J 1, F 13 und Gegenkolbenmotor: Die genialen Konstruktionen des Hugo Junkers
J 1, F 13 und Jumo 205: Hugo Junkers entwickelte Technik, die ihrer Zeit voraus war. Ein Blick auf seine wichtigsten Konstruktionen.
Ein Nachbau des ersten Ganzmetall-Verkehrsflugzeugs, der "Junkers F 13", fliegt über Schloß Nymphenburg. Die F 13 war das erste richtige Passagierflugzeug und hat vor 100 Jahren ihren Erstflug absolviert.
Foto: picture alliance/dpa | Angelika Warmuth
Hugo Junkers gilt als Pionier des Ganzmetallflugzeugs. Seine technische Laufbahn begann jedoch bei Gasmotoren und der Frage, wie sich der Heizwert eines Brennstoffs zuverlässig messen lässt. Daraus entstanden Gegenkolbenmotoren, Gas-Wassererhitzer und schließlich Flugzeuge, die mit vielen Konventionen ihrer Zeit brachen.
Rheydt ist für mich kein beliebiger Ortsname. Ich habe selbst einige Zeit dort gelebt. Am 3. Februar 1859 wurde hier, im heutigen Mönchengladbach, Hugo Junkers geboren. Sein Name ist heute vor allem mit Flugzeugen verbunden, allen voran mit der Ju 52. Dabei begann seine Karriere weit entfernt von Startbahnen und Tragflächen.
Junkers beschäftigte sich zunächst mit Gasmotoren, Messgeräten und Wärmetechnik. Erst mit etwa 50 Jahren wandte er sich intensiv dem Flugzeugbau zu. In erstaunlich kurzer Zeit entstanden daraus Konstruktionen, die zeigen, wie grundlegend sich die Luftfahrt damals veränderte.
Inhaltsverzeichnis
- Am Anfang stand der Gegenkolbenmotor
- Aus einem Messproblem entsteht ein neues Geschäft
- Hans Reissner bringt Junkers zur Luftfahrt
- Warum Junkers einen dicken Flügel wollte
- J 1: Der „Blechesel“ fliegt
- J 7: Jetzt kommt Duraluminium ins Spiel
- F 13: Von Anfang an für Passagiere gedacht
- Was brachte die Metallbauweise?
- Warum Junkers Wellblech verwendete
- Und was ist mit der berühmten Ju 52?
- Der Gegenkolbenmotor kehrt als Flugdiesel zurück
- Junkers war kein Einzelkämpfer
- 1933 verliert Junkers die Kontrolle über seine Werke
- Was von Hugo Junkers geblieben ist
Am Anfang stand der Gegenkolbenmotor
Nach seinem Studium arbeitete Junkers ab 1888 bei der Deutschen Continental-Gas-Gesellschaft in Dessau. Gemeinsam mit deren technischem Direktor Wilhelm von Oechelhäuser entwickelte er einen ungewöhnlichen Gasmotor.
In dessen Zylinder arbeiteten zwei Kolben aufeinander zu. Zwischen ihnen lag der Brennraum. Nach der Verbrennung bewegten sich beide Kolben wieder auseinander. 1892 entstand ein erster Zweitakt-Gegenkolben-Gasmotor.
Das Prinzip unterscheidet sich deutlich vom klassischen Hubkolbenmotor mit Zylinderkopf. Beim Gegenkolbenmotor teilen sich zwei Kolben einen Brennraum. Ein konventioneller Zylinderkopf mit Ventiltrieb kann dadurch entfallen. Gleichzeitig wird die Kraftübertragung aufwendiger, da die Bewegung beider Kolben mechanisch zusammengeführt werden muss. Junkers sollte dieses Motorprinzip noch Jahrzehnte beschäftigen.
Aus einem Messproblem entsteht ein neues Geschäft
Für seine Versuche mit Gasmotoren musste Junkers den Heizwert des verwendeten Brenngases möglichst zuverlässig bestimmen können. Dafür entwickelte er ein Kalorimeter, das er 1892 patentieren ließ.
Aus dem Messgerät ergab sich ein zweites Einsatzgebiet. Das Prinzip der Wärmeübertragung ließ sich auch nutzen, um Wasser mit Gas zu erhitzen. 1894 entwickelte Junkers einen Gasbadeofen, ein Jahr später gründete er in Dessau die Firma Junkers & Co. für Gasapparate.
Die Wärmetechnik wurde wirtschaftlich erfolgreich. Das war für Junkers wichtig, denn seine späteren Forschungsarbeiten im Motoren- und Flugzeugbau verschlangen erhebliche Summen.
Damit verlief seine technische Karriere keineswegs in voneinander getrennten Etappen. Erfahrungen aus dem Motorenbau führten zur Wärmemesstechnik, daraus entstand ein Industriebetrieb – und dessen Einnahmen ermöglichten neue Forschung.
Hans Reissner bringt Junkers zur Luftfahrt
Den entscheidenden Anstoß zum Flugzeugbau gab ein Aachener Kollege. Junkers lehrte von 1897 bis 1912 als Professor für Maschinenbau und Thermodynamik an der Technischen Hochschule Aachen. Dort lernte er den Mechanikprofessor Hans Reissner kennen.
Reissner experimentierte bereits mit Flugzeugen. Gemeinsam begannen beide um 1909 mit strömungsmechanischen Untersuchungen. Bei Junkers entstanden unter anderem Metalltragflächen für Reissners Flugzeug, die sogenannte Reissner-Ente.
Die Maschine flog 1912. Ihre Tragflächen waren mit Wellblech aus Leichtmetall beplankt, das Junkers geliefert hatte. Je nach Definition wird die Reissner-Ente sogar als frühes oder erstes Ganzmetallflugzeug bezeichnet. Anders als die spätere Junkers J 1 war sie allerdings noch konventionell verspannt. Für Junkers waren diese Versuche trotzdem wegweisend. Sie zeigten, dass sich Metall im Flugzeugbau nutzen ließ.
Bis dahin bestanden Flugzeuge überwiegend aus Holz, Stoff, Streben und Spanndrähten. Wie stark Otto Lilienthals Arbeiten zuvor die Aerodynamik und den praktischen Flug beeinflusst hatten, zeigt das ingenieur.de-Porträt Otto Lilienthal: Der Mann, der uns das Fliegen lehrte.
Warum Junkers einen dicken Flügel wollte
Junkers störte vor allem der hohe Luftwiderstand der abgestrebten und verspannten Tragflächen. Seine Lösung war ein dicker Flügel, dessen innere Struktur die auftretenden Kräfte selbst aufnehmen konnte. Äußere Spanndrähte und Streben sollten damit überflüssig werden. Gleichzeitig bot der voluminöse Flügel Platz für technische Komponenten oder sogar Nutzlast.
1910 erhielt Junkers dafür das Patent Nr. 253788. Es beschrieb einen „Gleitflieger mit zur Aufnahme von nicht Auftrieb erzeugenden Teilen dienenden Hohlkörper“. Die Idee ging deutlich über eine andere Form der Tragfläche hinaus. Junkers wollte die tragende Struktur vollständig in den Flügel verlegen.
Welche Rolle Tragflächenprofil, Auftrieb und Luftwiderstand beim Fliegen spielen, erklärt ausführlicher der ingenieur.de-Beitrag Alles Physik: Warum fliegen Flugzeuge?.
J 1: Der „Blechesel“ fliegt
1915 konnte Junkers zeigen, dass seine Vorstellungen praktisch funktionierten. Mit einem kleinen Team entstand die Junkers J 1. Der einsitzige Mitteldecker bestand aus Metall und besaß dicke, freitragende Tragflächen. Auf die damals üblichen außenliegenden Verspannungen konnte Junkers verzichten.
Am 12. Dezember 1915 hob die J 1 auf dem Militärflugplatz Döberitz bei Berlin erstmals ab. Das Deutsche Museum bezeichnet sie als erstes flugfähiges verspannungsloses, freitragendes Ganzmetallflugzeug mit dicken Flügeln. Damit ist ihre Bedeutung präziser beschrieben als mit der oft verwendeten Bezeichnung „erstes Ganzmetallflugzeug“ – denn Metall war bereits bei früheren Maschinen verwendet worden.
Die J 1 war allerdings schwer. Ihre Startmasse lag bei rund 1.080 kg. Die Außenhaut bestand aus nur 0,1 bis 0,2 mm starkem Eisenblech. Das Flugzeug erreichte eine für seine Zeit beachtliche Geschwindigkeit, zeigte wegen seines Gewichts aber Schwächen bei der Steigleistung.
Es blieb bei einem Exemplar. Der Versuch hatte dennoch seinen Zweck erfüllt: Ein Flugzeug konnte vollständig aus Metall gebaut werden und ohne äußere Flügelverspannung fliegen.
J 7: Jetzt kommt Duraluminium ins Spiel
Die J 1 war technisch interessant, aber ihre Stahlkonstruktion war für leistungsfähige Flugzeuge zu schwer. Junkers brauchte einen leichteren Werkstoff. Die Lösung war Duraluminium, eine Aluminiumlegierung mit deutlich höherer Festigkeit als reines Aluminium. Ab 1917 setzte Junkers dieses Leichtmetall im Flugzeugbau ein.
Ein wichtiger Zwischenschritt war die Junkers J 7. Das 1917 gebaute Versuchsflugzeug war nach Angaben des Deutschen Museums der erste vollständig aus Duraluminium hergestellte Leichtmetall-Tiefdecker.
Damit waren mehrere Bausteine vorhanden, die für die kommenden Junkers-Flugzeuge prägend werden sollten: Metallbauweise, freitragende Tragflächen, Tiefdecker und ein leichterer Werkstoff. Zwei Jahre später wurden diese Erfahrungen für den zivilen Luftverkehr genutzt.
F 13: Von Anfang an für Passagiere gedacht
Nach dem Ersten Weltkrieg standen zahlreiche ehemalige Militärflugzeuge zur Verfügung. Viele wurden für den Transport von Post, Fracht oder Passagieren umgebaut. Junkers ging einen anderen Weg. Die F 13 wurde von Anfang an als ziviles Verkehrsflugzeug entwickelt. Maßgeblicher Konstrukteur war Otto Reuter, einer der wichtigsten Ingenieure in Junkers‘ Entwicklungsabteilung. Am 25. Juni 1919 absolvierte die F 13 ihren Erstflug.
Das Flugzeug war ein freitragender Tiefdecker aus Duraluminium. Vier Passagiere saßen in einer geschlossenen Kabine. Die beiden Besatzungsmitglieder befanden sich dagegen noch im offenen Cockpit. Damit unterschied sich die F 13 deutlich von vielen Maschinen ihrer Zeit. Passagiere mussten nicht mehr in einem notdürftig umgebauten Militärflugzeug sitzen, sondern bekamen eine Kabine, die gezielt für den zivilen Transport vorgesehen war.
Das Deutsche Museum bezeichnet die F 13 als erstes von Anfang an für den Transport von Passagieren entwickeltes Ganzmetallflugzeug. Rund 350 Exemplare wurden gebaut und weltweit eingesetzt.
Was brachte die Metallbauweise?
Metall war nicht automatisch leichter als eine gut ausgeführte Holzkonstruktion. Der Vorteil lag vor allem in anderen Eigenschaften.
Eine Metallstruktur ließ sich langfristig robuster gegen Feuchtigkeit und Witterung ausführen. Für Verkehrsflugzeuge, die regelmäßig und unter unterschiedlichen klimatischen Bedingungen eingesetzt werden sollten, war das attraktiv.
Die Konstruktion ließ sich außerdem systematisch berechnen und industriell fertigen. Mit zunehmender Erfahrung konnten Bauteile immer leichter ausgelegt werden. Genau dafür war die F 13 ein wichtiger Schritt: Das Ganzmetallflugzeug wurde vom Versuchsobjekt zu einem kommerziellen Verkehrsflugzeug.
Warum Junkers Wellblech verwendete
Zum Markenzeichen der Junkers-Flugzeuge wurde die gewellte Außenhaut. Das Wellblech hatte einen konstruktiven Grund. Sehr dünnes Blech lässt sich leicht verformen und kann unter Druck- oder Schubbelastungen ausbeulen. Durch die Profilierung gewinnt es in Wellenrichtung deutlich an Steifigkeit, ohne dass dafür ein wesentlich dickeres Blech erforderlich ist.
Für leichte Flugzeugstrukturen war das interessant. Aerodynamisch hatte die Konstruktion allerdings Nachteile. Die unebene Oberfläche erzeugte mehr Luftwiderstand als eine glatte Außenhaut. Mit zunehmenden Fluggeschwindigkeiten verlor die Wellblechbauweise deshalb ihren Vorteil. In den 1920er-Jahren war sie dennoch charakteristisch für Junkers, von der F 13 bis hin zur späteren Ju 52.
Und was ist mit der berühmten Ju 52?
Gerade die Ju 52 zeigt, warum man zwischen Hugo Junkers und den Produkten seiner Unternehmen unterscheiden sollte. Die Maschine entstand Anfang der 1930er-Jahre unter Leitung von Ernst Zindel und einem Konstruktionsteam der Junkers-Werke. Sie folgte zahlreichen Konstruktionsprinzipien, die Hugo Junkers zuvor vorangetrieben hatte: Ganzmetallbauweise, freitragender Tiefdecker und Wellblechhaut.
Sie war aber keine Konstruktion, die Hugo Junkers persönlich am Zeichenbrett entwickelte. Dass heute ausgerechnet die Ju 52 am stärksten mit seinem Namen verbunden wird, verdeckt deshalb etwas die technisch interessanteren frühen Schritte von der J 1 über die J 7 zur F 13.
Der Gegenkolbenmotor kehrt als Flugdiesel zurück
Während Junkers den Flugzeugbau vorantrieb, arbeitete er weiter an seinem alten Motorenprinzip. 1907 ließ er einen Gegenkolbenmotor patentieren, der nach dem Dieselprinzip arbeiten konnte. In den folgenden Jahrzehnten entstanden daraus immer leistungsfähigere Konstruktionen.
Zu den bekanntesten zählt der Junkers Jumo 205 aus den 1930er-Jahren. Sein Aufbau war ungewöhnlich: In sechs senkrecht angeordneten Zylindern arbeiteten zwölf Kolben. Je zwei Kolben bewegten sich in einem gemeinsamen Brennraum gegeneinander. Die Kolben trieben zwei Kurbelwellen an, deren Leistung über ein Getriebe auf die Propellerwelle übertragen wurde.
Der flüssigkeitsgekühlte Motor arbeitete nach dem Zweitakt-Dieselprinzip. Der Jumo 205 wurde unter anderem in Flugbooten von Dornier sowie Blohm & Voss eingesetzt.
Dieselmotoren versprachen einen niedrigen spezifischen Kraftstoffverbrauch und damit Vorteile bei großen Reichweiten. Ihr Gewicht und die aufwendige Konstruktion machten sie im Flugzeugbau jedoch zu einer Ausnahme.
Das Grundprinzip des Gegenkolbenmotors verschwand trotzdem nie vollständig. Auch Jahrzehnte später versuchten Entwickler, seine thermodynamischen Vorteile für moderne Verbrennungsmotoren zu nutzen. ingenieur.de berichtete bereits über ein solches Comeback beim Zweitakt-Gegenkolbenmotor mit hoher Effizienz.
Junkers war kein Einzelkämpfer
Bei großen Erfindern entsteht schnell der Eindruck, sämtliche Maschinen seien allein in deren Kopf und an deren Zeichentisch entstanden. Bei Junkers war das nicht anders als bei heutigen Technologieunternehmen.
Hans Reissner brachte ihn näher an den Flugzeugbau. Ingenieure wie Otto Mader arbeiteten an der J 1. Otto Reuter verantwortete die Konstruktion der F 13. Später prägten Konstrukteure wie Ernst Zindel die Flugzeugentwicklung der Junkers-Werke.
Junkers‘ Rolle lag stärker darin, technische Grundideen vorzugeben, Forschung zu finanzieren und Entwicklungsrichtungen über viele Jahre zu verfolgen.
Gerade der freitragende Metallflügel zeigt das gut: Zwischen dem Patent von 1910 und der erfolgreichen F 13 von 1919 lagen mehrere Versuchsflugzeuge, Materialwechsel und konstruktive Rückschläge.
1933 verliert Junkers die Kontrolle über seine Werke
Nach der Machtübernahme der Nationalsozialisten geriet Hugo Junkers unter erheblichen politischen Druck. Seine Patente waren für den deutschen Flugzeugbau von großer Bedeutung. Junkers weigerte sich, sie freiwillig ohne Gegenleistung zur Verfügung zu stellen. 1933 wurde er schließlich gezwungen, die Kontrolle über seine Unternehmen abzugeben.
Im Oktober musste er 51 % seiner Aktien übertragen, im November verlor er seine Funktionen in der Unternehmensleitung. Er verließ Dessau und lebte zuletzt in Gauting bei München. Am 3. Februar 1935 starb Hugo Junkers – genau an seinem 76. Geburtstag.
Die Ausrichtung seiner Werke auf die nationalsozialistische Luftrüstung hatte zu diesem Zeitpunkt bereits begonnen. Nach Junkers‘ Tod wurde sie weiter ausgebaut. 1936 wurden Flugzeug- und Motorenbau organisatorisch zusammengeführt. In den folgenden Jahren gehörten die Junkers-Werke zu den großen deutschen Rüstungsproduzenten.
Die spätere militärische Bedeutung von Flugzeugen wie Ju 52, Ju 87 oder Ju 88 lässt sich deshalb nicht einfach Hugo Junkers persönlich zuschreiben.
Was von Hugo Junkers geblieben ist
Vom ursprünglichen Gegenkolbenmotor bis zur F 13 verlief Junkers‘ Arbeit nicht geradlinig. Manche Ideen erwiesen sich als Sackgasse, andere wurden später wieder aufgegeben.
Wellblech verschwand aus dem schnellen Flugzeugbau. Gegenkolben-Dieselmotoren blieben eine Nischenlösung. Auch Junkers‘ Vorstellung, Passagiere und Motoren vollständig in einem sehr dicken Flügel unterzubringen, setzte sich nicht durch.
Andere Grundentscheidungen hatten dagegen Bestand. Das Verkehrsflugzeug entwickelte sich zum freitragenden Eindecker mit metallischer Tragstruktur, glatter Außenhaut und geschlossener Passagierkabine. Vieles davon war bei der F 13 von 1919 bereits angelegt.
Und so führt die Geschichte von Hugo Junkers erstaunlich weit: von einem Gegenkolben-Gasmotor und einem Heizwertmessgerät bis zu Konstruktionsprinzipien, die den Flugzeugbau nachhaltig verändert haben. Dass dieser Weg ausgerechnet in Rheydt begann, ist für mich persönlich dabei mehr als eine biografische Randnotiz.
Quellen
- Deutsches Historisches Museum: Hugo Junkers – Biografie
- Deutsches Museum: 100 Jahre Junkers F 13 und die Anfänge des Luftverkehrs
- Deutsches Museum: Historische Luftfahrt – Junkers F 13 und Ju 52
- RWTH Aachen, Aerodynamisches Institut: Hans Reissner, Hugo Junkers und die Anfänge der Flugzeugforschung in Aachen
- Royal Air Force Museum: Junkers Jumo 205 – Aufbau und technische Daten
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