa ein Viertel des Volumens des größten Starrluftschiffes. Abbildung 3 zeigt zwei weitere Bauarten, die die Vorteile starrer Elemente für die Lasteinleitung und dadurch auch für die Sicherheit des fliegenden Gerätes nutzen, ohne damit die vollen Gewichtsnachteile eines Starrluftschiffes zu übernehmen. Das Kielluftschiff zeichnet sich durch einen starren Kiel, vom Bug bis zum Heck aus. Die Form erhält das Luftschiff wie beim Prallluftschiff durch einen Überdruck in der Hülle. Die ursprüngliche Konzeption des Cargolifter folgte dieser Bauweise. Der Zeppelin NT folgt der Idee des Starrluftschiffes, wobei die Struktur nicht mehr formgebend ist. Die Form wird ebenfalls durch einen erhöhten Innendruck erzeugt. Abbildung 2 zeigte, dass es nur circa 30 Luftschiffe, die kommerziell betrieben werden, gibt. Mit Ausnahme des Zeppelin NT, über den noch näher berichtet wird, sind alle Luftschiffe Blimps. Der Luftschiffmarkt ist entsprechend klein. Abbildung 5 gibt einen Überblick über die Unternehmen, die Größe der betriebenen Luftschiffe, die Passagierkapazität und die Zulassungen (FAA amerikanische Zulassung; LBA deutsche Zulassung). Zwischenzeitlich hat sich eine weitere Betreiberfirma die Skyship Cruise in der Schweiz etabliert. Sie betreibt ein Skyship 600. Die Betreiber sind auch gleichzeitig die Hersteller bzw. Eigner der Konstruktionspläne. Lediglich die American Blimp Corporation (ABC) und die Zeppelin Luftschifftechnik GmbH haben derzeit eine Produktionskapazität.

9 29 Markt Situation Manufacturer/Operator Country Type Vol. Quant. PAX Cert. ABC USA Blimp FAA/LBA WDL-Luftschiffgesellschaft D Blimp FAA/LBA Airship Management Service USA Blimp FAA Zeppelin Luftschifftechnik GmbH Deutsche Zeppelin-Reederei GmbH D Half rigid * LBA * only airship - fully certified for commercial passenger flights Abb. 5: Marktsituation Aktueller Stand der Leichter-als-Luft-Technologie Problembereiche Weltweit nur wenige Betreiber und kaum Betriebsinfrastruktur. Luftschiffindustrie besteht aus KMU s, mit begrenztem Kapital. Bestehende Geräte sind zu klein für neue Märkte. Die bekannten Einsatzeinschränkungen von Luftschiffen können selbst durch neue Technologien nicht beseitigt werden. Neuentwicklungen sind teuer. Ein RoI ist erst nach vielen Jahren erreichbar. Potentielle Nutzer sind nicht bereit, Entwicklungen zu bezahlen. Unsichere Marktprognosen, da neue unbekannte Märkte. Abb. 6: Aktueller Stand der Leichter-als-Luft-Technologie

10 30 Die industrielle Situation ist gleichzeitig ein Spiegelbild des weltweiten Leichter-als-Luft-Status, deren wesentliche Problembereiche Abbildung 6 zu entnehmen sind. Ganz im Gegensatz zu dieser Situation stehen viele großmundige Ankündigungen über Luftschiffgroßvorhaben von Luftschiffenthusiasten und Visionären, die leider einen Realitätsbezug zu Märkten, Entwicklungsund Zulassungsaufwendungen sowie zu marktüblichen Renditeforderungen für das eingesetzte Kapital vermissen lassen. 3 Der Zeppelin Neuer Technologie (NT) Der Zeppelin NT (siehe Abb. 7) ist zwischen 1993 und 1997 entwickelt worden. Er hat seine Zulassung 2001 erhalten. Der ZEPPELIN NT Abb. 7: Der Zeppelin NT Er entstand an historischer Stätte. Graf Zeppelin hatte vor über 100 Jahren den Bodensee als Firmen- und Produktionsstandort ausgewählt. Zum einen weil er ein Konstanzer war, aber auch weil der Bodensee die Möglichkeit bot, schwimmende Hallen, die an einem Anker hängend sich au-

11 31 tomatisch in die Windrichtung drehten, zu realisieren. Damit konnte das Gefahrenmoment beim Ein- und Aushallen entscheidend vermindert werden. Heute gehört das Vermächtnis des Grafen der Stadt Friedrichshafen, dazu gehören namhafte weltweit operierende Großunternehmen. Diese wiederum sind Gesellschafter der Zeppelin Luftschifftechnik GmbH (siehe Abb. 8). Die Gesellschafter gaben nach einer Marktanalyse mit Erfolg versprechenden Marktprognosen Anfang der neunziger Jahre den Auftrag, einen neuen Zeppelin mit einer deutlichen Verbesserung der bekannt kritischen Einsatzbereiche von Luftschiffen zu entwickeln. Firmenstruktur ZEPPELIN FOUNDATION ZF GROUP ZEPPELIN GROUP 48,9% 51,1% ZEPPELIN LUFTSCHIFFTECHNIK GMBH Founded: 1993 Design, production, sales of Zeppelin New Technology 100% DEUTSCHE ZEPPELIN-REEDEREI GMBH Founded: 2001 Zeppelin airship operator Abb. 8: Firmenstruktur Wo sind die kritischen Betriebsbereiche und worin liegen die Ursachen? Die wesentlichen Nachteile von Luftschiffen im Vergleich zu anderen Luftgeräten leiten sich aus der Größe ab. Setzt man Gewicht und Gesamtauftrieb gleich, so ergibt sich in erster Näherung eine direkte Proportionalität zum Gasvolumen (siehe Abb. 9). Dieses wiederum hängt von der Tragfähigkeit des Traggases ab. Zwar trägt Wasserstoff etwas mehr als Helium, aber aus Sicherheitsgründen wird heute im kommerziellen Luftschiffbetrieb ausschließlich Helium

12 32 ein inertes und damit ungefährliches Gas eingesetzt. Da Helium bei Standardbedingungen nur ca. 1 kg trägt und das Gesamtgewicht sich aus dem Eigengewicht und der Nutzlast zusammensetzt, gilt es, das Eigengewicht soweit wie möglich zu reduzieren. Eine andere Möglichkeit, das Volumen und damit die Größe zu beeinflussen, bietet die Auslegung als Hybridluftschiff. Hierbei wird nur ein Teil des Gewichtes durch den Auftrieb des Traggases kompensiert, der andere Teil wird wie bei anderen Fluggeräten durch den aerodynamischen Auftrieb (Flügel oder Rotoren) getragen. Derartige Hybridluftschiffe sollen hier jedoch nicht betrachtet werden. Kritische Luftschiffbereiche / -parameter Größe (G=A=ρ V g) - Gewichtsoptimierung - Wasserstoff statt Helium - Hybridauslegung Start / Landung Ausgleich Gewichtsverlust (Kraftstoffverbrauch) Be-/ Entladung Bodenbetrieb (Ankern, Sichern etc.) Abb. 9: Kritische Luftschiffbereiche/-parameter Kritische Betriebszustände sind Start und Landung. Bisher wurden und werden Luftschiffe von Bodenpersonal eingefangen und am Boden gesichert. Alte Zeppelinbilder zeigen bei den größten Luftschiffen über 200 Personen, die benötigt wurden, um den Zeppelin festzuhalten und anzumasten. Die heute operierenden Werbeluftschiffe benötigen zwischen 12 und 15 Personen. Der Landevorgang wird umso schwerer je leichter das Luftschiff ist. Bei den Zeppelinen wurde deshalb das Gewicht des verbrauchten Kraftstoffes

13 33 teilweise durch Kondensation der im Abgas enthaltenen Wasseranteile kompensiert. Derartige Systeme sind bei den kleineren Luftschiffen nicht notwendig, allerdings muss die Gewichtsbilanz ständig überwacht werden und gegebenenfalls muss bei längeren Missionsdauern zwischenballastiert werden. Nicht nur der Start- und Landevorgang selbst, sondern auch die Sicherung und das Abstellen im freien Gelände sind kritische Betriebszustände, vor allem wenn starker Sturm, Schnee oder Hagel auftreten. Aufgrund der großen Fläche können bereits wenige cm Schnee zu derartigen Lasten führen, die zu einer Zerstörung des Luftschiffes führen können. Wie bereits erwähnt, sollten mit der Neuentwicklung des Zeppelin NT die oben beschriebenen kritischen Betriebszustände verbessert und die damit verbundenen Betriebseinschränkungen erweitert werden. Dies wurde im Wesentlichen durch zwei innovative Ansätze erreicht. Wie bereits an Hand der Abbildung 3 erläutert, wurde als Konzept ein quasistarres Prinzip ausgewählt. Durch eine Struktur sollte der Manöverbereich erweitert, der Sicherheitsstandard z.b. bei einem Ausfall des Innendrucksystems erhöht und eine Passagierkabine ohne integrierte Antriebssysteme, die mit Lärm und Vibration verbunden sind, ermöglicht werden. Um die Gesamtgewichtsbilanz durch diese Struktur nicht zu sehr zu belasten, wurden dreieckig zusammengebaute Strukturelemente mit Längsträgern über die gesamte Länge des Luftschiffes verbunden und zusätzlich mit Seilen verspannt (siehe Abb. 10). Leitwerke, Antriebselemente und Passagiergondel sind fest mit der Struktur verbunden und aus Leichtbauwerkstoffen gefertigt. Die Struktur besteht aus Aluminium, Kohlefaser und Kevlar. Passagiergondel, Leitwerke und Antriebsgondeln sind ebenfalls aus Kohlefaser. Abbildung 11 zeigt die Aufteilung der Strukturmassen. Etwa die Hälfte sind Kohlefaseranteile, ein Drittel trägt das Hüllenmaterial bei. Da über 90 % der Lasten direkt von der Struktur aufgenommen werden, konnte ein deutlich leichteres Hüllenmaterial gewählt werden, so dass Struktur und Hülle nur geringfügig schwerer sind als die Hülle von Prallluftschiffen.

14 34 Struktur des Zeppelin NT`s SPANNSEILE / TENSION CABLES LÄNGSTRÄGER / LONGERONS DREIECKSSPANTE TRIANGLE FRAMES GONDELSTREBEN / GONDOLA STRUTS Abb. 10: Struktur des Zeppelin NT Materialanteile der NT Basisstruktur Aufteilung der Strukturmassen nach Material 15% Hülle 35% 8% 14% Primärstruktur Alu / Titan Primärstruktur CfK / Kevlar Passagiergondel Antriebsgondeln Leitwerke 14% 14% Abb. 11: Materialanteile der NT Basisstruktur Abbildung 12 zeigt den spektakulären Montageprozess, bei dem die Hülle über die Struktur gezogen wird.

15 35 Hülle Die Hülle besteht aus einem hochfesten Mehrschichtlaminat mit einer Dicke von 0,4 mm. Die Form wird durch einen Innendruck von 5 mbar erzeugt. Luftsäcke (Ballonets) sind Ersatzvolumen für die Heliumausdehnung in Folge Temperatur- und Druckänderung. Abb. 12: Montage der Hülle des Zeppelin NT Die zweite technologische Neuerung sind die Schwenktriebwerke. Insgesamt wird der Zeppelin NT durch drei Triebwerke (Lycoming Flugtriebwerke mit je 200 PS) angetrieben. Zwei befinden sich an den Seiten, das dritte am Heck, diese optimale Anordnung war nur dank der Innenstruktur möglich. Die Antriebssysteme sind schwenkbar, die seitlichen um 120 Grad, das Hecktriebwerk um 90 Grad. Alle Systeme verfügen darüber hinaus über eine Propellerblattverstellung (siehe Abb. 13 und 14). Damit kann der Zeppelin NT senkrecht starten und landen sowie eine beliebige Vorwärtsgeschwindigkeit zwischen 0 km/h und 125 km/h einstellen. Diese Technologie führt zu den angestrebten Betriebsverbesserungen. Es wird keine Haltemannschaft am Boden mehr benötigt. Der Pilot bringt das Luftschiff zur Landung wie einen Hubschrauber. Die Bodenmannschaft (insgesamt 4 Personen) ist ausschließlich eine Servicecrew, die das Schiff anmastet, betankt, ballastiert und Passagiere betreut. Am Hecktriebwerk befindet sich zusätzlich ein zweiter Propeller, der eine Seitenkraft und damit ein Giermoment erzeugen kann. Bei in der Richtung wechselnden Winden kann der Pilot dadurch das Luftschiff schnell in Windrichtung bewegen, ein wichtiger Sicherheitsaspekt beim Passagier-

16 36 wechsel. Neben der Reduzierung des Personalaufwandes ist betriebswirtschaftlich die Ausweitung der Betriebsgrenzen besonders wichtig. ANTRIEBSSYSTEME Drei Propeller mit einem Schwenkwinkel bis zu 120 Grad und ein Querfan sorgen für höchste Manövrierfähigkeit und erlauben senkrechtes Starten und landen wie ein Helikopter Abb. 13: Antriebssysteme des Zeppelin NT ANTRIEBSSYSTEME Die drei 200 PS starken Triebwerke sind dank der innenliegenden Tragstruktur seitlich und am Heck angebracht. Der Flugkomfort in der Passagiergondel wird nicht durch Propellerlärm und Vibrationen gestört. Abb. 14: Antriebssysteme des Zeppelin NT

17 37 Während die Einsatzfähigkeit bei herkömmlichen Antriebssystemen bereits ab Windgeschwindigkeiten von ca. 30 km/h im Start- und Landefall stark eingeschränkt ist, können Start und Landung beim Zeppelin NT noch bis ca. 60 kmh sicher durchgeführt werden. Modernste Cockpitauslegung und eine rechnergestützte Steuerung (flyby-wire), die mit einem side-stick ausgeführt wird, geben dem Pilot die Möglichkeit, alle Informationen über die verschiedenen Systeme abzurufen und auch schwierige Missionen ohne zu große Belastung durchzuführen (siehe Abb. 15). Cockpit des Zeppelin NT Abb. 15: Cockpit des Zeppelin NT Bei der Entwicklung des Zeppelin NT stand der Passagiermarkt von Beginn im Mittelpunkt. Es wurde eine Zulassung für den kommerziellen Passagierbetrieb in der Commuterklasse (10 bis 19 sitzige Luftfahrtgeräte) angestrebt. Diese Zulassung nach FAR Part 23 wurde im April 2001 vom Luftfahrtbundesamt (LBA) ausgesprochen. Um die Anfangsbetriebserfahrung selbst machen zu können, wurde eine eigene Betriebsgesellschaft die Deutsche Zeppelin Reederei (DZR) als Tochtergesellschaft der Zeppelin Luftschifftechnik GmbH 2001 gegründet (siehe auch Abb. 8). Das LBA erteilte im August 2001 die Betriebsgenehmigung,

18 38 unmittelbar danach begann der Rundflugbetrieb am Bodensee. Es wurden einstündige Rundflüge angeboten. Bereits die ersten Einsätze zeigten, dass die Entwicklungsziele voll erfüllt wurden. In den ersten 11 Betriebsmonaten (2001 und 2002) haben bereits Passagiere über ein einmaliges Flugerlebnis berichtet. Eine geräumige, vibrationsfreie und geräuscharme Gondel mit großen Panoramascheiben laden zu einem unvergesslichen Blick aus der Vogelperspektive ein. Die Gondel fasst bis zu 13 Passagiere. Der Zeppelin NT ist zurzeit mit 75 m Länge und einem Volumen von nahezu 8500 m³ das größte Luftschiff der Welt. Der Passagierwechsel (siehe Abb. 16) dauert Passagier Wechsel nur ca. 4 Minuten. Abb. 16: Passagierwechsel Damit sich das Gewicht nicht zu sehr ändert, steigen jeweils zwei Personen ein und danach zwei aus. Der Tankvorgang wird am Mast durchgeführt und benötigt ca. 15 Minuten. Das Luftschiff wird an einem mobilen Ankermast (siehe Abb. 17) geparkt, Mastfahrzeug und Luftschiff sind

19 39 derartig ausgelegt, dass auch orkanartige Stürme bis zu 130 km/h draußen überstanden werden. Abb. 17: Mastfahrzeug ZEPPELIN LUFTSCHIFFTECHNIK GMBH

20 40 Mast Fahrzeug Mittlerweile sind drei Luftschiffe gebaut worden (siehe Abb. 18). Abb. 18: Zeppelin Luftschiffe Neben dem Prototypen, der für die Pilotenausbildung, Weiterentwicklungen und für Sonderaufgaben eingesetzt wird, werden die zwei Serienluftschiffe (das zweite wurde im März 2003 fertig gestellt) im kommerziellen Passagierrundflugbetrieb geflogen. Aufgrund der hervorragenden Manöverleistungen ist der Zeppelin NT auch als Sensor- oder TV-Plattform für Überwachungs-, Beobachtungs- und Übertragungsaufgaben bestens geeignet. Dies konnte bei mehreren Einsätzen bereits nachgewiesen werden. 4 Neue Luftschiffprojekte

21 41 Abbildung 19 gibt einen Überblick über Luftschiffeinsatzmöglichkeiten und Projekte. Heutige Luftschiffprojekte Höhenplattform Blimps Zeppelin NT Traditioneller Nachbau Fliegender Kran Abb. 19: Heutige Luftschiffprojekte Auf der Abszisse ist die Nutzlast aufgetragen, auf der Ordinate die Einsatzhöhe. Die bestehenden Luftschiffe decken nur einen kleinen Teil der Möglichkeiten und Märkte ab. Die Märkte für eine größere Zuladung ob als Passagierluftschiff oder als Cargoluftschiff führen immer wieder zu neuen Projekten und Firmengründungen. Auch der Nachbau von den historischen Zeppelinen nicht selten als Unternehmensziel von neuen Unternehmen genannt. Mit zunehmender Nutzlast steigen die Größe des Gerätes und die Investitionen für Entwicklung und Aufbau der notwendigen Betriebsinfrastruktur. Bisher sind alle privatwirtschaftlichen Bemühungen, größere Luftschiffe zu bauen, am mangelnden Kapital beziehungsweise an nicht ausreichend nachweisbaren Märkten gescheitert. Da mit zunehmender Höhe der Luftdruck abnimmt und somit das Traggas ein größeres Volumen bei gleich bleibendem statischen Auftrieb benötigt als zum Beispiel in Meereshöhe, wurden die bisherigen Luftschiffe für Einsatzhöhen bis maximal 3000 m ausgelegt. Seit wenigen Jahren wird der Einsatz von Luftschiffen in Großer Höhe untersucht. Hierbei sollen

22 42 Luftschiffe zum Beispiel als Kommunikationsplattform eingesetzt werden. Dabei sollen sie geostationär über Bevölkerungszentren stationiert werden und insbesondere hohe Datenraten im Rahmen der Einführung der Breitbandkommunikation übertragen (siehe Abb. 20). Abb. 20: Kommunikationsplattform Geringere Herstell- und Betriebskosten sowie die Wiederverwendbarkeit sind Vorteile gegenüber Satellitensystemen. Die große Einsatzhöhe (ca. 20 km )wäre nicht unbedingt aus Übertragungsgründen notwendig, sie ist aufgrund der Höhenwinde, die unterhalb von 20 km auf der Nordhalbkugel mit bis zu 180 km/h Windgeschwindigkeiten stark sein können, erforderlich. Diese würden nämlich eine sehr große Antriebsleistung und damit Zusatzgewicht erfordern, um einen geostationären Betrieb großer Luftschiffe zu realisieren (siehe Abb. 21). Wind und Temperaturprofile Kommunikationsplattform Abb. 21: Wind- und Temperaturprofile Da der atmosphärische Druck in dieser Höhe nur noch etwa ein zwanzigstel des Luftdruckes in Meereshöhe beträgt, sinkt die Tragfähigkeit

23 43 Helium Eigenschaften als Funktion der Höhe von einem Kubikmeter Helium entsprechend. Dies wiederum bedeutet, dass derartige Luftschiffe für nur eine Nutzlast von ca. eine Tonne riesige Ausmaße annehmen (siehe Abb ). Derartige Projekte werden in Japan, Südkorea, Indien und Amerika verfolgt, in Japan und Südkorea sind bereits kleinere Experimentalschiffe über Forschungsgelder finanziert im Bau. In Europa ist man noch unentschlossen und noch nicht von den Marktaussichten überzeugt. Abb. 22: Atmosphärischer Druck als Funktion der Höhe

24 44 Helium Eigenschaften als Funktion der Höhe Abb. 23: Tragfähigkeit als Funktion der Höhe Abb. 24: Volumen als Funktion der Höhe

25 45 Helium Eigenschaften als Funktion der Höhe Höhenplattform Entwurf (Lockheed) Abb. 25: Helium Eigenschaften als Funktoin der Höhe Neue Impulse haben diese Projekte durch eine militärische Anwendung als Überwachungsplattformen erhalten. Im Rahmen der Homeland Defense Aktion nach dem 11. September in Amerika wurden parallele Machbarkeitsstudien an die Industrie vergeben. Sollten diese Untersuchungen positiv verlaufen, erwartet man bereits im September 2003 die Freigabe einer nächsten Phase, in der ein kleineres Experimentalgerät entwickelt und gebaut werden soll. Die Fertigstellung eines operationel-

26 46 len Großgerätes ist bis Ende 2006 geplant. Abbildung 26 zeigt den Entwurf von Lockheed Martin. Es wird von einem Volumen von bis Neuartiges Antriebssystem m³ ausgegangen, dies entspricht einer Länge von ca. 250 m und einem Durchmesser von ca. 50 m. Abb. 26: Höhenplattform Entwurf (Lockheed) Die Abbildung lässt die Solarzellen als Energieerzeuger erkennen. Zweifellos sind Antrieb und Energiebereitstellung neben dem extrem erforderlichen Leichtbau eine der technologischen Herausforderungen. Alternativ oder in Kombination mit Solarzellen sind auch Kraftstoffzellen denkbar. Abbildung 27 stellt ein Systemschaubild für eine derartige Energie- und Antriebserzeugung dar. Abb. 27: Neuartiges Antriebssystem Im nächsten Schaubild (Abb. 28) ist das spezifische Gewicht über der erzeugten Leistung bereits realisierter Systeme (Punkte) aufgetragen. Spezifisches Gewicht Neuer Antriebe Abb. 28: Spezifisches Gewicht neuer Antriebe

27 47 Insbesondere im Bereich kleiner Energie (kleiner 50 KW) liegen die spezifischen Gewichte noch viel zu hoch für einen Einsatz in Höhenluftschiffe. In Deutschland hat sich Prof. Kröplin von der TU Stuttgart intensiv mit Luftschiffen beschäftigt. Ein kleines Experimentalluftschiff ( Lotte ) mit Solarzellen wurde gebaut und viele wissenschaftliche und entwicklungstechnische Erkenntnisse konnten gewonnen werden. Von Prof. Kröplin wurde ein neues Höhenluftschiffkonzept das Luftwurm Konzept entwickelt (siehe Abb. 29 und 30). Höhenplattform Entwurf (Prof. Kröplin) Abb. 29: Höhenplattform Entwurf (Prof. Kröplin) Die mit zunehmender Größe auslegungsentscheidenden Biegemomente und Manöverlasten führen bei herkömmlicher Prallluftschiffbauweise zu immer höheren Innendrücken und schwereren Hüllen. Das mehrgliedrig ausgeführte Luftwurmkonzept erlaubt eine gleichmäßig Verteilung der Lasten und damit geringere Innendrücke und leichtere Hüllenmaterialien. Ein kleines flugfähiges Modell wurde auf dem Brand vor der großen Cargolifterhalle bereits getestet (siehe Abb. 31).

28 48 Höhenplattform - Prinzipskizzen (Prof. Kröplin) Abb. 30: Höhenplattform Prinzipskizzen (Prof. Kröplin) Höhenplattform Modell (Prof. Kröplin) Abb. 31: Höhenplattform Modell (Prof. Kröplin)

29 49 Das Cargolifter Projekt, das bahnbrechend neue Wege im Schwerlastverkehr beschreiten sollte, ist leider gescheitert. Der Cargolifter sollte bis zu 160 Tonnen heben und transportieren können (siehe Abb. 32 und 33). CargoLifter Air Loading Procedure Abb. 32: CargoLifter Air Loading Procedure

30 50 CargoLifter Sectional View Abb. 33: CargoLifter Sectional View Als von Haus zu Haus Gerät insbesondere von der Anlagenindustrie gefordert und gefördert erwies sich wohl doch als zu ambitiös. Aufgrund fehlender Erfahrung mit Großluftschiffen (die letzten Zeppeline wurden 1940 abgewrackt) und dadurch nur schwer einschätzbarer technologischer und betrieblicher Risiken konnte der angestrebte Termin- und Kostenplan bei weitem nicht eingehalten werden, so dass letztendlich die finanziellen Mittel ausgingen. Sicherlich war auch entscheidend die Unsicherheit über die Größe des Marktes. Neben vielen anderen Herausforderungen galt es auch ein Lastenaustauschsystem zu entwickeln, dass das genaue Absetzen von Schwerlasten bei Beachtung des notwendigen Gewichtsausgleiches im Luftschiff regelte. Von der Firma ATG (Airship Technology Group) in England wird für den gleichen Einsatz ein Hybridkonzept favorisiert (siehe Abb. 34).

31 51 Skycat Abb. 34: Skycat Der Auftriebskörper hat die Form eines Doppelrumpfes mit aerodynamischer Formgebung, dieser trägt mit 40% aerodynamischen Auftrieb zur Auftriebsbilanz bei. Geringere Größe und ein Eigengewicht am Boden sind die Vorteile, ein Schwebezustand für ein punktgenaues Absetzen kann damit allerdings nicht erreicht werden. Ein 17 m großes Modell hat zumindest die aerodynamische und flugmechanische Machbarkeit demonstriert. 5 Ausblick Meine sehr geehrten Damen und Herren, ich hoffe ich konnte Ihnen einen Überblick über den Stand der Technik, der Industrie und der Projekte der Leichter-als-Luft Thematik geben. Luftschiffe und Zeppeline haben seit Beginn des letzten Jahrhunderts die Menschen weltweit begeistert. Das Erscheinen eines Luftschiffes löst nach wie vor Emotionen aus. Immer wieder wird der Ruf nach größeren Luftschiffen laut. Vielfach wird dabei nicht beachtet, dass Luftschiffe heute den Zulassungsrichtlinien und den Sicherheitsanforderungen der Zivilluftfahrt entsprechen müssen.

32 52 Neue Luftschiffe für den kommerziellen Einsatz können nicht wie ein Heißluftballon von Kleinstunternehmen entwickelt und gefertigt werden. Zugelassene Luftfahrtentwicklungs- und Herstellbetriebe sind ebenso Voraussetzung wie die Verwendung luftfahrtzugelassener Komponenten und Subsysteme. Dies wiederum führt zu Entwicklungskosten und Zeiträumen wie diese in der Luftfahrt üblich sind. Ein return-ofinvestment stellt sich erst nach vielen Jahren ein und hängt entscheidend vom Markt ab. Wer will jedoch in einem Umfeld, in dem es keine Produkte und Marktbeispiele gibt, belastbare Marktdaten ermitteln, um damit Investoren zu überzeugen? Mit dem Zeppelin NT ist es zumindest gelungen, einen Nachweis zu erbringen, dass der Rundflugmarkt vorhanden ist. Allerdings ist der NT aus betriebswirtschaftlicher Sicht zu klein. Die bestehende Industrie insbesondere nach dem Konkurs der Cargolifter AG ist weder finanziell noch personell in der Lage, größere Luftschiffe kurzfristig zu entwickeln. Die weltweite konjunkturelle Situation hat außerdem nahezu alle bestehenden Luftschiffunternehmen getroffen. Bleibt also nur die Kooperation mit Unternehmen aus der Luft- und Raumfahrtbranche, hier wiederum wird die Großindustrie vorrangig die bestehenden Luftfahrtprojekte verfolgen und nicht unbedingt in ein neues System Luftschiff investieren. Zumal der Luftschiffbetrieb neue Bodeninfrastrukturen benötigt, die heute nicht verfügbar sind und die ausschließlich von Luftschiffen genutzt werden können. Neue Entwicklungsimpulse können also nur aus den Großprojekten erwartet werden, die von militärischem und hoheitlichem Interesse sind. Sollten die erwähnten Großprojekte weitergeführt werden, ist auch damit zu rechnen, dass Universitäten und Forschungseinrichtung sich wieder Luftschiffen zuwenden, die sie - bis auf wenige Ausnahmen - in den letzten Jahrzehnten vernachlässigt haben (siehe Abb. 35).

33 53 Resümee Die Luftschiffindustrie befindet sich derzeit in einer strukturellen und finanziellen Krise Neue Großprojekte können voraussichtlich nur finanziert werden, wenn sich der Öffentliche Auftraggeber maßgeblich beteiligt Die neuen Projekte erfordern Technologiesprünge gegenüber dem derzeitigen Wissensstand Der Abbau technologischer Risiken erfordert ein stärkeres Interesse der Universitäten und Forschungseinrichtungen Abb. 35: Resümée Die Zeppelin Luftschifftechnik GmbH ist vorbereitet in Kooperation neue, größere Luftschiffe zu entwickeln und zu bauen, sofern die Finanzierung über Kunden, Investoren oder die öffentliche Hand sichergestellt werden kann. Die Veröffentlichung dieses Vortrages möchte ich meinem sehr geschätzten Lehrer, Doktorvater und Freund Herrn Professor Xaver Hafer widmen. Anlässlich des Vortrages habe ich Herrn Hafer das letzte Mal gesehen. Professor Hafer verstarb kurz vor seinem 88. Geburtstag am 30. September 2003.

34

35