B. Luftschiffkonstruktion

B.1. Vom Ballon zum Luftschiff

Ballone sind, falls sie nicht als Fesselballone betrieben werden, von denen sie umgebenden Luftströmungen abhängig. Es gelingt mit Freiballonen nur bei geeigneter Witterung und geschickter Strategie und Taktik des Aeronauten ein Ziel genau oder gar mehrfach anzufahren. Deshalb wurde schon sehr bald an der Lenkbarkeit des Freiballons experimentiert. Flügelschlagen und Rudern führten nicht zum gewünschten Erfolg. Verschiedene Luftschrauben wurden entwickelt und erprobt. Der Energieaufwand der Fahrt steht in Abhängigkeit vom Quadrat der Geschwindigkeit. So entwickelten sich befriedigend lenkbare Luftschiffe erst nachdem Muskelkraft durch Motoren mit ausreichender Leistung und geringem Gewicht ersetzt wurde. Versuche mit Dampfmaschine (Giffard 1852), Leuchtgasmotor (Haenlein 1873), Elektromotoren (Tissandier sowie Renard und Krebs 1884), Benzinmotor (Wölfert 1897), Petroleummotoren (Santos Dumont) und Dieselmotoren führten zu Erfolgen. Die Geometrie der Luftschiffe ist einerseits bestimmt durch die Forderung nach geringem Luftwiderstand und andererseits nach kleiner Oberfläche und geringem Eigengewicht des Körpers. Ausgehend vom kugelrunden Ballon wird bei gleichbleibendem Volumen die Oberfläche und damit das Strukturgewicht größer, je länglicher ein Luftschiff ist. Die Querschnittsfläche und der Luftwiderstand verringern sich. Achsenverhältnisse von circa 1/3 bis 1/10 wurden gebaut Weiterhin ist zu berücksichtigen, daß das Volumen (entsprechend dem Auftrieb) kubisch und die Fläche quadratisch in Dimensionsvergleiche eingehen. Die Membranspannungen in der Hülle laufen nur in der ersten Dimension mit. Das beschränkende sqare-cube-law der Aerodynamen (Dimensionsvergrößerung mit gleicher Technologie: Auftrieb läuft quadratisch, Strukturgewicht läuft kubisch) ist für Aerostaten nicht gültig. Im Gegenteil: Umso größer ein Aerostat bei gleicher Technologie wird, desto größer kann der Nutzlastanteil werden. Für Luftschiffe bestehen die Größenbeschränkungen durch betriebliche Faktoren. Insbesondere das Ein- und Aushallen, Anmasten und das Nutzlastaufnehmen und Absetzen sind bei den trägen Körpern mit ihrer großen Windangriffsfläche schwierig. Während hierfür früher mehrere hundert Mann zum festhalten und treideln abkommandiert werden konnten sind heute sparsamere, technische Lösungen gefragt. Mit unterschiedlichen Erfahrungen und Anforderungen in der Zielsetzung sind verschiedenste Luftschifformen entworfen, gebaut und geflogen worden. Es lassen sich drei Grundsysteme erkennen:

B.2. Das unstarre Luftschiff non-rigid, Pralluftschiffe, Blimps, Parseval,...

Die am nächsten dem Freiballon verwandte Konstruktion. Um die äußere Form des Luftschiffs den Luftkräften möglichst unveränderlich entgegenzuhalten bläst man sie mit Luftsäcken, sogenannten Ballonetts auf. Ein Luftschiff wird, um sich Traggasablassen (entsprechend Ballastabgabe) zu ersparen immer unter der Prallhöhe (gleich leere Ballonetts) operieren. Steigen oder Sinken wird aerodynamisch eingeleitet. Um die geringe Steifigkeit der Pralluftschiffkonstruktion nicht zu überfordern, empfehlen sich kurze, dicke Luftschiffe mit nur einer Gondel im Schwerpunkt. Zur Verminderung des Luftwiderstandes kann die Gondel durch Innenaufhängung (erstmals Baumgarten/Wölfert 1897) an die Hülle konstruktiv herangezogen werden. Die einfache Bauform, die weitgehend nur zugbelastete Konstruktion, weist den besten Tragkraft-Nutzlast Koeffizienten auf. Ein Pralluftschiff kann wie ein Freiballon nach Gebrauch oder bei Gefahr (Gewitter, Sturm) schnell abgerüstet und in ungefülltem Zustand leicht transportiert und gelagert werden. Eine große Halle ist also nicht zwingend nötig - wird jedoch bei Heliumluftschiffen wegen des hohen Preises des Edelgases wirtschaftlich sein. Die einfache Zusammenlegbarkeit und eine gute Propangasinfrastruktur sind die wenigen Vorteile die Heißluft-Luftschiffe gegenüber Gasluftschiffen haben. Im Jahr 1997 existierten weltweit 50 Heißluftschiffe und 110 Lizenzen dafür - davon in Deutschland sieben Geräte und 20 Piloten. Von den international insgesamt 23 Gasluftschiffen, von denen vier in Deutschland gemeldet sind, ist ein Großteil den Pralluftschiffen hinzuzurechnen. Nur wenige der existierenden Gasluftschiffe haben eine halbstarre Bauweise, keines eine Starrbauweise. Es existierten 1997 laut FAI weltweit 78 Pilotenlizenzen für Gasluftschiffe - in Deutschland nur 10. Bisher werden in Deutschland Luftschiffe, unabhängig von ihrer Größe nur von Verkehrspiloten (ATPL) geführt. Eine Ausnahme bilden die kleinen Heißluftschiffe. Sie können mit einem erweiterten Ballonpilotenschein (PPL-D) gefahren werden. Die Einrichtung eines deutschen Privatpilotenscheines (PPL) für kleinere Luftschiffe ist mangels Bedarf unterblieben.

B.3. Das halbstarre Luftschiff semi-rigid, Kielluftschiffe, Parseval-Naatz, Zeppelin-NT07, Cargolifter,...

Die Hülle wird auch hier durch ein oder mehrere Ballonetts prall gehalten. Durch eine Aussteifung, meist einem Kiel, entsteht ein halbstarres System. Der Kiel verteilt die Anbringung der Einzellasten und Kräfte. Es können wirksame Hebelarme zum Schwerpunkt und zum aerodynamischen Druckpunkt konstruiert werden. Eine Durchbiegung des Tragkörpers wird verhindert. Falls der Kiel demontierbar und sogar zusammenlegbar ist, kann ein einfacher Transport sowie platzsparende Lagerung im ungefüllten Zustand erfolgen. Die halbstarren Luftschiffe bilden variantenreiche Kompromisse zwischen den Blimps und den Starrluftschiffen. Die Bandbreite reicht von den Langgondelluftschiffen der ersten Jahre bis zur Konstruktion des Zeppelin-NT07, bei der das Gerüst die gesamte Höhe und Breite des Körpers umfaßt. Die meisten modernen Luftschiffprojekte sind semi-rigid.

B.4. Das Starrluftschiff rigid, Zeppelin, Schütte-Lanz,...

Die äußere Form wird durch ein steifes Gerüst, einen starren Rumpf, gebildet. Das Traggas ist in Zellen (Ballonen) im Rumpf untergebracht. Diese sind je nach Außenluftdruck mehr oder weniger gefüllt. Motoren, Gondeln, Steuerflächen können überall im oder an den Rumpf konstruiert werden. Die hohe Steigfähigkeit und der große Querschnitt der Struktur erlauben längere und schnellere Luftschiffe als bei Prall- oder Halbstarrbauweise. Aufgrund des höheren spezifischen Strukturgewichtes ist die Starrbauweise eher für große, schnelle Schiffe geeignet. Herstellungs-, Reparatur- und Wartungskosten sind höher als bei den anderen Systemen anzunehmen, da der Aufbau eines Starrluftschiffes komlpexer ist und nicht durch Entleeren des Traggases verkleinert werden kann. Hallen für Reparatur und Wartung sind nötig.

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