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„Die ersten Luftreisenden, Sire“

Manfred Boog

Mit freundlicher Genehmigung der Fachzeitschrift

Von den Ursprüngen des Modellflugs, Teil 3

Modellflug im Dienste der Wissenschaft und Forschung, Modellflug als Grundlage der bemannten Luftfahrt – Im 2. Kapitel der Montgolfiere-Story wird eine der großen Leistungen des Modellflugs deutlich: Ohne die Möglichkeit, Naturgesetze, denen die Forscher und Techniker auf die Spur gekommen waren, im Modellversuch zu überprüfen, wäre vieles unentdeckt geblieben. Und ohne die Erfahrungen und Erkenntnisse, die dabei gewonnen wurden, wäre die nahezu explosionsartige Entwicklung der Luftfahrt im 20. Jahrhundert wahrscheinlich anders verlaufen.

Der Modellflug hat dazu ganz entscheidende Beiträge geleistet, denn er stand bei vielen Entwicklungen in der Luftfahrt ganz am Anfang. Deutlich wird das auch vor dem allerersten Schritt des Menschen in den Luftraum, bei der Erfindung des Heißluftballons durch die Brüder Montgolfiere.
Inzwischen hatte sich die Kunde über die sensationellen Aufstiege der „Montgolfieren“ und über das Top-Event  am 5. Juni 1783 in ganz Frankreich verbreitet. Doch dieses Ereignis hatte in Annonay, im tiefen Süden, draußen in der Provinz, weitab von der Metropole Paris, stattgefunden. Das durfte nicht sein, und so hatte die Akademie der Wissenschaften die Brüder Joseph Michel und Jaques Etienne Montgolfiere nach Paris eingeladen. Sie sollten ihren Versuch vor der Highsociety Frankreichs und vor der gelehrtesten und würdigsten Versammlung von Wissenschaftlern des Reichs wiederholen. Ja, der König würde sogar dabei sein. Der „Aerostat“ sollte vor dem königlichen Schloss in Versailles aufsteigen! Doch die beiden zögerten, wochenlang, monatelang. Ununterbrochen befassten sie sich mit neuen Überlegungen und Berechnungen. In den ersten Jahren hatten sie nämlich die Abhängigkeiten der Auftriebskräfte von den Ballongrößen überhaupt nicht erkannt. Sie hatten kleine Ballon-Modelle gebaut, mit „Montgolfiere-Gas“ gefüllt und aufsteigen lassen. Doch deren Leistungen waren in keiner Weise zufrieden stellend, konnte eine Füllung die Ballonhülle gerade mal ein wenig anheben. Dann fanden sie heraus, dass größere Ballone sehr viel leistungsfähiger waren, ja, dass die Verhältnisse von Gesamtgewicht und Auftrieb dann immer günstiger wurden, wenn man seine Ballone nach und nach vergrößerte. Das hatten ihre letzten Versuche vollauf bestätigt.

Rechnerisch lässt sich das leicht nachweisen, wenn man erst einmal auf diese Spur gekommen ist. In unserer Schulzeit hat man uns alle gezwungenermaßen mit allerhand mathematischen Formeln konfrontiert oder auch traktiert. Meistens wurde dabei aber verheimlicht, dass eigentlich all diese Lehrsätze in Industrie und Technik eine enorme Bedeutung haben. Die Mathematik wäre manchem Schüler wahrscheinlich symphatischer gewesen, wenn man ihm hin und wieder einmal gezeigt hätte, wie eng Mathematik und Technik miteinander verflochten sind und wie toll man mithilfe der Mathematik technische Probleme auf einfache Weise erkennen und exakt beschreiben kann. Natürlich auch in der Luftfahrt und im Modellflug mit all seinen Grenzgebieten, auch beim Phänomen „Heißluftballon“. Da benötigen wir nämlich nur zwei relativ einfache Formeln, die für die Oberfläche und die für das Volumen einer Kugel:

O = d² x 3,14       V = 4/3 r³ x 3,14

(„O“ ist die Oberfläche, „V“ das Volumen, „r“ der Radius, „d“ der Durchmesser (r + r) und „3,14“ die Konstante π, sprich: „Pi“.)
Da wird man schon auf den ersten Blick erkennen, dass bei steigendem Radius „r“ die Oberfläche im quadratischen („hoch 2“), das Volumen aber im kubischen („hoch 3“) Verhältnis wächst.

Spielen wir mal ein wenig mit diesen Formeln und variieren dabei als Ausgangslage die Radien.

1. Ein Ballon mit einem Radius von 1 m
O = 22 x 3,14 = 12,65 m²
V = 4/3 x 13 x 3,14 = 4,18 m³
2. Ein Ballon mit einem Radius von 3 m
O = 62 x 3,14 = 113,04 m²
V = 4/3 x 33 x 3,14 = 84 m³
3. Ein Ballon mit einem Radius von 9 m
O = 182 x 3,14 = 1017,36 m³
V = 4/3 x 93 x 3,14 = 3052,08 m³

Vergleichen wir einmal die Zuwächse der beiden größeren Ballone, bezogen auf den ersten kleineren:

Ballon Nr. Radius Oberfläche Volumen
1 1 m 13 m² 4 m³
2 3-mal so groß 7-mal so groß 21-mal so groß
3 9-mal so groß 78-mal so groß 763-mal so groß

Diese Grafik ist ein schönes Beispiel dafür, wie man technische Sachverhalte durch mathematische Darstellungen ausgezeichnet veranschaulichen kann

Und nun wird das Erfolgsrezept der Heißluftballonfahrt ganz klar erkennbar: Baut euren Ballon groß, sehr groß, und wenn es geht, noch größer. Ihr werdet Probleme haben mit der Oberfläche, also mit dem Material der Hülle, mit der Festigkeit, vielleicht auch mit dem Preis. Aber ihr werdet massenweise Kubikmeter gewinnen und damit riesige Auftriebskräfte! Denn bei wachsender Größe eines Ballons steigt das Gewicht der Hülle, definiert als Oberfläche der Kugel, recht moderat an. Das Volumen jedoch schnellt dagegen förmlich in die Höhe. Das Volumen eines Heißluftballons – und natürlich auch das Volumen einer Montgolfiere ist entscheidend für seine Leistung, für seine Fähigkeit, Lasten in die Luft zu tragen. In Folge 2 unserer kleinen Modellfluggeschichte hatten wir uns darauf geeinigt, dass ein Kubikmeter Luft, der bei einem Druck von 750 mm von 0 °C auf 80 °C erhitzt wird, 300 Gramm an Gewicht verliert.

Das wird in der Praxis wahrscheinlich nach oben oder unter variieren. Da spielen verschiedene Kriterien eine Rolle: die Luftfeuchtigkeit, die tatsächliche Ausgangstemperatur, die Leistung eines Brenners. Aber darum geht es uns nun ja gar nicht. Wir wollen durch mathematische Überlegungen technische Gegebenheiten beleuchten. Beim Volumen von gut 4 Kubikmetern hat Ballon 1 eine Tragfähigkeit von

K = 4,18 x 0,3 = 1,2 kg.

Ballon 2 ist da schon viel attraktiver: 84 stolze Kubikmeter bringt er ins Rennen, und das ergibt eine Tragkraft von

K = 84 x 0,3 = 28 kg.

Ballon 3 hat ein Volumen von 3052 Kubikmetern. Sein Auftrieb beträgt

K = 3052,08 x 0,3 = 915,6 kg.

Nun wird es ganz deutlich: größer bauen! Das Gerät wird dann sehr viel effektiver.
Und um dieses Phänomen kreisten immer wieder die Überlegungen der Brüder Montgolfiere, denn hier tauchten auch die dabei entstehenden Probleme auf. Ihr Ziel war es, erstmalig einen oder mehrere Menschen in den Luftraum aufsteigen zu lassen. Es musste also ein Ballon gebaut werden, der entsprechende Gewichte anheben konnte.
Je größer aber der Baukörper, umso größer die strukturellen Anforderungen an Papier, Gewebe und die netzartige Umhüllung. Es sollte ein Brenner zum Nachheizen während des Aufstiegs installiert werden. Unverzichtbar war eine Bühne mit einem Platz für die Passagiere, für zusätzliches Brennmaterial und für Löschwasser. Haltseseile mussten stabile Aufhängepunkte haben, um den enormen Auftriebskräften kurz vor dem Start gewachsen zu sein. Und das alles war schwer, brachte zusätzliches Gewicht, kostete Auftriebskräfte, die eigentlich für den freien Flug vorgesehen waren.

Der erfolgreiche Start in der Hauptstadt vor einer ganz großen Kulisse am 19. September 1783. Anerkennung und Jubel von allen Seiten. Als der König den Korb unter der Montgolfiere bemerkte und sich danach erkundigte, sagte man ihm: „Die ersten Luftreisenden, Sire“. Schaf, Hahn und Ente überlebten dieses Ereignis. Damit war das Tor zum ersten Flug eines Menschen geöffnet

Endlich meinten die Brüder Montgolfiere, die perfekte Lösung gefunden zu haben. Nun wollten sie das alles in der Praxis erproben. Aber ihr erster Versuchsballon verbrannte bereits vor dem Start durch eine Unachtsamkeit. Heutzutage wird ein Heißluftballon vorab mit Kaltluft gefüllt. Die Hülle steht dann prall über dem Brenner und ist durch ein voluminöses Luftkissen vor der Flamme geschützt. Die Montgolfieres dagegen hängten ihre schlaffe Ballonhülle an Masten auf, und da konnte eine Falte schnell vom Feuer erfasst werden.

Dann zerriss ein zweiter Ballon mit nur 20 m³ Volumen kurz vor Beendigung der Füllung die Halteseile, stieg sehr schnell auf 300 m Höhe und blieb etwa 10 Minuten in der Luft. So etwas durfte in Paris auf keinen Fall passieren. Kein Wunder, dass fast ein Vierteljahr verging, bis die beiden Luftfahrt-Pioniere ihr Projekt exakt geplant hatten und sich mit einer Kutsche auf den weiten Weg nach Paris begaben. Sie hatten ihre Pläne und wichtige  Ausrüstungsgegenstände bei sich. Der Ballon sollte in der nahe bei Paris gelegenen Tapetenfabrik Reveillon gebaut werden.

Als sie am späten Abend ankamen, gerieten sie in einen Volksauflauf. Jubelnde Stimmen, Hochrufe: „Es lebe Professor Charles und die Charliere!“ Die Brüder Montgolfiere waren entsetzt. Sie hatten von dem Physikprofessor Charles in Paris gehört. Sie wussten, dass er sich ebenfalls mit Luftfahrt-Problemen befasste.
Nun war ihm vor wenigen Stunden ein erster Flug gelungen! Hatte da jemand ihren Aerostaten kopiert? Hatten Spione ihr Geheimnis entdeckt und es in der Hauptstadt verraten? Würde man ihnen den Ruhm nehmen, als Erste den Menschenflug verwirklichen zu können?

Wahnsinn. Da hatte die Menschheit Jahrtausende lang vom Fliegen geträumt, hatte seit Urzeiten sehnsuchtsvoll den Vögeln nachgeschaut, hatte unzählige Überlegungen angestellt und viele erfolglose Versuche unternommen. Und nun, im Jahr 1783, gab es innerhalb von knapp vier Monaten zwei technisch unterschiedliche, erfolgreiche Schritte in das unendliche Luftmeer! Das konnte doch nicht wahr sein! „War der Ballon unten offen oder zugebunden?“, erkundigte sich einer der Brüder. „Zugebunden selbst-verständlich“, antwortete man ihm, „sonst wäre doch das Gas entwichen“. „Dann war das Brenngas!“ Erleichterung bei den Brüdern aus Südfrankreich.  „Dann fliegt Professor Charles nicht mit unserem Montgolfiere-Gas!“

Unverzüglich machten sich die beiden mit ihren Helfern an die Arbeit. In kürzester Zeit entstand in der Tapetenfabrik Reveillon ein 22 m hoher, spindelförmiger Ballon aus Leinwand und Papier. Am 12. September
stieg dieser noch unbemannte Aerostat, an Stricken gefesselt, zum ersten Mal auf ... und wurde kurz darauf durch ein plötzlich ausbrechendes Unwetter zerstört. Doch eine Woche später stand ein neuer Ballon vor dem Schloss in Versailles am Start, diesmal ein etwas kleinerer, „nur“ 18 Meter hoch. Bisher hatten die Brüder Montgolfiere ausschließlich unbemannte Flugmodelle gebaut und gestartet. Sie wollten zeigen, dass es möglich war, mithilfe ihrer Idee einen ersten Schritt in die Lüfte zu tun. Mit ihnen erprobte man das, was man ersonnen hatte, kam den physikalischen Gesetzen auf die Spur.

Der erfolgreiche Start in der Hauptstadt vor einer ganz großen Kulisse am 19. September 1783. Anerkennung und Jubel von allen Seiten. Als der König den Korb unter der Montgolfiere bemerkte und sich danach erkundigte, sagte man ihm: „Die ersten Luftreisenden, Sire“. Schaf, Hahn und Ente überlebten dieses Ereignis. Damit war das Tor zum ersten Flug eines Menschen geöffnet.

Nun aber, am 19. September 1783, standen ganz andere Aufgaben an: Man musste den neuen Aerostaten seiner Majestät, dem König, der königlichen Familie, den Top-Wissenschaftlern der Akademie Francaise und Tausenden von Zuschauern vorführen. Auch hier wieder eine ganz große Kulisse: Im Hof des Schlosses steht eine große Bühne, in deren Mitte sich eine Öffnung von fast 5 Meter Durchmesser befindet. Hier wird der Füllstutzen angebracht. Die noch schlaffe Hülle hängt zwischen zwei Masten. Ab 10 Uhr rollt eine Kutsche nach der anderen von Paris nach Versailles. Die Wache zieht auf und sperrt das Gelände ab. Um 12 Uhr der erste Böllerschuss. Die Startmannschaft füllt den Ballon. Schön bemalt ist dieser, hellblau mit reichhaltigen Verzierungen. „Sogar meinen Namenszug haben sie nicht vergessen!“ stellt der König geschmeichelt fest. Und dann sieht er einen Korb mit einem Käfig, darin ein Schaf, ein Hahn und eine Ente. Ein Mitglied der Akademie der Wissenschaften erklärt ihm: „Die ersten Luftreisenden, Sire!“ Man will damit wichtige Erkenntnisse gewinnen. Wie wirkt sich der Aufstieg auf einen lebenden Organismus aus? Gibt es dort oben Atemluft? Diese und andere brennende Fragen sind mit dem Ereignis verbunden, denn warnende Stimmen hört man in Hülle und Fülle.

Dann der zweite Mörserschuss. Der Ballon ist gefüllt. Als der dritte Schuss ertönt, steigt die Montgolfiere unter dem Jubel und den Beifallsrufen Tausender hoch in die Luft. Nach acht Minuten setzt sie weich in einem Gehölz auf. Der linde Südwind hatte sie über 3 km weit getrieben. Die Tiere hatten die Luftreise gut überstanden, bis auf einen Flügelbruch, den man beim Hahn feststellte. Es gab aber Augenzeugen, die aussagten, dass diese Verletzung durch einen Fußtritt des Schafs beim Start verursacht worden sei, dass dies also nichts mit dem ungewohnten Aufenthalt im Luftraum zu tun hatte.

Zu Ehren der Brüder Montgolfiere
ließ der König eine Medaille prägen. Diese trägt die Aufschrift: „Für die Erschließung der Luftfahrt“

Modellflug im Dienst der Wissenschaft? Das wurde hier erstmalig erfolgreich praktiziert. In einer jahrelangen Versuchsreihe hatten die Brüder Montgolfiere nachgewiesen, dass es nach dem Prinzip „leichter als Luft“ möglich ist, Lasten in die Lüfte aufsteigen zu lassen. Dabei hatten sie immer größere unbemannte Heißluftballone, also Flugmodelle, eingesetzt.

Sie hatten ihre Erfindung publik gemacht, sie großen Zuschauermassen und der gesellschaftlichen und wissenschaftlichen Prominenz Frankreichs vorgeführt. Die Nachrichten waren um die Welt gegangen. Blieb eine letzte Frage: Wie wirkt sich ein plötzlicher Aufstieg und ein längerer Aufenthalt in großer Höhe auf lebende Organismen aus? Auch diese Frage hatte man mit einem entsprechenden Versuch in einem unbemannten Ballon beantwortet, ohne dabei die Gesundheit oder das Leben von Menschen aufs Spiel zu setzen.

Damit wird eine der wichtigen Rollen des Modellflugs deutlich: Er stand früher sehr häufig (und steht auch heute noch gelegentlich) im Dienst der Wissenschaft und Forschung. Der Modellflug zählt zu den Wegbereitern einer erfolgreichen Entwicklung der Luftfahrt in unserem Zeitalter.

www.neckar-verlag.de

 

Stand: 27.02.2010