25'000 Jahre Bildgestaltung
Das Bild zeigt (im Gegenuhrzeigersinn) 25000 Jahre Bildgestaltung, dargestellt als Langzeitkalender dutch die Präzession der Erdachse um den Nebel im Sternzeichen des Drachen. Der braune Halbkreis stellt die Vergangenheit dar, der grüne die Zukunft, also die vor uns liegenden 12500 Jahre. Im Moment befinden wir uns rechts, beim Übergang von der braunen zur grünen Kreishälfte. Vor 8000 bis 12000 Jahren sind die Höhlenbilder von Niaux (F) mit dem abgebildeten Wisent entstanden. Zur jüngeren Vergangenheit: λ steht für zwei Dinge, nämlich erstens das Flügelprofil des ersten bemannten Flugobjekts in der Kategorie «schwerer als Luft», das erwiesenermassen erfolgreich flog. Es war Otto Lilienthals Gleiter, mit dem er 1891 seine ersten Hüpfer vollführte. Das Bild zeigt zweitens die Druckpunktwanderung bei Veränderung des Flugzustandes, dargestellt mit dem Druckpunktdiagramm (cm-Diagramm). Die Formel y=1/3·x·(7/8-x) beschreibt den S-Schlag für die Profil-Mittellinie. Er ist der Grund für die Eigenstabilität dieses Flügelprofils. ρ steht für das druckpunktfeste Profil N 60 R. Das Kettenantriebsrad ist jenes des Muskelkraftflugzeugs von Paul MacCready, mit dem Bryan Allen 1979 über den Ärmelkanal flog. Das abgebildete Peter Lissamann-Profil P 7769 LI ist das Profil des Hauptflügels dieses Flugzeugs. Der farbige Pythagoras rot²+grün²=braun² symbolisiert eine mögliche Bildgestaltung der Zukunft. Das in der Senkrechten dargestellte Integral ∫d(V²)≥0 ist jenes der Energiebilanz des Albatros-Flugs nach Professor Paul Idrac. Ist der Integralwert ≥ 0, wird Energie gewonnen und dauernder Flug wird möglich.
Rêve de Lascaux
Die in der Höhle von Lascaux, ca. 100 km östlich von Bordeaux, vorgefundene Punktfolge wird vom Künstler zum Flugsymbol, das er in die stilisierte Gegend von Lascaux hineinprojiziert, zusammen mit dem Gleitzahldiagramm - die Gleitzahl als Funktion der Vorwärtsgeschwindigkeit eines Flugobjekts - und der Geschwindigkeitspolaren eines Flügels mit 3m Spannweite und 3kg Gewicht. Die Geschwindigkeitspolare ist die Sinkgeschwindigkeit eines Flugobjekts als Funktion der Vorwärtsgeschwindigkeit und zeigt damit das Verhältnis von Vorwärts- zu Sinkgeschwindigkeit. Die Gleitzahl beträgt bei den besten heute verfügbaren Segelflugzeugen über 60. Ein solches Segelflugzeug gleitet in ruhiger Luft aus einem Kilometer Höhe über 60 km weit. Vermutlich symbolisiert die in Lascaux gefundene Punktfolge den Traum des Fliegens. Sie dürfte schon damals Ausdruck des uralten Flugwunsches der Menschheit gewesen sein, nämlich aus eigener Kraft vom Boden abheben zu können.
Feuervogel
Die Inspiration zum Bild «Feuervogel» erhielt Hugo Ruess in der für die Öffentlichkeit nicht zugänglichen Höhle von Lascaux im südfranzösischen Departement Dordogne. Beim Studium der farbigen prähistorischen Höhlenmalereien aus dem Ende der letzten Eiszeit entdeckte er darin eine schwarze Punktfolge im Ausmass von rund 2m Spannweite (vgl. Bild «Rêve de Lascaux»). Wollte der Maler von damals symbolisch einen Vogel im Flug darstellen? In diesem Bild projiziert der Künstler die schwarze Punktfolge als Konturen des «Feuervogels» in den Himmel von Lascaux, zusammen mit dem Gleitzahldiagramm und der Geschwindigkeilspolaren. Aus der im vorangehenden Bild gezeigten Punktfolge entstand das Aviatik-Motiv «Feuervogel».
Entwicklung des Fluges in vierdimensionaler Darstellung
Die vierte Dimension, die Zeit, stellt der Künstler aIs Tiefe der Steppenlandschaft dar - von der Gegenwart im Vordergrund zur Vergangenheit am Horizont. Zu den ersten «Fliegern» auf der Erde gehörten vermutlich die Insekten, symbolisiert im Insektenflügel einer Libelle am Horizont. Näher bei der Gegenwart sind die fliegenden Reptile, die Vögel und schliesslich der Mensch, der mit dem Erstflug von Otto Lilienthal erstmals mit einem Objekt «schwerer als Luft» in die dritte Dimension vorstiess. Dargestellt ist links im Bild ein Flügelprofil und das dazugehörende Steigzahldiagramm. Von 1891 ist es ein kleiner Schritt zu 1903, dem Jahr mit dem ersten fotografisch dokumentierten Motorflug der Gebrüder Wright. Das Bild zeigt die Flügelprofile des Wright Canard-Doppeldeckers mit der Propellerblatt-Konstruktion und das Diagramm mit der Motorenleistung. Die Grundzüge des Wright-Profils gehen auf Lilienthal zurück. Beiden gemeinsam ist der charakteristische cm-Verlauf, als Folge der Druckpunktwanderung im Profil. Wird das Profil in der Strömung zunehmend angestellt, wandert der Druckpunkt nach vorn und führt zu einem Aufbäumen des Flugzeugs, dem durch das Leitwerk entgegengewirkt werden muss. In der Mitte des vorderen Bildteils ist die cm-Kurve zu erkennen.
Flug der Pflanzen
Das Bild zeigt ein Samenblatt des Zanoniabaums (Zanonia macrocarpia), einer auf Java vorkommenden Kürbisart. Das Original-Blatt weist eine Spannweite von 13cm und eine Fläche von 50cm² aus. Das Gewicht liegt bei 0,2g und die Flächenbelastung beträgt 0,04kg/m². Das Blatt fliegt mit einer Geschwindigkeit von rund 1m/s. Im Maximum erreichen Zanoniablätter eine Spannweite von gegen 15cm. Wenn die Frucht des Zanoniabaums reif ist, gleicht sie einem Kürbis. Die Schale bricht auf und die Blätter fallen beim Aufkommen von Wind heraus. Für die Verbreitung und damit die Vermehrung der Pflanze ist es günstig, dass der im Blatt enthaltene Samen (brauner Kern in der Blattmitte) möglichst weit weg fliegt. Als Nurflügler von bis zu 15cm Spannweite mit leicht gebogener Vorderkante und negativer Schränkung an den Flügelenden weist das Blatt trotzdem einen sehr stabilen Gleitflug auf und kann mit flachem Gleitwinkel sehr weit fliegen. Darauf machte bereits Professor Friedrich Ahlborn (Hamburg) in seiner vermutlich mehr als 100 Jahre zurückliegenden Schrift «Über die Stabilität der Drachenflieger» aufmerksam. Der österreichische Flugzeugkonstrukteur Igo Etrich (1879-1967) konstruierte um die Jahrhundertwende vorerst erfolgreiche Flugmodelle in Zanonia-Form und dann einen entsprechenden Gleiter von 12m Spannweite und 36m² Fläche. Damit vollführte Mitkonstrukteur Franz Wels im Oktober 1906 Gleitflüge von bis zu 250m Distanz. Wie das Blatt, erwies sich auch der Gleiter als sehr flugstabil. Er war der Vorläufer der später berühmten Etrich/Rumpler-Taube, die vor dem Ersten Weltkrieg in Deutschland zum Inbegriff des Motorflugzeugs mit Leitwerk und Leitwerksträger wurde. Das Diagramm für cm,0.25 zeigt den Verlauf des Momentenbeiwerts, bezogen auf den ersten Viertel der Flügeltiefe. Wenn die Steigzahl ca³/cw² das Maximum erreicht, sinkt das Blatt am langsamsten. Es bleibt dann am längsten in der Luft und trägt so den Samen im Wind über die grösste Strecke.
Albatros - konkrete und abstrakte Darstellung
Das Bild zeigt den Girlandenflug des Albatros mit der kinetischen Energie (rot) und der potentiellen Energie (grün). Am unteren Wendepunkt ist die Bewegungs-, das heisst die kinetische Energie am grössten, am oberen Wendepunkt die potentielle. Die Summe der Energien bleibt dabei konstant. Zeichnerisch betrachtet heisst das, die Bandbreite bleibt gleich. Eine Veränderung des Totals der Energie und damit der (zeichnerischen) Bandbreite erfolgt nur, wenn der Albatros mit einem oder mehreren Flügelschlägen nachhilft. Der Albatros fliegt mit Geschwindigkeiten zwischen 14 und 28m/s. Das Prinzip des Albatros-Flugs besteht darin, dass er durch sein geschicktes Flugmanöver den Windgradienten zur Deckung seiner Energieverluste ausnützt. Die Kunst des Albatros-Flugs hat der Mensch bis heute erst in Ansätzen erreicht, nicht zuletzt deshalb, weil es mit Segelflugzeugen von mindestens 15m Spannweite schwierig ist. Die Grenzschicht über dem Meer ist auf ca. 20m Höhe beschränkt. Nach Prof. Paul Idrac von der Ecole Polytechnique in Paris sieht man den Albatros nur auf der südlichen Erdhalbkugel zwischen dem 40. und 60. Breitengrad. Er nähere sich nur selten den bewohnten Küsten und niste auf den öden oder fast nicht bewohnten Inseln ausserhalb der Dampferstrassen, z.B. auf den Kerguelen-Inseln, auf Tristan da Cunha, Bouvet und eben Südgeorgien. Der Albatros fliegt ohne Flügelschlag von Südgeorgien bis nach Feuerland. Vor allem dieses Phänomen weckte die Neugier der Menschen und der Forscher. Benutzt er geheime Aufwinde? Führt er den berühmten dynamischen Segelflug mit Hilfe der Unregelmässigkeiten des Windes oder treibt er sonst etwas bis dahin Ungeahntes? Diese und andere Fragen standen im Raum. «Nur die Untersuchung an Ort und Stelle kann den Schleier von diesem Unbekannten heben», schrieb Prof. Paul Idrac in den zwanziger Jahren.PS: Vergleiche dazu auch Studien der Technischen Universität München.
Der Flug des Albatros
Das Bild zeigt blau den Girlandenflug des Albatros, das Hauptintegral entlang seines Flugweges und eine Feder dieses Vogels. Der Albatros gehört mit bis zu 3,5m Spannweite zu den grössten, heute noch fliegenden Vogelarten und ist unter den Seglern ein Ausnahmekönner. Er fliegt stunden- und oft tagelang in den wassernahen Grenzschichten über dem Meer, in einer Höhe von 0 bis ca. 20m über dem Meeresspiegel. Er nützt dabei in dieser Grenzschicht den sogenannten Windgradienten aus, das heisst die Windzu- bzw. Windabnahme mit variierender Höhe. (Windgradient = Zunahme der Windgeschwindigkeit in m/sec pro m Höhe.) Die Geschwindigkeitsdifferenz beträgt in der Windschicht von 0 bis 20m Höhe rund 8m/s pro 20m, was einem (Wind-)Gradienten von 0,40 1/s entspricht. Prof. Paul Idrac studierte und filmte in den zwanziger Jahren an Bord eines Schiffes der argentinischen Marine den Flug des Albatros beim Kap Horn und in Süd-Georgien. Schon damals schrieb er, «dass dieser Vogel von einem besonderen Interesse sei, schon wegen seiner Spannweite (bis 3,5m), seines grossen Seitenverhältnisses - die Flügel haben eine mittlere Tiefe von 20 bis 22cm - und seiner grossen Flächenbelastung». Der Albatros wiegt im Mittel 9kg bei einer tragenden Fläche von 0,6m².
Die Montgolfière
Das Bild zeigt den Heissluftballon, der heute mit Propangas geheizt wird. Eine Einheit Propangas (C3H8) wird in der Ballonhülle mit 10 Einheiten Sauerstoff verbrannt. Im Bild ist der Kohlenstoff C (3 Teile) schwarz, der Wassertoff H (8 Teile) grün und der Sauerstoff O (10 Teile) gelb dargestellt. Bei der Verbrennung wird die relativ kalte Luft durch die Wärmeausdehnung teilweise aus der Ballonhülle verdrängt. Die Differenz des Gewichtes von kalter und warmer Luft ergibt nach Archimedes den Auftrieb des Ballons. Archimedes legte vermutlich im dritten Jahrhundert v. Chr. mit seinen Erkenntnissen über das Schwimmen und den Auftrieb von Körpern in Flüssigkeiten und Gasen die Grundlagen für das Fliegen bzw. Fahren mit Geräten «leichter als Luft». Es waren dann die Jesuitenpater Francesco Lana de Terzi und Bartolomeo Lorenzo de Gusmäo (1686 1706), die wichtige «Ballonkapitel» bis zur Aera der Gebrüder Etienne und Joseph de Montgolfier schrieben. Gefördert durch den portugiesischen König entwickelte Gusmäo die Idee von Heissluft als Auftriebsgas. Von Archimedes bis zu Gusmäo, also während rund 2000 Jahren, wurden das Phänomen und die Nutzungsmöglichkeiten der aufsteigenden Warmluft weitgehend ignoriert. Im Sommer 1782 fragte sich Joseph de Montgolfier aus Avignon, «Warum Rauch, Funken und feste Stoffe unablässig durch Kamine verschwinden?» - und: «Wäre es nicht möglich, das Gas, welches sie trug, einzufangen und von Menschenhand hergestellte Objekte tragen zu lassen?» Zusammen mit seinem Bruder Etienne entwickelte er eine Reihe aerostatischer Maschinen (Heissluftballone), die eine Aufstiegshöhe von maximal 300 m erreichten. 1783 erfolgte in Versailles, auf Einladung von König Louis XVI. und Marie Antoinette, eine erste Ballonfahrt mit Tieren und im Herbst des gleichen Jahres stieg dann Jean-François Pilâtre de Rozier in einem Heissluft-Fesselballon bis auf 26m auf und blieb 4,5 Minuten in der Luft. Nach weiteren solchen Aufstiegen unternahm Pilâtre de Rozier, zusammen mit dem Marquis d'Arlandes als Passagier, am 21. November 1783 die erste Fahrt im Heissluft-Freiballon.
Die Charlière
Nur 10 Tage nach dem ersten bemannten Aufstieg der Montgolfière, nämlich am 1. Dezember 1783, erfolgte die Erstfahrt eines bemannten Wasserstoffballons mit Prof. Jacques Charles und Nicolas-Louis Robert als Piloten. Das Bild zeigt einen Wasserstoff-Gasballon mit Wasserstoff (einem Teil), der 14mal leichter ist als die Luft. Der Wasserstoffballon verdrängte in der Folge zunehmend den Heissluftballon, weil letzterer eine grosse Ladung von Stroh oder Holz als Feuer und Wärmequelle benötigte. Bereits im 19. Jahrhundert erfolgte die erste Überquerung des Ärmelkanals und Fesselballone wurden auch für militärische (Beobachtungs-)Zwecke eingesetzt, z.B. im amerikanischen Bürgerkrieg, im Buren- oder im deutsch-französischen Krieg. Der deutsch-französische Krieg war auch die Geburt der ersten (Ballon-)Luftbrücke. Im 19. Jahrhundert wuchs die Popularität des Ballons nicht nur wegen seiner Bedeutung für militärische Zwecke, sondern auch als Transport- und Vergnügungsmittel wohlhabender Leute. Bereits um die Jahrhundertwende lagen der Non-Stop-Distanzrekord mit dem Ballon bei 1'931km und der Höhenrekord bei 10'800m (Berson/String; 30. Juni 1901). Mit der erfolgreichen Non-Stop-Weltumrundung von Bertrand Piccard und Brian Jones im Breitling-Orbiter 3 (1999) sorgten ein Ballon und sein Team wiederum weltweit für Schlagzeilen. Piccard und Jones benützten eine sogenannte Rozière, einen kombinierten Gas-Heissluft-Ballon. Der mit Helium gefüllte Gasballon befand sich im oberen, der Heissluftballon im unteren Bereich des riesigen Gefährts.
Das Luftschiff
Das Bild zeigt ein mit Wasserstoff gefülltes Prall-Luftschiff. Das Gewichtsverhältnis von 14:1 zwischen der Luft und dem Wasserstoff in der Hülle ergibt nach Archimedes den Auftrieb (Schwebefähigkeit) von 14:1. Rot dargestellt ist die Verwindungskonstruktion des Propellerblattes. Die flachere Kurve zeigt das Diagramm für die Motorleistung, die andere jene für das Drehmoment. Kommerziell waren um die Jahrhundertwende den Ballonen als «nur eindimensional in der Vertikalen steuerbare und den Launen des Windes ausgesetzten Fluggeräte» sehr geringe Chancen beschieden. Das dürfte das Hauptmotiv für die Entwicklung der Starr Luftschiffe gewesen sein, deren Konstruktion erst mit der Erfindung des Dampf-, Elektro- und Verbrennungsmotors möglich wurde. Graf Ferdinand von Zeppelin (1838-1917) verhalf dem Luftschiff zum Durchbruch. Er diente, wie fast alle damaligen deutschen Adeligen, zuerst in der Armee und wurde nach 30 Jahren als Generalleutnant in den Ruhestand entlassen. Als rund 50jähriger begann er gegen Ende des 19. Jahrhunderts seine zweite Karriere. 1892/93 entwarf er zusammen mit dipl. Ing. Theodor Korber ein starres Luftschiff, das am 31. August 1895 unter der Nummer 98580 vom Kaiserlichen Patentamt patentiert wurde. Damit stand das bis heute gültige Prinzip des Luftschiffs. Es folgten Jahre harter Arbeit, bis mit dem LZ 1 am 2. Juli 1900 die Erstfahrt eines Zeppelin-Luftschiffs erfolgte. In den folgenden Jahrzehnten sind eine Reihe von Zeppelin-Luftschiffen gebaut worden, nicht ohne technische und wirtschaftliche Rückschläge. Die berühmtesten waren zweifellos das LZ 127 «Graf Zeppelin» und das LZ 129 «Hindenburg». Mit der Katastrophe von Lakehurst (1937), als die Hindenburg bei der Landung Feuer fing und innert Sekunden 35 Menschen in den Tod riss sowie mit dem Ausbruch des Zweiten Weltkriegs, nahm die stolze und erfolgreiche Ära der Luftschiffe ihr vorläufiges Ende. 100 Jahre nach dem Start des ersten Zeppelins ist im Juli 2000 in Friedrichshafen wieder ein halb starres Luftschiff der Öffentlichkeit vorgestellt worden, nämlich der Zeppelin NT (Neue Technologie).
Gustav Weisskopf
Schon zu Lilienthals Zeiten ahnten Flugpioniere, dass die Zukunft des Flugzeugs den «Maschinen mit Motor» gehören würde. Einer davon war Gustav Weisskopf, der im Verlaufe seines abenteuerlichen Lebens - zum Teil auf hoher See - auch eine gewisse Zeit bei Otto Lilienthal verbrachte, später in die USA übersiedelte und sich dort Whitehead nannte. Ihm gelang -wie die Ouellen nach langer Vergessenheit und späterer aufwendiger Recherchierarbeit vor und nach dem Zweiten Weltkrieg vermuten lassen - am 14. August 1901 der erste, allerdings noch ungelenkte und fotografisch nicht dokumentierte Motorflug. Das im Bild festgehaltene Flugzeug hatte einen Carbid-Expansionsmotor mit Schubstangenantrieb auf die sich gegenläufig drehenden Propeller (Drehmomentausgleich!). Zudem hatte das Flugzeug Verstrebungen, die in Anlehnung an die bei Otto Lilienthal gewonnenen Erkenntnisse entstanden sind. Ferner zeigt das Bild das Flügelprofil, das Steigzahldiagramm und steht stellvertretend für die mehr oder weniger erfolgreichen Flugversuche mit Modellen oder effektiven Flugzeugen vor den Gebrüdern Wright (1903). Aus der Geschichte der Luftfahrt sind dabei verbürgt: 1804: G. Cayley baut das erste erfolgreiche Flugmodell; 1857: Motorflugpatent von du Temple, Gleitflugversuch von Le Bris. 1871: erstes freifliegendes Flugmodell mit Gummimotor von Pénaud. 1877: Der Modellhubschrauber mit Dampfantrieb von Forlani erreicht eine Höhe von 13m. 1881: Der Russe A.F. Moshaiski erprobt das Motorflugzeug, das beim oder nach dem Start abstürzte. 1890 bis 1897: Clément Ader (F) macht Versuche mit einem Motorflugzeug.
Die Gebrüder Wright
1903 waren es die Gebrüder Wright, die am 17. Dezember in Kitty Hawk (USA) mit dem Flyer I den ersten gelenkten und fotografisch dokumentierten Motorflug vollführten. Der von einem 12-PS-Wright-Vierzylinder Motor und zwei Druckpropellern (2,6m Durchmesser) getriebene Doppeldecker in Entenkonfiguration hatte eine Spannweite von 12,29m, eine Länge von 6,43m und wog ca. 340kg. Der Antrieb erfolgte durch einen Benzinmotor, der mittels Kettentransmission zwei gegenläufige Schubpropeller antrieb. Der Erstflug dauerte 12 Sekunden und führte über eine Strecke von 36m. Die Steuerung war dreiachsig, eine Nicksteuerung durch das vordere Höhenleitwerk, eine Rollsteuerung durch Flügelverwindung und die Giersteuerung durch das hintere Seitenleitwerk (war bis 1904 mit der Rollsteuerung gekoppelt). Das Bild zeigt den Wright Flyer (Doppeldecker) - eine Entenflügel-Konstruktion (Canard- Konstruktion) - mit dem Seitenleitwerk (rechts im Bild), dann die Verwindung des Schubpropellerblattes, das Flügelprofil und das Canardleitwerk. Ferner sind das Polardiagramm eingezeichnet, das Steigzahldiagramm und die Kurve des Momentbeiwertes, die durch das Canardleitwerk geht. Diese Kurve zeigt die Druckpunktwanderung bei der Veränderung des Anstellwinkels. Im Unterschied zu andern (vergessenen) Flugpionieren spielten die «Wright Brothers» für die Weiterentwicklung der Luftfahrt eine entscheidende Rolle. Sie entwarfen und konstruierten den Flyer II, mit dem bereits 1905 105 Flüge von bis zu 5 Minuten und 4,4km Distanz durchgeführt werden konnten. Der Flyer III brachte nochmals spürbare Fortschritte in der Steuerung, vor allem beim Kurvenflug (Verwindung). Mit ihm flogen Orville und Wilbur Wright «schöne Kurven und Achterfiguren». Am 5. Oktober 1905 erzielte Wilbur Wright damit bereits einen Flug von 38 Minuten Dauer und eine Strecke von 39km.
Segelflug
Das Bild zeigt ein modernes Laminarprofil eines Segelflugzeugs in der Strömung (z.B. im Windkanal oder im Flug). Ein Laminarprofil zeichnet sich dadurch aus, dass der Übergang von der laminaren (glatten) in die turbulente Grenzschichtströmung erst weit im hinteren Teil des Flügelprofils erfolgt. Laminarprofile funktionieren in einem bestimmten (Geschwindigkeits-)Bereich mit wesentlich weniger Widerstand besser als andere Profile. Weil sich in diesem Bereich auch der Segelflug abspielt, werden sie heute bei Segelflugzeugen mit Erfolg angewendet. Ihr Minimalwiderstands-Beiwert ist viel kleiner als beispielsweise jener der Göttinger oder Clark-Profile. Die Laminarprofile erzielen aber einen nicht ganz so grossen maximalen Auftrieb wie andere und sind deshalb für den Langsamflug etwas weniger geeignet. Laminarprofile wurden auch in Motorflugzeugen verwendet und damit auch in Kriegsflugzeugen während des Zweiten Weltkriegs (z.B. Mustang). Damit das günstige Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand voll zum Tragen kommt, ist es erforderlich, dass die Oberfläche schon von der Konstruktion her sehr glatt ist. Entsprechend negativ wirkt sich eine allfällige Verschmutzung aus. Tote Insekten am Flügel oder Regentropfen beeinträchtigen die gute Gleitzahl von Laminarprofilen spürbar. Bei der künftigen Weiterentwicklung geht es vor allem darum, den Einfluss der Verschmutzung, die zwangsläufig bei jedem (Segel-)Flug entsteht, etwas geringer zu halten. Interessant ist, dass es in der Natur (Vögel, Insekten, Blätter von Bäumen) keine Laminarprofile gibt. Diese sind eine Erfindung des Menschen. Dargestellt sind im Bild im weiteren - von links beginnend - das Polardiagramm, das Steigzahldiagramm und die Druckpunktwanderung (cm) mit den entsprechenden Bezeichnungen dazu (φ, ε und cm).
Segelflug in der Welle
Das Bild zeigt Segelflug unter einer Lenticulariswolke (Cumulus lenticularis). Beim Segelflug unterscheidet man grundsätzlich zwei Arten der Aufwindnutzung, nämlich den Flug in thermischen und jenen in dynamischen Aufwinden. Dynamische Aufwinde entstehen, wenn eine Windströmung auf ein Hindernis (z.B. einen Berg) aufläuft, auf der Luvseite angehoben wird, um sich nach der Überwindung des Hindernisses wellenartig weiter zu bewegen. In diesen wellenartigen Bewegungen entstehen Aufwindsysteme mit Rotoren. Das sind Zonen mit starken Auf- und Abwinden. Die bekanntesten Windströmungen mit dynamischen Aufwindsystemen über den Alpen sind Nord- und Südföhnlagen, aber auch andere Überströmungen können über bestimmten Alpenregionen zu Wellensystemen führen. In Frankreich entstehen Wellen vor allem im Mistral, einem aus Norden kommenden starken Wind, der in den Segelfluggebieten der Provence schon zu zahlreichen Rekordflügen geführt hat. Auch in der Schweiz sind Höhen- und auch Distanzrekorde (z.B. 1'000-Kilometer- Flüge) bei ausgeprägten Föhnsituationen geflogen worden. Das gilt auch für den Höhenweltrekord von Robert Harris (14'938m), den er am 17. Februar 1986 über California City im Wellensystem über der Sierra Nevada erflog. Die dortigen Aufwinde dürften die stärksten in solchen Wind-Wellen- Systemen sein. Sie sind stärker als jene im Föhn und im Mistral. Von Segelfliegern genutzte Wellensysteme kennt auch Neuseeland. Wohl deshalb wird dieses Land in der Sprache der Einheimischen sinngemäss auch als «Land der langen Wolke» (Cumulus lenticularis) bezeichnet.
Der Motorsegler
Dieses Bild stellt den Motorsegler dar, sein Flügelprofil, die Propellerblatt-Konstruktion, die Geschwindigkeitspolare (flache blaue Kurve) und die Diagramme des Auftriebsanstiegs und der Motorenleistung. Rot eingezeichnet ist die Propellerblatt-Verwindungskonstruktion. Die Idee, ein Gleit- oder Segelflugzeug zur Erleichterung des Starts und der Rückholung mit einem Motor auszurüsten, ist keineswegs ein Kind der Nachkriegszeit. Sie reicht bis ins Jahr 1920 zurück. Damals schlug Eugen von Loessl kurz vor seinem tödlichen Unfall das «Segelflugzeug mit Hilfsmotor» vor. Oskar Ursinus, dem damaligen Organisator der Rhön-Segelflug-Wettbewerbe, schwebte dagegen ein Leichtflugzeug mit einem Motor von 10 bis 15PS vor. Ein erster Wettkampf dafür wurde am 5. Rhön-Wettbewerb (1924) ausgeschrieben. Statt eines «Motorgleiters» siegte damals ein Motor Leichtflugzeug, nämlich die U 7 «Kolibri» mit 10m Spannweite, das für den Gleit- oder Segelflug kaum geeignet war. Als wirklich erster Motorsegler dürfte die von Karl Plauth gebaute D 8 gelten. Vor allem die Eignung des Motorseglers für die Schulung war der Hauptgrund, weshalb der Motorsegler-Gedanke nach dem Zweiten Weltkrieg neue Nahrung erhielt. Die ersten serienmässigen Motorsegler waren die «Krähe» von Fritz Raab (1957) und der «Scheibe Motorspatz». Später folgten zahlreiche Entwicklungen, z.B. SF 25 Motorfalke, C-Falke, SF 25 E, Dimona, Superdimona, Stemme S 10 u.a.m., die eher der Kategorie «Reisemotorsegler» zuzuordnen sind. Eine grosse Entwicklung war in den letzten 20 Jahren bei den eigenstartfähigen Segelflugzeugen zu beobachten. Derzeit ist auch ein eigenstartfähiges Segelflugzeug mit Elektromotor in der Entwicklung. Aus dem auf einer DG-800 aufbauenden Erprobungsträger LF-20E wird die Antares als Serienflugzeug entstehen.
Der Helikopter
Das Bild zeigt (blau) die Durchströmung des Hauptrotors im Bodeneffekt. In der Mitte ist der Überdruckbereich und rechts im Bild sind die Strömungsverhältnisse am stilisierten Heckrotor sichtbar. Ferner zeigt das Bild die Steuerspinne, die sich oben in der Mechanik des Hauptrotors befindet, und das Instrument zur Kontrolle der Motoren- und Rotordrehzahl. Die Formel zeigt die Leistungsaufnahme im Bodeneffekt. Erste Skizzen eines Helikopters - das Wort stammt aus dem Griechischen: helix = Schraube/Spirale; pteron = Flügel - gehen auf den genialen Leonardo da Vinci (1452-1519) zurück. Seine Ideenskizzen wurden allerdings erst Ende des 19. Jahrhunderts entdeckt. Nach Leonardo entwickelte George Cayley die Helikopter Idee weiter. Der Wunsch des Menschen, nicht nur fliegen zu können, «sondern sich auch senkrecht vom Erdboden in die Luft zu erheben und ebenso zur Erde zurückzukehren», ist alt. Cayley's Entwurf basierte auf Zeichnungen der Franzosen Launoy und Bienvenu aus dem Jahre 1784. Ein grosser Teil der frühen Pionierarbeit an Hubschraubern blieb im dunkeln und wurde nie aufgezeichnet. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts war die Helikopterentwicklung mit den Franzosen Paul Cornu und Louis Bréguet verbunden. Weitere spätere Pioniere waren der ungarische Aerodynamiker Theodore von Kármán, Henrich Focke, Igor Sikorsky u.a.m. Erste gesteuerte und nicht gefesselte Helikopterflüge erfolgten durch Pescara (1922), Asboth (1930), d'Ascanio (1930) sowie Bréguet und Dorand (1935).
Muskelkraft-Flug
Am 12. Juni 1979 gelang Bryan Allen, dem 26jährigen Biologen aus Kalifornien, die Überquerung des Ärmelkanals mit einem muskelkraft-getriebenen Flugzeug, dem Gossamer Albatros. Das Bild zeigt die Kettenantriebs-Räder - im Übersetzungsverhältnis von 52:42 -, ferner die Propellerblatt-Verwindung sowie das Gleitzahl- und Steigzahldiagramm. Das Profil des Hauptflügels - ein weiteres Element im Bild - ist ein Lissamann-Profil. Bryan Allen war Mitglied des Teams von Dr. Paul MacCready jr., dem Konstrukteur dieses Flugzeugs. Sie gewannen mit diesem Flug den mit 100'000 $ dotierten Preis der «Kremer Competition», die 1959 ins Leben gerufen wurde und Preise für muskelkraft-getriebene Flüge ausschrieb. Es war damals die bis zu diesem Zeitpunkt grösste Preissumme in der Geschichte der Luftfahrt. Die «Kremer Competition» erinnert an Henry Kremer und Robert Graham - beides Engländer und Ingenieure -, aus deren Freundschaft die «Kremer Competition» entstand. Als Antwort auf die «Kremer Competition» bauten Postgraduate-Studenten der University of Southampton die Sumpac (Southampton University man-powered Aircraft)
und vollführten damit 1961 den ersten Flug mit einem muskelkraft-getriebenen
Flugzeug in Grossbritannien. Spätere muskelkraft-getriebene Flugzeuge waren die Puffin, gebaut von einem Ingenieur Team der de Havilland Aircraft
Company, Linnet I der Studenten der Nihon University in Japan, die sehr erfolgreiche Jupiter in England, mit der 1972 eine Distanz von 1'071m geflogen
wurde. Dieser Rekord hielt fünf Jahre. Weitere muskelkraft-getriebene Flugzeuge waren die zweisitzige Toucan (Two can fly if one cannot) der Hertfordshire
Pedal Aeronauts in der Handley Page Aircraft Company, deren längster Flug aber nur 640m war. 1977 stellte die Condor von Prof. Kimura (Japan) mit 2094m
einen neuen Distanzrekord auf und mit dem Gossamer Condor, einem Vorgänger des Gossamer Albatros gewannen die Konstrukteure den Preis für den
«Kremer Figure-of Eight-Flight».
Der Gleitfallschirm
Der Gleitfallschirm funktioniert nach dem Ram-Air-Prinzip. Das heisst, die Eintrittskante des Flügelprofiles ist vorne offen und die einzelnen Kammern füllen sich bei entsprechendem Staudruck mit Luft, womit der Schirm «aufgeblasen» wird und das gewünschte Profil erhält. Mit der Einführung des Staudruck-Gleitfallschirms konnten die Gleitleistungen traditioneller Fallschirme massiv erhöht und gleichzeitig auch die Steuerbarkeit der Geräte verbessert werden. Der Fallschirm wurde dadurch zu einem flexiblen Nurflügler mit breitem Einsatzbereich. Zu Beginn ausschliesslich im zivilen und militärischen Fallschirmbereich eingesetzt, wurde aus diesen Geräten ungefähr ab 1975 sogenannte Gleitschirme entwickelt, die vom Boden aus gestartet wurden. Die Verwendung neuer Materialen und Techniken aus dem Hängegleiterbereich verhalf den Gleitschirmen ab 1985 zu einem eigentlichen Boom, liessen doch die einfachen Starteigenschaften, die Transportierbarkeit, aber auch die immer höheren Flugleistungen eine breite Verwendung als Sportgerät zu. Tausende von Anhängern der neuen Sportart starten ab Hügeln und Bergen und erreichen beachtliche Streckenflugleistungen von Hunderten von Kilometern. Die Schweiz trug wesentlich zur weltweiten Entwicklung und Verbreitung des Gleitschirmsports bei. Mit einem Dreirad und einem Motor versehen, dienen die Gleitschirme auch als moderne Ultraleichtflugzeuge, die sowohl zivil als auch militärisch eingesetzt werden. Das Bild zeigt ein Ram-Air Flügelprofil und das Polardiagramm mit der zugehörigen Tangente für die beste Gleitzahl, welche zugleich den Bruchstrich des Quotienten ca/cw darstellt. Will der Gleitfallschirmspringer möglichst lange in der Luft bleiben, will er also die Sinkgeschwindigkeit minimieren, dann benützt er den Maximalwert des Quotienten ca³/cw², also die maximale Steigzahl für die grösste Gleitflugdauer, dargestellt durch das Steigzahldiagramm.
Energieumwandlung
Das Bild der Energieumwandlung hat mit dem heutigen Fliegen direkt nichts zu tun, befasst sich aber mit dem futuristischen Gedanken, wie wohl geflogen werden könnte, wenn einmal keine fossilen Brennstoffe mehr vorhanden wären. Das Bild: Sonnenenergie wird mit der Plankonvexlinse gesammelt. Im Brennpunkt wird Wasser (H2O) in Wasserstoff (H = grün) und Sauerstoft (O = orange) getrennt. Der Wasserstoff wird im Wasserstoffmotor (statt Benzinmotor) in Wärmeenergie (roter Ring) und mechanische Energie umgewandelt (Zahnrad). Technisch wäre das Wasserstofftriebwerk für Flugzeuge machbar, im Autobau ist es im Strassenversuch in Erprobung. Wirtschaftlich ist es aber nicht interessant, weil Benzin im Verhältnis zu Wasserstoff (immer noch) viel billiger ist.