Können Luftschiffe ein Comeback erleben?

von Jack Roper

Im Jahr 1937 endete die kurze Blütezeit des Luftschiffs abrupt in einem Inferno in der Luft. Dank Fortschritten in den Bereichen Antrieb, Flugsteuerung, Verbundwerkstoffe, Meteorologie und Rechenleistung zittert nun jedoch ein neues goldenes Zeitalter, das leichter als Luft ist, an der Schwelle zur Realität. Vom Google-MitbegründerLTA-Forschungin Akron, Ohio, an das mit Helium gefüllte Hybrid-Luftfahrzeug Hybrid Air Vehicles (HAV) in Bedfordshire, Großbritannien.

Das Luftschiff von HAV nutzt einen elektrischen Antrieb und kann seinen Ursprung bis in die 1990er Jahre zurückverfolgen. „Der Airlander 10 nutzt Helium für den Auftrieb und verbraucht Energie nur für den Vortrieb, was zu erheblichen Treibstoffeinsparungen gegenüber Starrflüglern führt“, sagt Mike Durham, Chief Technical Officer von HAV. „Der Nachteil ist die Geschwindigkeit. Unter 180 km/h sind wir am glücklichsten. Bei der Luftfracht ist das jedoch weniger wichtig. Wir können Waren zu 25 % der Kosten transportieren, dafür brauchen wir aber dreimal länger.“

Der Airlander ist 100 m lang, 50 m breit und 28 m hoch. Unter leichtem Druck stehendes Helium füllt die Doppelellipsen seines großzügigen Rumpfes und fungiert als Auftriebsgas. Luftgefüllte Ballonette halten den Innendruck aufrecht, während sich das Helium ausdehnt und zusammenzieht. In der Luft treiben 500-PS-Dieselmotoren an den vier Ecken den schwerfälligen Hybrid im Vorwärtsflug an.

„In der Welt der Luftschiffe gilt: Je größer, desto besser“, sagt Durham. „Eine Verdoppelung unserer Länge würde zu einem vierfachen Luftwiderstand, aber einer achtfachen Gasfeder führen. Bei einer bescheidenen Größe anzufangen, die für die Beförderung von 100 Passagieren über 186 bis 250 Meilen geeignet ist, ist ein Schritt mit geringem Risiko. Letztendlich könnte die Luftfracht unser größter Markt sein.“

Der Airlander basiert auf dem nicht mehr finanzierten Long Endurance Multi Intelligence Vehicle (LEMV) der US-Armee, dem ersten und einzigen Hybrid-Luftschiff, das jemals gebaut wurde. HAV erwarb, modifizierte und flog es 2016 und 2017 auf dem Cardington Airfield, Großbritannien. Zunächst mit Dieselantrieb, wird es auf Elektroantrieb umgestellt. HAVentwickelt bereits einen 500-kW-Elektromotorund Controller bei Collins Aerospace und der Nottingham University.

„In fünfzehn Jahren werden wir nicht mehr über CO2 diskutieren, sondern über Effizienz im Flug“, sagt Durham. „Wir werden immer etwa ein Viertel der Energie verbrauchen und die Infrastruktur trotzdem weniger belasten als Elektroflugzeuge.“

Für die Luftfracht ist ein 140 m (460 Fuß) langer Airlander 50 mit 50 Tonnen Nutzlastkapazität vorgesehen. Aber der Airlander 10 wird die Märkte Mobilität und Expeditionstourismus bedienen. Bei Fahrten unterhalb von 9.850 Fuß (3.000 m) können Passagiere die Fenster in der drucklosen Kabine öffnen, ohne durch Vibrationen oder Turbulenzen gestört zu werden. Der Airlander ist eher eine Yacht als ein Flugzeug und landet sanft auf Gras oder Wasser.

Die großen drucklosen Kabinen eines Luftschiffs würden den Passagieren einen anderen Reisestil und ein anderes Tempo bieten (Bild: Airlander)

„Wir wollen laute und überlastete Flughäfen vermeiden“, sagt Durham. „Viele Städte liegen in der Nähe von Gewässern. Wir könnten an der Themsemündung landen, dann bringt Sie ein Hochgeschwindigkeits-Wassertaxi nach London.“

„Wir möchten gern Freundschaft mit Menschen schließen, die Wasser kohlenstoffarm verbrauchen. Wir passen zu jedem und haben nicht das Ziel, Flugzeuge oder Boote überflüssig zu machen.“

Das französische Unternehmen Flying Whales hat das LCA60T (Großraumluftschiff, 60 Tonnen) zunächst für die Holzindustrie konzipiert. Mit 200 m (650 Fuß) ist es doppelt so lang wie der Airlander. Mit Helium gefüllte Zellen im Inneren des gigantischen Rumpfs sorgen für Auftrieb, während 32 verteilte Propeller mit einem Durchmesser von 4 m (13 Fuß) einen horizontalen Flug ermöglichen.

„Wir sind ein konventionelles Luftschiff“, sagt Nicolas Weisse, Gesamtleiter für Luftschiffdesign bei Flying Whales. „HAV nutzen sowohl den aerostatischen als auch den aerodynamischen Auftrieb und müssen sich zum Fliegen vorwärts bewegen. Wir nutzen jedoch nur den aerostatischen Auftrieb des Heliums.“

„Wir sind immer im Gleichgewicht – unser aerostatischer Auftrieb bleibt gleich unserem Gewicht. Wir nutzen den Vortrieb nur, um den Lärm um das Gleichgewicht herum zu bewältigen. Unsere Knochen sind die Struktur des Luftschiffs, unsere Haut hält die Umgebung draußen, während es im Inneren unsere mit Helium gefüllten Lungen sind.“ Atmung."

Obwohl die LCA60T hauptsächlich im Tiefflug fliegt, kann sie in den bewaldeten Bergen Frankreichs eine Flughöhe von 3.000 m erreichen. Die ausschließliche Abhängigkeit vom aerostatischen Auftrieb ermöglicht es ihm, über bewaldeten Standorten zu schweben, um Lasten auszutauschen, obwohl dies zu einigen Komplikationen führt.

Das Luftschiff von Flying Whales würde zum Transport sperriger Fracht wie Baumstämmen aus Wäldern eingesetzt werden (Bild: Flying Whales)

„Wenn Baumstämme entladen werden, wird das Luftschiff leichter und steigt“, sagt Weisse. „Wir müssen den Ausgleich schaffen und das Gleichgewicht aufrechterhalten, indem wir 60 Tonnen Wasser aufnehmen.“

Ein Wasserwagen pumpt bis zu 60 m3 Wasser vom Boden in vier Ballasttanks entlang der Längsachse des LCA60T. Frühere Luftschiffe beförderten Wasser zum Abwerfen und kompensierten im Notfall Gaslecks. Ventile und Pumpen des Ballastsystems ermöglichen es dem Piloten, das Gewicht des Luftschiffs auszugleichen, dessen massive Trägheit das Risiko des Schwappens minimiert. Beim Laden von Protokollen wird der Vorgang umgekehrt.

„Wir werden das Wasser großflächig versprühen, um sicherzustellen, dass die Menschen unten kein Schwimmbecken auf den Kopf bekommen“, sagt Weisse. „Es wird wie normaler Regen im Wald sein.“

Die Konstruktionsprinzipien von Luftschiffen sind gut verstanden, sodass die Entwicklung nur wenige grundlegende technische Herausforderungen mit sich bringt. Abgesehen vom Rumpfdesign, das einiges an Fachwissen erfordert, handelt es sich beim Airlander um ein weitgehend konventionelles Flugzeug. Es verwendet Aluminium-, Kohlefaser- und elektrische Systeme, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie üblich sind, aus der HAV die meisten Mitarbeiter bezieht.

„Unser Flug ist vergleichsweise harmlos“, sagt Durham. „Wir entwerfen mit 1,5 g und neigen dazu, auf die Steifigkeit zu achten.“

„Wir haben unsere funktionale Gefahrenanalyse eingereicht und werden nach denselben Sicherheitsstandards zertifiziert wie herkömmliche Flugzeuge“, fügte Durham hinzu. „Aber die Risiken sind um eine Größenordnung geringer: Ein katastrophaler Riss ruiniert sicherlich Ihren Tag, hinterlässt aber immer noch einen riesigen Fallschirm mit einer gewissen Menge Helium darin über Ihrem Kopf. Wir stürzen langsam ab.“

HAV und Flying Whales haben sich zusammengetan, um die im Januar 2022 herausgegebenen EASA SC-GAS-Vorschriften zu entwickeln und den Weg für die Musterzulassung zu ebnen. Flying Whales hat seine vorläufige Entwurfsprüfung abgeschlossen und wird 2023 in seiner Produktionsfabrik in Nouvelle-Aquitaine mit dem Bau eines Luftschiffs beginnen. Qualifikations- und Zertifizierungsflugtests werden für 2025 und die Inbetriebnahme für Ende 2026 erwartet.

HAV hat durch das Fliegen des LEMV viel gelernt. Es wurde für längere nachrichtendienstliche Überwachung und Aufklärung (ISR) auf 6.000 m (19.685 ft) konzipiert und wurde als Vorstufe für Passagiermissionen 500 Modifikationen unterzogen. Die US-Armee plante ein im Wesentlichen unbemanntes Flugzeug, das bemannt durch den zivilen Luftraum fliegen kann, aber HAV baute es in ein einfacheres, bemanntes Flugzeug um.

Das Design des Airlander wurde anhand von Erkenntnissen aus Flugtests mit dem Long Endurance Multi Intelligence Vehicle der US-Armee verfeinert (Bild: Airlander)

„Unsere Flugtests haben das Wissen des ersten vollwertigen Hybridfahrzeugs übernommen“, sagt Durham. „Wir haben versucht, das Verhalten des Flugzeugs, die Steig- und Sinkleistung, den Treibstoffverbrauch bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und die Ablenkung oder Absorption von Energie durch den Rumpf zu verstehen. Wir haben gelernt, sie am Boden aufrechtzuerhalten. Wir haben diese Daten in unseren Simulatoren verwendet und unsere Serienflugzeuge modifiziert.“ ."

Doch in einer Novembernacht im Jahr 2017 ereignete sich eine Katastrophe, als es dem Bodenpersonal nicht gelang, das Flugzeug zu sichern. Es verlor seine Verankerung und erlitt irreparable Schäden, vielleicht eine zum Scheitern verurteilte Wiederholung seiner unbemannten Tage. Der wichtigste Vermögenswert von HAV war nicht mehr vorhanden.

HAV führte automatisierte Systeme ein, um künftige Ablösungen des Festmachermastes zu verhindern. „Wir sind ein Unternehmen ohne Schuldzuweisungen“, sagt Durham. „Es war ein schwerer Schlag, erwies sich aber als goldene Chance. Die Betreuung dieses Flugzeugs hat praktisch unsere gesamte Energie gekostet. Wir hatten in den letzten drei Jahren den Luxus, die Erkenntnisse, die wir daraus gezogen haben, wirklich zu verstehen und weiterzuentwickeln.“ "

Jüngste aerodynamische Tests im Silverstone-Windkanal des Mercedes-Grand-Prix-Teams befassten sich mit der unruhigen Nickreaktion des LEMV. HAV testete eine neue Rumpfform, die zur Verbesserung der Nickeigenschaften modifiziert wurde. Ingenieure werden CFD-Modellierung verwenden, um das Verhalten eines Flugzeugs in Originalgröße zu analysieren. HAV nutzt auch Subscaletests, um das Fahrwerk des LEMV neu zu entwickeln.

Windkanaltests des Airlander-Designs eines Hybrid-Luftfahrzeugs (Bild: Airlander)

„Das LEMV war auf dauerhafte, unbemannte Missionen in großer Höhe ausgerichtet, sodass das Fahrwerk ohnehin nur ein parasitäres Gewicht war“, sagt Durham.

„Sein rudimentäres Design war nicht gut gedämpft oder steif genug für ein Mobilitätsflugzeug. Wir haben es umgestaltet und neu patentiert, um eine vorhersehbare Landefähigkeit zu ermöglichen.“

Flying Whales hat den LCA60T bisher hauptsächlich durch Simulation entwickelt. „Die Größe erschwert das Prototyping“, erklärt Weisse. „Ein maßstabsgetreuer LCA60T-Prototyp, der 10 Tonnen statt 60 Tonnen heben würde, wäre immer noch über 100 m lang und würde eine riesige Fabrik zum Bau erfordern. Wir werden das 200 m lange Flugzeug direkt bauen und das erste als Prototyp verwenden.“

„Wir führen Tests für Verhaltensweisen durch, die wir nur schwer simulieren können, etwa Nutzlast und Schwingungen des Luftschiffs beim Lastwechsel“, sagt Weisse. „Sie regen sich gegenseitig an und werden durch Trägheit und Windböen beeinflusst. Wir werden unser Dämpfungssystem testen, um die Simulation der logarithmischen Schwingung zu validieren. Wir führen derzeit einen skalierten Gaszellentest durch.“

Die Lungen des LCA60T bestehen aus vierzehn Heliumzellen, die sich je nach Höhe und Druckunterschieden ausdehnen und zusammenziehen. Am Boden bleiben sie klein, werden aber in der Höhe voll entfaltet.

„Wir haben ein Stück Luftschiff gebaut, mit einer Brennstoffzelle der dritten Größe darin“, sagt Weisse. „Wir werden die Installation, die Stoffdichtheit, den Einsatz innerhalb der Struktur und die Heliumreinigung validieren. Wir haben viel bessere Materialien als ein Mickey-Mouse-Ballon, müssen aber trotzdem etwas Luft entfernen, die eindringt.“

Der Rumpf des Airlander besteht aus Vectran, einem gewebten Material, das für Yachten entwickelt wurde, die am America's Cup teilnehmen. Der Rumpf ist mit Urethan und Ruß zum UV-Schutz imprägniert, mit Mylar zur Gasrückhaltung und Tedlar zum Schutz vor Witterungseinflüssen beschichtet.

Die Rumpfmaterialien wurden speziellen Tests unterzogen, um einen hohen Sicherheitsspielraum zu gewährleisten. Andere Materialtests sind konventioneller.

„Der Rumpf ist in Segmenten verschweißt“, sagt Durham. „Wir führen Heiß-, Nass- und Langzeittests durch. Wir setzen ein Probestück mit einer Schweißverbindung zehn oder zwölf Tage lang einer Fluglast bei maximaler Betriebstemperatur und Luftfeuchtigkeit aus, um zu sehen, ob es auseinanderkämmt.“

Der Faradaysche Käfig eines Verkehrsflugzeugs mit Metallrumpf ist auf einem 100-Meter-Luftschiff schwer zu reproduzieren. HAV verwendet ein vom LEMV übernommenes Fly-by-Light-Flugsteuerungssystem, das gegen Blitze und elektromagnetische Störungen immun ist. Der Airlander 10 kann mit dem Autopiloten bei festem Kurs und fester Höhe fliegen, bleibt aber ein traditionell gesteuertes Flugzeug mit Gas- und Sidestick-Steuerung. Der LCA60T verfügt über eine Lastwechselstation und zwei Pilotstationen, verwendet jedoch Kontrollalgorithmen, um die Schwebehöhe aufrechtzuerhalten. Die Pilot-in-the-Loop-Simulation hat beide Systeme geprägt.

„Wir analysieren die Schwierigkeiten der Piloten im Vergleich zu den alten Flugzeugen“, sagt Durham. „Wir verwenden den Cooper-Harper-Flugfreundlichkeits-Score, um eine normale Situation im Vergleich zum plötzlichen Ausfall zweier Triebwerke zu beurteilen.“

Diese fabelhaften Luftschiffe könnten schon bald über den realen Himmel schweben und gleiten. „Flugzeuge haben sich in 70 Jahren kaum verändert, aber die Welt der Luftschiffe bietet viele Architekturen“, sagt Weisse. „Alle paar Jahre prognostizieren wir ein Comeback. Die Leute fragen sich: Warum jetzt?

Die meisten Analysten sind sich einig, dass grüner Wasserstoff das beste Mittel für den Übergang von fossilen Brennstoffen darstellt, doch der Transport zum Markt bleibt eine Herausforderung, wie Studien zeigen, die auf Lastkraftwagen basieren.

Die Insel Puna in Hawaii könnte ihre reichlich vorhandene geothermische Energie in grünen Wasserstoff umwandeln – hat aber keine Möglichkeit, diese dann zu transportieren. Rinaldo Brutoco, Gründer, Vorsitzender und CEO von H2 Clipper, schlug vor, es in einem Luftschiff über das Meer schweben zu lassen, eine Idee, aus der schließlich das Unternehmen entstand.

„Der Clipper ist 300 m lang und hat ein hohles Exoskelett“, sagt Brutoco. „Es nutzt den Auftrieb von Wasserstoff als Traggas und transportiert dabei bis zu 180.000 kg flüssigen Wasserstoff. Seine Nutzlastkapazität hängt von Geschwindigkeit, Entfernung und Höhe ab. Es nutzt einen Teil der flüssigen Nutzlast in Brennstoffzellen, um die Propeller anzutreiben fährt zwischen 150 und 300 Meilen pro Stunde.

Der H2 Clipper kombiniert gasförmigen Auftrieb und flüssigen Schub, aber nur flüssiger Wasserstoff verfügt über die Energiedichte, um mit fossilen Brennstoffen zu konkurrieren. Ingenieure wie Matt Moran, der in Cape Kennedy den größten Kryotank der Welt baute, entwickelten eine proprietäre Leichtbautechnologie, um flüssigen Wasserstoff bei -250 °C (-418 °F) fliegen zu lassen.

Das streng gehütete Design des Luftschiffs ist durch neun Patente mit 205 separaten Ansprüchen geschützt, wobei mehrere weitere Patente erwartet werden. Sein tragendes Exoskelett bietet Platz für wasserstofftragendes Gas und Tanks mit flüssigem Wasserstoff, die sowohl als Fracht als auch als Treibstoff dienen. Es wurde mit der 3DEXPERIENCE-Plattform von Dassault Systèmes entwickelt.

„Wir haben CFD verwendet, um eine möglichst laminare Luftströmung zu konstruieren. Wir biegen das Exoskelett in seiner Mitte um 360° um das Luftschiff herum, sodass Luft darüber strömt.“

„Wir haben unsere grundlegende Forschungs- und Entwicklungsphase abgeschlossen. Wir arbeiten an Fertigungstechnologien. Wir brauchen eine 24-stöckige Fabrik mit Türen an beiden Enden. Wir werden einen 400-Fuß-Prototyp unter einer experimentellen Lizenz bauen und dann fliegen lassen, während wir gleichzeitig das Flugzeug in Originalgröße bauen.“ „, sagt Brotuco.