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Airbus A310 ZERO-G

Parabelflüge der DLR - Spitzname: “Kotzbomber”

Dieser Airbus A310, der einst der DDR-Fluggesellschaft Interflug gehörte und dann als gesamtdeutsche VIP-Regierungsmaschine 10+21 „Konrad Adenauer” bis 2014 im Einsatz war, wurde in Hamburg für Parabelflüge umgerüstet. Das 1989 erbaute Flugzeug, das früher DDR-Regierungsbedienstete, später Helmut Kohl, Gerhard Schröder und Angela Merkel an ihr Ziel brachte, soll künftig als „Zero-G“ Flieger-Momente der Schwerelosigkeit erzeugen. Stationiert ist das Flugzeug im französischen Bordeaux.

 

Parabelflüge – Ein Programm des DLR Raumfahrtmanagements

 

Parabelflüge gehören zum Programm „Forschung unter Weltraumbedingungen“. Hier unterstützt das DLR Raumfahrtmanagement Biologen, Mediziner, Physiker und Materialwissenschaftler aus Universitäten und anderen deutschen Forschungseinrichtungen. Zudem entwickelt die Raumfahrtindustrie im Auftrag des DLR speziell für den Einsatz im Weltraum geeignete Geräte. Um den Einfluss der Schwerkraft zu untersuchen, muss man diesen Faktor und seine Größe verändern und auch ganz ausschalten. Je nach der benötigten Zeitdauer bietet das DLR den Wissenschaftlern die entsprechenden Fluggelegenheiten und bringt ihre Experimente direkt in die Schwerelosigkeit.

Flugmöglichkeiten für automatisch ablaufende Versuche:

 

–  der Fallturm in Bremen (5 bis 9 Sekunden Schwerelosigkeit),


–  die Forschungsraketen TEXUS (6 Minuten) und MAXUS (12 Minuten) sowie


–  russische Forschungssatelliten wie FOTON, BION (mehrere Wochen)

Flugmöglichkeiten für Versuche mit anwesenden Experimentatoren:

 

–  Parabelflüge (bis zu 31 mal 22 Sekunden pro Flugtag) und


–  die Internationale Raumstation ISS (mehrere Monate bis Jahre)


–  die Chinesische Raumstation Tiangog-1 (mehrere Monate bis Jahre)

Parabelflüge – „Brücke“ zur Internationalen Raumstation:

 

Alles auf der Erde unterliegt der Schwerkraft. Ihre Auswirkungen sind dabei sehr unter schiedlich: Zum Teil sind sie eher schwach und bleiben von uns unbemerkt, zum Teil sind sie offensichtlich. In der Wissenschaft stört die Schwerkraft bei einer Reihe von Untersuchungen oder man möchte gerade wissen, was ohne ihren Einfluss passiert. In diesen Fällen wollen Forscher in Schwerelosigkeit experimentieren. Für Kurzzeituntersuchungen nutzen Forscher Parabelflüge. Dabei fliegt ein Flugzeug spezielle Manöver, die der Flugbahn eines geworfenen Balls ähneln. So erreicht man für etwa 22 Sekunden Schwerelosigkeit – und dies bis zu 30 Mal hintereinander. Diese Flüge sind die einzige Möglichkeit für Wissenschaftler, ihre Versuche eigenhändig in der Schwerelosigkeit durchzuführen. Das DLR bietet regelmäßig Parabelflüge an und öffnet ihnen damit den Zugang zu innovativer Forschung in dieser besonderen Umgebung: So können sie neue Technologien erproben, den Körper des Menschen oder bestimmte physikalische Vorgänge erforschen oder ein Weltraumexperiment beispielsweise für die Internationale Raumstation ISS vorbereiten. Diese „Brücke zur ISS“ setzt seit 2015 das neue Flugzeug Airbus A310 ZERO-G fort. Gleichzeitig beginnt mit ihm eine neue Parabelflug-Ära im Programm „Forschung unter Weltraumbedingungen“.

Airbus A310: Ideal für Parabelflüge geeignet

 

Die Flugzeuge der Airbus-Serien A300 und A310 sind besonders gut für Parabelflüge geeignet, denn ihre starken Turbinen liefern den notwendigen Schub für derartige Manöver. Die Flugzeugstruktur blieb für die Parabelflüge unverändert. Im Cockpit wurden hingegen einige Schalter verlegt, damit die Piloten sie auch in der Schwerelosigkeit gut erreichen können. Für die besonderen Flugmanöver kamen einige Anzeigegeräte wie zum Beispiel Beschleunigungsmesser hinzu. Während der Parabelflüge ist die Passagierkabine bis auf 50 Sitze völlig leer geräumt. Dieser freie Raum von 100 Quadratmetern und maximal 2,3 Metern Höhe – weltweit die größte Experimentierfläche in einem Parabelflugzeug – steht der Wissenschaft zur Verfügung und ist zum Schutz der Forscher mit Schaumstoffmatten ausgepolstert. In diesem Bereich werden die Experimentiergeräte auf Bodenschienen montiert und an die Stromversorgung des Flugzeugs angeschlossen. Netze sichern die Experimentfläche gegen die übrigen Bereiche des Flugzeugs ab. Einige technische Daten werden während des Fluges in Echtzeit verfolgt und aufgezeichnet. Hierzu gehören beispielsweise die Beschleunigungen in den drei Raumrichtungen, die Stromversorgung und der hydraulische Druck. Die Beschleunigungsdaten werden den Wissenschaftlern nach den Flügen für ihre Analysen mitgeteilt, denn sie geben Auskunft über die Qualität der Schwerelosigkeit während der Parabeln.

 

Das Experimentieren an Bord der Zero-G

 

Das Experimentieren an Bord ähnelt dem Forschen im Labor. Es können laborübliche Geräte eingesetzt werden. Die Wissenschaftler bauen die Geräte in Boxen oder Halterungen (Racks) ein, die am Boden der Flugzeugkabine festgeschraubt werden. Medizinische Testpersonen sind in Sitzen, auf dem Kabinenboden oder in speziellen Geräten festgegurtet. Alle Experimentiergeräte werden vor dem ersten Flugtag gründlich überprüft, damit es während des Flugs nicht zu Unfällen kommt. Eine Versuchsanordnung muss hierfür bestimmte Sicherheitskriterien erfüllen – etwa einen Notschalter aufweisen und eine harte Landung ohne Bruch aushalten. Testpersonen müssen sich notfalls schnell aus ihrer Versuchsanordnung befreien können. Humanphysiologischmedizinische und sportwissenschaftliche Experimente müssen darüber hinaus ethisch unbedenklich sein. Ihr Ablauf muss von einem medizinischen Prüfungsgremium – einer sogenannten Ethikkommission – freigegeben werden. Das Besondere an Parabelflügen ist, dass Wissenschaftler und Techniker während des Fluges eigenhändig experimentieren. Sie beobachten den Versuchsablauf, beurteilen ihn und ändern eventuell die Versuchsparameter noch während eines Fluges. Bei medizinischen Versuchen können nacheinander mehrere Testpersonen untersucht werden. Das Beste daran: Die Wissenschaftler sind beim Ablauf ihrer Versuche selbst an Bord.

Parabelflug zur Erlangung der Schwerelosigkeit:

 

Schwerelosigkeitsflüge

Parabelflüge waren ursprünglich für das Schwerelosigkeitstraining von Astronauten initiiert worden, werden heute aber hauptsächlich für Experimente unter Schwerelosigkeit und zum Testen von Raumfahrttechnologien eingesetzt. Als Parabelflug (engl. parabolic flight) wird ein besonderes Flugmanöver bezeichnet, bei dem das Flugzeug eine zur Erdoberfläche geöffnete Parabel beschreibt. Der Zweck dieses Manövers ist die Herstellung eines Zustands der Schwerelosigkeit (engl. microgravity). Meistens werden mehrere Parabeln (etwa 5 bis 30) hintereinander geflogen. Beim Einleiten des Steigfluges, sowie beim Abfangen des Sturzfluges, herrscht im Flugzeug nahezu doppelte Schwerkraft.

 

Die Maschine fliegt zuerst horizontal mit Höchstgeschwindigkeit. Sie geht dann mit einem Bahnneigungswinkel von 45° in einer 1. Phase in einen Steigflug über. Während dieser Phase herrscht in der Maschine ca. doppelte Erdbeschleunigung (+2 G).

 

In der normalerweise ca. 5 Sekunden andauernden 2. Phase, der Transitionsphase, werden die Triebwerke gedrosselt, sodass der Schub nur den Luftwiderstand ausgleicht. In dieser Phase kann man eine deutliche Schwerkraftabnahme spüren (freier Fall).

 

In der 3. Phase, der eigentlichen Schwerelosigkeitsphase, die im englischen Sprachraum mit microgravity genauer beschrieben wird, steigt die Maschine weiter, indem sie einer Wurfparabel folgt. Sie erreicht am höchsten Punkt, abhängig vom Flugzeugtyp etwa 7000 bis 8500 m. Die Zeitdauer der Schwerelosigkeit beträgt im Durchschnitt ca. 25 Sekunden. Während der Testflüge mit der Concorde wurden ebenfalls Parabelflüge durchgeführt, wobei die Zeit der Schwerelosigkeit weit über einer Minute lag.

 

Der Pilot steuert in der 4. Phase die Maschine so, dass sie einen negativen Bahnneigungswinkel von ca. -45° erreicht und leitet damit den Parabelflug aus. Die Maschine wird nun durch Hochfahren der Triebwerke und Ziehen des Höhenruders wieder abgefangen. Hierbei herrschen wiederum ca. + 2G. Dieser Vorgang dauert 20 Sekunden. Diese nutzen die Wissenschaftler für ihre Forschung in Biologie, Humanphysiologie, Physik und Materialforschung. Neben eigenständiger Forschung werden auch Experimente für die Internationale Raumstation ISS vorbereitet. Nach ca. 2 Minuten kann dann der nächste Parabelflug beginnen.

 

Generell können mit praktisch jedem Flugzeug Parabeln geflogen werden. Zum Einsatz kommen aber meist leicht modifizierte militärische Transporter (eine ILYUSHIN IL-76 bei der russischen Raumfahrtbehörde, eine Boeing KC-135 bei der NASA) oder zivile Flugzeuge (bei der ESA ein „Airbus A300 Zero G“ – s. oben). Vorteilhaft ist ein weiter Innenraum, der genug Platz für Experimente und zum freien Schweben bietet.

 

Auch mit Kleinflugzeugen – sogar Segelflugzeugen – können Parabelflüge durchgeführt werden. Hier können allerdings nur wenige Sekunden Schwerelosigkeit erreicht werden. Auch freies Schweben ist auf Grund des nötigen Platzes nicht möglich. Der Parabelflug dient hier im wesentlichen zum Spaß, wobei der Pilot sich entweder nur schwerelos fühlt oder mit mehrfacher Erdgewichtskraft nach oben in die Gurte gedrückt wird. Parabelflüge mit Kleinflugzeugen sind erheblich kostengünstiger als mit großen Flugzeugen.

 

Medizinische Auswirkung: Durch die Beschleunigung und die Steilflüge senden Augen und Gleichgewichtsorgane Informationen an das Gehirn, die inhaltlich nicht zusammenpassen. Einige Menschen reagieren auf die schnellen Schwerkraftwechsel bei einem Parabelflug mit Übelkeit oder Brechreiz (engl. motion sickness). Daher werden vor einem solchen Flug sog. Antiemetika verabreicht. Wegen der unangenehmen Symptome bei vielen Teilnehmern tragen die Flugzeuge, mit denen solche Flüge durchgeführt werden, auch gelegentlich den Spitznamen „Kotzbomber“ (engl. vomit comet). Viele Teilnehmer empfinden die Schwerelosigkeit allerdings als angenehm, weswegen solche Flüge auch sehr beliebt sind. Zu den prominenten Teilnehmern gehörte am 26. April 2007 auch ein sehr begeisterter Stephen Hawking (bekannter Wissenschaftler im Rollstuhl).

 

Anwendungen:

 

  • Erprobung von Geräten, die unter Schwerelosigkeit (etwa im Weltraum) arbeiten sollen. Besonders Flammen, Flüssigkeiten und Gase verhalten sich unter schwerelosen Bedingungen teilweise völlig anders als auf dem Erdboden.

 

  • Durchführung naturwissenschaftlicher Experimente (vor allem aero- und hydrodynamischer sowie materialwissenschaftlicher und chemischer) unter schwerelosen Bedingungen.

 

  • Erzeugung von Spezialeffekten für Filmschaffende: Viele der Weltraumszenen aus dem Film Apollo 13 mit Tom Hanks wurden während mehrerer Parabelflüge gedreht, um die im Weltraum herrschende Schwerelosigkeit nachzuahmen.

 

  • Auch für Normalbürger werden Parabelflüge angeboten (im Sternenstädtchen bei Moskau etwa) – allerdings zu hohen Preisen.

 

  • Studenten können bei der ESA an der jährlich stattfindenden Studentenkampagne teilnehmen und haben die Chance, ihr eigenes Experiment selbst auf einem Parabelflug durchzuführen.

Geschichte der Parabelflüge

 

Im Jahr 1950 haben die beiden deutschen Wissenschaftler Dr. Fritz und Dr. Heinz Haber die theoretischen Grundlagen dafür gelegt, wie man bei Parabelflügen Schwerelosigkeit erreicht. Seitdem werden sie für Forschung, technologische Tests und zur Vorbereitung von Astronauten für ihren Aufenthalt im All genutzt. Erforscht wurden hierbei besonders flugmedizinische Themen. Russische Kosmonauten sowie amerikanische und später europäische Astronauten übten den Umgang mit Raumanzügen und Experimentiergeräten und lernten geeignetes Verhalten in der Schwerelosigkeit. Zwar wurden bereits in den 1970er-Jahren einzelne Experimente auf kleinen Sportflugzeugen durchgeführt. Doch erst ab Beginn der 1980er-Jahre wurden Parabelflüge zunehmend für die Wissenschaft eingesetzt. Außerdem wurden neue, für den Weltraumeinsatz entwickelte Geräte getestet. In der russischen Raumfahrt wird eine Ilyushin 76 MDK für Parabelflüge verwendet. Die amerikanische Raumfahrtbehörde NASA setzte hierzu früher eine Boeing KC-135, danach eine DC-9 beziehungsweise 10 und eine kommerziell betriebene Boeing 727 ein. In Europa flog man diese Manöver zunächst mit einer Caravelle. Von 1997 bis 2014 leistete der Airbus A300 ZERO-G seinen Dienst, ehe er im April 2015 vom A310 ZERO-G abgelöst wurde. Mit diesen Jets können 20 bis 23 Sekunden Schwerelosigkeit pro Parabel erreicht werden. Über mehrere Jahrzehnte hat die NASA auf diese Weise Astronauten trainiert, wissenschaftlich experimentiert und Technik getestet. Außerdem wurden Schülern, Lehrer und Studierende über ein umfangreiches Nachwuchsförderungsprogramm einbezogen. Seit den 1980er-Jahren organisierte das DLR Parabelflüge in den USA und ab den 1990er-Jahren auch mit dem russischen Flugzeug. Diese Flüge, an denen viele deutsche Wissenschaftler und Astronauten teilnahmen, bereiteten die großen deutschen Weltraummissionen wie Spacelab D-2 und MIR-92 vor.Die Europäische Weltraumorganisation ESA veranstaltet seit 1984 ein bis mehrmals jährlich Parabelflüge für die Wissenschaft. Außerdem hat sie regelmäßig auch Studierende eingeladen, Experimente für ihre Abschlussarbeiten durchzuführen. Da Deutschland Mitglied der ESA ist, können auch deutsche Forscher und Ingenieure diese Parabelflüge nutzen. Seit Mitte der 1990er-Jahre erhöhte sich in Deutschland jedoch sehr stark der Bedarf, in Schwerelosigkeit zu experimentieren. Das DLR hat deshalb 1999 entschieden, regelmäßig ein- bis zweimal im Jahr eigene Kampagnen in Europa zu fliegen. (Quellennachweis: DLR, anläßlich der ILA 2016)

 

Geschichte dieses Flugzeugs:

 

Der Airbus A310-304 „10+21“ trat 1989 seinen Jungfernflug an und wurde am 24. Juni 1989 vom Flugzeughersteller Airbus an die DDR-Fluggesellschaft „Interflug“ über geben. Er wurde bis 1991 als Linienmaschine auch von Regierungsmitgliedern genutzt. Am 27. August 1991 ging das Flugzeug ins Eigentum der bundesdeutschen Luftwaffe über und war als VIP-Maschine „Konrad Adenauer“ von 1993 bis 2014 für Reisen und Staatsbesuche von Bundeskanzlern und -ministern im Einsatz. Stationiert war der „Kanzler-Airbus“ bei der Flugbereitschaft des Bundesverteidigungsministeriums am Flughafen Köln/Bonn. Genau 25 Jahre nach der Erstzulassung wurde die „Konrad Adenauer“ am 24. Juni 2014 an den neuen Eigner Novespace übergeben, der anschließend zahlreiche Testflüge durchführte. Vom 3. September 2014 bis zum 18. März 2015 überholte die Lufthansa Technik AG in Hamburg die Maschine und baute sie zum Parabelflugzeug um. Zu seinem ersten wissenschaftlichen Parabelflug startete der Airbus A310-ZERO-G am 5. April 2015. Von nun an werden fünf bis sechs Kampagnen jährlich mit ihm geflogen. Das Vorgängermodell Airbus A300 Zero-G wurde 2014 ausgemustert

 

Das Cockpit des Airbus A310:

 

Der A310 ZERO-G wird nun von drei Testpiloten geflogen, die für je eine Raumrichtung verantwortlich sind. Nur das optimale Zusammenspiel zwischen den Piloten sorgt für sichere und präzise Flugmanöver. Vor jeder Parabelflugkampagne gibt es Trainingsflüge für die Cockpit-Crew, um diese speziellen, komplexen Manöver immer wieder zu üben. Als besondere Vorrichtung ist vor jedem Piloten ein Beschleunigungsmesser (Akzelerometer) eingebaut, nach dem die Piloten die Flugmanöver ausrichten. So wird die Restbeschleunigung des Flugzeugs in einem Bereich von nur wenigen Hundertsteln der Erdbeschleunigung gehalten. Während der Flugmanöver ist einer der Piloten für die Querachse, der andere für die Längsachse des Flugzeugs zuständig. Spezielle Vorrichtungen an den Lenksäulen verhindern, dass ein Pilot mehr als eine Flugzeugachse steuern kann. Der dritte Pilot regelt den Turbinenschub, der zweite überwacht den Luftraum und übrige technische Daten. Das eingesetzte Parabelflugzeug gehört der französischen Firma Novespace, die die Parabelflüge im Auftrag von Weltraumorganisationen durchführt.

Technische Daten: Airbus A 310-300 (= Grundlage des Airbus A310)

FlugzeugnameA310-300
Spannweite43,90 m
Rumpflänge46,67 m
Länge47,21 m
Höhe15,81 m
Höhenleitwerk (Spannweite)16,26 m
Rumpfdurchmesser5,64 m
Kabinenlänge33,25 m
Max. Kabinenbreite5,28 m
Max. Kabinenhöhe2,33 m
Flügelfläche219 m²
Flügelpfeilung28 Grad
Flächenbelastung749 kg/m²
Fahrwerk (Spur)9,60 m
Fahrwerk (Radstand)15,20 m
Max. Tankkapazität48.880 Liter
Max. Rollgewicht164.880 kg
Max. Startgewicht157.000 kg
Max. Landegewicht123.000 kg
Leergewicht79.000 kg
Max. Nutzlast33.000 kg
Höchstgeschwindigkeit900 km/h in 30.000 ft
Normale Reisegeschwindigkeit0.80 Mach
Wirtschaftl. Geschwindigkeit825 km/h in 37.000 ft
Landegeschwindigkeit250 km/h
Startgeschwindigkeit295 km/h
Startrollstreckeca. 2.180 m bis 2.500 m
Landerollstreckeca. 1.550 m
Max. Reichweiteca. 6.950 km (34 t)
Max. Reichweiteca. 9.540 km (24 t)
mit Zusatztankca. 10.560 km (16 t)
Max. Passagiere282 (9/Reihe, 76m)
Frachtvolumen80 m³
Besatzung2
Triebwerk (hier)GE CF6-80C2A2
Triebwerksanzahl2
Schubkraft (hier)238 kN
Verbrauch5.300 l/h

Technische Kurzbeschreibung des Airbus A-310:

 

  • Rumpf: Rumpf mit kreisförmigem Querschnitt; digitales Zwei-Mann-Cockpit

 

  • Tragfläche: freitragender, zweistrahliger Tiefdecker; Hochauftriebshilfen

 

  • Leitwerkfreitragende, gepfeilte Normalbauweise in Ganzmetall

 

  • Fahrwerk: Hauptfahrwerk je 4-fach bereift; wird nach innen in den Rumpf eingefahren

General Elektric CF6-80-C2-A2: Triebwerk des Airbus A310

 

Bei der Baureihe General Electric CF6 handelt es sich um ein weit verbreitetes Strahltriebwerk der mittleren Schubklasse mit hohem Nebenstromverhältnis des US-amerikanischen Herstellers General Electric. Es ist das erste zivile Triebwerk, an dessen Entwicklung die heutige MTU Aero Engines beteiligt war.

 

Technische Daten:

Basisdaten (CF 6-80E1-A3)
Gesamtlänge
Durchmesser2.899 mm
Fandurchmesser2.443 mm
Masse5.092 kg
Länge4.278 mm
Technische Daten
Bypass-Verhältnis5,1:1
Gesamtdruckverhältnis35:01:00
Luftdurchsatz880 kg/s
Leistungsgewicht6.4
Schubkraft305 kN
TriebwerkssektionStufen
Fan1
Niederdruckverdichter4
Hochdruckverdichter14
Hochdruckturbine2    .
Niederdruckturbine5                           .
Kenngrößen: CF 6-80 C2-A2
Art des VerdichtersAxial-Fan
Art der TurbineAxial
Art der BrennkammernRingbrennkammer
Anzahl der Fan-Stufen1
Anzahl der Niederdruckverdichterstufen4
Anzahl der Hochdruckverdichterstufen14
Anzahl der Hochdruckturbinenstufen2
Anzahl der Niederdruckturbinenstufen5
Wellenanzahl2
Triebwerkslänge4,267 m
Triebwerksdurchmesser2,692 m
Trockengewicht4.472 kg
Schub232 bis 282 kN
Nebenstromverhältnis5,31:1
Kompressionsverhältnis32:01:00
Luftdurchsatzca. 780 kg/s
Kraftstoffverbrauchca. 0,66 kg/s

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