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Zurück in der Zukunft

Ein Luftschiff für das 21. Jahrhundert entwickelt das einstmals vom Grafen Zeppelin gegründete Unternehmen. Computermodellierung, moderne Werkstoffe und neuartige Konstruktionsweisen sollen die sanften Riesen wieder wettbewerbsfähig machen.


Als am 5. August 1908 der Zeppelin LZ4 im schwäbischen Echterdingen zwischenlandete, um einen Motorschaden zu beheben, erschien er in seiner Eleganz manchem der Zuschauer als Verheißung einer glorreichen Zukunft deutscher Luftfahrt. Doch das Produkt damaliger Hochtechnologie erlitt noch am selben Abend Schiffbruch: Ein Gewittersturm riß es aus seiner provisorischen Verankerung, und die mit Wasserstoff gefüllte Hülle ging in Flammen auf.

Eine spontan organisierte Spende der Bevölkerung ermöglichte Ferdinand Graf von Zeppelin (1838 – 1917), den Bau seiner Starr-Luftschiffe fortzusetzen. Das von ihm gegründete Unternehmen fertigte bis 1938 davon 110 Stück. Die spektakuläre Explosion der "Hindenburg" 1937 im amerikanischen Lakehurst (New Jersey), der 35 Menschen zum Opfer fielen, setzte dieser Entwicklung ein Ende; 1940 wurden die letzten Schiffe abgewrackt. Dieses Ende war allerdings absehbar: Die langsamen und verwundbaren Riesen paßten kaum zu der Vorstellung einer schlagkräftigen Luftwaffe, wie sie die nationalsozialistischen Machthaber hegten.

Das Aufkommen des Düsenjets und die damit immer bequemeren und preisgünstigeren Flugreisen ließen Zeppeline spätestens in den 70er Jahren endgültig als romantische Erinnerungsstücke einer golden verklärten Vergangenheit erscheinen. Nur die sogenannten Prall-Luftschiffe (englisch blimps), einfache gasgefüllte Hüllen ohne die tragenden inneren Strukturen der Starr-Luftschiffe, quasi zigarrenförmige Ballons, dienten noch als fliegende Werbeplattformen. Das blieb so bis zum 8. August 1998.

An diesem Tag, also fast genau 90 Jahre später, landete erneut ein Zeppelin in Echterdingen. Im Äußeren ähnelte er seinen Vorfahren, hatte wie sie die Anmut des Luftschiffs. Doch in jedem Detail steckte modernste Technologie, von der Kunststoffhülle bis zur Fly-by-wire-Steuerung. Denn Ende der 80er Jahre hatte die Luftschiffbau Zeppelin in Friedrichshafen am Bodensee beschlossen, das Thema noch einmal aufzugreifen. Zu diesem Zeitpunkt verdiente das Unternehmen sein Geld mit der Fertigung beispielsweise von Radarantennen, Siloanlagen und dem Vertrieb von Baumaschinen. Die mit dem Flugzeug verbundenen ökologischen Probleme ließen Luftschiffe in bestimmten Anwendungen als Alternative erscheinen: Sie verbrauchen wenig Kraftstoff, schweben sehr viel leiser durch die Luft und benötigen keine Landebahnen. Doch wären sie auch wirtschaftlich zu bauen und einzusetzen?

Der Ingenieur Florian Windischbauer und der Autor erhielten den Auftrag, diese Fragen im Rahmen einer Machbarkeitsstudie zu klären. Uns stand ein kleines Team von Ingenieuren und Wissenschaftlern zur Seite, das von allen anderen Aufgaben befreit worden war. Nach dem Vorbild der Denkschmiede "Skunk Works" des kalifornischen Luftfahrtunternehmens Lockheed erhielten wir sogar eine Bleibe außerhalb des Werksgeländes.

Am Anfang standen Recherchen im umfangreichen Firmenarchiv. Technische Unterlagen, Fahrt- und Unfallberichte zu den 110 Zeppelinen wurden ausgewertet, ebenso Informationen zu dem Betriebsverhalten von Prall-Luftschiffen. Auf dieser Grundlage entstand ein erster Anforderungskatalog.

Sollte ein Zeppelin eine echte Chance haben, mußte natürlich zuvorderst der in der heutigen Luftfahrt gültige Sicherheitsstandard erfüllt sein. Das verlangt nichtbrennbares Helium als Traggas und eine den Rumpf stützende Innenstruktur, die selbst bei einem Druckabfall die Flugtüchtigkeit gewährleistet.

Ein weiterer Punkt auf der Wunschliste betraf die Manövrierfähigkeit. Prall-Luftschiffe benötigen 15 Mann und mehr als Bodenteam. Dessen Aufgabe ist es, das mit etwa 30 Kilometer pro Stunde einfliegende Vehikel regelrecht an Seilen einzufangen und zu Boden zu ziehen – eine schweißtreibende und mitunter sogar gefährliche Arbeit. Eine große Bodencrew kann einen erheblichen Anteil der Betriebskosten eines solchen Luftschiffs ausmachen. Moderne Technik, die mit speziellen Start- und Landeverfahren Bodenpersonal ersetzt, wäre für potentielle Kunden ein gutes Kaufargument im Vergleich zum Prall-Luftschiff. Weitere Wünsche auf der Liste sind beispielsweise höhere Geschwindigkeit, Flugfähigkeit auch bei rauhem Wetter, reduzierter Lärm und weniger Vibrationen für Piloten und Passagiere, schließlich auch eine einfachere Handhabung für die Crew an Bord. Käme all das zusammen, sollten auch Marktnischen gefunden werden, in denen der Zeppelin dem Flugzeug und dem Helicopter überlegen ist.

All diese guten Wünsche arbeiteten wir bis 1990 in eine erste Design-Studie ein. Ein zehn Meter langes Modell absolvierte ein Jahr danach erfolgreich einfache Flugtests. Nun konnten wir uns daran machen, einen Prototypen in voller Größe zu bauen.

Eine der größten Herausforderungen dabei waren die in der Luftfahrtindustrie üblichen Berechnungen etwa des aerodynamischen Verhaltens der den Rumpf umströmenden Luft oder der auftretenden Beschleunigungen und Belastungen bei verschiedenen Flugmanövern. Natürlich bot die Computertechnik ein großes Potential, die Auslegung eines Zeppelins herkömmlicher Bauart erheblich zu verbessern. Sogenannte CAD-Systeme (computer aided design) erleichtern die Konstruktion. Spezielle Programme ermöglichen Belastungssimulationen und Festigkeitsberechnungen etwa mittels der Finite-Element-Methode. Doch für ein Luftschiff fehlten ausreichend genaue wissenschaftliche Abhandlungen und dementsprechend auch die unterstützende Software. Anders als im Flugzeugbau endete die Erforschung dieser Gefährte nun einmal um 1940 mit Beginn des Zweiten Weltkriegs. So mußte unser Team Theorie und Praxis der Konstruktion eines Zeppelins selbst erarbeiten.

Zwei in aerodynamischen Berechnungen erfahrene Ingenieure durchforsteten die Literatur nach nützlich erscheinenden Informationen. Gemeinsam mit Mitarbeitern des Instituts für Aerodynamik und Gasdynamik der Universität Stuttgart entwickelten sie dann Software zur Simulation von Luftschiff-Funktionen.

Diese Aufgabe wurde dadurch erschwert, daß sich – anders als bei Flugzeugen – Versuche an kleineren Modellen im Windkanal nicht ohne weiteres auf ein reales Luftschiff übertragen lassen. Umströmung und Turbulenzen verhalten sich bei den sehr großen Oberflächen anders. Besonders krass wird der Unterschied dort, wo eine fehlerhafte Berechnung der Flugmechanik die größte Probleme machen würde: an Heck und Leitwerk. Werden hierfür die auftretenden Kräfte nicht genau ermittelt, resultieren falsche Daten für die Ansteuerung von Leitwerken und Antrieben. Aber auch die rein numerische Simulation ist aufgrund großer Reynoldszahlen und nichtlinearer Aerodynamik aufwendig. Zudem reicht es nicht, stationäre Gleichungen für die Umströmung zu lösen, da sich beispielsweise der Winkel, unter dem die anströmende Luft auf die Hülle trifft, beim Nicken und Gieren ändert. Anders als bei Flugzeugen ist die mittlere Dichte des Luftschiffs der des Strömungsmediums Luft vergleichbar. Wird das Vehikel beschleunigt, gilt das deshalb auch für die umgebende Luft; ein Effekt, der wie eine Trägheitskraft wirkt. Doch unsere Ingenieure haben die Herausforderung gemeistert. Ihre theoretischen Konstrukte haben sie immer wieder durch Versuche mit dem Zehn-Meter-Modell und auch mit dem Prototyp verifiziert.

Grundsätzlich sprechen wir vom Zeppelin neuer Technologie, kurz Zeppelin NT. Der erste Typ sollte ein Gasvolumen von 7200 Kubikmetern haben, deshalb erhielt es die nähere Bezeichnung LZ N07 (das L steht für Luftschiff, Z für Zeppelin und N für Neue Technologie). Der Zeppelinkonzern und das Unternehmen ZF Friedrichshafen übernahmen die Finanzierung, die eigens im September 1993 gegründete Zeppelin Luftschifftechnik Bau und Vermarktung. Sie beantragte auch weltweit Patente, um diverse Erfindungen zu schützen.

Starr-Luftschiffe verdanken ihren Namen der stützenden inneren Struktur. Ohne eine solche konstruktive und kraftaufnehmende Komponente muß beispielsweise der Antrieb an der Gondel montiert werden. Das schränkt die Manövrierfähigkeit von Prall-Luftschiffen erheblich ein, die Belastung der Insassen durch Lärm und Vibrationen ist zudem entsprechend hoch.

Die alten Riesen wie die "Hindenburg" (LZ 129) und der "Graf Zeppelin" (LZ 130) mit ihren 200000 Kubikmetern Volumen, 243 Metern Länge und 43 Metern Durchmesser konnten uns bei der Entwicklung des Tragwerks aber nur bedingt als Vorbild dienen. Entsprechend dieser Ausmaße und den damals verfügbaren Materialien und Verbindungstechniken bestand deren Innenstruktur aus ringförmigen Spanten im Abstand von 5 Metern und 36 Längsträgern, die vom Bug bis zum Heck liefen; letztere waren zudem mit einer Vielzahl von Drähten untereinander verspannt.

Für das nur 75 Meter lange Luftschiff wären die Vielzahl von tragenden Elementen und Knotenverbindungen zu schwer und zu teuer. Überdies ist eine solche Struktur viel zu leicht zu beschädigen, etwa bei einer harten Landung. Das Skelett eines Zeppelins NT besteht vielmehr aus einem räumlichen Fachwerk, das sich aus drei Aluminium-Längsträgern und 12 Sätzen Querspanten aus Carbonfaser-Verbundwerkstoff zusammensetzt. Dieser kohlefaserverstärkte Kunststoff (CFK) ist so steif und fest wie hochfester Stahl, doch fünfmal leichter. Jeder dieser Träger besteht aus einem Hartschaum-Kern, der von weniger als ein Millimeter dicken Lagen des CFKs umhüllt ist. Die sollen Kräfte aufnehmen, die in Faserrichtung einwirken, während der Kern senkrecht dazu einwirkende Belastungen absorbiert. Die Aluminiumlängsträger verbinden die jeweils ein Dreieck bildenden Spanten zum räumlichen Fachwerk, das vom Bug bis zum Heck reicht. An diesen Trägern ist die witterungsbeständige Hülle, ein mehrschichtiges Laminat aus Tedlar-Folie und Polyestergewebe, durchgehend befestigt, so daß alle an ihr angreifenden aerodynamischen Kräfte und der Auftrieb direkt in die Stützstruktur eingeleitet werden. Alle externen Komponenten wie Antriebe, Gondel, Leitwerke mit Höhen- und Seitenruder sind mit dem Tragwerk verbunden. Überdies dienen die Aluminiumträger als elektrische Masse und schützen so vor Blitzeinschlägen. Der von dieser Fachwerkkonstruktion ausgesteifte Raum ist überdies so groß, daß auch bei eventuellen Leckagen der aerodynamische Auftrieb für eine sichere Landung ausreicht.

Ein Zeppelin NT verbindet überdies Prinzipien von Starr- und Prall-Bauweise: Auf die Hülle einwirkenden Kräften widersteht das Luftschiff nämlich auch aufgrund eines geringen Überdrucks gegenüber dem jeweiligen Außendruck von fünf Millibar. Ein bis zwei Luftkammern im Rumpfinnern helfen, die Differenz zwischen dem Atmosphären- und dem Innendruck je nach Flughöhe nachzuregeln. Sie werden am Boden entsprechend der beabsichtigten Flughöhe gefüllt und dann langsam über Ventile entleert, während sich das Helium mit der Flughöhe ausdehnt. 2500 Meter über dem Boden werden die Kammern leer sein. Sinkt das Luftschiff, sorgen elektrische Gebläse für erneute Füllung.

Eine weitere wichtige Anforderung hinsichtlich Sicherheit und Wirtschaftlichkeit ist, wie eingangs erwähnt, die Manövrierbarkeit. Um weitgehend unabhängig vom Wetter zu fliegen und ohne mannstarke Bodenmannschaft landen zu können, verwendet der neue Zeppelin drei Triebwerke, nämlich je einen links und rechts am Rumpf vor dem Auftriebsschwerpunkt und den dritten am Heck. Die seitlichen Antriebe haben Schwenkpropeller, die hydraulisch bis 120 Grad nach oben gestellt werden können und dank eigens von unserer Partnerfirma ZF Friedrichshafen entwickelter Winkelgetriebe dabei stets vollen Schub liefern.

Der Antrieb am Heck besitzt zwei Propeller. Davon ist einer um 90 Grad nach unten zu schwenken. Der andere befindet sich an der Seite des Luftschiffs. Damit läßt es sich um die Hochachse drehen, das heißt auf der Stelle um die eigene Achse rotieren (Gieren).

Die Blätter aller vier Propeller kann der Pilot hydraulisch auf Vorwärts- oder Rückwärtsschub einstellen. Um die Antriebsgeräusche gering zu halten, sind die Maschinen in einem CFK-Gehäuse gekapselt und die Umdrehungszahl der Propeller über Getriebe von 2750 auf 1250 Umdrehungen pro Minute halbiert. Die Maschinen arbeiten in ihrem optimalen Bereich, die Rotorblätter liefern ausreichend Schub selbst für eine Maximalgeschwindigkeit von 130 Kilometer pro Stunde bei reduziertem Lärmpegel.

Dank dieser Anordnung vermag das Luftschiff ohne große Unterstützung senkrecht zu landen und zu starten. Die Bodenmannschaft bedient sich eines Lastwagens, der einen auf 12 Meter ausfahrbaren Teleskopmast trägt. Eine Bugleine des Luftschiffs wird mit einer sogenannten Winschleine verbunden, das Vehikel an den Mast gezogen und schließlich mit dessen Kopf gekoppelt. Für diese Arbeiten genügen drei Personen statt 15 wie bei Prall-Luftschiffen.

Ein solcher Hochtechnologie-Zeppelin erfordert natürlich auch eine moderne Steuerung. Hatte der Pilot der "Hindenburg" oder eines anderen der großen Luftschiffe noch über Hebel und Räder Kabelzüge zu betätigen, die Maschinen und Ruder bedienten, genügen seinem Nachfolger in der LZ N07 Joysticks und Bedienpanels wie in Cockpits aktueller Düsenjets. Eine ausgefeilte Elektronik setzt diese Eingaben in Steuerkommandos für die diversen Aktoren um.

Flüssigkristallbildschirme zeigen den Status aller Funktionen des Luftschiffs, beispielsweise die Positionen der Ruder und den Anstellwinkel jedes Rotorblattes. Die elektronische Ausrüstung ergänzen ein Wetterradar und das Global Positioning System zur Positionsbestimmung. Das Cockpit ist zur Kabine hin offen, um den zwölf Passagieren ein sehr eindrucksvolleres Flugerlebnis zu vermitteln.

Der Jungfernflug des LZ N07 fand am 18. September 1997 statt. Der Zeppelin stieg nahe der Konstruktionshalle in Friedrichshafen auf. Nach 47 Minuten landete der Prototyp nach einigen Eingewöhnungsversuchen der Piloten zwei Kilometer entfernt an einem vorbereiteten Ankerplatz, wo ein neuer Hangar auf ihn wartete. Es ist nicht übertrieben zu behaupten, das wohl ein Großteil der Bevölkerung der Stadt diesem Ereignis beiwohnte.

Inzwischen liegen 400 Flugstunden und 200 Stunden Systemtests hinter uns. Alle unsere Erwartungen wurden erfüllt. Das Gesamtkonzept hat sich so bewährt, daß nur geringfügige Verbesserungen erforderlich waren, insbesondere um die Zuverlässigkeit weiter zu steigern und das Schiff in Serie fertigen zu können. Trotzdem dürfte die Musterzulassung beim Luftfahrtbundesamt – Voraussetzung der Vermarktung – erst Ende 2000 erfolgen. Denn die vielen technischen Neuerungen müssen samt und sonders entsprechend den gesetzlichen Bestimmungen dokumentiert und geprüft werden, dieser zeitliche und finanzielle Aufwand wurde bei der Planung unterschätzt.

Dennoch haben wir bereits mit der Serienproduktion begonnen. Das erste Schiff soll im Frühjahr 2001 ausgeliefert werden. Touristik, Werbung und wissenschaftliche Missionen werden typische Anwendungen für den Zeppelin NT sein. Je nach Marktentwicklung denken wir auch über größere Varianten mit höherer Transportkapazität nach. Wir sind fest davon überzeugt, daß in naher Zukunft wieder Luftschiffe über den Himmel gleiten werden, eine Renaissance dank modernster Hochtechnologie.

Literaturhinweise


Golden Age of the Great Passenger Airships, Graf Zeppelin and Hindenburg. Von Harold G. Dick und Douglas H. Robinson. Smithsonian Institution Press, 1992.

Company Town. Von William Garvey in: Air & Space Smithsonian, Band 11, Heft 6, S. 60 – 67. Februar/März 1997.

Die Homepage der Zeppelin Luftschifftechnik GmbH finden Sie im Web unter www.zeppelin-nt.com


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 2000, Seite 80
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
1 / 2000

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 1 / 2000

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