Das Design-Genie des Flugzeugbaus

Der Texaner Vincent Justus Burnelli: 1895 - 1964

Schon in den Anfängen der Fliegerei faszinierte das Nurflügelflugprinzip die Konstrukteure, da es unter aerodynamischen Gesichtspunkten aus sehr effektiv ist. Bereits 1901 absolvierte Gustav Weisskopf, der in die USA ausgewanderte Helfer Otto Lilienthals, gemäß Augenzeugenberichten mit einem Quasi-Nurflügler den ersten bemannten Motorflug der Welt. Im Jahre 1906 bewies der Däne Jacob Christian Ellehammer, dass das Prinzip auch in der Praxis funktionierte, als er mit seinem Nurflügler immerhin 43 Meter weit flog.

Insbesondere die Flugzeugbauer Junkers und Horton waren eifrige Verfechter dieser Idee. Im Jahr 1910 ließ sich der deutsche Luftfahrtkonstrukteur Hugo Junkers die Idee patentieren, das für ein Flugzeug notwendige Volumen nahezu vollständig im Flügel unterzubringen (sogenanntes Volumen-Patent). Hugo Junkers stellte sich große Nurflügelflugzeuge vor, die imstande waren, Hunderte von Passagieren über große Distanzen zu fliegen. Sein 1923 geplanter großer Nurflügler mit 100 Sitzplätzen wurde leider nie gebaut. Die Ideen des Nurflüglers am weitesten weiterentwickelt haben die Gebrüder Reimar und Walter Horten mit ihrem Ho-IX, dem ersten zweistrahligen Nurflügel-Jagdbomber, der während der Endphase des 2. Weltkrieges in die Flugerprobung ging. Die Pläne für den Bau eines Überschall-Kampfflugzeuges, die Horten HXIIIb, lagen ebenfalls vor, konnten jedoch wegen des nahenden Kriegsendes nicht mehr realisiert werden. Nach dem Krieg übernahm die Firma Northrop die Führungsrolle bei der Weiterentwicklung des Nurflügler-Prinzips, welches letztendlich zu den sogenannten Stealth-Bombern führte.

Der Kompromiss

Der Grund, weshalb sich das reine Nurflügler-Prinzip nicht als Design durchsetzen konnte, liegt in den große Stabilitäts- und Steuerproblemen wegen des fehlenden Leitwerks. Ein derartiges Flugzeug lässt sich eigentlich nur mit Computern steuern. Um dem Prinzip trotzdem zum Erfolg zu verhelfen, erfand der in Temple, Texas geborene Vincent J. Burnelli das Prinzip der Breitrumpfflugzeuge. Burnelli erkannte, dass ein reiner Nurflügler zu groß werden würde, wenn damit Passagiere befördert werden sollen. So designte er einen neuen Rumpf, den er "fliegender Flügel" nannte, welcher Auftrieb erzeugte.

Im Gegensatz zu den heute üblichen zylinderförmigen Rümpfen, entschied er sich für einen breiten und kurz gehaltenen Rumpf, der im Längsschnitt ein Flügelprofil hat. Das besondere an einem derartigen Rumpf ist, dass er etwa die Hälfte des gesamten notwendigen Auftriebs für das Flugzeug liefern kann. Da Auftrieb und Gewicht zu einem erheblichen Teil am selben Ort auftreten, nämlich am Rumpf, sind die auf die Flügelwurzel einwirkenden Momente beim Burnelli-Design deutlich kleiner, weshalb man Flügel mit einer leichteren Struktur verwenden kann. Ein derartiger Burnelli-Rumpf hat den Nebeneffekt, dass er etwa 50 % mehr Volumen aufnehmen kann als ein üblicher Zylinder-Rumpf, wodurch sich mehr Passagiere und Lasten befördert lassen. Bei gleicher Triebwerksleistung verglichen mit einem klassischen Flugzeug können somit etwa 40 % mehr Nutzlast befördert werden. Nimmt man anstatt Nutzlast zusätzlich Kerosin mit, so liegt die Reichweite um etwa 40 % höher als bei den heute üblichen Flugzeug-Designs. Ein weiterer Vorteil von Burnelli-Flugzeugen ist die durch die kompakte Rumpfform bedingte höhere Crashsicherheit dieser Flugzeuge.

Seiner Zeit voraus

Es gehört zu den erstaunlichsten menschlichen Irrwegen, dass Burnellis Flugzeuge trotz deren beeindruckenden Flugleistungen und der Überlegenheit gegenüber klassischen Design-Prinzipien bisher nicht in Serie gebaut wurden. Burnelli war mit seinen Ideen und Konstruktionen seiner Zeit weit voraus, da in seinem Designprinzip nicht das System im Mittelpunkt steht, sondern der Mensch.

Da die Fluggäste nahezu im Schwerpunkt des Flugzeuges sitzen, sind Längsschwankungen im Flugzeug kaum zu spüren. Im Vergleich mit den heutigen kommerziellen Airlinern sind Burnelli-Flugzeuge bei der Kabinen-Kapazität, Raum pro Passagier, Reise- und Höchstgeschwindigkeit, Sicherheit und Effizienz deutlich überlegen. Die Grundidee von Burnelli ist, den zylinderförmigen traditionellen Rumpf durch ein auftriebserzeugendes Flügelmittelstück zu ersetzen, wobei der Schwanzteil durch zwei seitliche Träger am Rumpf befestigt ist. Durch den Wegfall des konventionellen Rumpfs kann der Widerstand deutlich reduziert werden, da die Triebwerksgondeln nunmehr im Rumpf untergebracht werden können. Die Reduzierung des Widerstands bewirkt bessere Eigenschaften, wie höhere Geschwindigkeit, bessere Steigeigenschaften sowie kleinerer Verbrauch für ein gegebenes Gewicht.

Vorteile gegenüber heutigen Airlinern

Das Burnelli-Design hat gegenüber reinen Nurflügelflugzeugen den Vorteil, dass die aerodynamischen Charakteristiken des Flugzeugs, wie Längsstabilität und Längskontrolle, Seitenstabilität und -kontrolle mindestens so gut wie bei einem konventionellen Flugzeug. Das Volumen des Rumpfs ist deutlich höher, ohne dass dabei die aerodynamische Effizienz beeinträchtigt wird.

Die Flügelstruktur muss keine Landungsschocks übertragen, da diese vom Fahrwerk direkt in das Rumpfgerüst eingeleitet werden. Der besondere Vorteil eines Burnelli- Flugzeugs ist, dass bei sonst gleichen Flugleistungen kürzere Lande- und Startrollstrecken möglich werden. Außerdem wird die Lärmbelästigung durch die hohe Steiggeschwindigkeit und die kurze Startrollstrecke erheblich reduziert. Die Anordnung von Triebwerk und Fahrwerk am breiten Rumpf führt darüber hinaus zu einer Vereinfachung der Bauweise, was Gewicht und Baukosten deutlich reduziert. Der Rumpf konventioneller Flugzeuge erzeugt nur Widerstand. Da man das Abfluggewicht der Flugzeuge minimieren will, geschieht das auf Kosten der Festigkeit der Rumpfstruktur, die leichter gebaut wird. Befördert man in derartigen Rumpfstrukturen immer mehr Passagiere wie beim Airbus A-380, haben diese im Fall eines Crash immer weniger Überlebenschancen. Gerade hier setzt jedoch der wichtigste Vorteil der Burnelli-Flugzeuge, die erhöhte Crash- Sicherheit, an.

Crashsicherheit von Flugzeugen

Der Flugsicherheitsexperte Edmund J. Cantilli hob hervor, dass eine Vielzahl der Toten, die in der zivilen Luftfahrt zu beklagen waren, bei einem anderen Design vermieden hätten werden können. Bei einem Flugzeugabsturz wirken auf Mensch und Material enorme Lasten.

Die Existenz eines Schutz - und Überlebensraums für Passagiere und Besatzung ist jedoch sehr wichtig, da selbst bei leichten Unfällen ein Flugzeugrumpf vollständig zerstört werden kann. Den Insassen drohen durch die großen Kräfte tödliche Verletzungen und es besteht die Gefahr durch herumfliegende Trümmerteile getroffen zu werden. Berechnungen ergeben, dass das Strukturgewicht des Rumpfes bei konventionellen Flugzeugen nur rund etwa 15 % des gesamten Strukturgewichtes beträgt. Diese falsche Optimierung führt dazu, dass bei konventionellen Flugzeugen im Falle einer Bruchlandung der lange, leicht gebaute Rumpf stets knickt oder auseinander bricht.

Darüber hinaus sind die hohen Start- und Landegeschwindigkeiten konventioneller Airliner verheerend, wenn man bedenkt, dass sich über 80 % der Flugzeugunfälle während der Start- und Landephase ereignen. Eine andere Gefahrenquelle ist die Tatsache, dass Triebwerke und Fahrwerk an den Flügeln montiert sind, in denen sich üblicherweise die Treibstofftanks befinden. Dies hat beispielweise zum Absturz der Condorde geführt, als ein auf der "Runway" befindliches Teil hochgeschleudert wurde, in den Tankbereich eindrang und das dortige Kerosin entzündete.

Höhere Überlebenschancen durch das Burnelli-Design

Burnellis Konstruktionen sind im Falle von Fehlern oder Crashs sicherer als konventionelle Flugzeuge. Da der Rumpf ungefähr die Hälfte des Auftriebs erzeugt und somit die Flügelfläche kleiner gehalten werden kann, sind die an der Flügelwurzel angreifenden Momente kleiner als bei konventionellen Flugzeugen. Triebwerk und Fahrwerk sind im Rumpf untergebracht, und werden nicht von den Flügeln getragen. Die Flügelstruktur muss keine Landungsschocks ertragen, da diese vorn Fahrwerk direkt auf den Rumpf übertragen werden. Die Belastung der Spannweiten ist zu 1/3 auf den Rumpf und zu 2/3 auf die Flügel verteilt, was eine deutliche Gewichteinsparung bei der Flügelstruktur ermöglicht. Da 60 % des Strukturgewichts auf den Rumpf entfallen können, kann dieser deutlich stabiler gebaut werden.

Wegen der geringeren Start- und Landegeschwindigkeiten von Burnelli-Flugzeugen (die Geschwindigkeit ist kleiner als 100 Meilen/h) ist auch die Gefährdung für die Passagiere im Falle einer Bruchlandung geringer. Der Treibstoff wird nur in den Tragflächen und somit weit entfernt von den Ansatzpunkten für Fahrwerk und Triebwerke mitgeführt. Die Triebwerke liegen nicht wie bei vielen konventionellen mehrmotorigen Flugzeugen unter den Tragflächen. Im Falle des Abrechens einer Tragfläche oder dem Bersten eines Tankes, trifft der ausfließende Kraftstoff somit nicht auf ein heißes Triebwerk wie beim Concorde-Absturz.

Die hohe Crashsicherheit von Burnellis Flugzeugen wurde durch zwei Crashs und eine Notwasserung praktisch nachgewiesen. 1929 stürzte eine CB-16 während eines Testflugs im werkseigenen Flughafen in Keyport, New Jersey, ab. Bei einer Wartung hatten die Mechaniker die Querruderkontrollkabei falsch montiert. Gleich nach dem Abheben geriet das Flugzeug in Schräglage und stürzte ab. Pilot George Pond und sein Co-Pilot konnten jedoch unverletzt aus dem Flugzeugrumpf entsteigen. Am 13.1.1935 stürzte eine UB-14 in Newark, New Jersey, während eines Demonstrationsflugs vor laufender Kamera ab. Das Flugzeug flog aus einer Höhe von 60 m, eine Kurve beschreibend, steil und etwa 200 krn/h schnell zu Boden. Der rechte Flügel kam fast vertikal auf und absorbierte den ersten Schock, dann schlug das Flugzeug ein Rad, wobei die Triebwerke abgerissen wurden, und Flügel und Schwanzteil abbrachen. Alle Insassen (auch ein potentieller Kunde) entstiegen dem Flugzeug unverletzt.

Burnellis Idee lebt weiter

In den letzten Jahrzehnten ist Burnellis Idee von mehreren bekannten Flugzeugherstellern aufgegriffen worden. So wurde bei der NASA ein Raumschiff mit auftriebserzeugendem Rumpf entworfen. In den Fokker-Werken liegen im Archiv mehrere Entwürfe von Burnelli-Flugzeugen. Im Jahr 1973 stellte Boeing eine Studie über Burnelli-artige Flugzeuge an. Das von Boeing avisierte Flugzeugprojekts Boeing B 754 im Burnelli-Design war der B 767 deutlich überlegen. Firma Lockheed plante sogar ein Supertanker-Flugzeug mit auftriebserzeugendem Rumpf. In den 80er Jahren entwarf McDonnel Douglas ein Frachtflugzeug mit auftriebserzeugendem Rumpf, das der 1960 gebauten Burnelli-GB- 1 71 sehr ähnlich sah. 1991 gab es bei McDonnell Douglas (heute von Boeing übernommen) ein Projekt mit dem Namen "Blended Wing Body", der die Eigenschaften eines Nurflüglers mit denen eine Breitrumpfflugzeugs vereinigen sollte.

Trotzdem wurden diese Projekte alle aufgeben. Der Hauptgrund hierfür dürfte in den hohen Umstellungskosten für die Produktion zu suchen sein und in dem höheren Aufwand einen flachen Rumpf mit einer Druckkabine auszurüsten. Ein weiterer Vorteil des klassischen Flugzeug-Designs ist, die Streckbarkeit der Flugzeuge, die eine effizientere Anpassung an aktuelle Marktbedürfnisse ermöglicht, sowie die Möglichkeit ohne großen Aufwand größere oder kleinere Tragflächen ansetzen und andere Triebwerksmodelle nutzen zu können. Trotz der oben genannten technischen und wirtschaftlichen Nachteile zeigt das Burnelli-Design viele Vorteile gegenüber konventionellen Konzepten, und öffnet einen neuen Weg für die Flugzeugentwicklung der Zukunft. Insbesondere im Hinblick auf immer größere Flugzeuge mit bis zu 1.000 Passagieren wird die Sicherheit der Flugzeuge im Hinblick auf Produkthaftung und möglicher Sammelklagen von Opfern immer wichtiger werden.

Chronologie: Burnellis erste Flugzeuge

1919 designte Burnelli sein erstes Flugzeug, den Lawson Airliner, das erste kommerzielle Passagierflugzeug mit 26 Sitzplätzen. Wegen seiner schlechten aerodynamischen Eigenschaften bezeichnete Burnelli es als "Auto mit Flügeln". 1920 baute er mit seinem neuen Konzept des auftriebserzeugenden Rumpfs den Remington Burnelli Airliner RB1 mit 2x550 PS Galloway Atlantic-Motoren, gefolgt von dem Remington Burpielli Airliner RBI mit 2x420 PS Liberty XII-Motoren. Bei beiden Flugzeuge handelte es sich um Doppeldecker. Die RBI war ein bisschen schwerfällig beim Kurvenfliegen, konnte aber mit den 2x550-PS -Motoren 32 Passagiere und 2 Piloten transportieren.

Die etwa 15 Jahre später geflogene DC-3 transportierte mit ihren 2x1200 PS Leistung lediglich 28 Passagiere und 2 Piloten). Da die am Rumpfende befestigten Höhen- und Seitenleitwerke nicht genug Richtungs- und Längsstabilität erlauben, wurde beim nachfolgenden Modell, der CB-16, der Rumpf mit Doppelauslegern verlängert und die Höhen- und ein doppeltes Seitenleitwerk daran befestigt. Das erste Frachtflugzeug der Welt, die RB2, deren Flügel mit Duraluminium beplankt wurden, war gleichzeitig eines der ersten Ganzmetallflugzeuge.

Von der CB-16 zur UB-20

1927 baute Burnelli die Chapman-Burnelli CB-16, einen Eindecker mit 2x625 PS Curtiss GV- 1 5 50 Conqueror-Reihenmotoren im Rumpfbug. Die Maschine hatte 20 Sitzplätze und war das erste zweimotorige Flugzeug, das auch mit einem ausgefallenen Triebwerk die Flughöhe halten konnte. Bei konventionellen Flugzeugen gelang dies erst 5 Jahre später. Darüber hinaus besaß das Flugzeug bereits ein einziehbares Fahrwerk, welches die Flugsicherheitbehörde nicht zulassen wollte. Die Motoren waren während des Flugs vom Rumpf aus erreichbar, so dass Reparaturen durchgeführt werden konnten.

1929 nahm Burnellis experimenteller Eindecker GX-3 an der Guggenheim Safety Competition teil. Er hatte 2x90 American A.D.C. Cirrus 111 Reihenmotoren, Flügel mit veränderlicher Profilwölbung, über die ganze Spannweite reichende Klappen, ein vierrädriges Fahrwerk und Winglets. 1929 entwarf Burnelli die Uppercu-Burnelli UB-20, ein viel geflogenes Passagierflugzeug für 20 Personen mit 2x750 PS wassergekühlten Packard-Motoren. Es hatte abgestützte Flügel in Ganzmetallbauweise, 3-flügelige Propeller sowie abdeckbare Kühler in den Flügelnasen (der tragende Rumpf war ebenfalls ganz aus Metall). Das Flugzeug hatte ein gefedertes Fahrwerk mit großen Niederdruckreifen. 1933 entstand die Uppercu-Burnelli UB-14 mit 2x680 PS luftgekühlten 9-Zylinder Pratt & Whitney-Sternmotoren. Das Flugzeug hatte doppelte Leitwerksträger (verbunden durch das dazwischenliegende Höhenleitwerk) und das Fahrwerk war hydraulisch einziehbar. Erstmals nutze Burnelli bei diesem Design ein geschlossen Cockpit, welches auf dem flügelförmigen Rumpf kurz hinter der Rumpfvorderkante lag. Den 14 Passagieren stand eine 3,55 m lange und 3,66 m breite Kabine mit Thermostatheizung, Ventilation, Beleuchtung, Toilette und Gepäckraum zur Verfügung.

Vom A-1 Bomber zur GB-888

1935 entwarf Burnelli den Bomber A-1, von dem jedoch kein Prototyp gebaut wurde. 1938 wurde in England die Cunliffe Owen OA-1 Clyde Clipper gebaut, eine verbesserte und teilweise veränderte Variante der UB-14 mit 2x710 PS Bristol Perseus XIVC Sternmotoren. Mit diesem Flugzeug flog der französische General de Gaulle während des 11 Weltkriegs in England und Afrika. 1942 entstand ein Bomberproiekt mit 20000 PS Leistung, die B-2000 B, für die acht Allison 3420-Motoren vorgesehen waren.

Obwohl sich führende Generäle für das Burnelli-Design aussprachen, wurde das Design aus parteipolitischen Gründen von Roosevelt abgelehnt (angeblich weil ein Republikaner die Entwicklungen von Burnelli gesponsort hat). 1939 schrieb der General H. H. Arnold, der Chief des U. S. Army Air Corps an den Secretary of War: "In my opinion it is essential, in the interest of the national defense, that this (Burnelli) procurement be authorized."

1943 wurde von Burnelli der Lastensegler General Aircraft XCG-16 A entworfen, der 40 ausgerüstete Soldaten befördern konnte. 1945 baute die Cancargo Aircraft Company in Lizenz den Cancargo CBY-3 Loadmaster, ein kombiniertes Fracht-und Passagierflugzeug mit 2x1200 PS Pratt & Whitney R-1830 Sternmotoren, das später dann mit Wright R-2600 Sternmotoren ausgerüstet wurde. Es wurden zwei Exemplare gebaut und geflogen. Die Passagierkapazität betrug 22 Paxe mit Fracht und 38 Paxe ohne Fracht. Die CBY-3 ist das einzige noch existierende Burnelli-Flugzeug und befindet sich im Besitz der Conneticut Aeronautical Association. 1960 entstand das Projekt eines großen containerartigen 18 Tonnen- Frachtflugzeugs GB-171, mit 8 Containerräumen, mit in jedem Containerraum eingebauter separater Hebevorrichtung und standardisierten Containern. 1962 entwarf Bumelli sein letztes Flugzeug, die GB-888, einen Überschalltransporter.

Boeing's letzte Chance?

Nur ein Breitrumpf-Großraumflugzeug wäre aktuell in der Lage, mit dem A-380 von Airbus Industrie in Konkurrenz zu treten. Der US-Flugzeughersteller Boeing hat allerdings bereits bekannt gegeben, die Entwicklung seines geplanten Superjumbo 747-400X Stretch mangels Nachfrage zu stoppen.

Während der Erzrivale von Boeing Airbus Industrie mit seinem 555-sitzigen Großraumjet bereits über 60 Aufträge verbuchen konnte, ging Boeing mit seiner Stretch-Version bisher leer aus. Boeing will nunmehr ein kleineres, moderneres Flugzeug bauen, das knapp unter der Schallgeschwindigkeit fliegen soll. Das Design dieses Flugzeuges erinnert an Burnellis letztes Flugzeugdesign, die GB-888. Mit der Ankündigung von Boeing nunmehr ein neues Design-Konzept zu wählen, ist eine neue Pokerrunde im zivilen Flugzeugbau eingeleitet worden.

Fokussierung auf den Kunden

Der Boeing-Chef für den Bereich Zivilflugzeuge Alan Mulally erklärte: "Das ist das Flugzeug, auf das wir uns nach dem Willen unserer Kunden konzentrieren sollen." Höher, schneller, weiter und ruhiger sollen die Flugzeuge fliegen. Damit kopiert Boeing Ansätze, die Vincent Burnelli bereit vor über 40 Jahren vorgeschlagen hatte und strebt eine deutliche Produktivitätssteigerung für moderne Verkehrsflugzeuge an.

Mulally hob weiter hervor, dass die Passagiere mit der neuen Hochleistungsmaschine mit einer Reichweite von mehr als 16.700 km in einer Höhe über 13 km direkt ihre Ziele anfliegen und überfüllte Knotenpunkte und Zwischenstopps vermieden werden können. Das neue Boeing-Flugzeug soll mit etwa 95 Prozent der Schallgeschwindigkeit erreichen und transatlantische Flugzeiten um etwa 90 Minuten verkürzen. Außerdem soll es leiser wie Stage 4-Flugzeuge sein. Darüber hinaus soll deutlich mehr Nutzlast bzw. eine höhere Reichweite als bei vergleichbaren Airbus-Flugzeugen erzielt werden. Sollte sich ein Burnelli-ähnliches Flugzeug doch noch im Flugzeug-Design durchsetzen, hätte Airbus Industrie möglicherweise auf das falsche Design-Prinzip gesetzt. Es ist wie immer im Flugzeugbau: Royal Flush oder Loser.

In Erinnerung an Gottfried von Meiss1

Hyperlinks: http://www.aircrash.org/burnelli/vjb_bio2.htm http://www.fortunecity.com/tattooine/farmer/120/burn.html http://www.dnaco.net/~george_t/links/bmk-av.htm http://www.aircrash.org/burnelli/chrono2.htm http://www.teli.stadia.fi/~vzvirbly/burnelli/walpapr.htm