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high tech ballooning
aerostat das Projekt
Es gibt Bereiche, die durch den Einsatz von Luftschiffen besser und sinnvoller bedient werden können als durch Flugmittel wie Hubschrauber oder Flugzeuge. Für diese Nutzungsbereiche wurde das Luftschiffkonzept “aerostat” entwickelt. Das entstandene “Leichter-als Luft” Vehikel, versucht durch neue Ideen und innovative Materialien eine größtmögliche Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit zu gewährleisten welche herkömmliche Luftschiffe nicht bieten. Diese Dokumentation gewährt einen Einblick in das gesamte Projekt.
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aerostat die Nutzung
Das Luftschiff soll in folgenden Bereichen zum Einsatz kommen: -Luftgestützte Archäologie
-Überwachungsplattform für Waldbrände
-Kartographie und Vermessung
-Rettungseinsätze
-Ozeanographie
-Geowissenschaften
-Kontrollflüge über Pipelines und Stromleitungen
-medizinische Versorgung in schwer zugänglichen Gebieten
-Überwachung von Wasserstraßen und Fischereizonen -Aufspüren und Vermessung von Minenfeldern -Fliegende Einsatzzentrale in Katastrophengebieten -TV-Übertragung -Naturforschung (z.B.: Erforschung der Baumkronen) -Tierbeobachtung
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-Fernerkundung -Umweltmonitoring (Gewässerschutz, Luftreinheit, Umweltanomalien, Schwermetallbelastungen usw.) -Sport und Freizeit
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die Erwartungen Die folgenden Erwartungen sollen durch das zu entwickelnde Vehikel erfüllt werden:
-Betriebsdauer von mindestens 2 Stunden
-ausreichende Nutzlast für technische Geräte und Passagiere
-niedrige Betriebskosten und geringe Infrastruktur am Boden
-große Flexibilität in der Nutzung und kurze Umrüstungszeiten
-geringe Lärmemissionen (zur Beobachtung sensibler Ökosysteme)
-zerlegbar in Einzelteile -einfacher Transport im Kleinlaster
-exakte Steuerungsmöglichkeiten durch leichte und robuste Steuerungsmechanik
-Auf- und Abbau vor Ort
-extremer Langsamflug
-unabhängige Nutzung, d.h. Landung und Start ohne Bodenpersonal
-niedrige Flughöhe -genaue Positionierung und Manövrierbarkeit für Luftbildaufnahmen und Umweltmessung
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-Halterungen für elektronische Geräte (z.B.: Kameras, Analysegeräte usw.)
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aerostat die Vehikel
Diese Darstellung soll die entscheidenden Vorteile eines Luftschiffes gegenüber anderen Fluggeräten verdeutlichen. Die Vor- und Nachteile der einzelnen Fluggeräte , die zum einen in die Kategorie „leichter als Luft“ und zum anderen in die „schwerer
als Luft“ gehören, werden in Bezug auf die genannten Nutzungsbereiche und die an sie gestellten Erwartungen dargestellt:
“schwerer als Luft”
-sehr lange Betriebsdauer
-hohe Betriebskosten (Treibstoff/Hangar/Wartung)
-auch bei stärkeren Winden einsetzbar
-muss zu den Einsatzorten geflogen werden
-diverse Befestigungsmöglichkeiten für
-unzureichender Arbeitsraum
Analysegeräte -kann schwere Nutzlasten transportieren
-Rotorabwind zerstört Flora und Fauna -sehr starke Lärmemmisionen -längere Umrüstzeiten -kein extremer Langsamflug möglich (Flugzeug)
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aerostat die Vehikel
“leichter als Luft”
-sehr lange Betriebsdauer (Helium)
-sehr kurze Betriebsdauer (Heißluft-Propan)
-diverse Befestigungsmöglichkeiten für
-nur regionaler bzw. lokaler Einsatz möglich
Analysegeräte -geringe Lärmemission -niedrige Flughöhe möglich -große Flexibilität und schnelle Umrüstzeiten -faltbar und in Transporter transportierbar -geringe Infrastruktur nötig
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-geringere Nutzlast bei großem Volumen -kann nur bei leichtem Wind aufsteigen
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aerostat die Luftschiffe Einführung: Luftschiffe und Heißluftballons gehören in die Kategorie „leichter
damit diese Tragkraft möglichst groß wird. Schließlich soll diese
als Luft“. Allgemein werden diese als Aerostaten bezeichnet.
ausreichen, um die unterschiedlichsten Grundlasten zu tragen:
Diese Vehikel nutzen den „statischen Auftrieb“. Dabei ist das
Hülle, Korb bzw. Gondel, eventuell Motor sowie die anfallende
Gewicht der verdrängten Luftmasse größer als das Gewicht des
Nutzlast. Zur Nutzlast zählen Ballast, Treibstoff, Mannschaft oder
Füllgases. Die Differenz zwischen diesen beiden Kräften
Passagiere, Fracht, Ersatzteile und Lebensmittel. Folglich muss
bezeichnet man als Tragkraft. Man muss also ein möglichst
Nutzlast plus Grundlast gleich oder kleiner der Tragkraft sein.
großes Volumen Füllgas von möglichst kleiner Dichte wählen,
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aerostat die Luftschiffe Traggase: Aerostate befüllen den Tragkörper mit Gas, um den statischen
Grad) haben. Aktuell werden bei Aerostaten folgende vier
Auftrieb zu ermöglichen. Für diesen Zweck kommen Gase in
Traggase verwendet:
Frage, die eine geringere Dichte als Luft (ca. 1,293 kg/m3 bei null
3
877m3
947m
Wasserstoff 11,9 m
Helium 12,2 m
1567m
3
Heißdampf 14,4 m
Erforderliche Volumina und Kugeldurchmesser für 1000 kg Tragkraft
3633m3
Heißluft 19,1 m
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aerostat die Luftschiffe
Vor- und Nachteile der einzelnen Traggase:
-leicht und billig herzustellen
-unbrennbar
-unbrennbar - billig
-unbrennbar - billig -unendliche Verf端gbarkeit
-leicht entz端ndbar -im Gemisch mit Sauerstoff explosiv
-sehr teuer -nur schwer wieder verwendbar -Verf端gbarkeit
-noch wenig erprobt -komplizierter Aufbau
-schlechtere Nutzlastwerte
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aerostat die Luftschiffe
Luftschiff Konstruktionen: Nach vielen unterschiedlichen
Versuchen im Bereich der
So unterscheidet man das unstarre textile Prall-Luftschiff, das
Luftschifffahrt hatten sich um 1905 im Wesentlichen drei Typen
halbstarre Kielluftschiff und das klassische Starrluftschiff in
von Luftschiffen durchgesetzt.
Gerüstbauweise.
Starrluftschiff
-starre Gerüstbauweise -Traggas Helium oder Wasserstoff -nicht faltbar- Hangaraufbewahrung -parken nur am Landemast
Kielluftschiff
-halbstarre Gerüstbauweise -Traggas Helium oder Wasserstoff -nur bedingt faltbar- Hangaraufbewahrung -parken nur am Landemast
Prallluftschiff
-Ballonbauweise -Traggas Helium oder Heißluft -faltbar und transportierbar
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aerostat die Inspiration
Beispiele der verschiedenen Konstruktionen und Luftschifftypen:
Wasserstoff Luftschiff Kiel-Luftschiff bzw. halbstarre Konstruktion 1 Pilot 5.000m3 GroĂ&#x;-Basenach
Wasserstoff Luftschiff (ggf. Helium) Starr-Luftschiff 72PAX+4 Piloten 200.000m3 Hindenburg
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Beispiele der verschiedenen Konstruktionen und Luftschifftypen:
HeiĂ&#x;luft-Luftschiff Prall-Luftschiff 1PAX+1 Pilot 3000m3 Gefa Flug Aachen
Helium Luftschiff Prall- Luftschiff 12PAX+2 Piloten 14000m3 Zeppelin NT
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Helium-Luftschiff Prall-Luftschiff 1PAX+1 Pilot 1000m3 White Diamond
Helium Luftschiff (Designstudie) Prall- Luftschiff 55PAX+3 Piloten 520.000m3 Manned Cloud
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Darstellung verschiedener Nutzungsbereiche:
Das BaumfloĂ&#x; Projekt: Erforschung der Flora und Fauna in den Baumkronen
Fotografie: Fotoreportage Ăźber Schloss Schwanenstein und die Serengeti
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die Grundkonstruktion Nach Analyse des Luftschiff-Marktes und eingehender
Mit der Grundkonstruktion entsteht ein technisches und formales
Auseinandersetzung mit technischen und konstruktiven
Gerüst des Vehikels, dessen Komponenten in den nächsten
Entwicklungen in diesem Bereich folgt nun die Definition der
Schritten definiert und gestaltet werden sollen. Einige Merkmale
Grundkonstruktion des zu entwickelnden Fluggerätes. Diese legt
der Grundkonstruktion werden auf den folgenden Seiten näher
alle wichtigen technischen und konstruktiven Merkmale und
erläutert.
Eigenschaften fest. So werden bereits im Vorfeld einige wesentliche Merkmale von Schiffsform und -aufbau bestimmt.
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Plattform Gondel Die konventionellen Luftschiffgondeln sind klein und unflexibel in
Fahrtrichtung auf, sondern ist aus baugleichen Teilen kreisförmig
ihrem Aufbau und Nutzung. Daher orientiert sich der Entwurf eher
konstruiert. Dies ermöglicht eine kostengünstigere Herstellung
an Körben von Heißluftballonen. Anstelle fester Sitzplätze ist eine
und vereinfacht den Auf- und Abbau. Die Gondel ist während der
begehbare Plattform geplant. Die Crew kann sich so während der
Fahrt zu allen Seiten hin gleichermaßen nutzbar, was die mittige
Fahrt frei bewegen und hat direkten Zugang zu allen
Positionierung des Steuerelementes nahelegt
Verstauboxen und Messgeräten.Die Gondel weist keine formale
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3- Motoren-Antrieb Drei Motoren treiben die Aerostat an. Bei der Fahrt sind zwei davon immer so geschaltet, dass sie die gleiche Umdrehung
aufgrund dieses Propellersystems weiterhin voll manövrierfähig. Die Propeller sind unterhalb der Gondel positioniert, was die
aufweisen, wodurch das Schiff geradeaus fliegt. Der dritte
Lautstärke innerhalb der Gondel reduziert und eine freie Sicht
Propeller leitet dann den Rechts- bzw. Linksflug ein. Dadurch
gewährleistet. Die tiefe Position der Antriebsmodule legt nahe,
muss das Schiff bei Kursänderung keine Drehung mehr
diese gleichzeitig als Landegestell zu nutzen. Gefederte
vollziehen, sondern nur die Umdrehungen der Propeller ändern.
Kugelrollen unterhab der Propeller sorgen für eine problemlose
Sollte einer der Motoren einmal ausfallen, ist die Aerostat
und seichte Landung.
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Traggas Heißluft Bei der Wahl des Traggases kommt nur Heißluft in Frage, da andere Gase sich aus diversen Gründen nicht für dieses Vehikelkonzept eigenen. Nur Heißluft ermöglicht eine flexible Handhabung.
Traggas Heißluft:
sonstige Traggase:
-bei Nichtgebrauch kann die Tragkörperhülle entleert und mit der Gondel in einem Lieferwagen verpackt und transportiert werden
-bei Nichtgebrauch muss das Schiff in einem Hangar oder an einem Mast geparkt werden
-keine nennenswerten Unterbringungskosten (Hangar) -geringe Überführungskosten zum Einsatzort (Transport durch LKW)
-hohe Unterbringungskosten (Hangar)
-kostengünstig in der Entwicklung und Herstellung, da technologisch einfache Konstruktion
-hohe Überführungskosten da Einsatzort nur über die Luft erreichbar (durch Eigenantrieb)
-kostengünstig im Betrieb, vor allem bei kurzzeitiger, tageweiser Nutzung
-kostenintensiv in der Entwicklung, Herstellung und Bereitstellung des Gases
-nur Boden-Crew von 3 bis 4 Personen nötig
-kostenintensiv im Betrieb, vor allem bei kurzzeitiger, tageweiser Nutzung -große Boden-Crew von 10 bis 15 Personen nötig
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Tragkoerper Kugel Bei Luftschiffen weist der Tragkörper meist die “Zigarrenform” auf. Die “aerostat” dagegen hat einen kugelförmigen Tragkörper, welcher einige Vorteile birgt. So umschließt eine Kugel das größte Volumen bei kleinster Oberfläche, wodurch der Gewichtsanteil der Hülle minimiert werden kann.
Auch ist die negative Hitzeabstrahlung durch die Hüllenoberfläche geringer, was zu einem effizienteren Kraftstoffverbrauch führt. Hinzu kommt, dass die Oberflächenspannungen infolge des Innendrucks bei einem Kugelbehälter ebenfalls ein Minimum darstellt, wodurch die Hülle am geringsten belastet wird.
Die Kugelform erfordert aufgrund ihrer kompakten Form nur einen geringen Flächenbedarf am Boden. Durch die Kugelsymmetrie ist das Luftschiff nur gering böenempfindlich. Weiterhin braucht ein Kugel-Luftschiff keine gesonderten Leitwerkstrukturen und ist darüber hinaus sehr manövrierfähig.
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Bionic Propeller Nicht nur die Motoren verursachen Lärm sondern vielmehr die
hohen Standschub und Schub bei geringen Geschwindigkeiten.
Propeller. Ein Projekt der TU Berlin
setzte genau bei dieser
Er ist leiser als ein konventioneller Propeller gleicher Schub-
Problematik an und entwickelte den “Bionic Propeller”. Dieser
leistung, da er dessen Randwirbelspule in eine Menge von Fein-
verringert die Lärmemissionen und steigert gleichzeitig die
wirbeln auflöst. Abgeschaut hat man sich dieses Prinzip bei
Effizienz . Der neuartige Propeller entwickelt einen besonders
einem aufgefächerten Vogelflügel..
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aerostat die Gestaltung
Nachdem nun einige technischen und konstruktiven
Gesamterscheinung und der Gestaltung der einzelnen
Eigenschaften des Luftschiffes schon im Vorfeld festgelegt
Komponenten. Nach einer umfangreichen Skizzier- und
wurden, beginnt die Gestaltungsphase. Das “lose” Package
Konstruktionsphase folgt die endgültigen CAD- Modellierung in
dient nun als Grundlage für die Gestaltung der “aerostat”. In
Alias Studio Tools.Letztendlich entstehen zwei digitale Versionen
dieser Phase findet ein stetiger Wechsel zwischen Zeichenbrett
der “aerostat”: Während die eine für die Visualisierung angelegt
und 3-D Modellierung statt, um die Umsetzbarkeit von Ideen und
wird, muss die andere mit größeren Spaltmassen und Toleranzen
Entwürfen bezüglich Formen und Proportionen zu überprüfen.
versehen werden, um den digitalen Modellbau zu ermöglichen.
Da die “aerostat” ein zerlegbares Vehikel ist, wechselt die Entwurfsarbeit immer wieder zwischen der Gestaltung der
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Sketches
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Sketches
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aerostat Sketches die Gestaltung
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aerostat Sketches die Gestaltung
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Renderings
Minimales Gesamtgewicht bei gleichzeitig maximaler Stabilität ist die Grundbedingung für die Konstruktion von Leichter-als-Luft-Vehikeln. Bei der “aerostat“ müssen darüber hinaus die Bauteile leicht zu montieren sein. Größtenteils werden Aluminiumkonstruktionen mit faserverstärkten Schalen verwendet, so dass ein Geländer bspw. weniger als 4 kg wiegt. Die gesamte Nutzlast dieses Luftschiffes liegt bei 400 kg (inkl. 3 voller Biogasflaschen).
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Renderings
Die “aerostat“ ist eher eine wandlungsfähige Nutzungsplattform als eine Gondel. Sie verfügt über verschiedene Lösungen um flexibel Stauraum zu schaffen. Z.B. können Boxen an den Geländern eingehängt werden, die zugleich Geräte verstauen und als Arbeitstisch dienen. In den drei Trägern finden sich Montageschlitze, in denen Befestigungen für Kameras etc. verankert werden können.
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aerostat Renderings die Gestaltung
Das Navigationsmodul ist das Herzstück der Gondel. Richtung, Höhe und Geschwindigkeit werden einfach und intuitiv über Drehregler oder Touchscreens koordiniert. Per GPS kann man jedes Ziel punktgenau ansteuern; dies sogar automatisch, so dass die Crew sich bspw. Forschungsaufgaben widmen kann.
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aerostat Renderings die Gestaltung
Die Plattform ist fest mit der geschlossenen Ballonh端lle verbunden. Letztere hat einen Durchmesser von 17,5 m und ein Volumen von 2600 m続.
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aerostat Renderings die Gestaltung
Verschiedene Messgeräte oder eine Panoramakamera können in der Bodenluke montiert werden. Die Steuerung erfolgt über Touchscreens am Navigationsmodul.
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aerostat Renderings die Gestaltung
Im demontierten Zustand passen alle Teile der Gondel sowie die Ballonhülle in einen LKW mittlerer Größe. Das Luftschiff ist somit sehr spontan einsetzbar, kann schnell verladen und kostengünstig untergebracht werden. Die “aerostat“ ist ausgelegt für Fahrten von ca. zwei Stunden mit zwei Passagieren und 20 kg zusätzlichem Material. Die maximale Flughöhe liegt bei 1000 m und es können Geschwindigkeiten von 40 km/h erreicht werden.
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Renderings
An den drei Trägern des Hauptgerüsts sind die Gasflaschen befestigt. Schläuche führen im Inneren der Träger zu den Brennern und zu den Motoren der Propeller. Displays oberhalb der Flaschen geben Auskunft über den Gas-Füllstand und die Umdrehungen der Rotoren.
Innerhalb der geschlossenen Ballonhülle befindet sich das Gerüst mit den drei aufmontierten Brennern. Jeder davon ist separat an eine der Biogasflaschen angeschlossen und wird durch Lüfter, die in die Hülle eingelassen sind, mit Frischluft versorgt. Die drei Ausleger fungieren zugleich als Antrieb und als Landegestell. Hier befinden sich die leichten „Rotaxmotoren“, welche ebenfalls mit Biogas angetrieben werden, und die „Bionicle Propeller“. Diese sind durch die innovative Schlaufengeometrie besonders leise und effizient in Leistung und Verbrauch.
Herausnehmbare Inlays im Boden ermöglichen den Zugriff auf darunter liegenden Stauraum. Das mittlere Gitter verdeckt die Bodenluke, in der Messsonden oder eine Panoramakamera angebracht werden können.
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aerostat die Gestaltung
Die “aerostat“ kann sowohl in der Forschung als auch im Freizeitbereich gleichermaßen eingesetzt werden. Zudem sind Luftschiffe erfolgreiche Werbeträger, was eine Gegenfinanzierung auch für Forschungsunternehmen interessant machen könnte.
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aerostat die Funktion
Auf der folgenden Doppelseite wird die Abfolge des Aufbau der “aerostat” dargestellt. Danach werden die einzelnen “Luftschiff” -Komponenten als Blueprints
dargestellt, um ihre Funktion zu verdeutlichen und zu erläutern.
der aufbau 1
butler aufbauen
00:05
2
Butlereinh채ngen aufbauen tr채ger
00:10
3
Butler einh채ngen aufbauen boxen
00:12
00:15
5
antriebe montieren
00:25
6
kreuz montieren
00:30
start... 4
rahmen aufschrauben
der aufbau 7
10
brenner-gerüst aufsetzen
00:40
8
navigation einhängen
01:12
11
hülle aufziehen hülle mit luft füllen
00:50
9
geländer einhängen
01:15
12
ventile schließen
01:10
geräte-boxen einhängen
01:20
......flugbereit!
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aerostat in Aktion
Die folgenden Bildern zeigen die “aerostat” in verschiedenen Nutzungsbereichen und die Ausführung unterschiedlichster Aufgaben. Zusätzlich werden potentielle Auftraggeber genannt.
Diese sind nicht zufällig gewählt, sondern haben in der Vergangenheit “leichter als Luft” Fluggeräte für Ihre Forschung eingesetzt (siehe Inspiration).
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Ort: Antarktis (Weddel-Meer) Nutzung: Geowissenschaften Kunde: IFM Geomar
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aerostat Ort: Tansania (Serengeti) in Aktion Nutzung: Tierbeobachtung Kunde: WWF
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aerostat Ort: Deutschland (Autobahnkreuz Chemnitz) in Aktion Nutzung: Verkehrsforschung Kunde: DLR Institut fuer Verkehrsforschung
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aerostat Ort: Kalifornien (San Francisco) in Aktion Nutzung: Sport und Freizeit Kunde: Thunder & Colt
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aerostat das Modell
Das Luftschiff “aerostat” wird in einem Modell mit dem Maßstab 1:11 gebaut. Die Fertigung der Teile erfolgt über eine 3- Achs CNC Fräse, über Rapid Prototyping Verfahren und Handmodellbau. Das Modell gleicht dem Original sowohl in der Anzahl der Einzelteile als auch in der Reihenfolge des Aufbaus. Der Ballonkörper wird durch einen PVC Ball dargestellt. Später soll dieser durch einen mit Helium gefüllten TextilBallon ersetzt werden, um das Modell tatsächlich schweben zu lassen.
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Modellbau
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aerostat die Produktion
Das Konzept Aerostat bietet eine flexible und kostengünstige
der Bund oder der öffentliche Dienst. Eine ganzjährige
Möglichkeit , mit der Forschungs-projekte durchgeführt werden
Auslastung des Luftschiffes durch diese Institutionen ist
können, für die bisher teure Flugzeuge oder Hubschrauber
allerdings kaum vorstellbar, was wiederum die Frage nach den
eingesetzt werden müssen. Die CO2-Emissionen der Aerostat
Amortisationsmöglichkeiten des relativ teuren Aerostat aufwirft.
sind gegenüber diesen konventionellen Luftvehikeln deutlich
Eine denkbare Lösung dieses Problems könnte sich durch
niedriger. Außerdem sind durch seine bessere Manövrierbarkeit
Vermietung ergeben. Ein einzelnes Unternehmen gibt eine
mehr Einsatzbereiche denkbar. Die Verwendung von Propan und
Kleinstserie der Aerostat in Auftrag und vermietet diese dann –
Heißluft sowie der Transport der Aerostat mittels eines
jeweils zeitlich an das betreffende Projekt angepasst - an die
Kleintransporters ermöglichen einen sehr spontanen und
verschiedenen Interessenten. Somit wäre die Auslastung der
schnellen Einsatz. Einfache Montage und Handhabung
Aerostat groß genug, um die kostenintensive Produktion
erfordern kein speziell geschultes Personal und machen die
aufzufangen. Gemeinsam mit Partnern, welche die Hülle als
Benutzung für jeden Interessenten
möglich. Dennoch wird
Werbefläche mieten, könnte ein gewinnbringendes Geschäft
dieses Luftschiff ein Nischenprodukt bleiben. Zur Benutzer-
aufgebaut werden. Dieses Prinzip ist auch bei bisherigen
zielgruppe gehören in erster Linie wissenschaftliche
Luftschiffen bereits üblich.
Institutionen, private Umwelt-dienstleister (Umwelt Monitoring),
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aerostat die Details
Das Projekt “aerostat” entstand im Jahre 2009 im Rahmen meiner Diplomarbeit. Diese beinhaltet zwei Teile: Einerseits die Theoriearbeit “Generation Grün”, welche sich mit den Chancen und Problemen des aktuellen “grünen Trends” befasst, und andererseits die praktische Arbeit, die eine Dokumentation des Projektes “aerostat” umfasst, in der technische und gestalterische Entscheidungen dargelegt und begründet werden. Zusätzlich wurde die “aerostat” mit CAD Software aufgebaut, um Produktrenderings und ein 1:11 Modell anzufertigen. Das Modell fertigte ich größtenteils mit den Maschinen (3-Achs CNC Fräse / 3-D Printer) der FH Potsdam an. Als wissenschaftliche, technische und fachkundige Beratung ,im Bereich der “Leichter als Luft” Vehikel standen mir die TU Berlin und die Firma Gefa Flug Aachen zur Seite. In dieser Dokumentation werden Auszüge aus dieser Diplomarbeit gezeigt. Für detailierte technische Auskünfte zu dem Projekt “aerostat” nutzen Sie bitte das Buch “aerostat - technische Dokumentation”.
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