Geburt und Entwicklung der Jet-Ära Die Erfindung der Strahlturbine (1939 Hans von Ohain) und ihre Folgen

Transkript

1 Geburt und Entwicklung der Jet-Ära Die Erfindung der Strahlturbine (1939 Hans von Ohain) und ihre Folgen Dr. Walter Rathjen, ehemals Deutsches Museum VDI-Arbeitskreis Technikgeschichte

2 Die Jet-Ära wächst immer noch dynamisch Die jüngste IATA Statistik zeigt ca. 7% Wachstum gegenüber 2014

3 Themen Worum geht es? - auf den Antrieb (des Flugzeuges) kommt es an Hans (Joachim Pabst) von Ohain Herkunft und frühe Prägung Der Innovationsprozess zum ersten Strahltriebwerk Das Umfeld weitere Projekte in D. und im Ausland Folgen des Jet-Triebwerks - militärisch und zivil v. Ohain nach dem Krieg - Forschung für die US Air Force Anerkennungen früh in den USA, spät in Deutschland Forschungen im Spannungsfeld von Politik, Physik und Technik Zitat aus dem Draper Preis mehr als nur eine technische Innovation... thereby revolutionizing the world s transportation system, improving the worlds economy and transforming the relationsship between nations and their people

4 Der Anstoß Mitte der 1930er Jahre Kolbenmotor/Propeller (Krach und Vibrationen) passt nicht zur Eleganz des Fliegens

5 Die Idee Ohain am 15. Mai 1981 im Deutschen Museum:

6 Daedalus und Ikarus - Antrieb durch Flügelschlag Vogelflug und Flügelschlag - für Jahrtausende Vorbild des Fliegens

7 Otto Lilienthal 1892 bis Gleit- und Schlagflug Schlagflügelapparat 1894 vergeblicher Versuch

8 Gebrüder Wright erster Motorflug 1903 hier 1909 in Berlin

9 Entwicklungsschub im 1. Weltkrieg (1914 bis 1918) 1914 Etrich Rumpler Taube ca. 110 PS, 110 km/h 1919 Junkers F13: BMW IIIa 185 PS, 170 km/h

10 Stand der Technik um 1933 deutsche Motoren im Rückstand Heinkel He 70 (1932) Schnellverkehrsflugzeug, mit BMW VI (630 PS) ca. 350 km/h; mit Rolls Royce Krestel (ca. 750 PS) 415 km/h

11 Zwei Motoren-Typen Gewicht wächst schneller als Leistung Sternmotor 12 Zylinder V-Motor Luftkühlung Flüssigkeitskühlung

12 Propeller setzt die Grenze wenn Propellerspitzen Schallgeschwindigkeit erreichen

13 Mitte 1930er eine neue Aerodynamik ermöglicht höhere Geschwindigkeiten, es fehlt nur der Antrieb 1935: 5. Voltakonferenz in Rom Erstmals wird die Frage nach (Über)Schallgeschwindigkeit gestellt Adolf Busemann stellt das Konzept des Pfeilflügels vor Busemann mit erstem Pfeilflügeljagdflugzeug F-86 Sabre in USA. Das Flugzeugmodell besitzt praktisch den Messerschmitt- Pfeilflügel des Jahres (undatiert).

14 Hans von Ohain mischt sich ein

15 Hans von Ohain - Herkunft und frühe Prägung Geboren: in Dessau Vater: Wolf Pabst von Ohain, hochdekorierter Offizier im 1. Weltkrieg, danach erfolgreicher weltoffener Geschäftsmann. Mutter: Tochter wohlhabenden Landwirts nahe Magdeburg Brüder: Herbert (4 Jahre älter) und Wolf (10 Jahre jünger) Wohnsitze: Dessau; Magdeburg, ab 1925 Berlin-Dahlem vornehmes, großbürgerliches Umfeld

16 Von früh an Interesse und Begabung für Naturwissenschaft Schulbesuch in Magdeburg und Berlin Er besucht das humanistische Arndt Gymnasium in Berlin-Dahlem lernt Latein, Griechisch, Französisch mit mäßigem Erfolg Bestnoten aber in Naturwissenschaft und Mathematik Auseinandersetzung mit Newtons Gesetzen und Einsteins Gedankenwelt Einstein: Phantasie ist wichtiger als Wissen

17 Universität Göttingen eine besondere Uni Robert Wichard Pohl, Begründer der Festkörperphysik sein Mentor und Doktorvater Ab 1930 Studium in Göttingen u.a. bei Robert W. Pohl, Ludwig Prandtl und Albert Betz (kurz auch in Berlin und Rostock) Zur Universität Göttingen: 1904: durch Mathematikprofessor Felix Klein Öffnung der traditionellen Universität für die Technikwissenschaften: Er holt Ludwig Prandtl nach Göttingen. Die Univ. wird so zum Zentrum der Forschung in Aerodynamik Ohains Traumziel: Wissenschaftler!! Professor für Physik

18 1935 Abschluss seines Physikstudiums mit Promotion Für die Entwicklung des Interferenzlicht-Relais erhielt er bereits ein Patent, das Siemens ihm für 3500 Reichsmark abkaufte

19 Die Suche nach einem eleganteren Flugzeugantrieb und Segelflug

20 1933/34 Suche nach einem neuen Antriebskonzept Wesentlich: kontinuierliche Verbrennung (Energieumsatz) Lorin 1908 Marconnet 1913 Maxime Guillaume, 1921 (nicht bekannt) Frank Whittle, 1930 (nicht bekannt) Und andere, z.b. Caproni Campini (Kolbenmotor treibt den Kompressor an) Offenbar war es noch Neuland Ohains Konzept: Turbinentriebwerk kontinuierliche Verbrennung, nur rotierende Teile, dadurch hohe Leistungsdichte, geringe Massenkräfte 1935 erstes Patent

21 Unterschied: kontinuierlicher Prozess statt vier Takte, Nur rotierende Massen statt oszillierende Massen (Kolben)

22 Propeller: größerer Massenstrom - geringere Beschleunigung, geringerer Verlust, aber Begrenzung der Geschwindigkeit Strahltriebwerk: kleinerer Massenstrom höhere Beschleunigung höherer Verlust, aber keine Begrenzung der Geschwindigkeit

23 Erstes Versuchsmodell in der Autowerkstatt Bartels & Becker mit Max Hahn Wie ein Flammenwerfer, aber die Flamme kommt am richtigen Ende raus Radialkompressor und turbine: radikal einfach

24 Schlüsselpersonen Robert W. Pohl und Ernst Heinkel Warum zu Heinkel? Pohl verbürgt sich im Schreiben (Brief vom 3. März 1936) an den Flugzeugbauer Heinkel für die Solidität des Konzepts und von Ohains Kompetenz. Schon 14 Tage später kommt es zum Gespräch in Rostock Heinkel wagt das Risiko und bietet großzügige Unterstützung stellt von Ohain und Max Hahn ein April 1936 Aufbau eines Teams u.a. mit Ingenieur Wilhelm Gundermann Begleitung durch Chefkonstrukteure Karl Schwärzler, Siegfried und Walter Günter

25 He S1 - das erste Experimentalgerät, Entscheidung für Wasserstoff Verdichter und Turbine in radialer Bauweise Ziel: Erfolg - größtmögliche Einfachheit erfolgreicher Testlauf März 1937

26 Das Flugtriebwerk He S3B (1938/39) mit Benzin betrieben, Schub 450 kp (4,4 kn) Originalzeichnungen und Geräte sind verloren, hier ein Nachbau von 1981

27 Die Heinkel He 178, ab Herbst 1937 konstruiert von Walter Günter angetrieben vom Ohain-Triebwerk He S3B

28 27. August 1939 Erster Flug eines Flugzeuges mit Turbinenluftstrahltriebwerk Testpilot Erich Warsitz ( ) über seinen Erstflug mit der He 178

29 Am 1. September 1939 marschiert die deutsche Wehrmacht in Polen ein Kriegsziele und Kriegsverlauf bestimmen Forschung und Entwicklung

30 Weiterentwicklungen bei Heinkel unter von Ohain He S8 und He S011 Strahltriebwerk He S8 Nachfolger der He S3B, ebenfalls radiale Bauart He 280: erster Düsenjäger der Welt Erstflug: 30 März 1941

31 He S011- die Weiterentwicklung zur 2. Generation 1942 Erwerb der Hirth Motoren GmbH in Zuffenhausen Ein Detail: luftgekühlte Turbinenschaufel (wegen Mangel an Nickel). Entwickelt von Max Bentele

32 Umfeld: Axialtriebwerk von Herbert Wagner einzige eigenständige Initiative Entwicklung von Prof. Herbert Wagner ab 1934 an der TH Berlin und ab 1936 bei Junkers Flugzeugwerke (Magdeburg), ab 1939 bei Heinkel unter Max Adolf Müller, 1942 aufgegeben 1939 Junkers Motorenwerke (Dessau) übernimmt unter Anselm Franz Entwicklung des Jumo 004 (reines Axialtriebwerk)

33 Triebwerksentwicklungen bei Junkers und BMW Junkers Jumo 004 in Messerschmitt Me 262 BMW 003 in Arado Ar 234 und Heinkel He 162

34 Triebwerksentwicklung im Ausland Frank Whittle in England seit 1930 (erstes Patent) April 1937 erstes Testgerät auf dem Prüfstand mit Flüssigbrennstoff Quelle: John Golley: Whittle, the true Story

35 15. Mai 1941 Erstflug der Gloster E28/ operationeller Einsatz des ersten Strahljägers Gloster Meteor 1941/2 Whittle geht in die USA zu GE und hilft dort bei der Entwicklung der amerikanischen Triebwerke

36 Das Strahltriebwerk verändert Flugzeug und Luftfahrt Noch in der Kriegszeit: Projekte für Hochgeschwindigkeit Pfeilflügel-Konzepte in Deutschland bis 1945, zusammengestellt von Werner Heinzerling

37 Neue Generation von militärischen und zivilen Flugzeugen Kombination aus Strahltriebwerk und Pfeilflügeln Boeing B-47 (1947/51)

38 George S. Schairer, Konstruktionschef bei Boeing entdeckt die Pfeilflügelmessungen und schreibt an seine Mitarbeiter stoppt die B 47 und ändert den Flügelentwurf.

39 Ablösung der Prop.- Jagdflugzeuge durch Düsenjäger Einsatz im Korea-Krieg ( ) North American P 51 Mustang durch North American F 86 (1947/49) und Jakowlev Jak 9 durch MIG /48) (Geschwindigkeiten um 1100 km/h)

40 Phänomene der Schallgeschwindigkeit müssen beachtet werden

41 1949/52 Das erste Verkehrsflugzeug de Havilland Comet I Reisegeschwindigkeit 800 km/h aber nur ca 40 Passagiere Mehrere Abstürze durch Materialermüdung

42 1958: Jets lösen Flugzeuge mit Kolbenmotor/Propellerantrieb ab 3- bis 4-fache Produktivität Lockheed (Super) Constellation 550 km/h, 95 Passagiere Boeing 707 (1957/58) 860 km/h, ca. 150 Passagiere

43 In den 1970er zwei Trends Massenluftverkehr und Überschall Boeing 747 (1969) Passagiere, ca. 950 km/h BAC/Aerospatiale Concorde (1969) Ca.130 Passagiere, 2180 km/h

44 Belastung wächst heute 3 Mia, Mia. Passagiere Wege zum grünen Luftverkehr Ziel: Null-Emissions-Flugzeug in 50 Jahren Viersäulen-Programm akzeptieren 1. Verbesserte Technologie 2. Effektiver Betrieb 3. Effiziente Infrastruktur 4. Positive ökonomische Maßnahmen Build a zero-emissions commercial aircraft within 50 years Adopt a four-pillar strategy to achieve this vision: 1. Improved technology 2. Effective operations 3. Efficient infrastructure 4. Positive economic measures

45 Neue Generation noch größer Entwurfsskizze von Jean Roeder Airbus A 380 von Emirates (ca 600 Sitzplätze)

46 Andere Art - noch schneller

47 Emissionen bei der Verbrennung von Kerosin Für Flug nach Peking und zurück: ca. 5 Tonnen CO2 pro Person, CO2-Jahresbudget eines Chinesen Quelle: DLR; Lehrstuhl für Flugantriebe

48 Auf den Antrieb kommt es an - aber natürlich nicht nur

49 Weiterentwicklung der Triebwerke hier Projekte der MTU München Geared Turbofan - 15%+ Fuel Burn rel. to year 2000 engine - 24 db Noise (cum.) Emission rel. to year 2000 engine Technology Readiness end of 2008 Open Rotor - 20%+ SFC (engine) Significant Installation Penalties (Aircraft concept, weight, safety) strongly diminishes SFC and Fuel Burn benefits Complexity Noise in the range of year 2000 engine Technology readiness Quelle: Vortrag von Dr. Binder (MTU) in der TU München

50 V I S I O N E Quelle u.a.: Bauhaus Luftfahrt e.v. München N

51 Zurück zu Hans von Ohain sein Leben und Wirken in den USA

52 1947: mit Operation Paper Clip zu Wright Patterson Air Force Base, Dayton (Ohio)

53 Hans von Ohain in den USA 32 Jahre Forschung für die US Air Force Wright Patterson Air Force Base, Dayton (Ohio) 1947 Operation Paperclip: von Ohain in die USA, nach Dayton Aero(space) Research Lab, ab 1964 als Chief Scientist (250 Mitarbeiter), 1975 gibt Air Force Grundlagenforschung auf 1975 Gründung Air Force Aero Propulsion Lab. (AFAPL) von Ohain Chief Scientist (450 Mitarbeiter) bis 1979 Nach Pensionierung 1979: Forschung und Lehre an der Universität Dayton und Florida

54 Themen/Projekte zur Forschung und Entwicklung - über 20 Patente Mitarbeit am größten Überschall-Windkanal in Tullahoma (Tennessee) mit Th. von Kármán und Frank Wattendorf Überschall-Kompressor Direkte Energieumwandlung - Magnetohydrodynamischer Generator für die Raumfahrt Gas Core Nuclear Propulsion System für die Raumfahrt Schubverstärker (Jet Wing) für VTOL

55 Ein Beispiel: US Patent Wing with Thrust Augmenter

56 Ehrungen früh in den USA, spät in Deutschland Für seine Leistungen in den USA (9 Positionen) 1964 Special Act for the Development of Supersonic Compressor 1965 Decoration of exceptional Civilian Service since 1955 Hans von Ohain has contributed significantly to the defence capability of the United States through his comprehensive analysis of needs and potentialities in the era of aerospace propulsion 1978 Air Force Civilian of the year

57 International als Co-Inventor of the Jet Engine (23 Positionen) 1966 AIAA Goddard Award, zusammen mit Sir Frank Wittle for... first successful application of turbojet propulsion...and for continued excellence Charles Stark Draper Prize gemeinsam mit Whittle: for engineering innovation and individual tenacity in developing and reduction to practice of the turbojet engine, thereby revolutionizing the world s transportation system, improving the worlds economy and transforming the relationsship between nations and their people

58 Sir Frank und Hans: zwei gute Freunde, die mit Ehrungen überhäuft werden

59 Anerkennung in Deutschland die deutsche Triebwerksindustrie baut das Triebwerk nach beteiligt sind: MTU (Koordination, Montage, Schnitt), Heinkel, Honsel, Kloth- Senking, Krupp, Leistritz, Niedecker, Präwest, Röchling und Thyssen Die Nachbauten sind ausgestellt im Deutschen Museum und im National Air & Space Museum in Washington, DC

60 Ehrungen in Deutschland 1985 Aachener und Münchner Preis für Technik und angewandte Naturwissenschaften 1990 Großes Verdienstkreuz der Bundesregierung 1990: Rudolf Diesel Medaille (Dt. Institut für Erfinderwesen) 1992 Ludwig Prandtl Ring (DGLR) 1992 Goldener Ehrenring des Deutschen Museums

61 Von Ohain ein Forscherleben im 20. Jahrhundert Von Ohains Traumberuf war Wissenschaftler: Professor (Ordinarius) für Physik an einer Universität Um (s)eine Idee zu realisieren, geht er in die Industrie und gerät dann, bedingt durch die Kriegsereignisse, in die Rüstungsforschung und auch wegen seiner Erfolge - bleibt dort Sein Schwerpunkt lag stets auf F&E. Um die Einführung seiner Entwicklung in konkrete Waffensysteme hat er sich wenig gekümmert. Hat er sich davor gedrückt? Man hat es ihm vorgeworfen (Artikel von Budraß) Welchen Beitrag hat er geleistet? die Entwicklung beschleunigt Er erreicht in den USA höchste Positionen und höchstes Ansehen - fachlich und vor allem auch menschlich Nach seiner Pensionierung wird er Lehrer - Universität in Dayton und Florida ein Forschungszentrum wird nach ihm benannt Während der Dienstzeit und nach Pensionierung Familienleben und private Projekte

62 Benennung eines öffentlichen Gebäudes nach Hans von Ohain - erlaubt? Hans von Ohain hat sein Genie dem Nazi-Regime zur Verfügung gestellt. Darf man ein öffentliches Gebäude nach ihm benennen?? Historiker-Gutachten von Prof. H. Trischler und Artikel von Dr. L. Budraß Trischler: im Falle von H. von Ohain ja Budraß: Hans von Ohain ist aller Ehren wert

63 Auch privat: Ideen entwickeln und realisieren Arbeit an Hydrofoil Ski und human-powered Watercraft US Patent Watercraft with hydrofoil-bladed Wheel Assembly (gemeinsam mit seinem Sohn Christopher) im July 1998 erteilt Er hat nicht nur konzipiert, sondern auch gebaut und getestet

64 Und nicht zuletzt: Dank an seine Frau Hanny und an seine Familie (vier Kinder) Hans v. Ohain ist am 13. März 1998 in Melbourne/Florida gestorben, nach langer schwerer Krankheit; seine Frau Hanny lebt in Dayton

65 Zum Luftverkehr 3 bis 5 % Zunahme/a Reiselust immer mehr Menschen können Wirtschaft: geprägt von Globalisierung

66 Vielen Dank für Ihre Geduld Quellen u.a. Margaret Conner: Hans von Ohain - Elegance in Flight, Eigene Gespräche mit H. v. Ohain in München, Dayton und Washington Dank für die Unterstützung an Hans Holzer, Peter Pletschacher, Eric Prisell, Helmut Schubert, Helmuth Trischler u.v.a. Für weitere Informationen Walter-rathjen@t-online.dede Hermione Giffard The development and production of the jet-engine in Britain, Germany and USA Thesis 2012, Cambridge

67 Back ups

68 Das Triebwerk der 1. Generation angelsächsischer Bauart Konzept Whittle, hier von General Electric J33/I-40

69 Übergang zum Überschallflug

70 Verdichtungsstoß auf dem Flügel

71 Der Überschallknall

72 Aktuell: Airbus A380 Frage nach sinnvoller Größe Passagiere: Reichweite: Abfluggewicht: 560 (3-Klassen Konfiguration) 7500 nm (ca km) 560 t Geschwindigkeit: Mach 0,89 M MO Geometrie: l=73 m, b=79,8 m, h=24,1 m

73 Ohains Position Chief Scientist ab im AFAPL Air Force Aero Propulsion Laboratory Evaluate total laboratory technical programs to determine ist adequacy, fruitfulness and emphasis Identify research gaps and analyze advancements in a varity of technical fields to determine their influence on laboratory programs and objectives Develop methodes of updating in-house competence and recognizing engineers and scientists to increase technical excellence of the work and to motivate the professional staff Serve as advisor of the professional staff of the laboratory and to other organizations of all echelons concernig the laboratory mission and program