Das Studium der Eigenschaften der atmosphärischen Luft bildet dieBasisaller flugtechnischen Betrachtungen.
Im gewöhnlichen Leben nimmt man von der Existenz der Luft nicht viel Notiz. Sie als einen wirklichenKörperzu betrachten, fällt uns in der Regel nicht ein und doch muß man dies, denn die einzelnen Flugobjektedurchfliegennicht nur die Luft, sondern diese ist auch jenes wichtige und gewichtige Medium, welches einerseits die erforderliche Tragkraft liefert, anderseits den zu überwindenden Widerstand leistet.
Es kann nicht Aufgabe dieser Zeilen sein, die für die Flugtechnik so wichtigen Eigenschaften der Luft alle detailliert zu besprechen. Ihre eingehende Behandlung fällt teils in das Gebiet der Physik, teils in jenes der Meteorologie und würde für sich allein einen stattlichen Band ausmachen. Nur flüchtig soll daher auf das weite Gebiet dieses Themas hingewiesen und jedem ernsten Flugtechniker ans Herz gelegt werden, sich wohl vertraut zu machen, nicht nur mit der Zusammensetzung der Luft, sondern auch mit den so variierenden Temperaturverhältnissen, der Abnahme der Wärme mit der Höhe, den Vorsichten bei der Messung der Temperaturen, dem Drucke und dem Gewichte der Luft, dem Einflusse der einzelnen Faktoren auf die verschiedenen Eigenschaften der Luft, der Feuchtigkeit, respektive dem Wassergehalte der Luft, der Bildung der Niederschläge, der Bewölkung etc. Auch die akustischen, optischen und elektrischen Erscheinungen der Atmosphäre, sowie insbesondere die Elastizität der Luft, sind Eigenschaften, welche den Luftschiffer intensiv interessieren.
Man nahm einst an, die Verhältnisse zwischen Luft und Wasser seien sehr ähnlich, was jedoch nicht in dem Maße der Fall ist, als man, besonders früher, glaubte. Abgesehen davon, daß ja die Luft circa 777mal leichter als das Wasser ist, ist sie weit leichter zusammendrückbar als letzteres und ihm an Elastizität unendlich überlegen. Deshalb sind, wie neuere Forschungen immer mehr dartun, die von Experimenten mit Wasser herrührenden Erfahrungsresultate keineswegs so ohne weiteres auch auf die Luft zu übertragen.
Von besonderer Bedeutung ist das mit der Höhe abnehmende spezifischeGewichtder Luft. Dieses ist sehr variabel, also bei weitem kein konstanter Wert, sondern abhängig von der jeweilig herrschenden Temperatur und dem Barometerstande, in geringem Maße auch von dem vorhandenen Grade der Feuchtigkeit.
Ein weiteres, sehr beachtenswertes Element, mit dem die Flugtechnik rechnen muß, ist der Wind.
Dieser ist nichts anderes, als in Bewegung begriffene Luft. Er entsteht durch Druckunterschiede in der Atmosphäre, indem Luft aus den Bereichen höheren, in die niederen Druckes fließt.
Während dieMeteorologiesich zumeist mit der Ermittlung der Hauptwindrichtung und der durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten, deren täglichen Perioden, der Verteilung des Windes auf der Erde und dem gesetzmäßigen Auftreten beider, den Schwankungen u. dgl. befaßt, studiert dieFlugtechnikaußerdem noch die Einwirkung des Windes auf die Flugobjekte, die in kleinen Intervallen auftretenden primären und sekundären Schwankungen des Windes, der vertikalen und horizontalen Richtung und der Geschwindigkeit nach.
Bezüglich derWindartenunterscheiden wir zwischengleichmäßigwehendem Wind, welcher in der Natur zumeist nur für wenige Augenblicke vorkommt und zwischenstoßweisemWind, welcher, wenigstens in der Nähe der Erdoberfläche, als die Regel angenommen werden muß.
Alle Berechnungen können sich nur auf die erstere Gattung des Windes beziehen; jedoch muß man sich die letztere Eigenschaft des Windes dabei stets vor Augen halten.DieUnbeständigkeit der Luftströmungenzeigen uns (in größeren Höhen) nicht nur die Wolken und die Ballonfahrten an, sondern auch (in den niederen Schichten der Atmosphäre) der aus den Schornsteinen aufsteigende Rauch, die wirbelnden Blätter, der Staub, das Treiben des Schnees, das Wogen der Saatenfelder, das Rauschen der Wälder etc.
ZumMessen der Windgeschwindigkeitenhat man in neuester Zeit besonders sinnreiche Apparate konstruiert, welche auch die in kleinen Zeiträumen wiederkehrenden Fluktuationen des Windes zu beobachten gestatten. Es sei hier unter anderem auf die Apparate von Lilienthal, Wellner und Langley kurz verwiesen, sowie auf meine in der Broschüre »Ballonbeobachtungen und deren graphische Darstellung« enthaltenen Anweisungen darüber.
Versuche und Messungen ergeben, daß die Windgeschwindigkeiten innerhalb nur weniger Sekunden sehr bedeutend differieren, so daß (wenn man sich die Zeiten auf einer Abszissenachse, die Geschwindigkeiten auf einer Ordinatenachse aufträgt) selbe durch größere oder kleinere Wellenlinien wiedergegeben werden, in deren auf- und absteigenden Ästen wieder sekundäre Schwankungen auftreten.
Die bisherigen Versuche zeigten, daß der Ablenkungswinkel gegen die mittlere Windrichtung oft 10-20 und mehr Grade beträgt, die Differenzen des Neigungswinkels der jeweiligen Windstriche gegen die Horizontale übersteigen nicht selten selbst im ebenen Terrain 5-6 Grade. Eine mechanische Ausnützung dieses Umstandes durch Flugobjekte ist schwer denkbar. Trotzdem muß man diese Eigentümlichkeit des Windes sich stets gegenwärtig halten. Wer weiß übrigens, ob diesesekundärenSchwankungen für schnell fliegende Luftschiffe wirklich von Belang sind?
Von besonderer Wichtigkeit ist die Geschwindigkeit und dieRichtung des Windes, welche für die Bahn des Luftschiffes über der Erde von entscheidendem Einflusse wird.
Gleichmäßig wehender Wind ist wohl auf die vertikale Bahn des Flugobjektes ohne Einfluß, weil letzteres die Geschwindigkeit des Windes annimmt und alle Rechnungen bezüglich der Tragfähigkeit, Bahn etc. so auszuführen sind, als ob gänzliche Windstille herrschen würde, doch variiert die Geschwindigkeit des zurückgelegten Weges sehr bedeutend, je nachdem Mit- oder Gegenwind weht. Es ist ein alter Erfahrungssatz, daß gerade für Anfänger die sogenannteWindfragemeist eine Klippe bildet, über die zu kommen, bei der großen Zahl der auf diesem Gebiete existierendenSchriften höchst fraglichen wissenschaftlichen Wertes, oft recht schwer fällt.
Detaillierte Angaben über Richtung und Geschwindigkeit des Windes, dessen Häufigkeit und Wechsel, respektive Zunahme mit der Höhe und alle für Luftschiffahrt in Betracht kommenden Faktoren findet man in meinem Buche »Lenkbare Ballons« auf den Seiten: 59-93, ferner auf den Seiten 188-203.
DerLuftwiderstandist die Ursache der in der Luft verzögerten Bewegung von Flugobjekten im Gegensatze zur Bewegung im luftleeren Raume.
DasLuftwiderstandsgesetzist jener analytische Ausdruck, welcher den Einfluß sämtlicher, die absolute Größe des Luftwiderstandes bestimmenden Elemente rechnungsmäßig darstellt.
Hervorgerufenwird der Luftwiderstand dadurch, daß das Flugobjekt an die Luft eine bestimmte Menge Energie überträgt.
Wie aus Obigem hervorgeht, ist der Luftwiderstand eineKraft, welcher bei Bewegung des Flugobjektes an demselben wirkt und einen Verlust an Energie hervorbringt. Dieser Verlust muß, nach dem bekannten Satze von der Arbeit, wonach die Aktion stets dasselbe Maß an Reaktion hervorbringt, gleich sein der auf die Luft übertragenen Energie-Menge.
Wie an jeder Kraft, ist auch an dem Luftwiderstande zu unterscheiden zwischen derGrößeund derRichtungderselben. Diese Elemente hängen, wie eine einfache Überlegung lehrt, ab von:
a)der Geschwindigkeit der Bewegung;b)den Dimensionen des Körpers;c)der Gestalt des Körpers;d)der Lage der jeweiligen Achse;e)dem Zustande der Luft.
a)der Geschwindigkeit der Bewegung;
b)den Dimensionen des Körpers;
c)der Gestalt des Körpers;
d)der Lage der jeweiligen Achse;
e)dem Zustande der Luft.
In der Flugtechnik befassen wir uns im allgemeinen nur mit Geschwindigkeiten bis zu 50, eventuell 80, im Maximum 100 Meter per Sekunde, also mit geringen Größen im Gegensatze zur Ballistik.
Die Gestalt der zu betrachtenden Körper ist meist eine flächenartige oder doch eine aus einer Kombination von Flächen zusammengesetzte. Nur selten werden Rotationskörper in Anwendung kommen.
Zur Ermittlung des Luftwiderstandsgesetzes wird ausschließlich der experimentelle Weg eingeschlagen. Es würde zu weit führen, alle Methoden und darauf bezügliche Daten hier auch nur auszugsweise wiederzugeben. Die Vornahme dieser Experimente soll stets in großen, geschlossenen Räumlichkeiten geschehen. Die Resultate der in der freien Atmosphäre veranstalteten Experimente sind infolge von Wind und sonstigen Witterungserscheinungen so voll von Fehlerquellen, daß sie wenig brauchbar werden. In diese Kategorie gehören Versuche von Langley, Wellner, Cailletet, Collardeau, Touche, Lilienthal u. a. Die Experimente selbst teilen sich in solche mit Rundlauf- und in solche mit Wageapparaten gemachte ein, über deren Gebrauch und Verwendung man invon Loesslsausgezeichneten Schriften, besonders in seinem Hauptwerke: »Die Luftwiderstandsgesetze, der Fall durch die Luft und der Vogelflug«, Wien 1896, die Seiten 3-23 nachlesen wolle.
Fig. 1. Friedrich Ritter vonLoessl, der bis jetzt erfolgreichste Experimentator auf dem Gebiete des Luftwiderstandes.
Bei allen werden ebene, dünne Flächen in gleichmäßige Bewegung gesetzt und die sich hierbei ergebenden Widerstände ihrer Größe nach durch wiederholt angestellte Versuche ermittelt. Diese Messungen erfordern einen großen Aufwand von Zeit, Mühe, Geduld, Fleiß, Accuratesse, Geld u. dgl. mehr und sind viele Jahre hindurch in geradezu mustergiltiger Weise von Loessl ausgeführt worden.
Ein Blick auf die hier beigefügte Tafel, welche eine Anzahl von diesem hervorragenden Experimentator verfertigter Versuchsmodelle im Bilde enthält, läßt die aufgewendete Arbeitsleistung ahnen.
Infolge der oben besprochenen Gründe anerkennt man heute als einwandfrei nur jene Resultate, welchevon Loesslbei seinen minutiösen Luftwiderstandsmessungen gefunden hat.
Um die Ergründung dieses Luftwiderstandsgesetzes machten sich außerdem noch folgende Experimentatoren verdient:
Newton, Bernoulli, Euler, Borda, Robins, Thibault, du Buat, Poncelet, Kummer, Didion, Piobert, Robin, Rouse, Hutton, Vince, Helie, Virlet, Majewski, Bashfort, Krupp, Wellner, Lilienthal, Langley, Maxim, Weisbach, Renard, Eytelwein, Gerlach, Lord Raleigh, Smeaton etc. etc.
Aus dieser Aufzählung allein kann man schon ermessen, wieviel auf diesem Gebiete experimentiert wurde; trotzdem sind noch bei weitem nicht alle Fragen einspruchsfrei beantwortet.
Die Größe des Luftwiderstandes ist innerhalb jener Geschwindigkeitsgrenzen, welche uns interessieren, gleich groß, ob sich nun eine Fläche mit einer bestimmten Geschwindigkeit in ruhender Luft vorwärts bewege, oder ob dieselbe Fläche im Raume feststehend, von immer gleichförmig bewegter Luft mit derselben Geschwindigkeit getroffen werde. Stets kommt es auf die relative Bewegung zwischen Luft und Flugobjekt an.
Mit Hilfe von Experimenten, indem man Flächen von bekannter Größe mit variablen Geschwindigkeiten umlaufen ließ, hat man gefunden, daß der Luftwiderstand proportional der Größe der bewegten Fläche sei und mit dem Quadrate der Geschwindigkeit der Luft wachse.
Von einem gewissen Einflusse ist auch das Gewicht der Luft, in dem die Flächen- oder Körperbewegungen vor sich gehen. Hierbei muß man sich gegenwärtig halten, daß das Gewicht der Luft von der Temperatur und dem Luftdrucke abhängig ist.
Die geometrische Figur der Experimentalfläche hat einen mehr untergeordneten Einfluß.
Kleine Versuchsobjekte in dem Loesslschen Laboratorium für Luftwiderstands-Messung.September 1902.
Vor der Fläche bildet sich ein sogenannterLuftkegel, das ist ein Kegel ruhender komprimierter Luft, welche sich im Zustande des statischen Gleichgewichtes befindet und der die bewegte Luft gleichsam keilförmig ablenkt.
Über die äußereLuftreibungliegen noch sehr wenige Daten vor, im allgemeinen vernachlässigt man sie.
Überhaupt ist dieses Gebiet, so grundlegend das Luftwiderstandsgesetz für die theoretische Behandlung des Gegenstandes genannt werden muß, noch ein viel zu wenig durchforschtes.
Allgemein ausgedrückt, ist der Luftwiderstand direkt proportioniert einem Produkte, bestehend aus dem spezifischen Gewichte der Luft, der Fläche, einem dieser entsprechenden Koeffizienten, dem Quadrate der Geschwindigkeit und umgekehrt proportioniert der Accelleration der Schwere.
Im algebraischen Gewande lautet diese Formel:
R =γgξ F v2, worin bedeuten:
R=den Luftwiderstand inkgeiner Fläche von beliebiger Gestalt;γ=das spezifische Gewicht der Luft inkg, bei der jeweilig herrschenden Temperatur und dem betreffenden Barometerstande;g=die Accelleration der Schwere;F=die Fläche inm2;ξ=einen von der Form und Lage der Fläche abhängigen Koeffizienten. Bei ebenen Flächen, welche geneigt sind, ist ξ = sin α, d. h. gleich dem Sinus des Neigungswinkels;v=die relative Bewegung zwischen Luft und Fläche in Meter per Sekunde.
Die Arbeitsgleichung des Luftwiderstandsgesetzes gibt uns wertvollen Aufschluß über die für flugtechnische Probleme so wichtigen Arbeitsleistungen. Die Experimente lehren uns, daß die Arbeit mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit wächst, was wohl zu beherzigen ist.
Aus den einzelnen, hier nicht wieder gegebenen Formeln lassen sich eine ganze Reihe höchst wichtiger Gleichungen entwickeln, welche nicht nur über die Natur des Luftwiderstandsgesetzes vieler einschlägiger flugtechnischer Fragen Aufklärung geben, sondern uns überhaupt neue Bahnen bei Behandlung dieses Gegenstandes eröffnen.
Wer sich für dieses Kapitel intensiv interessiert, den verweise ich auf dasLoesslsche Werk über die Luftwiderstandsgesetze pag. 149-178 und auf meine Schrift: »Das Loesslsche Luftwiderstandsgesetz und dessen Anwendung auf die Flugtechnik«, Sonderabdruck aus den »Technischen Blättern« in Prag.
Wir wollen nun eine kurze Umschau über die für ballon- und flugtechnische Zwecke brauchbaren Motoren halten. Die Motoren müssen die Widerstandsarbeit leisten. Um ein Gutachten über die verschiedenen Kraftspender abgeben zu können, und die richtige Wahl zwischen verschiedenen zu treffen, muß man Maschinentechniker sein. Aber selbst diesem fällt die Abgabe eines Urteiles bezüglich der Brauchbarkeit des einen oder des anderen Motors oft recht schwer.
DieBedingungen, welche ein solcher erfüllen muß, sind meist recht komplizierter Natur, oft bis knapp an die Grenze des Erreichbaren gehend. Bekanntlich unterscheiden wir zwei Hauptgruppen von Motoren, es sind dies:
1.die Accumulatoren,
2.die eigentlichen Motoren.
In erstere legen wir künstlich Energie hinein, (wir laden sie), die theoretisch gleich der zu leistenden Arbeit, praktisch infolge der zahlreichen Effektsverluste natürlich stets bedeutend größer sein muß. Dies sind künstliche Accumulatoren. Die zweite Gattung leistet eine Arbeit infolge Verwertung von natürlichen Accumulatoren, wie z. B. von Kohle, Gas, brennbaren Ölen etc.
Für Zwecke der Luftschiffahrt kommen vonkünstlichen Accumulatorenin Betracht:
Maschinen mit komprimiertem Gas,Natronlaugenmaschinen,Dynamos mit elektrischen Accumulatoren.
Voneigentlichen Motoren:
die Dampfmaschinen,die Gas-, Petroleum- oder Benzin-Motoren,Dynamos mit Primärbatterien,Dampfturbinen.
Welchen Bedingungen sollen die für flugtechnische Zwecke gebauten Maschinen entsprechen?
Diese Frage ist sehr schwer zu beantworten; ich will versuchen, die Hauptbedingungen aufzuzählen.
Fig. 2. Der Röhrenkessel von Maxims Drachenflieger.
Die Punkte 1 und 2 lassen sich so zusammenfassen, daß man sagen kann: Eine Flugmaschine soll pro effektiver Ballon- oder Flugmaschinen-Stundenpferdestärke ein Minimum an Gewicht erfordern.
Da es zu weit führen und dem Zwecke dieser Zeilen nicht entsprechen würde, wenn ich hier diese ganze Frage eingehend behandeln wollte, was einer anderen Arbeit vorbehalten sein soll, so will ich dieses Thema nur in großen Zügen besprechen.
Bei der Verwendung vonDampfmaschinenmüssen auf dem Luftschiffe Platz finden:
a)der Dampferzeuger, (Dampfkessel),b)die Speisung fürau. zw.:α) Heizmaterial (Kohle, Gas), β) Wasser,c)der eigentliche Dampfmotor (die Maschine),d)die diversen Nebenbestandteile, wie Armatur, Pumpen, Injektoren etc. etc.e)der Kondensator.
Diese Unterabteilungen zeigen, wo man bei den einzelnen Bestandteilen an Gewicht sparen kann.
Derzeit sind wohl die Wasserrohrkessel die relativ leichtesten; Maxim hat eine geradezu brillante Form derselben in die Flugtechnik eingeführt.
Zu brauchen sind auch Serpollets Generatoren, vielleicht werden sich auch die Wärmetransmissionskessel von Herz für unsere Zwecke verwenden lassen. Der Tätigkeit des Kesselbauers eröffnet sich da ein neues und weites Feld.
Fig. 3. HiramMaxim, seinen leichten 180pferdestarken Dampfmotor hebend.
Das Wasser wird nur im chemisch reinen Zustande mitgenommen werden dürfen. Kohle oder Kohlenstaub wird man nicht verwenden, vielleicht dagegen Heizölfeuerung. In ausgiebigster Weise wird man aber von Petroleum und Benzinfeuerung Gebrauch machen. Die Verbrennungen müssen vollkommene sein. Dem Leichterwerden des Luftschiffes durch Verbrauch an Brennmaterial ist Rechnung zu tragen.
Außer den vorbenannten natürlichen Accumulatoren kommen noch die Gasfeuerungen in Betracht, u. zw. dies besonders dann, wenn es sich um lenkbare Ballons handelt, die ihren Gasvorrat mit sich führen.
Besonders großen Heizwert besitzt das Wasserstoffgas mit 34460 Wärmeeinheiten.
Wasserstoffgas im komprimierten Zustande für Heizzwecke mit sich zu führen, ist einerseits wegen der doch immer nicht ausgeschlossenen Explosionsmöglichkeit gefährlich und anderseits wegen des Gewichtes der Umhüllung nicht rentabel.
Für flug- oder ballontechnische Zwecke wird man Dampfmaschinen nicht für kleine Betriebe bauen, sondern nur von ca. 30-50 Pferdestärken angefangen.
Eine eingehende Betrachtung der Gewichtsverhältnisse lehrt nämlich, daß eine Dampfmaschine pro effektive Stundenpferdestärke gemessen, um desto leichter ist, je größer sie wird. Man hat bei derselben auf schnelle Gangart, möglichste Ökonomie des Dampfverbrauches, Freisein von Stößen, Vibration, und einfache Konstruktion zu sehen.
Dies führt auf die Verwendung vonCompoundmaschinen. Ein Hauptaugenmerk wird auf die Anordnung einer entsprechenden Kondensation und zwar einer Oberflächenkondensation mit Luftkühlung zu richten sein.
Ein sehr interessantes und lehrreiches Beispiel eines Flugmaschinenmotors bietet der vonMaximkonstruierte.
Die Röhrenkesselanlage samt Wasserinhalt soll 545kg, die der zugehörigen Compoundmaschine 272kgbetragen, und einen Effekt von 363 HP geliefert haben.
Der Dampf- und Kohlenbedarf beträgt nach meiner Quelle »North American Review« pro Pferdestärke und Stunde 11·3kg.
Es würde sich somit das Gewicht des ganzen Motors samt Brennmaterial und Wasserbedarf für eine ganze Stunde auf circa 15-17kgbelaufen.
Einen anderen ebenfalls sehr leichten Dampfmotor hat Herring gebaut. Er wiegt nur etwa 1·2kgund soll 7 gebremste Pferdestärken leisten. Seine Admissionsspannung beträgt dabei 16 Atmosphären und die Tourenzahl 40 Umdrehungen pro Sekunde.
Eine andere Serie Motoren bilden dieDampfturbinen. Sie haben den großen Vorteil, rotierende Dampfmotoren und äußerst kompendiös zu sein.
In neuester Zeit hat besondersDe LavalsDampfturbine sehr gute Resultate aufzuweisen.
Als ein Übelstand muß die große Anzahl von Umlaufszahlen (20.000-30.000 pro Minute) angesehen werden.
Dies verlangt ausgiebige Übersetzungen ins Langsame und dadurch hervorgerufene große Effektsverluste.
Auch ist der Dampfbedarf ein etwas größerer, als bei normalen Dampfmaschinen. Es soll aber schon gelungen sein, ihn gegenwärtig auf 11·6kgherabzubringen. Immerhin ist durch den Entfall der hin- und hergehenden Massen und dadurch, daß das Eigengewicht des Motors auf ein Minimum reduziert werden kann, diese Dampfturbine für flugtechnische Zwecke beachtenswert.
Ein 20pferdiger De Laval-Motor wiegt z. B. nur 340kgund nimmt samt dem Übersetzungsgetriebe einen Flächenraum von 75/55cmein.
Fig. 4. Herrings leichter Motor für Flugmaschinen.
Das Turbinenrad besitzt hierbei nur 15cmDurchmesser. Die 8·8mmdicke Welle macht 22.000 Umdrehungen, die auf 2200 Touren zum Betriebe von Dynamomaschinen heruntergebracht wird.
Nur kurz sei derNatrondampfkesselgedacht; sie erzeugen weder Gase noch Rauch und haben den Vorteil, stets eine gleiche Gewichtsquantität zu besitzen.
Die Wärmequelle bildet die konzentrierte Natronlauge. Die Natronlösungen besitzen die Eigenschaft bei gewisser Konzentration und dadurch bestimmtem Siedepunkt Wasserdampf unter Wärmeentwicklung aufzunehmen, sie können mithin benützt werden, den Auspuffdampf einer Maschine zu kondensieren und durch die dabei entstehende ErhitzungWasser zu verdampfen. Demnach findet bei dem Natronkessel ein Kreislauf statt, der solange fortgesetzt werden kann, bis die Lauge bei einer bestimmten Verdünnung ihren Siedepunkt erreicht hat und aufhört, den Auspuffdampf aufzunehmen.
Durch Verbindung mit Wärmetransmissionskesseln dürften sich, wie ich glaube, günstige Resultate erzielen lassen.
Eine andere Art von für flugtechnische Zwecke ins Auge zu fassenden Motoren sind dieGas-, Petroleum- und Benzinmotoren, welche in die Gruppe derExplosionsmotorenrangieren. Sie haben den Vorteil, keinen eigenen Kessel und ein sehr geringes Gewicht an Betriebsstoff (circa 0·5kgpro Pferd und Stunde) zu benötigen.
Auch kann der Luftkondensator, der einen geringen Vorrat von Kühlwasser hält, circa drei- bis viermal so leicht sein, als bei einer gleich starken Dampfmaschine.
Fig. 5.Santos Dumontden Buchet-Motor seines Ballons betrachtend.
Da aber, entweder im Vier- oder im Zweitakt, nie doppelwirkend, gearbeitet wird, so fällt der eigentliche Motor schwerer aus, als die analoge Dampfmaschine.
Nachteilig erscheint die komplizierte Steuerung, die Mischung mit Luftzündung und der Bedarf an Kühlwasser.
Sie sind die ausgesprochenen Luftschiffmotoren der Zukunft. Ihre dermalige Ausgestaltung verdanken sie unstreitig ihrer Verwendung im Automobilbau. Liest man ihre Eigengewichte, wie sie die einzelnen Maschinenwerkstätten angeben, so glaubt man, der jahrelange Traum der Luftschiffer nach dem leichten Motor habe sich endlich verwirklicht. So finden wir z. B. das Gewicht einer Pferdestärke von Buchet-Motoren von 6·3-7·8kgdifferierend angegeben, je nachdem man eine 20, 30 oder 40 pferdestarke Maschine in Betracht zieht. Mors liefert die Pferdestärke zu einem Gewichte von 3·2 bis 6·2kgbei Motoren von 90-200 Pferden. Bourdiaux und Delalande gar zu 2·1-3·3kgbei Motoren von 50, respektive 20 Pferden. Es schwindelt einem förmlich bei diesen Zahlen. In der Wirklichkeit jedoch stellen sich die Verhältnisse etwas anders. Zu dem Gewichte des eigentlichen Motors kommen nämlich noch die Gewichte all der Nebenbestandteile etc. etc., ohne welche der Motor nicht funktioniert, so daß wir heute noch mit Gewichten von 17-20kgpro 1 Luftschiffpferdestärke rechnen müssen. Immerhin schon ein ungeheuerer Fortschritt gegen frühere Jahre, wo eine solche Pferdestärke z. B. bei Giffards Ballon (1852) noch 290kg, bei Tissandiers Ballon (1883) noch 186kg, bei Renard-Krebs (1884) 77kgund bei Zeppelin, Daimler (1900) 30kgwog.
Auf dem Gebiete der Explosivmotoren wird erst seit circa 30 Jahren intensiver gearbeitet und lassen die bis nun erzielten großen Erfolge wohl noch eine weitere ersprießliche Entwicklung erwarten.
Von denelektrischen Motorendürften in erster Linie die Accumulatoren in Betracht kommen, doch sind sie gegenwärtig noch ziemlich schwer.
Das Gewicht der elektrischen Motoren setzt sich zusammen aus dem der Dynamos, Getriebe, Accumulatoren, Regulatoren und Schaltern.
Aus diesen wenigen Andeutungen geht klar hervor, daß die Luftschiffahrt und die Flugtechnik an die Motoren zum Teile mit ganz neuen, bis jetzt fast bei keinen anderen Betrieben (Torpedoboote und Automobile ausgenommen) gestellten Anforderungen herantritt, welche ein intensives Studium, eigene Versuche und separate Erprobungen erfordern. Schon jetzt ist Aussicht vorhanden, daß die Maschinentechnik die ihr hier gestellten Aufgaben mit Erfolg lösen wird.
Die Luftschrauben gehören strenge genommen auch zu den Motoren, sie haben den Zweck, die eigentliche Energieabgabe an die Luft zu veranlassen und bewirken so die Fortbewegung des Fahrzeuges.
Bei den Luftschrauben dient die Luft als Schraubenmutter, ähnlich wie das Wasser bei den Wasserschrauben.
Die Luftschrauben erhalten von den sie betreibenden Motoren die Kraft, das Luftschiff entweder zu heben oderzu ziehen, respektive vorwärts zu treiben, oder beides zugleich.
Diese Wirkungsweise erfolgt je nachdem die Achse der Luftschraube entweder vertikal, horizontal oder schief gestellt ist.
Demnach läßt sich die Einteilung treffen in:
a)Hubschrauben mit vertikaler Achse,b)Zugschrauben mit horizontaler Achse,c)Druckschrauben mit horizontaler Achse,d)Universalschrauben mit geneigter Achse.
Die Gattungenb)undc)lassen sich auch als Vortrieb oder Triebschrauben kurzweg zusammenfassen.
Entscheidend für die Arbeitsleistung ist neben der wirkendenKraftauch dieGeschwindigkeitder Schrauben.
Als Maß derselben gilt einerseits die minutliche Zahl der Umdrehungen, anderseits die Größe der Geschwindigkeit des Druckmittelpunktes.
Wenn sich eine Schraube bewegt, so ist klar, daß die Bewegung im Mittelpunkte Null, die an der Peripherie am größten sein wird.
Zur rechnungsmäßigen Verwertung aber ist allein jene Geschwindigkeit geeignet, welche dem Druckmittelpunkte zukommt.
Es sollen hier nur kurz jene Punkte angeführt werden, welche bei der Konstruktion von Schrauben hauptsächlich Beachtung finden müssen.
Es sind dies vor allen jene Elemente, die auf dieEntstehung der SchraubenBezug haben, wie dieSchraubenlinie, dieSchraubenfläche, derSchraubengang, dieErzeugungslinieund dieRichtlinie.
Hiervon ist dieErzeugungslinievon besonderer Wichtigkeit; einige empfehlen flachgewölbte, dem Vogelflügel ähnlich gebaute zu verwenden, andere hingegen ebene. Wie sie auf die Achse aufzusetzen sind, ob senkrecht oder unter welchen anderen Winkel, ist ebenfalls eine offene Frage.
Bezüglich desSchraubenflügelsunterscheidet man die Art und Zahl der Gänge, die günstigste Flügelzahl, die Fläche, Lage, das Material und die Stärke der Flügel, sowie die Schraubennabe und die Befestigung der Flügel.
Meist wird es wohl ziemlich einerlei sein, ob manrechts- oderlinksgängige Schrauben verwendet, oft und besonders bei Hub- und Universalschrauben werden beide Gattungen gewählt werden müssen.
DieZahl der Gängedarf zwei nicht überschreiten. Eigene Versuche ergaben das mich anfangs überraschende, aber sehr wohl erklärliche Resultat, daß aucheinflügelige, gehörig ausbalanzierte Schrauben mit Erfolg zu verwenden sind.
Bezüglich der günstigstenFlächender Flügel, der Flügelkreisflächen, der abgewickelten Flügelfläche, der projizierten Flügelfläche und dem Bruchteil der Ganghöhe liegen bei Luftschrauben noch gar keine Erfahrungen vor.
Fig. 6. Schrauben und Drachenfliegermodell von Hargrave.
Dieabgewickelte Flügelflächesoll in der Nähe der Achse möglichst wenig Fläche besitzen, desto mehr gegen das Ende der Flügel zu, um den Trägheitshalbmesser möglichst groß zu bekommen. Sie kann Dreiecks- oder Trapezform erhalten, meist wird sie länger als breit ausfallen.
Sehr empfehlenswert sind nachstehend abgebildete Schraubenformen, welche für große Tourenzahlen berechnet sind.
Entschieden ist auch noch nicht die Frage, ob vielekleineFlügel, oder wenige,großeFlügelflächen vorteilhafter sind. Beide Arten haben ihren Vertreter.
Auch bezüglich desSchraubendurchmesserssind sehr geteilte Meinungen vorhanden.
Während z. B.PichaultundJarolimeknur solche von höchstens bis zu 0·5mDurchmesser empfehlen, hatten nachfolgende ausgeführte Schrauben folgenden Durchmesser:
Giffard3.5mDupuy de Lôme9.0mHaenlein4.6mTissandier2.9mRenard, Krebs7.0mMaxim5.43m
was einem tatsächlichen Mittel von 5.4mentspricht.
Auf einer Achse kann endlich entweder nureineSchraube oder ein System unter sich versetzter Schrauben aufgebracht werden. Auch darüber fehlen leider Versuche, obgleich dies eine der allerwichtigsten flugtechnischen Fragen ist.
Es ist besonders zu bestimmen, wie groß die Entfernung der einzelnen Flügel voneinander sein soll, und wie viele man auf eine Achse überhaupt aufsetzen kann.
Sehr verschieden ist derWirkungsgradeinzelner Schrauben; die besten bis nun konstruierten hatten circa 50-60%.
Hervorzuheben ist die vermehrte Hebewirkung der Hub- und Universalschrauben bei Wind.
Die einzelnen Umlauf-Geschwindigkeiten betrugen bei den bis jetzt ausgeführten Schrauben bei:
Giffard (1852)3.5mDupuy de Lôme (1872)9.0mHaenlein (1872)4.6mTissandier (1883-84)2.85mRenard-Krebs (1884-85)7.0mMaxim (1894)80.0m
Über die Anbringung der Schrauben, ihre Inbetriebsetzung, ob durch Riemen oder mit Seilen, bei denen ein empfindlicher Effektverlust durch Gleiten unvermeidlich ist, oder durch Friktions-, eventuell Zahnräder, welche wieder ein bedeutendes Gewicht beanspruchen, ist noch fast gar nichts kalkuliert worden.
Trotzdem ist die Schraubenfrage eine der wichtigsten, welche, wie alle vorbenannten, dringend eines eingehenden Studiums bedarf.
Nicht zuletzt kommt die Frage nach der besten Konstruktion der Luftschrauben überhaupt, ob nicht etwa gefächerte Flügelflächen, und welches Material dabei in Anwendung kommen soll. Wie man sieht, eröffnet sich hier der Tätigkeit des Experimentators ein weites Feld.
Die hauptsächlichsten Eigenschaften, welche flugtechnischen Zwecken dienende Materialien besitzen sollen, sind:
Von den einzelnen Werkstätten für aëronautische Zwecke wollen wir hier nicht weiter sprechen. Die Figur 7 läßt uns einen Blick in das Luftschifferatelier von Lachambre, einem Pariser Etablissement, tun, wo die lenkbaren Ballons von Santos Dumont erzeugt wurden. Solche Werkstätten gibt es in Paris mehrere, die hervorragendste ist jene von Surcouf, dann nenne ich noch das Atelier Godard, Mallet Yon und Besançon; in Augsburg befindet sich das ausgezeichnete, derartige Etablissement von August Riedinger.
Fig. 7. Blick in die aëronautische Werkstatt vonLachambrein Vaugirard.
Was die einzelnen Baumaterialien betrifft, so ist das relativ leichteste, d. i. das bei gleichem Gewichte und gleicher Festigkeit leichteste Material der Stahl, ihm dürfte aber in dem Magnalium ein erfolgreicher Konkurrent erstehen.
Für flugtechnische Zwecke finden hauptsächlich Verwendung:
Bei Yon in Paris sah ich eine sehr gute Kombination aus Furnierholz, Seide und Stahlnetzen, das Ganze geleimt und in eine cylindrische Form von circa 8mLänge und 30cmDurchmesser gebracht. Ich konnte diese Stange mit einer Hand leicht heben. Trotz ihrer Leichtigkeit hatte sie dabei augenscheinlich eine ziemlich bedeutende Festigkeit.
Sehrleichte Flügelflächenfür Modelle können auf folgende Art hergestellt werden:
Man nimmt eine Eschenstange, setzt kammförmig in Abständen von 2-3cmMittelrippen von 1-1.2mLänge ein, und überklebt sie mit Papier, Seide u. dgl. Diese Rippen erhält man aus Blättern ostindischer Palmen, welche auf den Schiffen zur Verpackung überseeischer Güter benützt werden. Aus diesen circa 1-1.2mlangen Blättern wird die Hauptrippe herausgeschnitten und abgeschält. Sie hat eine Stärke von 3-5mmund spitzt sich nach den Enden hin auf circa 1mmzu.
DieElastizität der Materialienspielt beim Bau der Luftschiffe eine bedeutend größere Rolle als anderswo. Die Schrauben-Tragflächen, die mit der Luft in Berührung kommen, erfordern ein inniges Anschmiegen an die Luftmoleküle zur Vermeidung von Wirbelbildungen. Stöße und Erschütterungen sind speziell beim Landen unvermeidlich, weshalb spröde, glasharte Körper nicht in Verwendung kommen dürfen.
Zur Gewichtserleichterung wird es sich fast ausnahmslos empfehlen, die Achsen, Wellen etc. hohl, und von Versteifungsdrähten den ausgedehntesten Gebrauch zu machen.
Auch dieses Kapitel ist noch sehr wenig durchgearbeitet, worauf hier nur kurz verwiesen wird.
Bei den heutigen Maschinen kann dasFundamentfast immer sehr massig gemacht werden; auf eine leichte Bauart wird im allgemeinen nur bei den hin- und hergehenden Massen der Dampfmaschinen gesehen, während sonst förmlich eine Verschwendung an Material platzgreift, welches die vielen auftretenden Stöße aufnehmen soll und daher eher gesucht als vermieden wird.
Bei der Flugtechnik ist dies anders, sie wandelt auch auf diesem Gebiete, gleich der Automobilindustrie, neue Bahnen.
In dieses Kapitel gehört auch die Erzeugung des für lenkbare Ballons erforderlichenTraggases. Dieses ist entweder das leichteste aller Gase:Wasserstoffgas, oder:Leuchtgas, oder:Wassergas. Über die Darstellungsart dieser Gase enthält das oben angezogene Buch »Lenkbare Ballons« hinreichende Daten.
Fig. 8. Schematische Skizze des Wasserstofferzeugungs-Apparates von Tissandier.
Auch heute noch oft angewendet ist die Erzeugung von Wasserstoffgas aus Schwefelsäure durch Fällung mit Eisenfeilspänen. Die Figur 8 zeigt eine schematische Skizze der hierbei erforderlichen Apparate, wie sie der berühmte Luftschiffer Gaston Tissandier bei Füllung seiner Ballons anwendete. Nach und nach wird diese, ich möchte sagen, durch ihren unsinnigen Materialverbrauch barbarische Darstellungsart, immer mehr durch das elektrische Verfahren verdrängt, welches auch den Vorteil hat, das Gas reiner, also tragfähiger und nicht durch arsenikhaltige Beimischungen vergiftet, zu liefern.
Nachdem es heute noch keinen brauchbaren »lenkbaren Ballon« gibt, so müssen wir uns, 118 Jahre nach der Erfindung des Kugelballons durch Montgolfière, oder wenn man will, 193 Jahre nach Bartolomeu Lourenço de Gusmão, welchen manche als ersten Luftschiffer betrachten (weil er sich in Lissabon im Jahre 1709 mit einem Ballon bis an die Decke der Casa del India erhoben hatte) noch immer dieses unbeholfenen Fahrzeuges bedienen, wenn wir unseren Weg durch die Luft nehmen wollen.
Es verlohnt sich der Mühe, eine Reihe von Ballonfahrten, welche innerhalb der letzten acht Jahre — die früheren bemerkenswerten Kugelballonfahrten setze ich als mehr oder weniger bekannt voraus — mit Kugelballons unternommen wurden, hier gesammelt unseren verehrten Lesern vorzuführen.
Ein richtiger Luftsport hat sich, wenigstens bei uns, doch erst in den letzten Jahren entwickelt, wozu die Gründungen der einzelnen Aëroklubs wohl das meiste beigetragen haben.
Ein besonderes Interesse bieten die gelegentlich der letzten Pariser Weltausstellung veranstalteten Ballonwettfahrten. Sie wurden von verschiedenen Gesichtspunkten aus inszeniert und unterscheiden sich je nach dem Zwecke, den sie verfolgen, in:
Im Jahre 1900 fanden von Paris aus, gelegentlich derWettflüge, 156 Ballonfahrten statt.
Außer Geldprämien wurden künstlerisch von Vernon ausgeführte Plaquettes und von Durois entworfene Medaillen an die Sieger ausgeteilt. Von den schönen Plaquettes geben die Fig. 9 und 10 gute Abbildungen.