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Zeppelin-Luftschiffe der neuen Generation

Nach mehr als 50 Jahren motivieren Aufgaben aus Umweltmonitoring, Verkehrsüberwachung und Touristik zu einem Comeback der von einer Gasfüllung getragenen und von Propellern vorangetriebenen Flugvehikel. Moderne Werkstoffe erlauben dabei neue Konstruktionsprinzipien, die ein besseres Betriebsverhalten und größere Sicherheit gewährleisten.

Die Ära der Großluftschiffe begann im Juli 1900 mit dem Aufstieg des LZ 1, des ersten von Ferdinand Graf von Zeppelin (1838 bis 1917) in Starrbauweise konstruierten Luftschiffs, und endete 1940 mit dem Abwracken von LZ 127 und LZ 130 in Frankfurt. Letzteres war erst 1938 fertiggestellt worden. Es hatte ein Volumen von 200000 Kubikmetern, einen maximalen Durchmesser von 42 und eine Länge von 245 Metern. Bei einem Gesamtgewicht von 215 Tonnen vermochte es 100 Tonnen Ladung (einschließlich Kraftstoff und Ballast) etwa 10000 Kilometer weit zu transportieren.

Hauptgrund für die Einstellung des Luftschiffbetriebs war die Katastrophe von Lakehurst (US-Bundesstaat New Jersey) 1937: Die LZ 129 "Hindenburg", seit einem Jahr im Linienverkehr zwischen Süd- und Nordatlantik eingesetzt, brannte aus, und 35 Insassen starben; aus ungeklärter Ursache hatte die Wasserstoff-Füllung Feuer gefangen. Helium als etwas weniger tragfähiges, dafür aber unbrennbares Trägergas stand zu diesem Zeitpunkt in Deutschland nicht in ausreichender Menge zur Verfügung.

Zwar erreichten erst die Jumbojets ab den siebziger Jahren die hohe Ladekapazität der Großluftschiffe. Dennoch waren die langsamen, zigarrenförmigen Ungetüme den sich rasant entwickelnden Flugzeugen nach dem Zweiten Weltkrieg hoffnungslos unterlegen. Nur wesentlich kleinere Prall-Luftschiffe, bei denen einzig der Überdruck des Gases im Inneren den Tragkörper gespannt hält, konnten sich eine kleine Nische bewahren. Rund 300 davon (mit Größen bis 45000 Kubikmeter) setzte die US-Marine bis Anfang der sechziger Jahre zur Überwachung und Begleitung von Schiffskonvois ein. Noch kleinere Exemplare mit etwa 7000 Kubikmetern Volumen und Helium als Traggas dienen auch heute noch vereinzelt zu Reklamezwecken.


Der Neubeginn

Inzwischen besinnt man sich freilich wieder auf die Vorzüge der Luftschiffe. Von einer Gasfüllung getragen und mittels Propellern vorangetrieben, zeichnen sie sich durch ruhiges, langsames Gleiten und Schweben sowie durch die Fähigkeit zum Senkrechtstart aus; zudem verbrauchen sie nur sehr wenig Kraftstoff. Dies macht sie besonders attraktiv für spezielle Aufgaben wie

- die Beobachtung und Überwachung von Küsten, Wäldern, Städten und Seestraßen im Dienste des Umweltschutzes und des Verkehrs,

- das Messen von Schadstoffen in der Troposphäre und über dem Meer sowie

- Touristiktouren über Städten und schönen Landschaften.

Die Nachfrage nach einem geeigneten Luftfahrzeug veranlaßte unser Unternehmen, die Zeppelin-Luftschifftechnik GmbH in Friedrichshafen, zur Neuentwicklung entsprechend dem neuesten Stand der Aero- und Werkstofftechnik. Insbesondere umfaßt das Konzept

- eine hohe Sicherheit durch redundante Systeme,

- das nicht brennbare Helium als Traggas,

- hohe Manövrierfähigkeit, um die erforderliche Bodenmannschaft klein zu halten,

- Allwettertauglichkeit,

- bessere Flugleistungen, insbesondere höhere Geschwindigkeiten, sowie

- eine lärm- und vibrationsfreie Kabine für Langzeitaufträge und Komfortreisen.

Ein Prall-Luftschiff kann diese Anforderungen nicht erfüllen, da der Rumpf nur aus der vom Innendruck gespannten Hülle besteht, an die Gondel und Leitwerke mit Seilen angehängt sind. Weil Triebwerke und Propeller wiederum an der Gondel befestigt werden müssen, ist es in der Kabine laut und das Steuern nur eingeschränkt möglich. Bei einem Druckabfall in der Hülle verliert der Rumpf zudem seine Festigkeit; er hängt durch und ist nicht mehr steuerbar.

Die Starrbauweise vermeidet diese Nachteile. Ein tragendes, stoffbespanntes Innengerüst wahrt die äußere Form und nimmt Traggaszellen, Kraftstoffbehälter, Bedienorgane, Besatzungs- und Passagierräume oder andere Nutzlasten auf. Doch ist die bisherige Bauweise – Aluminiumringe werden mit Längsträgern zu einem Gerüst verbunden, auf das die Hülle aufgespannt ist – bei den derzeit interessanten kleineren Luftschiffen mit einem Volumen von maximal 30000 Kubikmetern unwirtschaftlich: Das Gerüst ist zu kostenaufwendig, weil zahlreiche Knotenverbindungen von Längs- und Ringträgern zu vernieten sind, und zudem sehr schwer, so daß bei Heliumfüllung die Ladekapazität gering wäre. Überdies waren die einstigen Zeppeline nur schwer zu steuern und anfällig gegen Stürme und Seitenböen. Bereits die Landung bei starkem Wind erforderte eine große, muskelstarke Bodencrew.


Verbesserte Technik

Unser neues Konzept vereint die Vorteile von Starr- und Prall-Luftschiffen. Kernstück ist eine stark vereinfachte Tragstruktur in Form eines dreieckigen räumlichen Fachwerks, welches das Luftschiff vom Bug bis zum Heck stützt. An dessen – zahlenmäßig reduzierten – Knotenpunkten lassen sich alle wichtigen Komponenten wie Gondel, Leit- und Triebwerke fest anbringen (Bild 1).

Die Hülle ist an drei durchlaufenden Längsträgern befestigt und wird durch einen geringen Überdruck von fünf Millibar gegenüber dem atmosphärischen Druck prall gehalten. Dies ergibt zusätzliche Sicherheit: Bei einem Schaden an der Fachwerkstruktur stützt immer noch der Gasdruck den Tragkörper.

Für die Querspante benötigt man allerdings sehr lange Träger, die hoher Druckbeanspruchung standhalten müssen. Dafür wurden spezielle Rohre aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) entwickelt – einem Material, das so steif und fest wie hochfester Stahl, aber fünfmal leichter ist. Sie bestehen aus einem Hartschaum-Sandwichkern, der von 0,4 bis 0,6 Millimeter dicken Lagen aus Kohlefaser umhüllt ist. Bei einer Länge von elf Metern wiegen sie nur sechs Kilogramm, brechen unter Druckbelastung aber erst ab 30000 Newton beziehungsweise einem Gewicht von drei Tonnen.

Die Längsträger bestehen dagegen aus einer Aluminiumlegierung. Sie bilden damit zugleich die elektrische Masse des Luftschiffs und schützen gegen Blitzeinschlag.

Dank dieser Konstruktionsweise ist die Herstellung deutlich weniger aufwendig als die eines gleich großen Luftschiffs alter Bauweise; denn die Gesamtlänge der Träger reduziert sich auf ein Viertel, die Anzahl der Knotenpunkte auf ein Zehntel und das Gewicht auf etwa 40 Prozent. Auch Starr-Luftschiffe mit kleinerem Volumen lassen sich somit kostengünstig bauen, wie der für zwölf Passagiere ausgelegte LZ N07 mit 7200 Kubikmetern Volumen und einem Maximalgewicht von etwa sieben Tonnen beweist (Bild 2).


Hülle und Traggaszellen

Die Hülle besteht aus einem heliumdichten, alterungsbeständigen Laminat aus Tedlar-Folie und Polyestergewebe, entwickelt von dem amerikanischen Unternehmen ILC aus Dover (Delaware), das unter anderem auch Astronautenanzüge produziert. Dank dieses wetterfesten Materials ist das Luftschiff auch bei schlechter Witterung einsatzfähig und braucht nicht in einem Hangar untergebracht zu werden.

Im Rumpfinneren sind, je nach Schiffstyp, eine oder zwei Luftkammern eingebaut, die über ein Druckluftsystem den Differenzdruck unabhängig von der Flughöhe konstant halten. Dazu werden beide am Boden mit Luft vollgepumpt. Gewinnt der Flugkörper an Höhe, dehnt sich das Helium aus. Zum Ausgleich wird über Ventile Luft abgelassen, bis die Luftkammern bei 2500 Metern Höhe leer sind. Beim Sinken werden sie analog wieder gefüllt.

Bei größeren Luftschiffen mit mehr als 15000 Kubikmetern Gesamtvolumen planen wir, den Traggasraum – wie bei alten Zeppelinen – in etwa zwölf Zellen zu unterteilen. Das hätte außer der höheren Sicherheit den Vorteil, die Tragwerkstruktur im Innern zugänglich und überprüfbar zu halten. Anders als bei den Zeppelinen alter Bauart lassen sich mit den modernen Materialien Hülle und Traggaszellen mit einer gemeinsamen Wandung herstellen, was weiteres Gewicht spart.

Bei kleineren Luftschiffen ist eine solche Unterteilung aber nicht machbar. Einerseits braucht man nämlich mehr als zehn Zellen, damit keine über zehn Prozent des Auftriebs bewirkt und ein eventueller Ausfall die Fluglage nicht destabilisiert; andererseits bringt jede Traggaszelle zusätzliches Gewicht mit sich.


Das Antriebs- und das Steuersystem

Um die Manövrierfähigkeit gegenüber den alten Zeppelinen deutlich zu verbessern, ist der LZ N07 mit drei schwenkbaren Antriebseinheiten ausgestattet: Zwei sind links und rechts am Rumpf vor dem Auftriebsschwerpunkt installiert, während die dritte am Heck angebaut ist. Jede besteht aus dem Triebwerk, das über ein Winkel-Untersetzungsgetriebe einen Schwenkpropeller antreibt. Bei den seitlichen Einheiten läßt er sich im Winkelbereich von 0 bis 120 Grad schwenken (Bild 3 links). Ohne jede Abwinkelung erzeugt er Vorwärtsschub, in vertikaler Position dagegen wie der Rotor eines Hubschraubers Auftrieb; damit läßt sich eventueller Gasverlust in gewissem Maße ausgleichen. Am Heck ist zusätzlich ein starrer horizontaler Rotor senkrecht zur Längsachse des Schiffs angebracht, der bei Bedarf seitlichen Schub bewirkt.

Somit läßt sich erstmals ein Luftschiff im Schwebeflug in der vertikalen und in der horizontalen Ebene drehen. Deshalb kann es seinen Ankerplatz selbständig und zielsicher ansteuern (Bild 3 rechts) – auch bei Seitenböen. Als Bodenmannschaft genügen drei Mann – gegenüber 15 bis 18 bei gleich großen Prall-Luftschiffen. Der Start erfolgt normalerweise senkrecht, mit Unterstützung der drei vertikal geschwenkten Propeller. Das Luftschiff ist dabei in der Regel zehn Prozent schwerer als Luft, muß also nicht durch Ballast exakt auf den Schwebezustand getrimmt werden und ist besser steuerbar. Da während des Fluges Kraftstoff verbraucht wird, nimmt das Gewicht ab; bei annähernd leeren Tanks sind Gasauftrieb und Gesamtgewicht schließlich ausgeglichen.

Die drei je 32 Quadratmeter großen Leitwerke mit Ruderflächen werden so angebaut, daß sie ein auf dem Kopf stehendes Y bilden. Der Ausfall eines Ruders ist dadurch über die verbleibenden kompensierbar. Der Verzicht auf das sonst übliche untere Seitenleitwerk sorgt für mehr Bodenfreiheit und Sicherheit.

Die Instrumentierung im Cockpit entspricht im wesentlichen derjenigen in Passagierflugzeugen. Der Pilot arbeitet mit elektronischen Steuerhebeln; die Steuersignale werden von den Flug- und Vektorschub-Kontrollcomputern zu Aktuatorkontrolleinheiten und von da zu den elektrischen Stellmotoren und -spindeln geleitet, die Seiten- und Höhenruder, Propeller und Triebwerke betätigen. Auf Monitoren lassen sich die Systeme kontrollieren. Diese Cockpitausstattung reduziert die Belastung des Piloten auf ein Minimum – eine Voraussetzung für lange Flüge.


Maximaler Komfort für Passagiere

Bei den kleineren und mittleren Luftschiffen sind Piloten und Passagiere in einer Gondel untergebracht, die wie die Leitwerke und die Triebwerksgehäuse in Kohlefaser-Sandwich-Bauweise gefertigt ist. Obwohl ein Pilot ausreichen würde, verlangen Sicherheitsvorschriften für Passagierflüge ab zehn Personen einen Copiloten. Kabinengestaltung und Ausstattung richten sich nach Einsatzart des Luftschifftyps. Die Passagierkabinen sollen Firstclass-Komfort bieten.

Deshalb wurde großer Wert auf Lärmdämpfung gelegt und zum Beispiel die maximale Triebwerksdrehzahl von 2700 durch ein Getriebe auf 1250 Umdrehungen pro Minute am Propeller reduziert. Dies garantiert in Verbindung mit speziell konstruierten Propellern einen für Fluggeräte ungewöhnlich niedrigen Geräuschpegel.

Mit dem Zeppelin Neuer Technologie sollten somit alle Anforderungen an ein modernes, wirtschaftlich einsetzbares Luftfahrtgerät erfüllt sein. Der Prototyp von LZ N07 wurde am 2. Juli letzten Jahres im Rahmen der Neueröffnung des Zeppelin-Museums in Friedrichshafen vorgestellt (allerdings ohne aufgespannte Hülle). Die Flugerprobung und Musterzulassung ist für dieses Jahr vorgesehen, die Serienproduktion ab 1998 geplant. Zu einem späteren Zeitpunkt soll zudem ein größeres Luftschiff für 46 Passagiere oder 5,3 Tonnen Ladung gebaut werden. Einhundert Jahre nach dem Erstflug des LZ 1 wird es dann wieder Zeppeline geben, die wie damals dem neuesten Stand der Technik entsprechen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 1997, Seite 14
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
1 / 1997

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 1 / 1997

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