Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen

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1 Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen Studienarbeit II von Holger Reimann FAKULTÄT FÜR LUFT- UND RAUMFAHRTTECHNIK INSTITUT FÜR LUFTFAHRTTECHNIK Prof. Dr.-Ing. Werner Staudacher Betreuer: Dipl.-Ing. Martin Böhm

2 Universitätsprofessor Dr.-Ing. Werner Staudacher Luftfahrttechnik Universität der Bundeswehr München D Neubiberg UNIVERSITÄT DER BUNDESWEHR MÜNCHEN Studienarbeit Nr. 04/3 FAKULTÄT FÜR LUFT-UND RAUMFAHRTTECHNIK Institut für Luftfahrttechnik und Leichtbau für Herrn cand.-ing. Holger Reimann Matrikelnummer: Ausgegeben am: Eingeliefert am: Thema Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen Übersicht Die vergangenen Jahrzehnte zeichnen sich im zivilen Flugzeugbau durch die Verfolgung eines seit langem durchgesetzten Flugzeugkonzeptes aus. Dieser traditionelle Entwurfstyp stößt allerdings mit zunehmendem Abfluggewicht zusehends an seine Grenzen (z.b. A380). Daher sind Wissenschaftler bemüht neue Konfigurationen zu entwickeln, die ein weiteres wachsen der Fluggeräte bei gleichzeitiger Treibstoffminimierung ermöglichen. Bei einigen dieser Konzepte ist allerdings der zweckmäßige Einsatz mit heutigen Flughafenausstattungen jedoch mehr als fraglich. Weiterhin verfolgen nicht alle Konzepte eine umweltverträgliche Integration. Daher soll diese Arbeit verschiedene unkonventionelle Konzepte im Hinblick auf deren ökonomische (z.b. Integration in heutige Strukturen) und ökologische Verträglichkeit beleuchten.

3 Aufgabenstellung 1. Ermittlung von unkonventionellen Flugzeugkonfigurationen für den zivilen Luftverkehr (z.b. Nurflügler, BWB). 2. Beschreibung der konfigurativen Merkmale ausgewählter Konfigurationen und deren Entwicklungsgeschichte bzw. stand. 3. Quantitative Gegenüberstellung von Vor- und Nachteilen im Vergleich zum traditionellen Flugzeugtyp (z.b. Gewichte, Aerodynamik, Stabilität, Antriebskonzepte etc.) 4. Bewertung der Konfigurationen im Hinblick auf den alternativen Einsatz im zivilen Massenpassagier- bzw. Frachtverkehr. 5. Die Arbeit soll sowohl in gebundener als auch elektronischer Form (z.b. CD-Rom) zur Verfügung stehen. Über den Fortgang der Arbeit ist regelmäßig mit dem Betreuer Rücksprache zu halten. Betreuung Prof. Dr.-Ing. W. Staudacher Tel.: (089) Dipl.-Ing. M. Böhm Tel.: (089)

4 Holger Reimann Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen i Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis...ii Abkürzungsverzeichnis... iii Einleitung Beschreibung der konfigurativen Merkmale Nurflügel oder schwanzlose Flugzeuge Nurflügel Blended Wing Body Cryoplane Flugzeuge mit Flüssiggastreibstoffen Bodeneffektflugzeuge Luftschiffe Vor- und Nachteile gegenüber konventionellen Luftfahrzeugen Nurflügel Blended Wing Body Cryoplane Bodeneffektflugzeuge Luftschiffe Auswertung der Ergebnisse in Bezug auf Ökologie und Ökonomie Nurflügel und Blended Wing Body Cryoplane Bodeneffektflugzeuge Luftschiffe Zusammenfassung...43 Literatur und Quellenverzeichnis...44

5 Holger Reimann Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen ii Abbildungsverzeichnis Abb. 1.1: H IX V2 auf dem Flugplatz Oranienburg, Februar Abb. 1.2: Stealthbomber B-2A von Northrop-Grumman 3 Abb. 1.3: Zanonia-Samen und Etrich Taube 4 Abb. 1.4: Formgebung nach dem Vorbild des Zanonia-Samens 5 Abb. 1.5: Die Gebrüder Walter und Reimar Horten mit der H I 5 Abb. 1.6: Nurflügel N-1M von J. Northrop 6 Abb. 1.7: Dreiseitenansicht eines BWB 8 Abb. 1.8: Die Junkers G38 9 Abb. 1.9: Innenansicht der G 38 9 Abb. 1.10: Möglicher Flügelquer- und Längsschnitt des BWB 10 Abb. 1.11: Flugbildskizze des russischen BWB-Projektes 11 Abb. 1.12: Airbus A 310 Cryoplane 12 Abb. 1.13: Dornier DO Abb. 1.14: Blockschaltbild des Wasserstoffkreislaufs 14 Abb. 1.15: Tupolev TU Abb. 1.16: Der Bodeneffekt 16 Abb. 1.17: Bodeneffektflugzeug Lun 17 Abb. 1.18: Bodeneffektflugzeug Orlenok 17 Abb. 1.19: Bodeneffektflugzeug Hoverwing 18 Abb. 1.20: Boeings Bodeneffektstudie Pelican 19 Abb. 1.21: Das Luftschiff Hindenburg D-LZ Abb. 1.22: Montgolfiere Abb. 1.23: CargoLifter CL

6 Holger Reimann Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen iii Abkürzungsverzeichnis BWB BMB+F FAA FAR ILA LH2 LFZ LSV NT TEBEF TsAGI UHCA VBD VLA Blended Wing Body Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie Federal Aviation Administration Federal Aviation Regulation Internationale Luftfahrtausstellung (Berlin) Liquid Hydrogen Luftfahrzeuge Low Speed Vehicle Neue Technologie Technische Entwicklung von Bodeneffektfahrzeugen Russisches Luftfahrtforschungsinstitut in Moskau Ultra High Capacity Aircraft Versuchsanstalt für Binnenschiffbau Duisburg Very Large Aircraft

7 Holger Reimann Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen 1 Einleitung Im zivilen Flugzeugbau hat sich seit langem ein bestimmtes Flugzeugkonzept durchgesetzt. Diese konventionelle Konfiguration zeichnet sich durch einen zigarrenförmigen Rumpf, klar abgegrenzte Tragflügel und am Heck liegende Seitenund Höhenleitwerke aus. Dieses Konzept hat sich seit vielen Jahrzehnten bewährt und dadurch in das Bild der Luftfahrtgesellschaften eingeprägt. Zudem hat sich die Produktion auf die Fertigung der traditionellen Flugzeugteile spezialisiert und auch die Infrastruktur der internationalen Flughäfen hat sich an den Umgang mit den Flugzeugen angepasst. Aus diesem Grunde sind wesentliche Änderungen nicht einfach durchzusetzen. Allerdings haben sich in den letzten Jahren die Anforderungen im Luftfahrtsektor verändert. Als Beispiel seien zum einen neu entwickelte Materialien zu nennen, die es ermöglichen Luftfahrzeuge leichter zu bauen und damit den Nutzlastanteil zu steigern und zum anderen treten wirtschaftliche aber auch ökologische Aspekte immer weiter in den Vordergrund. So wird versucht, den Treibstoffverbrauch durch verbesserte Triebwerke oder aber durch Widerstandsminimierung der Luftfahrzeuge zu reduzieren. Dabei kommt aber der traditionelle Entwurfstyp durch die ansteigenden Abfluggewichte an seine strukturellen Grenzen, da ein Flugzeug nicht beliebig größer skaliert werden kann. Das Wurzelkubikgesetz, welches besagt, dass bei quadratischer Flächenvergrößerung eines Flugzeugs das Strukturgewicht mit der dritten Potenz wächst, verhindert dies, so dass Flugzeuge wie der A-380 die Grenze der konstruktiven Möglichkeiten erreicht haben. An diesem Punkt setzen die unkonventionellen Konfigurationen an. Sie sollen neue Möglichkeiten zur Erhöhung der Nutzlast oder Reduzierung des Treibstoffgewichts aufzeigen. In dieser Arbeit werden solche Konfigurationen vorgestellt. Im ersten Teil sollen die auffälligen Merkmale dieser Flugzeugentwürfe beschrieben werden. Anschließend werden die Entwicklungsgeschichte und der heutige Stand aufgezeigt. Im anschließenden Kapitel werden dann die verschiedenen Vor- und Nachteile im Vergleich zum konventionellen Flugzeug gegeneinander abgewogen, um dann im letzten Teil mit der Auswertung mögliche Alternativen zum traditionellen Entwurfstyp aufzeigen zu können.

8 Holger Reimann Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen 2 1. Beschreibung der konfigurativen Merkmale Im Allgemeinen bedeutet unkonventionell, dass etwas ungewöhnlich, überraschend, neu oder unüblich ist. Im Bezug auf Flugzeuge heißt das, dass von einem unkonventionellen Flugzeug gesprochen wird, sobald Unterschiede in der Konfiguration zum traditionellen Flugzeugentwurf, wie er bereits in der Einleitung beschrieben wurde, vorhanden sind. Dies bezieht sich zum Beispiel auf einen neuartigen Antrieb oder ein vollkommen neues Erscheinungsbild des Flugzeugs, wie es bei einem Nurflügelflugzeug der Fall ist. Es gibt demnach vielfältige Möglichkeiten ein Flugzeug unkonventionell auszulegen. In dieser Arbeit soll aber nur eine Auswahl besonders auffallender, unkonventioneller Konfigurationen aufgezeigt werden. Zur näheren Erklärung werden in diesem Kapitel fünf verschiedene Flugzeugkonfigurationen vorgestellt und erläutert. Bei den Luftfahrzeugen handelt es sich um folgende Konfigurationen: Nurflügel Blended Wing Body (BWB) Flugzeuge mit Wasserstoff- oder Flüssiggasantrieb (Cryoplane) Bodeneffektflugzeuge Luftschiffe 1.1. Nurflügel oder schwanzlose Flugzeuge In der Literatur gibt es unterschiedliche Ansichten, welche Flugzeuge in die Kategorie der schwanzlosen Flugzeuge fallen. Die eine Auffassung lautet, dass nur Nurflügel für Typen die richtige Bezeichnung ist, bei denen der Tragflügel alle Funktionen der Auftriebserzeugung, sowie die Unterbringung von Piloten, der Antriebssysteme, des Brennstoffs und der Fracht übernimmt. Die andere Auffassung hingegen lautet, dass die Bezeichnung schwanzloses Flugzeug für alle die Typen gilt, bei denen kein Höhenleitwerk vorhanden ist und die nur eine verkürzte Rumpfform besitzen. In dieser Kategorie sind im Gegensatz zum Nurflügel auch Seitenleitwerke oder Flügelendscheiben, die zur Richtungsstabilität benötigt werden, am Flugzeug erlaubt. Demnach werden nur die Flugzeuge der Gebrüder Horten als auch des Amerikaners J. Northrop als reine Nurflügelflugzeuge bezeichnet. Die anderen Konfigurationen in dieser Kategorie werden unter dem Begriff der schwanzlosen Flugzeuge zusammengefasst. Dies trifft auch für die entwickelten Luftfahrzeuge von Dr. A. Lippisch zu, die er selbst als Deltaflugzeug bezeichnete, weil die Flügelvorderkante dem griechischen Buchstaben Delta ähnlich war. Es kommt vor, dass in der Literatur die Begriffe Nurflügler, Deltaflügler, Schwanzlose oder schwanzloses Flugzeug im selben Kontext verwendet werden und unter ihnen keine Unterscheidung gemacht wird. Dabei ist jedoch lediglich eine Bauform ohne spezielles Leitwerk oder separates Höhenleitwerk gemeint. Was die einzelnen Konfigurationen im speziellen auszeichnet, wird im jeweiligen Kapitel erläutert.

9 Holger Reimann Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen Nurflügel Es handelt sich bei einer Konfiguration um ein Nurflügelflugzeug, wenn kein Rumpf und auch keine Seiten- und Höhenleitwerke vorhanden sind. Ein besonders auffallendes Merkmal eines Nurflügels ist der Tragflügel mit einer großen Spannweite aber einem im Allgemeinen relativ dünnen Profil. Die Piloten befinden sich in einem kleinen Cockpit, das sich oberhalb des Flügels hervorhebt. Da bei einem Nurflügel keine Seitenleitwerke vorhanden sind, erfolgt die Steuerung um die Hochachse in diesem Fall über so genannte Spreizklappen, die möglichst weit außen an den Tragflächen angebracht sein müssen, um einen großen Hebelarm zu erzeugen. Durch das Ausfahren der Spreizklappen wird der Luftwiderstand an den Tragflügelenden erhöht, der durch den Hebelarm die Gierbewegung ermöglicht. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass die Nurflügel kein separates Höhenleitwerk haben. Das ist aber auch nicht notwendig, weil die an der Hinterkante befindlichen Ruder die beiden Funktionen der Längs- und Quersteuerung übernehmen. Im Gegensatz zu konventionellen Konfigurationen ist der Hebelarm in die x-richtung durch den fehlenden Schwanz verhältnismäßig kurz. Damit ist die Steuerwirkung um die Querachse bei gleichen Ruderflächen geringer, wodurch bei Nurflügeln große Klappen erforderlich sind. Diese konfigurativen Merkmale sind in den Abbildungen 1.1 und 1.2 deutlich zu erkennen: Abb. 1.1 Eine Horten H IX V2 auf dem Flugplatz Oranienburg, Februar 1945 Abb. 1.2: Stealthbomber B-2A von Northrop-Grumman

10 Holger Reimann Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen 4 Ziel der Konstrukteure war es und ist es noch heute, bei jedem neuen Fluggerät die Herstellung zu vereinfachen. Ein weiterer Anspruch liegt zudem darin, den aerodynamischen Widerstand zu minimieren, um bessere Flugleistungen zu gewährleisten. Diese Vorgaben bedeuteten gleichzeitig, dass der so genannte fliegende Flügel alle Einrichtungen eines Flugzeuges in sich aufzunehmen hatte, wie bereits beschrieben. Doch oft funktionierte dies nicht und so kehrten sie zum konventionellen Flugzeug mit Rumpf und Leitwerk zurück. Erst als eine Reihe von technischen Entwicklungen und Erkenntnisse aus der Luftfahrt von Flugzeugen mit der normalen Flügel-Rumpf-Kombination auch auf die schwanzlose Konfiguration übertragen werden konnten, kam es zu einer Festigung der Entwürfe und wesentlicher Leistungsverbesserungen. Zuvor musste jedoch überhaupt der erste Schritt gewagt werden, ein Flugzeug in dieser Richtung zu konstruieren. Dabei wurden Vorbilder aus der Natur herangezogen. Die Frucht einer aus Java stammenden Kürbisart verbreitet sich, indem sie sich als Gleitflieger fortbewegt. Sie wird als Zanonia-Samen bezeichnet. Dabei kann dieser Samen als idealer Nurflügel angesehen werden, da die zu transportierende Frucht vollständig im Flügel integriert ist. Prof. F. Ahlhorn berichtete 1897 in einem Aufsatz von der auffallenden Flugstabilität dieses Samens, was den Österreicher Igo Etrich mit seinem Mitarbeiter Wels motivierte, umfassende Flugversuche mit Modellen durchzuführen, die dem Zanonia-Samen nachgebildet wurden. Es gelang den beiden mit einem bemannten Gleitflieger erste erfolgreiche Flüge zu absolvieren. Die Konstruktion wurde verbessert und weiterentwickelt, so dass ab 1908 die Etrich Taube, ein Motorflugzeug mit der Tragflügelform des Zanonia-Samens, von verschiedenen Flugzeugbau-Firmen hergestellt und geflogen wurde. Der Samen sowie das Flugzeug werden in der Abbildung 1.3 im Vergleich dargestellt. Abb. 1.3: Zanonia-Samen und Etrich Taube Aber nicht nur bei der Etrich Taube war die Flügelform dem Zanonia-Gleitflieger nachgebildet. Am Beispiel einiger bekannter Konstrukteure wird ersichtlich, wie groß

11 Holger Reimann Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen 5 die Bedeutung der Flügelform auch bei anderen Entwürfen war. Auch wenn die naturgetreue Form des Samens den technischen Erfordernissen angepasst wurde, ist die Ähnlichkeit in Abbildung 1.4 deutlich erkennbar: Abb. 1.4: Formgebung nach dem Vorbild des Zanonia-Samens Mit schwanzlosen Konstruktionen hatten sich international zugleich mehrere Flugzeugkonstrukteure und -pioniere wie zum Beispiel J. W. Dunne aus England, H. Junkers aus Deutschland, J. Northrop aus den USA, A. Soldenhoff aus der Schweiz und B. I. Tscheranowski aus der UdSSR beschäftigt. Obwohl alle in die gleiche Richtung forschten, erlangten sie ihre Erkenntnisse unabhängig voneinander. Besonders herausragend sind die Entwicklungen der Gebrüder Horten. Nach gründlichen Vorstudien mit Modellen und theoretischen Untersuchungen bauten die Brüder mit der Horten H I ihr erstes Nurflügelflugzeug mit einer Spannweite von 12 Metern, das 1934 erfolgreich auf der Wasserkuppe in der Rhön mit Gummistartseil und Flugzeugschlepp erprobt wurde (Abbildung 1.5). Abb. 1.5: Die Gebrüder Walter (rechts) und Reimar Horten mit der H I

12 Holger Reimann Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen 6 Für die Steuerung um die Querachse dienten die inneren über Stoßstangen angelenkten Klappen. Die äußeren Klappen wurden hingegen über Seilzüge bewegt und dienten als Querruder. Zur Steuerung um die Hochachse besaß die Horten H I bereits Spreizklappen. Infolge von Transport- und Unterstellproblemen musste das Flugzeug aber abgewrackt werden. Die Horten Brüder entwickelten auch während des zweiten Weltkriegs eine Reihe von Nurflügeln. Der Höhepunkt der Hortenkarriere war die Horten H IX V2, wobei es sich um den ersten Nurflügel handelte, der von zwei Strahltriebwerken angetrieben wurde (Abbildung 1.1). Der Prototyp ist aber durch einen Absturz verloren gegangen, der durch einen Triebwerksausfall hervorgerufen wurde. Ein weiterer Prototyp wurde bis zum Ende des Krieges nicht mehr fertig gestellt. Die einzelnen Teile dieser Maschine wurden dann als Kriegsbeute in die USA gebracht. Neben den Horten Brüdern war J. Northrop aus den USA ein weiterer erwähnenswerter Konstrukteur, der sich mit Nurflügeln beschäftigte. Sein erster richtiger Nurflügel wurde N-1M (Abbildung 1.6) genannt, hatte eine Spannweite von 11,58 Metern und absolvierte seinen Erstflug Als Antrieb dienten zwei Druckpropeller und er hatte zunächst aus Stabilisierungsgründen schräg nach unten abgewinkelte Flügelenden, welche später dem gerade durchgehenden Flügel wichen. Abb. 1.6: Nurflügel N-1M von J. Northrop Es folgte die N-9M als ein im Maßstab 1:3 verkleinerter Vorläufer der geplanten Nurflügelbomber B-35 und B-49, die nach dem Zweiten Weltkrieg bei Northrop entstanden. Der schwere Bomber B-35 flog 1946 zum ersten Mal. Seine Spannweite betrug 52,42 Meter, das Abfluggewicht belief sich auf 104 Tonnen und er wurde durch Propeller angetrieben hatte dann die turbinengetriebene Weiterentwicklung der YB-49 ihren Erstflug, stürzte aber später aus ungeklärten Gründen ab. Das Nurflügelbomberprogramm wurde bald darauf im Jahr 1950 gestoppt. In den nächsten Jahren liefen noch einige Vorstudien, doch erst 1981 bekam Northrop wieder einen Auftrag zur Entwicklung eines Nurflügels, dessen Erstflug 1989 stattfand. Die B-2 (siehe Abbildung 1.2) ist mit einem dicken, superkritischen Profil und geringer Verwindung ausschließlich für den Unterschallflug ausgelegt. Die Stabilität ist durch eine aktive rechnergestützte Flugsteuerung gewährleistet. Die B-2 ist mit ca. 1 Milliarde Dollar pro Stück das

13 Holger Reimann Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen 7 teuerste Flugzeug der Luftfahrtgeschichte. Auch wenn die Konstruktionen der Nurflügel der Gebrüder Horten und J. Northrop herausragend waren, verhalfen diese Luftfahrtentwicklungen der Idee des Nurflügels nicht zum Durchbruch. Denn bis zum Ende des 20. Jahrhunderts konnte sich diese Bauart noch nicht als Reiseflugzeug durchsetzen.

14 Holger Reimann Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen Blended Wing Body Blended Wing Body (BWB) Konfigurationen sind den Nurflüglern sehr ähnlich. Da die Projekte aber unter anderem Seitenleitwerke zur Richtungsstabilisierung besitzen, können sie nicht als reine Nurflügel sondern als schwanzlose Flugzeuge bezeichnet werden. BWB zeichnen sich dadurch aus, dass bei ihnen noch deutlich ein Rumpfteil zu erkennen ist. Wie bei konventionellen Flugzeugen kann darin die Nutzlast untergebracht werden. Im Gegensatz zu den normalen Flugzeugen, wo eine klare Abgrenzung von Rumpf und Tragflügel erkennbar ist, wurde der Tragflügel bei den BWB Konfigurationen um den Rumpf herum gebaut, wie aus dem Namen Blended Wing erkennbar. Des Weiteren sind die Triebwerke eines BWB über oder unter dem Flügel in Gondeln untergebracht, was ein weiterer Unterschied zum Nurflügel ist, bei dem alle Einrichtungen im Flügel unterbracht werden. Die beschriebenen konfigurativen Merkmale werden in Abbildung 1.7 besonders deutlich: Abb. 1.7: Dreiseitenansicht eines BWB Der Konstrukteur Hugo Junkers hatte die Vorstellung, dass bei einem großen Flugzeug auf Rumpf und Leitwerk zur Verminderung des Luftwiderstandes verzichtet werden könnte und die Fluggäste, Motoren, Tanks und Fracht in einem dicken Flügel eines Verkehrsflugzeuges unterzubringen seien. Er hatte also die Vorstellung, einen Nurflügel zu konstruieren. Diese Idee meldete er als Patent an, war aber seiner Zeit weit voraus und schien zunächst nicht verwirklichbar zu sein. Das Junkers-Patent von 1910 ist nur ein Ansatz, da für die technische Verwirklichung keine Angaben über Steuerung, Flugstabilität und Flügelprofile gemacht wurden. Sein Hauptgedanke war die Schaffung eines verdrehsteifen Tragflügels, in dem die Passagiere nebeneinander in Flugrichtung sitzen sollten. Der Auftrieb erzeugende Hohlkörper sollte zur Aufnahme jeglicher Ausrüstung und Nutzlasten dienen. Dieser Entwurf war allerdings eine Entenkonfiguration also mit einem vorn angebrachten Höhenleitwerk, weshalb es nicht als Nurflügel galt. Der Flügel mit einer Spannweite von 80 Metern sollte neben vier Motoren 26 Kabinen für 100 Passagiere sowie eine

15 Holger Reimann Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen 9 10-köpfige Besatzung haben. Die Reichweite sollte 2000 Kilometer mit 10-stündiger Flugzeit betragen. Erst mit einem Entwurf von 1930 für einen 10-motorigen Riesentransporter als Nurflügel mit geradem Mittelstück und gepfeilten Außenflügeln glaubte Junkers seinem Ziel, dem fliegenden Flügel, näher zu kommen. Als Vorstufe entstand 1927 das viermotorige Verkehrsflugzeug G 38 mit begehbaren Flügelwurzeln für die Motorenwartung und zweistöckiger Passagierkabine, die 34 Passagieren und fünf Mann Besatzung Platz boten. In den beiden Abbildungen 1.8 und 1.9 ist die Dimension der G 38 deutlich zu erkennen: Abb. 1.8: Die Junkers G38 Abb. 1.9: Innenansicht der G 38 Die G 38 mit ihren 800-PS-Junkers Rohölmotoren bewährte sich im Linienverkehr der Lufthansa ebenso wie als Truppentransporter im Zweiten Weltkrieg. Durch das große Kastenleitwerk der G 38 kann dieser Typ nicht als Nurflügelflugzeug bezeichnet werden. Doch die Idee des dicken Tragflügels zur Unterbringung der Nutzlasten ist der damaligen Zeit weit voraus. Die modernen Entwürfe von so genannten Blended Wings, wie sie von Boeing, Aerospatiale, Airbus und russischen Konstrukteuren erforscht werden, bauen auf jene frühen Entwicklungen von Hugo Junkers auf. Bis jedoch das erste Mal von einem BWB gesprochen wurde vergingen einige Jahrzehnte. Durch die Forderungen der Fluggesellschaften nach Flugzeugen mit immer größeren Transportkapazitäten legte 1995 Boeing das Blended Wing Body Projekt BWB-1-1 vor (Abbildung 1.7). Die Konstrukteure sollten ein Flugzeug konstruieren, dass Passagierzahlen von ungefähr realisieren kann und Vorteile gegenüber den konventionellen Entwürfen aufweist, wie zum Beispiel im Vergleich zum A 380. Die Struktur der Konfiguration mit 85 Metern Spannweite soll in zweistöckiger (siehe Abbildung 1.10) Mischbauweise aus Leichtmetall und Verbundwerkstoffen hergestellt werden. Dieses Flugzeug wird auch als Ultra High Capacity Aircraft (UHCA) bezeichnet und soll mit 3 bis 4 Turbofantriebwerken mit Mach 0,85 eine Strecke von Kilometern in Metern Höhe überwinden. Für die Sicherstellung der Stabilität sollen die Erkenntnisse vom B-2 Bomber herangezogen werden. Für die

16 Holger Reimann Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen 10 Auslegung des Projektes hat die NASA einen über drei Jahre andauernden Versuch angesetzt. Ein Modell im Maßstab 1:6 zur normalen Spannweite wurde bereits erfolgreich im Windkanal getestet. Auch ein ferngesteuertes Testfluggerät wurde gebaut und absolvierte bereits als Low Speed Vehicle (LSV) mit drei Triebwerken und 11 Metern Spannweite erste Versuchsflüge. Abb. 1.10: Möglicher Flügelquer- und Längsschnitt des BWB Im Zuge der Ausarbeitung von Studien für ein großes Verkehrsflugzeug für 600 bis 800 Fluggäste, wie es Boeing in den USA vorgelegt haben, trat Aèrospatiale 1995 bei der Paris Airshow mit einer neuen Projektstudie an die Öffentlichkeit. Das Very Large Aircraft (VLA) soll bis zu 1000 Passagiere aufnehmen können und sie mit Hilfe von vier Turbofantriebwerken mit Mach 0,85 in einer Höhe von Meter über eine Strecke von Kilometer transportieren. Dieser Blended Wing soll eine Spannweite von 96 Metern und Triebwerke haben, die im hinteren Bereich versetzt angeordnet werden, um stets gleiche Lastigkeit zu gewährleisten. Neben der besonderen aerodynamischen Ausbildung des großen, stark gepfeilten, sichelförmigen Flügels sind auch alle Untersysteme neu zu entwickeln. Neuartige elektronische Steuerungssysteme mit äußeren Spreizklappen und doppelt ausgeführten Winglet-Rudern sollen auch hier unter der Auswertung der Northrop B-2 Systeme die Flugstabilität und Sicherheit gewährleisten wurde daraufhin ein russisches BWB Projekt veröffentlicht, das in Zusammenarbeit mit den Franzosen entworfen wurde. Die Größenmaßstäbe dieses Projektes überragen sogar die Studien von Boeing und Aèrospatiale. Das Konzept des Luftfahrtforschungsinstituts Moskau (TsAGI) soll eine Spannweite von 106 Metern mit einer Pfeilung von 60 Grad haben, dessen Außenflügel nach oben faltbar vorgesehen werden. Das mit drei oder vier großen in Reihe angeordneten Turbofantriebwerken (Abbildung 1.11) ausgerüstete Projekt soll zwei in verschiedene Klassen unterteilte Fluggastdecks für etwa 936 Passagiere erhalten, die ihre Plätze über sechs Zugangstreppen erreichen können. Als Option ist nach der Idee des

17 Holger Reimann Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen 11 Spanloaders (vgl. Abbildung 1.10) die Möglichkeit als Frachtflugzeug angedacht, das heißt ein Transporter, der über die Tragfläche nutzbare Frachträume besitzt. Mit einem Abfluggewicht von etwa 560 Tonnen soll der Transporter mit Mach 0,85 eine Entfernung von Kilometern überwinden können. Während das Mittelstück aus Titan gefertigt werden soll, ist bei den Außenflügeln die Herstellung in Composite- Lamellenbauweise vorgesehen. Da dieses Projekt aber zunächst noch zu groß für die Anforderungen der Fluggesellschaften erscheint, wird auch über eine kleinere Variante nachgedacht. Abb. 1.11: Flugbildskizze des russischen BWB-Projektes Nach den Entwürfen von Aèrospatiale, Boeing und dem russischen TsAGI Projekt befasst sich Airbus seit 2001 nun ebenfalls mit BWB-Entwicklungen und den dazugehörigen Systemen. Das angestrebte Konzept soll mit einer Spannweite von ungefähr 90 Metern und vier Triebwerken im Reiseflug Mach 0,8 erreichen. Im Rahmen eines vom Lehrstuhl für Luftfahrttechnik der Technischen Universität (TU) München durchgeführten Szenarioprozesses, wurden zusammen mit Studenten der TU München und der Hochschule für angewandte Wissenschaften in Hamburg mit dem Fachbereich Flugzeugbau bereits eine detaillierte Kabinenkonfigurationen entwickelt, die sich an dem vorgegebenen Airbus-Entwurf eines BWB- Verkehrsflugzeuges orientieren. Auf der Internationalen Luftfahrtausstellung (ILA) 2002 in Berlin wurde ein Modell dieser Konfiguration erstmals zur Schau gestellt. Im Gegensatz zu den Entwürfen anderer Herstellerfirmen, deren Triebwerke auf der Oberseite angeordnet sind, sieht dieses Konzept die konventionelle Aufhängung unter den Tragflügeln vor. Im unten gelegenen Frachtdeck sind Bereiche für die Besatzung, Küchensysteme, Hygieneeinrichtungen oder Freizeiträume konzipiert, wie sie bereits heute in konventionellen Flugzeugen Anwendung finden. Im darüber liegenden Fluggastdeck wird der Platz für etwa 750 Passagiere vorgesehen.

18 Holger Reimann Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen Cryoplane Flugzeuge mit Flüssiggastreibstoffen Als Cryoplanes werden im Allgemeinen die unkonventionellen Luftfahrzeuge bezeichnet, die im Gegensatz zum herkömmlichen Kerosin flüssige Gase wie Methan oder Wasserstoff als Treibstoff verwenden. Besonders Wasserstoff ist in diesem Zusammenhang von Bedeutung. Die meisten Projekte mit kryogener Technologie sehen bisher noch im Wesentlichen so aus wie konventionelle Flugzeuge, doch sind auch hier Unterschiede zu erkennen. Ein auffallendes Merkmal sind die Treibstofftanks. Ein Kilogramm Wasserstoff enthält 2,8-mal mehr Energie wie ein Kilogramm Kerosin. Aber selbst auf minus 253 Grad Celsius abgekühlt und verflüssigt, braucht Wasserstoff für die gleiche Energiemenge viermal soviel Volumen wie Kerosin. Darüber hinaus sind wegen der Temperatur und der notwendigen Isolierung die herkömmlichen Integraltanks in den Tragflächen nicht zu nutzen. Durch das Oberflächen-Volumenverhältnis zur Vermeidung großer Oberflächen, um die Wärmedämmung zu gewährleisten, werden zylindrische Tanks bevorzugt. Eine Kugel wäre zwar physikalisch die optimale Form, aber dies wäre nicht sinnvoll, da zwischen den Kugeltanks zuviel Volumen verloren gehen würde. Zylindrische Wasserstoffspeicher haben eine doppelte Außenwand. In die rund 3 Zentimeter dicke Hochvakuum-Isolation zwischen diesen Wänden sind bis zu 70 Lagen Aluminiumfolie im Wechsel mit Glasfibermatten eingelegt. Von der Wärmedämmung betrachtet, entspricht dies einem 4 Meter dicken Styropor- Isolationsmantel. Es treten Verdampfungsverluste auf, so dass die Temperatur im Tank um etwa 1 Grad Celsius pro Tag steigt. Aus diesem Grunde sind wasserstoffbetriebene Flugzeuge an den großen Tanks zu erkennen, die entweder als Außenlasten unter dem Tragflügel (siehe Abbildung 1.13) oder, wie in Abbildung 1.12 zu sehen, im Rumpf über dem Passagierraum untergebracht sind. Doch auch verlängerte Rumpfteile hinter der eigentlichen Passagierkabine oder ein als Treibstofftank ausgelegter Twin Boom wurden in Vorstudien schon angedacht. Abb. 1.12: Airbus A 310 Cryoplane Abb. 1.13: Dornier DO 328 Die Bezeichnung Wasserstoff existiert bereits seit dem Jahr In diesem Jahr taufte der Franzose Lavoisier den Wasserstoff als hydrogène (griechisch: hydor = Wasser und genes = erzeugend). Das Wort bedeutet demnach Wasser- Bildner. Wasserstoff ist das häufigste Element auf der Erde. Er verfügt über einen relativ hohen Heizwert und erzeugt bei der Verbrennung mit Sauerstoff als

19 Holger Reimann Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen 13 Hauptverbrennungsprodukt lediglich Wasser. Es kommen nur geringe Mengen von Stickoxiden hinzu. Gegenüber dem konventionellen Kerosin aber entfallen völlig das Treibhausgas Kohlendioxid sowie Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Ruß und Schwefeldioxid. Die Verbrennung des Wasserstoffs setzt sich aus folgender Reaktionsgleichung zusammen: 2H + O 2H O (1.1) Auszüge aus der Wasserstoff-Geschichte 1766: Wasserstoff-Entdeckung vom englischen Privatgelehrten H. Cavendish. Um 1800 gelingt dem deutschen Chemiker Johann Wilhelm Ritter als einem der ersten Wissenschaftler die Elektrolyse von Wasser in einem U-Rohr. 1807: Rivaz baut das erste Wasserstoff-Fahrzeug. Die Verbrennung von Wasserstoff befördert einen Kolben aufwärts. Das Eigengewicht zieht eine Zahnstange abwärts, die wiederum über eine Verzahnung das Fahrzeug antreibt. 1898: erste Verflüssigung von Wasserstoff vom britischen Chemiker und Physiker James Dewar in London. 1901: Erstmalige Speicherung von Wasserstoff-Gas in Stahlflaschen von Ernst Wiss in Griesheim. 6. Mai 1937: Der Zeppelin 'Hindenburg' verunglückt in Lakehurst/New Jersey (USA) Kubikmeter Wasserstoff verbrennen. 1959: Amerikanischer Physiker Francis T. Bacon stellt die erste praxistaugliche Brennstoffzelle zur kontrollierten Energiegewinnung vor (Leistung 6 kw). 1959: erster erfolgreicher Test mit einer 'Pratt and Whitney RL 10' (Sauerstoff/ Wasserstoff-Flugzeugmotor). 1963: Wasserstoff wird in alkalischen Brennstoffzellen in der Raumfahrt für die Bordenergieversorgung und Erzeugung des Trinkwassers Ab 1968 eingesetzt (Gemini-Mission der NASA). wird Wasserstoff bei Apollo-Missionen (Mondflügen) und Space Shuttle- Flügen eingesetzt. Das in den Brennstoffzellen entstehende Wasser dient zur Versorgung der Besatzung. 1975: Experimentier-Fahrzeug mit Wasserstoff-Antrieb von Mercedes-Benz mit Tieftemperatur-Hydrid. 1979: In Europa wird der dreistufige HM7-Raketenmotor entwickelt und erfolgreich in die Europa-Rakete Ariane eingebaut. Die Ariane 5 benutzt Wasserstoff vom Start bis zur Landung. 1986: Eine Explosion an Bord der Raumfähre Challenger kostet sieben Astronauten das Leben. 1988: Bei dem umgebauten Verkehrsflugzeug (russische Tupolev TU 155) kann ein Triebwerk wahlweise mit flüssigem Erdgas oder flüssigem Wasserstoff betrieben werden. 1989: Deutsch-russisches Entwicklungsprogramm (Cryoplane) mit einem wasserstoffbetriebenen Flugzeug (Airbus A 310). 1995: Versuche an einer DO 328 (wasserstoffbetriebenes Flugzeug). 2000: Ein EU-Projekt mit 35 europäischen Firmen nimmt die Arbeiten am Wasserstoff-Flugzeug (CRYOPLANE) wieder auf.

20 Holger Reimann Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen 14 Die Anwendung von Wasserstoff als Treibstoff in einem Luftfahrzeug soll in Abbildung 1.14 in einem Blockschaltbild schematisch dargestellt werden. Abb. 1.14: Blockschaltbild des Wasserstoffkreislaufs Die grundsätzliche Realisierbarkeit des Wasserstoffantriebs wurde bereits am 15. April 1988 von dem russischen Konstrukteur Tupolev nachgewiesen, der bei dem Experimentalflugzeug TU 155 eins von drei Triebwerken alternativ mit flüssigem Wasserstoff oder Erdgas betreiben konnte. Als erstes Flugzeug der Welt startete diese TU 155, welches eine Umrüstung einer dreistrahligen TU 154 (Abbildung 1.15) war, mit dem Wasserstoffantrieb zu einem 21 Minuten dauernden Probeflug. Daran anschließend wurde das Triebwerk in vielen Versuchsflügen über insgesamt etwa 100 Stunden erfolgreich erprobt. Abb. 1.15: Tupolev TU 154

21 Holger Reimann Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen 15 Um die Möglichkeiten von Wasserstoff als Kerosin-Ersatz zu erarbeiten, forschten Anfang der Neunziger Jahre insgesamt 35 Europäische Firmen im Rahmen des Cryoplane-Programms am Einsatz von kryogenem Treibstoff in der Luftfahrt. Die kooperativen Arbeiten zwischen deutschen und russischen Firmen fingen schon 1990 mit einer Tupolev T 156 an. Es folgten weitere Projekte wie die Dornier DO 328 (siehe Abbildung 1.13) und der Airbus A 310 (siehe Abbildung 1.12). Leider sind diese Projekte bisher nicht über das Programmstadium hinausgekommen. Ein bedeutsamer Fortschritt auf dem Gebiet der stickoxidarmen Verbrennung von Wasserstoff wurde 1996 an der Fachhochschule Aachen erreicht. Dort wurde ein Hilfstriebwerk vom Typ AlliedSignal GTCP , wie es beim Airbus A 320 genutzt wird, für den Wasserstoffbetrieb umgerüstet und erfolgreich erprobt. Bei der Auslegung der Triebwerksregelung war die Firma Bodenseewerk Gerätetechnik maßgeblich beteiligt. Dank der an der Fachhochschule Aachen entwickelten Mikro- Misch-Brennkammer wurde die Stickoxidemission auf ein Drittel des Wertes im Kerosinbetrieb reduziert. Damit wurde zum ersten Mal ein komplettes Flugzeugtriebwerk im stickoxidarmen Betrieb demonstriert.

22 Holger Reimann Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen Bodeneffektflugzeuge Fliegt ein Flugzeug in Bodennähe, so erhöht sich der Auftrieb bei gleichzeitiger Widerstandsminimierung. Dieses Phänomen wird als Bodeneffekt bezeichnet. Dabei bildet sich zwischen dem Luftfahrzeug und der überflogenen Oberfläche ein Luftkissen, das sich mit dem Flugzeug mitbewegt. Bodeneffektflugzeuge zeichnen sich besonders durch ihre im Vergleich zur Gesamtgröße geringen Spannweite aus. Eine große Spannweite ist allerdings auch nicht notwendig, da nicht nur der Tragflügel sondern auch der Bodeneffekt Auftrieb erzeugen. Im Gegensatz zum Tragflügel besitzen sie aber ein relativ großes Höhenleitwerk. Da Wasseroberflächen glatte Oberflächen bieten, werden Bodeneffektflugzeuge meist hier eingesetzt und dafür ausgelegt vom Wasser aus zu starten und auch wieder zu landen. Aus diesem Grunde ist es ersichtlich, dass die Rumpfform der eines Bootes gleicht. Für die Stabilität um die Längsachse während des Start- und Landevorgangs sind zusätzlich an den Tragflügelenden Schwimmerkonstruktionen angebracht, damit die Tragflächenspitzen immer einen Abstand zur Wasseroberfläche behalten und nicht eintauchen können. Der Bodeneffekt hängt von der Größe des Fluggerätes ab. Je größer ein Luftfahrzeug ist, desto höher kann es vom Boden entfernt im Bodeneffekt fliegen. Dabei sollte der Bodenabstand die halbe Spannweite nicht übersteigen. Abb. 1.16: Der Bodeneffekt Nach dem Gesetz von Bernoulli nimmt der statische Druck mit zunehmender Geschwindigkeit ab und umgekehrt. Bei der Umströmung eines unsymmetrischen Körpers, wie zum Beispiel eines Tragflügels, muss die Luft auf der Oberseite einen längeren Weg zurücklegen als auf der kürzeren Unterseite. Die Luft strömt deshalb auf der Oberseite schneller als auf der Unterseite, wodurch bei einem Tragflügel auf der Oberseite ein Unterdruck und auf der Unterseite ein Überdruck entsteht. Diese Druckunterschiede erzeugen den Auftrieb. An den Tragflügelspitzen kommt es wegen des Ausgleichs der verschiedenen Druckverhältnisse zur Seitenkantenumströmung. Es entstehen Verwirbelungen, die die Ursache für den induzierten Widerstand sind und dadurch den Treibstoffverbrauch der Flugzeuge erhöhen. Die Verhältnisse ändern sich jedoch, wenn ein Flugzeug in Bodennähe fliegt. Im schmaler werdenden Luftspalt zwischen der Flügelhinterkante und dem Boden wird die um den Tragflügel strömende Luft gestaut und dadurch unter dem Flügel abgebremst. Dies verursacht eine Druckerhöhung, wodurch der Auftrieb ansteigt. Zusätzlich wandert der Auftriebsschwerpunkt in Richtung der Hinterkante des Flügels.

23 Holger Reimann Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen 17 Der Widerstand eines Luftfahrzeugs setzt sich aus dem induzierten Widerstand und dem Nullwiderstand, der abhängig von der Profilform und der Oberflächenbeschaffenheit ist, zusammen. Die Luft kann in Bodennähe nicht ungehindert die Seitenkanten umströmen, sondern ist gezwungen horizontal abzufließen. Aufgrund dessen können sich die schon beschriebenen Randwirbel im Bodeneffekt mit dem darunter liegenden Luftpolster nicht ausbilden und der induzierte Widerstand wird erheblich verringert. Die Geschwindigkeiten, die ein Bodeneffektflugzeug braucht, um auf das Luftkissen zu kommen, können nur durch eine große Antriebsleistung erreicht werden. Um nicht größere, leistungsstärkere und damit auch schwerere Triebwerke einbauen zu müssen, die nur für den Start benötigt werden, wird in der Startphase ihr Luftstrom unter die Flügel geblasen. Sobald sich das Flugboot aus dem Wasser erhebt und sich im Bodeneffekt fliegt, wird die Luft nach hinten geblasen und somit zum Vortrieb verwendet. Russische Wissenschaftler konstruierten 1961 die SM-1 als erstes Modell mit eigenem Antrieb, um an Bodeneffektflugzeugen zu forschen. Nach weiteren Verbesserungen der aerodynamischen Eigenschaften entstand 1962 das Modell SM-2. Hier wurden erstmals Hilfstriebwerke verwendet, die Luft unter die Flügel bliesen, was als Vorbild für alle weiteren russischen Ekranoplane diente wurde die KM gebaut, das zu der Zeit das größte und schwerste Flugobjekt der Welt war. Durch die mehrere Jahre dauernden Testreihen, gelang es zu zeigen, dass die geplanten technischen Werte in der Praxis erreicht werden konnten. Durch Unfälle gingen jedoch die Prototypen verloren. Aus den Erfahrungen dieser Entwürfe ging 1972 der Transport-Ekranoplan Orlenok hervor, welcher zwei Schützenpanzerwagen oder ein Bataillon Soldaten an Bord nehmen konnte. Das Ziel war es, 120 Stück dieses Typs zu bauen. Das Projekt wurde jedoch 1985 wieder eingestellt ging dann als direkter Nachfolger der so genannte Lun aus der KM hervor. Er war ein mit sechs Marschflugkörpern bewaffneter Raketenträger, wovon zwei Exemplare existierten. In den beiden Abbildungen 1.17 und 1.18 sind die beiden größten bisher gebauten Bodeneffektflugzeuge abgebildet: Abb. 1.17: Bodeneffektflugzeug Lun Abb. 1.18: Bodeneffektflugzeug Orlenok Zur Zeit wird eine Passagiervariante auf der Basis des Orlenok für den Transport von 150 Personen entwickelt. Aus dem Lun könnte eine Passagiervariante für 250 Personen entstehen, doch ob dies umgesetzt wird bleibt fraglich.

24 Holger Reimann Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen 18 Auch in Deutschland wurden in den Neunzigern Bodeneffektfahrzeuge konstruiert. Die Versuchsanstalt für Binnenschiffbau (VBD) bearbeitet gemeinsam mit Fischer Flugmechanik das Vorhaben Technische Entwicklung von Bodeneffektfahrzeugen (TEBEF). Dieses Forschungsvorhaben wird vom Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMB+F) gefördert. Im Rahmen der Entwicklungsarbeiten hat die VBD unter anderem den Bau des zweisitzigen Versuchsträgers Hoverwing (Abbildung 1.19) übernommen. Die Erprobungen im Jahre 1997 verliefen erfolgreich. Nach dem Erstflug am 7.Mai 1997 auf dem Baldeneysee wurden die Flugversuche vor der Insel Rügen und auf dem Ijsselmeer fortgesetzt und das Leistungspotential des Gerätes nachgewiesen. Weitere Versuche wurden 1998 und auch 1999 in Holland durchgeführt. Abb. 1.19: Bodeneffektflugzeug Hoverwing Der vorhandene 2-Sitzer ist ein reines Versuchsfahrzeug. Wirtschaftliche Einsatzgrößen sind Bodeneffektgeräte mit 8, 15, 30 bis hin zu 80 Sitzen, die nach dem Einsatzzweck und Fahrtgebiet variieren. Die große Version des Hoverwing ist mit einer Reisegeschwindigkeit von 180 Kilometern pro Stunde angegeben. Es wurde bereits angedacht, den Fährenbetrieb auf Nord- und Ostsee durch Bodeneffektfahrzeuge zu ersetzen. Die Marktnische des schnellen und preiswerten Personentransports, kann in dieser Art von keinem vorhandenen Transportmittel abgedeckt werden, wodurch für die Hoverwing-Technologie gute Wettbewerbschancen entstehen. In den USA wurde dann 2002 ein anderes Großprojekt in Angriff genommen. Das von Boeings Phantom Works vorgestellte Projekt sieht ein Fluggerät mit einer Spannweite von etwa 152 Metern und einer Länge von ungefähr 120 Metern vor, das von vier großen Triebwerken angetrieben werden soll. Der Pelican (Abbildung 1.20) ist für spezielle Aufgaben konstruiert worden. So ist vorgesehen, dass er transozeanische Transporte schwerer Lasten schnell durchführen kann. Über dem Ozean könnte die Maschine, in nur sechs Metern Höhe über dem Wasser fliegend, bis zu Kilometer am Stück zurücklegen. Dies soll sogar mit bis zu 1400 Tonnen Fracht ohne aufzutanken möglich sein. Mit einer Flotte dieser Geräte ausgestattet, wäre es möglich schweres Gerät sehr schnell an jeden

25 Holger Reimann Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen 19 Krisenherd der Welt zu transportieren, der über das Meer erreicht werden kann. Die 1400 Tonnen Nutzlast entsprechen zum Beispiel 17 Kampfpanzern des Typs M1. Das bedeutet, dass ganze Divisionen eine Landeoperation durchführen könnten, ohne dass ein fester Hafen benötigt würde. Allerdings soll der Pelican auch wie ein konventionelles Flugzeug über Land fliegen können und dabei auf eine Flughöhe von etwa 6000 Metern steigen. Der Bodeneffekt wird im Rahmen dieses Einsatzgebietes zwar nicht genutzt, jedoch erweitert sich das Einsatzspektrum der Maschine erheblich. Abb. 1.20: Boeings Bodeneffektstudie Pelican Die Pelican Studie wurde aber dennoch von den amerikanischen Militärs abgelehnt. Nicht nur die wirtschaftliche Lage sondern auch die Realisierbarkeit eines solchen Großprojektes waren wohl die Ursachen für das Scheitern.

26 Holger Reimann Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen Luftschiffe Da Luftschiffe sich durch wesentliche Merkmale von konventionellen Flugzeugen unterscheiden, fallen sie nicht in die gleiche Kategorie. Ein besonderes Differenzierungsmerkmal ist, dass der Auftrieb bei Luftschiffen durch Gasfüllungen erreicht wird, die eine erheblich geringere Dichte als Luft aufweisen. Deutlich wird der Unterschied zum konventionellen Flugzeug, das diesen Auftrieb, wie bereits beschrieben, durch die Umströmung der Tragflächen erzeugt und somit den Nachteil überwinden muss, schwerer als Luft zu sein. Im Folgenden sollen nun die konfigurativen Merkmale eines Luftschiffes dargestellt werden. Ein Luftschiff ist ein Luftfahrzeug, das mit einer großen gasgefüllten Ballonhülle für den Auftrieb ausgestattet ist. Als Traggas werden Gase verwendet, die leichter als Luft sind, wie zum Beispiel Helium oder Wasserstoff. Den Vortrieb erhält das Schiff durch Luftschrauben oder Propeller, die von Flugmotoren angetrieben werden. Die Triebwerke sind in Motorgondeln am Schiff eingebaut. Für Besatzung und Passagiere steht eine große Gondel meist unterhalb des Vorderteils zur Verfügung. Für die Steuerung des Luftschiffes befinden sich am Heck des Fahrzeugs Seiten- und Höhenleitwerke. Die Bewegung um die Hochsachse wird dabei durch ein oder mehrere vertikal schwenkbare Seitenruder gesteuert. Für die Regulierung des Auf- und Abstieges, also die Bewegungen um die Querachse, sind horizontal schwenkbare Höhenruder vorgesehen. Um einen möglichst ruhigen Flug durch die Luft zu ermöglichen, ist die Ballonhülle fast immer lang gestreckt und aerodynamisch konstruiert. Diese konfigurativen Merkmale sind bei dem bekannten Luftschiff der Hindenburg D-LZ 129 (Abbildung 1.21) deutlich zu erkennen: Abb. 1.21: Das Luftschiff Hindenburg D-LZ 129 Es gibt drei Bauarten von Luftschiffen. Erstens das unstarre Luftschiff, das auch Prallluftschiff oder Blimp genannt wird und bei dem die Form der Ballonhülle durch den inneren Überdruck des Traggases aufrechterhalten wird. Zweitens gibt es das halbstarre Luftschiff, bei dem der Gasdruck gemeinsam mit einem Längsträger oder Kielträger für die Aufrechterhaltung der Form verantwortlich ist. Zudem gibt es noch das Starrluftschiff, bei dem die Form durch ein starres Gerüst, das meist aus Leichtmetall besteht, bestimmt wird. Bei diesem Typ ist das Füllgas in besonderen Gaszellen enthalten.

27 Holger Reimann Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen 21 Das Luftschiff wurde ein halbes Jahrhundert vor dem ersten Flugzeug aus den Freiballonen entwickelt, die schon seit 1783 Menschen in die Lüfte befördern konnten. Die Gebrüder Montgolfier ließen am 5.Juni 1783 in Annonay ihren ersten mit warmer Luft gefüllten Ballon aufsteigen, der Montgolfiere (Abbildung 1.22) genannt wurde und einen Durchmesser von 11,37 Metern hatte. Kurz darauf am 27.August 1783 versuchten Professor Charles und die Gebrüder Robert den Montgolfier-Versuch mit dem 1766 entdeckten Wasserstoff nachzuahmen. Es gelang ihnen mit einem Ballon von 3,9 Meter Durchmesser, dessen Hülle aus gummibestrichener Seide bestand. Sie wurden dadurch die Erfinder des Gasballons, der auch als Charliere bezeichnet wird. Diese beiden Ballone waren noch unbemannt. Doch schon am 21.November 1783 startete und landete der erste bemannte Heißluftballon der Welt mit M. D Arlandes und P. de Rozier. Die heiße Luft wurde dabei durch Verbrennen von Stroh erzeugt und ermöglichte eine Fahrtdauer von 25 Minuten. Abb. 1.22: Montgolfiere 1783 Die Ballone hatten den großen Nachteil, dass sie nicht lenkbar der Kraft des Windes ausgeliefert waren. Noch vor der Mitte des 19. Jahrhunderts wurden halbstarre und starre Langballons mit Steuereinrichtung gebaut und es wurde versucht, sie durch Maschinenkraft anzutreiben. So konstruierte 1851 der französische Maschinenbauingenieur H. Giffard eine nur 45 Kilogramm schwere Dampfmaschine mit 3 PS Leistung und baute sie ein Jahr später in einen spindelförmigen Langballon ein. Der 44 Meter lange und 2500 Kubikmeter Gas fassende Ballon trug an Seilen einen Balken, an dem die Gondel mit dem Antrieb und der Luftschraube hing. Ein dreieckiges Segel diente als Steuermöglichkeit. Am 24.September 1852 stieg die Giffard I auf und legte mit einer Geschwindigkeit von 8 Kilometern pro Stunde eine Strecke von 26 Kilometern zurück. Dabei erreichte das Luftschiff eine Gipfelhöhe von 1800 Metern. Gegen den Wind konnte der schwache Motor allerdings noch nicht ankommen. Bei einem zweiten Versuch im Jahre 1857 wurde der Ballon zerstört. Doch die Dampfmaschine, die zu der Zeit die einzige bekannte Antriebsmaschine war, eignete sich für diesen

28 Holger Reimann Vergleich unkonventioneller Flugzeugkonfigurationen 22 Zweck wegen ihres hohen Gewichtes und großen Brennstoffbedarfs bei geringer Leistung nicht. Es mussten erst verbesserte Antriebe entwickelt werden griff der deutsche Ingenieur P. Haenlein die Idee Giffards auf und erreichte mit einem über 50 Meter langen Luftschiff, das von einem Gasmotor angetrieben wurde, eine Geschwindigkeit von 18 Kilometern pro Stunde. Darüber hinaus versahen die Franzosen Renard und Krebs 1884 einen Lenkballon mit einem von Akkumulatoren gespeisten 8,5 PS Elektromotor und unternahmen damit mehrere Luftfahrten schied Graf F. von Zeppelin aus dem Militärdienst aus und widmete sich in Zusammenarbeit mit dem Diplomingenieur T. Kober seiner Ideen zur Verwirklichung von Luftschiffen wurde der erste Zeppelin gebaut. Er war 128 Meter lang, wurde durch ein Aluminiumfachwerk versteift und hatte ein Traggasvolumen von Kubikmeter. Zwei 16 PS Benzinmotoren trieben je zwei Luftschrauben an und am Tragkörper war ein Laufsteg mit zwei Gondeln befestigt. Der erste Probeflug des Luftschiffs LZ 1 fand am 2. Juli 1900 über dem Bodensee statt und endete mit einer Notwasserung. In der Folge wurden verschiedene Mängel, besonders am Steuersystem, beseitigt. Anfang 1906 wurde das Luftschiff LZ 2 fertig gestellt und schon wenig später bei einer Notlandung zerstört. Auch von den folgenden sieben Luftschiffen des Grafen gingen sechs bei Unfällen verloren. Doch schon kurz darauf wurde ein regulärer Luftschiffverkehr eingerichtet. Nach dem 1. Weltkrieg brachte H. Eckener 1924 das für die USA als Reparation gebaute Luftschiff LZ126 im ersten Transatlantikflug ohne Zwischenlandung in die Vereinigten Staaten baute das Zeppelinwerk in Friedrichshafen das LZ127, das unter dem Namen Graf Zeppelin bekannt wurde. LZ127 hatte eine Länge von 236 Metern und ein Fassungsvermögen von 105 Millionen Litern Gas. Es verfügte über fünf Dieselmotoren mit einer Leistung von je 550 PS. Die Besatzung bestand aus 45 bis 50 Personen und darüber hinaus fanden 20 Passagiere an Bord Platz. In neun Jahren Dienst flog das Starrluftschiff insgesamt mehr als Kilometer, wobei es 139-mal den Atlantik nach Nord- und nach Südamerika überquerte und eine komplette Weltumrundung mit Haltepunkten in Tokio, Los Angeles und Lakehurst machte. Bis in die dreißiger Jahre wurden noch wesentlich mehr Luftschiffe konstruiert und im Luftverkehr eingesetzt. Einen besonderen Höhepunkt stellte das Luftschiff D-LZ 129 Hindenburg (Abbildung 1.21) dar. Es hatte eine Länge von 245 Metern und ein Fassungsvermögen von 200 Millionen Litern Traggas. Die Hindenburg wurde von vier Dieselmotoren mit je 1320 PS Leistung angetrieben und erreichte eine Höchstgeschwindigkeit von 125 Kilometern pro Stunde. Die Hindenburg war das größte jemals im Einsatz befindliche Luftschiff. Nach zehn Atlantiküberquerungen im Linienverkehrsflug im Jahr 1936 wurde es am 6.Mai 1937 bei der Landung in Lakehurst durch einen Brand zerstört, der durch eine elektrostatische Aufladung der Hülle verursacht wurde. In Deutschland wurde daraufhin der Bau von Luftschiffen eingestellt und so setzte sich das Flugzeug als zukünftiges Transportmittel durch. Nach dem Zweiten Weltkrieg gab es keine nennenswerten Anstrengungen in der Luftschifftechnologie. Nur vereinzelt traten sie als Werbeträger auf großen Veranstaltungen auf. Erst 1993 wurde von der Firma Zeppelin Luftschifftechnik GmbH das Projekt Zeppelin Neue Technologie (NT) ins Leben gerufen. Das Luftschiff mit einem Volumen von 8500 Kubikmetern und einer Länge von 75 Metern erhielt im August 2001 seine Zulassung. Bei dem Prototypen LZ NT handelte es sich um ein halbstarres Prallluftschiff mit einem starren Gerippe. Die Hülle wird durch den Überdruck des Traggases und durch Luftsäcke, so genannte Ballonetts, in Form