B. Luftschiffkonstruktion

B.1. Vom Ballon zum Luftschiff

Ballone sind, falls sie nicht als Fesselballone betrieben werden, von denen sie umgebenden Luftstrφmungen abhδngig. 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. Flόgelschlagen und Rudern fόhrten nicht zum gewόnschten Erfolg. Verschiedene Luftschrauben wurden entwickelt und erprobt. Der Energieaufwand der Fahrt steht in Abhδngigkeit 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 (Wφlfert 1897), Petroleummotoren (Santos Dumont) und Dieselmotoren fόhrten zu Erfolgen. Die Geometrie der Luftschiffe ist einerseits bestimmt durch die Forderung nach geringem Luftwiderstand und andererseits nach kleiner Oberflδche und geringem Eigengewicht des Kφrpers. Ausgehend vom kugelrunden Ballon wird bei gleichbleibendem Volumen die Oberflδche und damit das Strukturgewicht grφίer, je lδnglicher ein Luftschiff ist. Die Querschnittsflδche und der Luftwiderstand verringern sich. Achsenverhδltnisse von circa 1/3 bis 1/10 wurden gebaut Weiterhin ist zu berόcksichtigen, daί das Volumen (entsprechend dem Auftrieb) kubisch und die Flδche quadratisch in Dimensionsvergleiche eingehen. Die Membranspannungen in der Hόlle laufen nur in der ersten Dimension mit. Das beschrδnkende sqare-cube-law der Aerodynamen (Dimensionsvergrφίerung mit gleicher Technologie: Auftrieb lδuft quadratisch, Strukturgewicht lδuft kubisch) ist fόr Aerostaten nicht gόltig. Im Gegenteil: Umso grφίer ein Aerostat bei gleicher Technologie wird, desto grφίer kann der Nutzlastanteil werden. Fόr Luftschiffe bestehen die Grφίenbeschrδnkungen durch betriebliche Faktoren. Insbesondere das Ein- und Aushallen, Anmasten und das Nutzlastaufnehmen und Absetzen sind bei den trδgen Kφrpern mit ihrer groίen Windangriffsflδche schwierig. Wδhrend hierfόr frόher mehrere hundert Mann zum festhalten und treideln abkommandiert werden konnten sind heute sparsamere, technische Lφsungen 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 nδchsten dem Freiballon verwandte Konstruktion. Um die δuίere Form des Luftschiffs den Luftkrδften mφglichst unverδnderlich entgegenzuhalten blδst man sie mit Luftsδcken, sogenannten Ballonetts auf. Ein Luftschiff wird, um sich Traggasablassen (entsprechend Ballastabgabe) zu ersparen immer unter der Prallhφhe (gleich leere Ballonetts) operieren. Steigen oder Sinken wird aerodynamisch eingeleitet. Um die geringe Steifigkeit der Pralluftschiffkonstruktion nicht zu όberfordern, empfehlen sich kurze, dicke Luftschiffe mit nur einer Gondel im Schwerpunkt. Zur Verminderung des Luftwiderstandes kann die Gondel durch Innenaufhδngung (erstmals Baumgarten/Wφlfert 1897) an die Hόlle 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 abgerόstet und in ungefόlltem Zustand leicht transportiert und gelagert werden. Eine groίe Halle ist also nicht zwingend nφtig - wird jedoch bei Heliumluftschiffen wegen des hohen Preises des Edelgases wirtschaftlich sein. Die einfache Zusammenlegbarkeit und eine gute Propangasinfrastruktur sind die wenigen Vorteile die Heiίluft-Luftschiffe gegenόber Gasluftschiffen haben. Im Jahr 1997 existierten weltweit 50 Heiίluftschiffe und 110 Lizenzen dafόr - davon in Deutschland sieben Gerδte und 20 Piloten. Von den international insgesamt 23 Gasluftschiffen, von denen vier in Deutschland gemeldet sind, ist ein Groίteil den Pralluftschiffen hinzuzurechnen. Nur wenige der existierenden Gasluftschiffe haben eine halbstarre Bauweise, keines eine Starrbauweise. Es existierten 1997 laut FAI weltweit 78 Pilotenlizenzen fόr Gasluftschiffe - in Deutschland nur 10. Bisher werden in Deutschland Luftschiffe, unabhδngig von ihrer Grφίe nur von Verkehrspiloten (ATPL) gefόhrt. Eine Ausnahme bilden die kleinen Heiίluftschiffe. Sie kφnnen mit einem erweiterten Ballonpilotenschein (PPL-D) gefahren werden. Die Einrichtung eines deutschen Privatpilotenscheines (PPL) fόr kleinere Luftschiffe ist mangels Bedarf unterblieben.

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

Die Hόlle 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 Krδfte. Es kφnnen wirksame Hebelarme zum Schwerpunkt und zum aerodynamischen Druckpunkt konstruiert werden. Eine Durchbiegung des Tragkφrpers wird verhindert. Falls der Kiel demontierbar und sogar zusammenlegbar ist, kann ein einfacher Transport sowie platzsparende Lagerung im ungefόllten Zustand erfolgen. Die halbstarren Luftschiffe bilden variantenreiche Kompromisse zwischen den Blimps und breitling kopi ure den Starrluftschiffen. Die Bandbreite reicht von den Langgondelluftschiffen der ersten Jahre bis zur Konstruktion des Zeppelin-NT07, bei der das Gerόst die gesamte Hφhe und Breite des Kφrpers umfaίt. Die meisten modernen Luftschiffprojekte sind semi-rigid.

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

Die δuίere Form wird durch ein steifes Gerόst, einen starren Rumpf, gebildet. Das Traggas ist in Zellen (Ballonen) im Rumpf untergebracht. Diese sind je nach Auίenluftdruck mehr oder weniger gefόllt. Motoren, Gondeln, Steuerflδchen kφnnen όberall im oder an den Rumpf konstruiert werden. Die hohe Steigfähigkeit und der groίe Querschnitt der Struktur erlauben lδngere und schnellere Luftschiffe als bei Prall- oder Halbstarrbauweise. Aufgrund des hφheren spezifischen Strukturgewichtes ist die Starrbauweise eher fόr groίe, schnelle Schiffe geeignet. Herstellungs-, Reparatur- und Wartungskosten sind hφher als bei den anderen Systemen anzunehmen, da der Aufbau eines Starrluftschiffes komlpexer ist und nicht durch Entleeren des Traggases verkleinert werden kann. Hallen fόr Reparatur und Wartung sind nφtig.