Aerodynamische und thermische Einflüsse auf ein Luftschiff unter besonderer Berücksichtigung der Triebwerke

Diplomarbeit von Armin Litz

Einleitung:

In einer Zeit wirtschaftlicher Rezession, die sich in der Stagnation oder dem Rückgang bisheriger, tragender Industriebranchen auszeichnet, klingt die Beschäftigung mit Luftschiffen etwas ungewöhnlich. Dennoch gerade jetzt wird an einigen Orten in Deutschland, an unterschiedlichen Projekten im Zusammenhang mit Luftschiffen, konstruiert, gebaut und geforscht.

Während das Luftschiff als Flugkörper fast jedem bekannt ist, sind die technischen Eigenheiten, die die gigantisch anmutende Hülle bei alten wie bei neuen Luftschiffen verbirgt, nur wenigen vertraut. Auch ist die historische Bedeutung die das Luftschiff um die Jahrhundertwende als erstes für die Allgemeinheit zugängliche, steuerbare Fluggerät hatte, weitgehend in Vergessenheit geraten. Ob die Favorisierung der Geschwindigkeit, die nur begrenzte militärische Einsetzbarkeit, oder das anspruchsvolle Handling dafür ausschlaggebend waren, ist eine Frage, die einer eigenen Betrachtung bedarf. Trotzdem, das einzigartige äußere Erscheinungsbild und seine Bewegungsformen, sind bis heute geblieben.

Die Chancen, die das Luftschiff für die Zukunft haben könnte, sind ähnlich derer, die es um die Jahrhundertwende hatte. Damals war es Technologieträger in vielerlei Hinsicht. Es läutete den Leichtbau mit Aluminiumlegierungen ein (Vorreiter für den Flugzeugbau; heute hält diese Technik Einzug in den Automobilbau), es schaffte die aerodynamischen Grundlagen, die für alle folgenden Fahr- und Flugzeuge maßgeblich waren und sind und ebenfalls im weiteren Maße erst heute als Standard verwirklicht werden (Man beachte die Konturen moderner Kraftstoff sparender Personenkraftwagen, Busse, Lastkraftwagen und Züge). Insbesondere Prof. Johannes Schütte, dessen Erkenntnisse über widerstandsmindernde Maßnahmen, die später von Zeppelin übernommen wurden und sich auch im Bau von Lokomotiven niederschlugen (‘Fliegender Hamburger’ 1931, 230 km/h, Konstrukteur Dipl.-Ing. Friedrich Kruckenberg), seien erwähnt, ebenso wie die hervorragenden Entwicklungen von Gottlieb Daimler und Karl Maybach im Motorenbau, die schon zur damaligen Zeit den Bau formsteifer Kurbelgehäuse, Planetengetriebe, Vergaser mit Gemischverarmung (Magermotor), Schwingungsdämpfer, Umsteuerbarkeit, die 3 bzw. 4-Ventil-Technik (Ebenfalls erst heute im Motorenbau für Serienfahrzeuge großer Auflage eingebracht) und vieles mehr beherrschten und in den dreißiger Jahren Motoren schufen, deren spez. Kraftstoffverbräuche auch heute noch konkurrenzfähig sind.

Die Analyse der Abgase in Bezug auf Kondensatbildung zum Ausgleich des verbrauchten Kraftstoffs (Ballastausgleich), das Aufwärmen des Traggas- und des Luftvolumens mit Hilfe der Abwärme der Motoren, könnte man als Vorgänger der heute in der Energietechnik angewandten Brennwerttechnik und Kraft-Wärme-Kopplung nennen und vieles mehr.

Die aufkommenden Erfolge des Flugzeuges in den ersten Jahrzehnten dieses Jahrhunderts brachte die Auseinandersetzung mit dem Luftschiff Mitte bis Ende der dreißiger Jahre zum Erliegen. Das verbliebene Entwicklungspotential z.B. von zusätzlichen Trägheitsmassen zur Schubkrafteinleitung, wurde zwar damals noch aufgezeigt, konnte jedoch nicht weiter ausgereizt werden und geriet in Vergessenheit. Heute könnte auch diese Lücke geschlossen werden.

Das Luftschiff stellt also nicht nur eine Trägerkomponente zu Werbezwecken oder für Meßgeräte zur Erfassung von Umweltdaten im erdnahen Raum dar, sondern ist selber potentieller Träger von neuen Werkstoffen, aerodynamischen Erkenntnissen und intelligenten Kombinationen technischer Standards, die auch andere technische, wie medizinisch-biologische Bereiche befruchten könnten.

In einem Luftschiff arbeiten zwei völlig unterschiedliche Gase, die selber als Fluid vorliegen, während außen ein strömendes Fluid, die Umgebungsluft, Kräfte ausübt, die weder bei einem Flugzeug, noch bei einem sonstigen Fahrzeug schwerer als Luft auftreten. Daß sich ein vollbesetztes Flugzeug z.B. anders in seinem Fahrverhalten zeigt als ein leeres, ist eine selbstverständliche Alltagserfahrung. Bei einem Luftschiff wirken jedoch völlig anders geartete Kräfte, die den Alltagserfahrungen widersprechen.

Die folgende Arbeit versucht die aerodynamischen und thermischen Einflüsse auf ein Luftschiff aufzuzeigen.

Die Aerodynamik wird durch eine literarische Recherche und eine Analyse von bekannten ausgeführten Luftschiffen untersucht. Ein Nomogramm aus dem sich die notwendige Triebwerksleistung für konventionelle Luftschiffe ablesen läßt, stellt dabei einen Schwerpunkt dar. Ein weiterer besteht in der näherungsweisen Bestimmung der zusätzlichen longitudinalen Trägheitsmassen anhand von Auslaufversuchen.

Ein Verfahren zur Berechnung der Hüllengeometrien mittels Splines wird vorgestellt. Alle möglichen Temperaturvariationen von Gasen im Hüllenvolumen werden in ihren Auswirkungen auf die Auftriebskraft untersucht.

Das Triebwerk in seinen Wechselwirkungen auf Hüllenvolumina zum Ballastausgleich durch Kondensatbildung und zur permanenten Auftriebskrafterhöhung durch Nutzung der Abwärmen wurde dabei besonders berücksichtigt. Als Referenz werden im Anhang die jeweilige historische Entwicklung umrissen, sowie die wichtigsten Entwicklungen aus der jüngsten Vergangenheit wenigstens auszugsweise dargestellt. Auf fachübergreifende Zusammenhänge, insbesondere aus Fahrzeugtechnik und der Bionik wird ebenfalls kurz eingegangen. Viele Thematiken konnten nur genannt oder kurz dargestellt werden, so daß sich noch weitere intensive Untersuchungen im Rahmen weiterer Arbeiten anschließen dürften.

Viele technische Besonderheiten, die zu Beginn meiner Beschäftigung mit dem Thema Luftschiff auftauchten, waren mir so nicht geläufig. Ich kontrollierte daher die Ergebnisse mit möglichst vielen unabhängigen Referenzen. In der folgenden Darstellung lege ich daher sehr großen Wert auf exakte Zitate und Übersetzungen, die durch Anführungszeichen und Kursivschrift hervorgehoben und in besonders wichtigen Fällen als Original im Anhang angefügt werden. Auch werden die meisten dargestellten Formeln mit Zahlenwerten gefüllt um dem Leser eine leichtere Kontrollmöglichkeit zu geben. Um Redundanz zu vermeiden wurde in der Arbeit selber in den über 67 eigenen Abbildungen auf die Themen verzichtet, die sich in Form von Auszügen aus der Literatur in den über 121 Abbildungen des Anhangs wiederfinden.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Aerodynamik des Luftschiffs	7
1.1	Rechnerische Ermittlung der Triebwerksleistung	7
1.1.1	Berechnungsgleichung	7
1.1.2	Übertragung der Triebwerksleistung	8
1.1.2.1	Der Propellerwirkungsgrad	8
1.1.2.2	Der Getriebewirkungsgrad	9
1.1.2.3	Der mechanische Wirkungsgrad	9
1.1.2.4	Ausgelagerte Propeller	9
1.1.2.5	Ummantelte Propeller	10
1.1.2.6	Gegenlaufverstellpropeller	10
1.1.2.7	Propellerlärm	10
1.1.2.8	Zusammenfassung Übertragungswirkungsgrad	11
1.1.3	Höhenverhalten des Triebwerks	11
1.1.3.1	Kolbenmotoren	11
1.1.3.2	Gasturbinen	12
1.1.3.3	Der spezifische Kraftstoffverbrauch in der Höhe	12
1.1.3.4	Maximal erreichbare Höhe	12
1.2	Einflüsse auf den Luftwiderstand eines Luftschiffs	13
1.2.1	Einfluß der Reynoldszahl	13
1.2.1.1	Definition der Reynoldszahl	13
1.2.1.2	Die Grenze des Einflusses der Reynoldszahl	14
1.2.1.3	Die Problematik der Widerstandsbestimmung	15
1.2.1.4	Die Grenzschichtdicke	15
1.2.1.5	Widerstandsbestimmung bei Luftschiffen in Originalgröße	17
1.2.1.6	Der Anfahrvorgang beim Luftschiff	18
1.2.1.7	Der Gesamtwiderstand eines Luftschiffes in bezug auf die Reynoldszahl	18
1.2.2	Einfluß des Längen-Dicken-Verhältnisses	19
1.2.2.1	Das optimale Längen-Dicken-Verhältnis	20
1.2.2.2	Der scheinbare Widerspruch der Literatur	20
1.2.2.3	Analogien in der Natur	21
1.2.3	Zusammensetzung des Luftwiderstandes konventioneller Luftschiffe	22
1.2.3.1	Vergleich Luftschiffhülle mit Flugzeugrumpf	22
1.2.3.2	Zusammenfassung der Ergebnisse	25
1.3	Regressionsanalyse ausgeführter Luftschiffe	29
1.3.1	Datenquellen	29
1.3.2	Annahmen zur Datenanalyse	30
1.3.3	Ergebnisse der Analyse ausgeführter Luftschiffe	33
1.3.3.1	Analyse Luftschiffe Bauart Zeppelin	33
1.3.3.1.1	Grenzen der Gültigkeit der gemachten Annahmen	34
1.3.3.1.2	Die Entwicklung der Hüllenkonturen	35
1.3.3.1.3	Die Propelleranordnungen	35
1.3.3.1.4	Die Motoren	36
1.3.3.1.5	Gesamtkonfiguration	36
1.3.3.2	Nomogramm zur Abschätzung der Triebwerkleistung	37
1.3.3.2.1	Ausgewertete Daten	37
1.3.3.2.2	Beste Luftschiffe laut Analyse	40
1.3.3.2.3	Nomogramm	42
1.4	Besondere Einflüsse zusätzlicher Trägheitsmassen auf die Schubkrafteinleitung beim Luftschiff	43
1.4.1	Auslaufversuche beim Luftschiff	43
1.4.1.1	Gedankenmodell zu Arten und Wirkungen von Trägheitsmassen	43
1.4.1.2	Zusätzliche Trägheitsmassen beim Auto	44
1.4.1.3	Physikalische Zusammenhänge an Hand des Luftschiffes	45
1.4.1.4	Auslaufversuch an LZ 129 ‘Hindenburg’	51
1.4.1.5	Einflüsse der Dichtheit der Hülle bei Wasserstoff als Traggas	55
1.4.2	Mögliche Schlußfolgerung für Schubkrafteinleitung bei Luftschiffen	56
1.4.2.1	Gegenlaufverstellpropeller als Umfangspropeller	56
1.4.2.2	Heckpropeller	59
1.4.2.3	Flettnerkugel	60
1.4.2.4	Zusammenfassung Schubkrafteinleitung	60
2.	Konfigurierung eines Luftschiffs unter folgenden Randbedingungen: Hüllenvolumen 7000 m3, Flughöhe 500 m, Relativgeschwindigkeit 130 km/h	62
2.1	Luftschiffhülle	62
2.1.1	Konfigurierung der Hüllenkontur	62
2.1.1.1	Herkunft der Abmessungen für die Hüllenkontur	62
2.1.1.2	Bestimmung der Hüllengeometrien	63
2.1.2	Aufteilung des Hüllenvolumens	68
2.1.2.1	Physikalische Zusammenhänge	68
2.1.2.2	Füllung des Luftschiffes auf Meeresniveau	69
2.1.2.3	Volumenverteilung in 500m Höhe	70
2.1.2.4	Ermittlung der Prallhöhe	71
2.1.3	Benötigte Wärmemenge zum Aufheizen des Hüllenvolumens	72
2.1.4	Wärmebilanz der Luftschiffhülle bei Temperaturerhöhung	75
2.1.4.1	Bestimmung der äußeren Wärmeübergangszahl	75
2.1.4.2	Bestimmung der Wärmeverluste durch Strahlung	77
2.1.4.3	Einfluß der Sonneneinstrahlung	78
2.1.4.4	Zusammenfassung Wärmebilanz der Luftschiffhülle	78
2.1.5	Theoretische Auftriebskrafterhöhung bei Temperaturerhöhung des Hüllenvolumens	81
2.1.5.1	Berechnung der erhöhten Auftriebskraft	81
2.1.5.2	Einführung der Temperaturverteilungsziffer	82
2.1.5.3	Darstellung der Ergebnisse aus 2.1.3 bis 2.1.5	83
2.2	Triebwerke	89
2.2.1	Literaturstudie der in der Vergangenheit angewandten Triebwerke	89
2.2.1.1	Historischer Rückblick der Luftschiffantriebe	89
2.2.1.2	Die Daimler Motoren	92
2.2.1.3	Die Maybach-Motoren	92
2.2.1.4	Zusammenfassung Motorenentwicklung für Luftschiffe	93
2.2.1.5	Ankopplung der Triebwerke an Struktur	93
2.2.2	Auswahl anwendbarer Triebwerke	94
2.2.2.1	Ermittlung der zu installierenden Triebwerksleistung	94
2.2.2.2	Verfügbare Wellenleistungstriebwerke	96
2.2.2.3	Verfügbare Otto-Flugmotoren	97
2.2.2.4	Verfügbare Diesel-Flugmotoren	97
2.2.2.5	Ausgewählte Triebwerke	98
2.2.3	Wärmebilanz der Triebwerke am Boden	98
2.2.3.1	Berechnung der Abwärmen der Triebwerke	98
2.2.3.2	Das Diesel-Triebwerk 6R 183 TE 62	100
2.2.3.2.1	Ermittlung der Luftzahl beim Dieselmotor	101
2.2.3.2.2	Ermittlung der Abwärme beim Dieselmotor	103
2.2.3.2.3	Zusammenfassung Dieselmotor	103
2.2.3.3	Die Gasturbine MTU-250-C20 B	104
2.2.3.3.1	Ermittlung der Abgastemperatur	104
2.2.3.3.2	Ermittlung der Luftzahl (ges.)	107
2.2.3.3.3	Ermittlung der Abwärme bei der Gasturbine	108
2.2.3.3.4	Zusammenfassung Gasturbine	110
2.2.3.4	Der Ottomotor	110
2.2.3.4.1	Ermittlung der Abwärme beim Ottomotor	110
2.2.3.4.2	Zusammenfassung Ottomotor	114
2.2.3.5	Vergleich der Triebwerke am Boden	114
2.2.4	Wärmebilanz der Triebwerke unter Flugbedingungen	114
2.3	Nutzung der Abwärme der Triebwerke	118
2.3.1	Historischer Rückblick zur Nutzung der Abwärme	118
2.3.1.1	Kühlleistung zur Erwärmung des Traggases	118
2.3.1.2	Düsenkühler zur Erzeugung zusätzlicher Schubkraft	119
2.3.1.3	Nutzung der Abgase zur Erzeugung von Kondensat	120
2.3.1.4	Aufwärmen des Traggases	122
2.3.2	Theoretisch erreichbare Auftriebskrafterhöhung	123
3.	Diskussion möglicher Fehlerquellen	131
4.	Zusammenfassung	134
5.	Abbildungsverzeichnis	143
6.	Literaturverzeichnis	148
	Anhang separat

Textprobe:

Kapitel 1.3, Regressionsanalyse ausgeführter Luftschiffe:

Wie in den vorangegangenen Kapiteln dargestellt, ist die Bestimmung von Widerstandsbeiwerten bei Luftschiffen von sehr vielen Parametern abhängig, die nur schwer zu überschauen sind. Eine Konfigurierung eines neuen Luftschiffes z.B. mit vorgegebenem Volumen und einzuhaltender Höchstgeschwindigkeit, verlangt jedoch einen gewissen Überblick über die entscheidenden Parameter, insbesondere im Hinblick auf das Triebwerk. Seine Leistung sollte wenigstens in gewissen Bereichen sicher abgeschätzt werden können, da ein großer Teil der übrigen Dimensionen und Kosten unmittelbar von ihm abhängt. Als Orientierungswerte wären die Kenntnis, der bisher ausgeführten Luftschiffe, in Bezug auf den Widerstandsbeiwert, bei der jeweiligen Höchstgeschwindigkeit, von außerordentlicher Bedeutung.

1.3.1, Datenquellen:

Die größte zusammenhängende Datenquelle für Leistungsdaten von Luftschiffen wurde bei SCHMALENBACH vorgefunden. In seinem Buch ‘Die deutschen Marine-Luftschiffe’ führt er Leistungsdaten von 51 verschiedenen Luftschiffen Bauart Zeppelin (Starrluftschiff mit Aluminium-Leg.-Struktur), 7 verschiedenen Luftschiffen Bauart Schütte-Lanz (Starrluftschiff mit Holzstruktur), 4 verschiedenen Luftschiffen Bauart Parseval (Pralluftschiffe), und einem Luftschiff Bauart Groß-Basenach auf (Anhang I, Abb. I-1 bis I-7). Die Bezeichnung der Marine-Luftschiffe Bauart Zeppelin mit L, wich von der Werftbezeichnung LZ, um ‘den Feind zu irritieren’ ab.

Die dort aufgeführten Luftschiffe wurden zwischen 1900 und 1938 gebaut. Ab 1912 flogen die meisten schneller als 100 km/h, waren zwischen 92 und 245 m lang und konnten 2,8 bis 60 Tonnen tragen. Ihre Motoren waren je zwischen 14,2 und 1200 PS stark. Das schnellste war mit 132,5 km/h, LZ 120 (DELAG) mit dem Namen ‘Bodensee’(1919). Die Daten in der übrigen vorliegenden Literatur stimmten weitgehend mit denen aus Paul Schmalenbach überein, waren aber oft nicht so vollständig. Ausführliches Bildmaterial und Beschreibungen, auch unkonventioneller und aktueller Luftschiffe, fanden sich bei GÜTSCHOW /17/ ‘Das Luftschiff’ (Die meisten Abbildungen aus dem Anhang A, wie auch einige aus Anhang C stammen aus dieser Quelle). Besonderheiten aus der Praxis der Luftschiffe, Bauart Zeppelin, waren bei Hans von SCHILLER /38, 39/ zu finden, ebenso wie seltenes Bildmaterial.

Daten von weiteren 3 Pralluftschiffen (Blimps) WDL 1, WDL 1a, WDL 1b wurden mir freundlicherweise von WDL-Mülheim/Ruhr mitgeteilt (Anhang I, Abb. I-8) oder stammen z.T. auch aus GÜTSCHOW /17/ (Anhang J, Abb. J1).