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Technik: Foiler

Nur fliegen ist schöner

Johannes Erdmann am 23.05.2020

Seit beinahe 160 Jahren versuchen Schiffbauer immer wieder, Boote in die Lüfte zu erheben. Modeerscheinung oder Revolution?

Ein unvergesslicher Moment der Filmgeschichte: Verfolgt von der Coast Guard, sprengt die klassische Motoryacht "Disco Volante" des James-Bond-Schurken Largo ihren Wohnkokon ab und nimmt rasante Fahrt auf. Der Bug hebt sich – und zur Verblüffung der Zuschauer taucht in der Bugwelle ein V-förmiger Tragflügel auf.

Kurz darauf beginnt das ganze Schiff zu fliegen. "Ein Tragflächenboot", staunte damals die Filmwelt. Ein Konzept, an dem schon seit vielen Jahrzehnten geforscht wurde, das aber nie so recht den Durchbruch fand.

Foiler

Tragflächenboote oder modern "Foiler" sind jedoch nicht nur in Hollywood bekannt. Seit der italienische Luftschiffbauer Enrico Forlanini im Jahr 1906 auf dem Lago Maggiore mit einem propellergetriebenen Boot die Wasseroberfläche verlassen hat und mit 38 Knoten übers Wasser geschwebt ist, versuchen sich immer wieder Konstrukteure an dem Prinzip, das so einfach wie schlüssig ist. 

"Höhere Geschwindigkeiten zu erzielen war schon immer in allen Formen der Transporta­tion sehr erwünscht",

schreibt A. J. Acosta in seiner Arbeit über Hydrofoils (California Institute of Technology, 1973) und beschreibt, dass dieser Möglichkeit auf dem Wasser Grenzen gesetzt sind.

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"Die Wasseroberfläche ist von Hause aus eher eine unwirtliche Umgebung, um hohe Geschwindigkeiten zu erzielen."

Zum einen durch die schroffe Oberfläche, denn schon kleine Wellen können schnelle Fahrt ziemlich unangenehm machen. Dazu kostet der Reibungswiderstand des verdrängenden Boots und selbst der der gleitenden Yacht viel Treibstoff und bremst enorm. Deshalb ist es für Acosta und viele andere Tüftler von jeher ein logischer Schritt gewesen, Tragflächen zu montieren und die Boote in die Luft zu erheben.

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Der physikalische Hintergrund einer umströmten Tragfläche ist in der Hydrodynamik wie in der Aerodynamik ähnlich: Das Wasser umströmt die Tragfläche, und es entsteht durch den längeren Weg auf der Oberseite eine nach oben gerichtete Kraft, die die Tragfläche nach oben zieht und damit das Boot aus dem Wasser hebt.

Je größer der Speed, desto größer die Kraft.

Tragflächenboote sind in der Lage, sich in zwei Modi zu bewegen: Bei Hafenmanövern in Verdrängerfahrt, wobei die Tragflächen samt Haltern komplett unter Wasser sind. Beschleunigt das Boot dann, hebt es sich aus dem Wasser, bis es komplett auf den Tragflächen schwebt und sich im "Fliegemodus" befindet.

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Die Reisegeschwindigkeit liegt dann häufig bei der doppelten Abhebegeschwindigkeit. 

Schon der britische Ingenieur Thomas William Moy soll im Jahre 1861 derartige Versuche im Surrey-Kanal in England gemacht haben, indem er zwei starre Flügel unter einen Holzkahn montierte und ihn von einem Pferdegespann am Ufer ziehen ließ. 45 Jahre nach Moys Schleppversuchen schließlich brachte Forlanini ebenjenen ersten selbst angetriebenen Foiler zum Fliegen.

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Acht Jahre hatte er das Konzept erforscht und ein Boot entwickelt, das, angetrieben von einem 60-PS-Motor und einer Luftschraube, eine Geschwindigkeit von 68 km/h erreichte. Um das Schiff in einer stabilen Fluglage zu halten, hatte er insgesamt vier Foils unter das Boot gebaut, die von der Form her aussahen wie Leitern.

In seinen Versuchen hatte er herausgefunden, dass der Auftrieb in Abhängigkeit zur zunehmenden Geschwindigkeit steht und folglich bei mehr Speed weniger Flügelfläche nötig ist, um denselben Auftrieb zu erzeugen. Deshalb hat er seine Leiterflügel auch über­ein­ander und trapezförmig angeordnet, oben breit und unten schmal, damit schon bei langsamer Fahrt derselbe Auftrieb erzeugt wird wie bei schneller Fahrt.

Der amerikanische Erfinder und Ingenieur Alexander Graham Bell, der vor allem für die Erfindung des Telefons großen Ruhm erlangte, las im März 1906 zufällig einen wissenschaftlichen Artikel über Hydrofoils, und sofort stand für ihn fest, dass er den schnellsten Foiler der Welt bauen wollte. Während einer Weltreise traf er Jahre später Forlanini und machte mit ihm eine Probefahrt auf dessen Boot.

Doch erst nach Ende des Ersten Weltkriegs und dem Verfügbarwerden von großen Motoren gelang es ihm im Jahr 1919, mit der HD-4 und angetrieben von zwei 350-PS-Motoren einen Geschwindigkeitsrekord von 114 km/h aufzustellen.

Trotz des gleichen Prinzips müssen die Tragflächen im Wasser völlig anders dimensioniert sein als in der Luft. Das liegt zum einen daran, dass Wasser eine etwa 800-mal höhere Dichte besitzt als Luft auf Meeresniveau. Ein Vorteil, denn durch die hohe Dichte können die Flügel sehr viel kleiner ausfallen.

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Der andere Unterschied liegt in der Wasseroberfläche, die eine Begrenzung des Auftriebs darstellt, weil die Tragfläche sie nicht vollständig durchbrechen kann. Anders als im Flugzeugbau müssen Tragflächen an Bug und Heck vorhanden sein, damit das Fahrzeug waagerecht bleibt.

Forlanini hatte all diese Dinge in seine Berechnungen einbezogen. Dennoch haben sich seine Leiterfoils trotz des durchdachten Ansatzes nie durchgesetzt. Stattdessen zwei andere: der teileingetauchte und der volleingetauchte Typ.

Beide verfügen im unteren Bereich über eine profilierte Tragfläche. Beim teileingetauchten Typ ist diese in der Mitte geknickt, also in U- oder V-Form, und mit stabilen Streben quer unter dem Bug und dem Heck des Schiffs montiert. Die Haltestreben sind auch in Verdrängerfahrt oberhalb der Wasserlinie zu sehen. Bei schneller Fahrt wird der V-Flügel nach oben gezogen und taucht bei voller Fahrt sogar an den Spitzen des Flügels zu einem Drittel aus dem Wasser.

Bei langsamerer Fahrt sackt das Boot ein wenig weiter ins Wasser, der Auftrieb ändert sich also stufenlos.
Der volleingetauchte Typ verfügt über eine waagerechte, häufig steuerbare Tragfläche, die an einer senkrechten Halterung in T-Form fest oder klappbar unter dem Rumpf befestigt ist.

Bei ausreichend schneller Fahrt entsteht am Tragflächenprofil der nötige Auftrieb, um das Boot nach oben zu heben. Die Steuerung der Tragfläche ermöglicht es, eine bestimmte Tauchtiefe der Tragfläche bzw. Flughöhe des Boots zu halten.

In Deutschland war Hanns von Schertel Pionier der Tragflächenboot-Entwicklung. Mit dem Ziel, Passagiere auf dem Rhein zu befördern, baute er sieben Versuchsboote, bis er mit seinem "Silbervogel" Erfolg hatte. Das Boot verfügte über einen 50-PS-Motor, einen V-Foil vorn und einen trapezförmigen Foil hinten. Mit sieben Passagieren erreichte es im Jahr 1934 eine Geschwindigkeit von 55 km/h. Das beeindruckte die Presse und überzeugte die Rheinschifffahrtsgesellschaft, eine Fähre zu bestellen – die weltweite erste kommerzielle Order für ein Tragflächenboot.

Doch der Krieg vereitelte weitere zivile Forschung.

Da es in Deutschland in den Nachkriegsjahren zunächst nicht mehr erlaubt war, Boote mit Geschwindigkeiten von über 12 Knoten zu bauen, führte von Schertel seine Forschungen in der Supramar AG in der Schweiz fort. Die dort entwickelte PT-10 war das erste kommerzielle Serienboot und wurde 1953 als Fähre auf dem Lago Maggiore in Dienst gestellt, dem Ort, an dem Forlanini 47 Jahre zuvor den ersten Flug vollführt hatte.

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In den Folgejahren brachte Supramar die weiterentwickelte PT-20 auf den Markt. Eine der Fähren, die in Italien von der Helling lief, war "Flying Fish", die später in Holly­wood kurze Berühmtheit erlangte: als "Disco Volante".
Die größten Schwierigkeiten bei der Entwicklung der Tragflächenboote bestand vor allem darin, den Flug zu kontrollieren, damit die Boote nicht über eine Welle stolpern oder gar bei der Landung verunglücken.

Die V-Foils (teileintauchend) sind da bei glattem Wasser deutlich stabiler, da sie bei Geschwindigkeitsänderungen sehr kontrolliert auf- oder absteigen. Bei Welle sind sie eher empfindlich, da die Tragflächen für gleichmäßige Anströmung gebaut sind und von quer treffenden Wellen aus der Spur geworfen werden.

T-Flügler sind beim Aufstieg in Fluglage grundsätzlich ein wenig wackeliger. Sind sie dann jedoch erst einmal in der Luft, verhalten sie sich im Seegang deutlich besser, weil sie ja auf ihrer eingetauchten Tragfläche laufen und die Wellen meist unter ihnen durchgehen. T-Flügler in einer waagerechten Fluglage zu halten war nicht immer einfach.

Heute hilft moderne Technik, anfangs waren es noch anfällige, mechanische Steuerungen, die über Trimmklappen die Boote in Waage hielten. Deshalb gaben die kommerziellen Betreiber von Flussfähren den einfachen, aber robusten V-Flüglern den Vorzug. Gerade auch auf den Flüssen in Russland und der Ukraine, wo die Boote bis heute großen Anklang finden.

Die amerikanische Marine hat in den 60er-Jahren in Zusammenarbeit mit Flugzeugbauern mehrere foilende Patrouillenboote entwickelt. Die 35 Meter lange "High Point" wurde 1962 von einer Boeing-Tochter in Seattle gebaut und konnte im Verdrängermodus, angetrieben von einer herkömmlichen Dieselmaschine, vollkommen unauffällig ihre Patrouillen fahren.

Zusätzlich verfügte sie jedoch auch über absenkbare Foils und zwei Gasturbinen, die das 110 Tonnen schwere Schiff kontrolliert von der ersten computergesteuerten Stabilisierungsautomatik mit 48 Knoten fliegen ließen.

Nach den großen Erfindungen Anfang und Mitte des letzten Jahrhunderts sind die Foiler, heute gesteuert von modernen Gyros und Flugcomputern, wieder in der heißen Phase der Rückkehr. Foilende Motorboote werden sogar in Serie gebaut und sind kaum mit denen früherer Zeiten zu vergleichen. Beispielsweise die Candela 7 aus Schweden, die elektrisch fährt.

Das hintere T-Foil ist gleichzeitig der Antrieb, das vordere zweiflüglige V-Foil vorn permanent unter Wasser, fürs Trailern aber einziehbar. Mit vollem Akku hat das 1300 Kilogramm schwere Boot eine Reichweite von 50 Seemeilen bei etwa 20 Knoten Fahrt. In den Spitzen kann es sogar 30 Knoten erreichen. Das zehn Meter lange Luxus-
Motorboot "Foiler" aus Dubai erreicht sogar 40 Knoten und fliegt dabei 1,5 Meter über dem Wasser.

Angetrieben von zwei 370-PS-Dieselmotoren. Der Clou: Die vorderen, seitlich ausragenden L-Foils sind auf Knopfdruck anklappbar. Auch der RIB-Hersteller SEAir hat zwei Modelle, die auf zwei L-Foils und einem T-Foil (am Außenborder) fliegen. Und dann gibt noch die neue Generation von foilenden und elektrisch angetriebenen Surfbrettern, die als Spielzeug von Megayachten in der Karibik mittlerweile an jedem Ankerplatz zu beobachten sind. Mit einer Fernbedienung gesteuert, erreichen sie Geschwindigkeiten von bis zu 24 Knoten.

Foiler waren schon immer aufwendig in der Entwicklung und teuer in der Herstellung, weil die Belastung auf das Material natürlich enorm ist.

Deshalb sind auch moderne Serienfoiler teuer: Das Flite-Surfboard ist ab 13420 Euro zu bekommen, die Candela Seven ab 291000 Euro und der Foiler sogar erst ab 909000 Euro.

Ob sich die modernen Foiler diesmal verbreiten werden – oder doch wieder nur eine Modeerscheinung darstellen?
Die der älteren Generationen sind jedenfalls alle verschwunden: Die einst von Boeing gebauten und auf der ganzen Welt beliebten Jetfoil-Schnellfähren (Typ 929) sind alle nach Fernost verkauft und werden auch dort langsam ausgemustert. Die "Disco Volante" hatte kurzen Ruhm und fristete ihr Dasein als Hausboot in Miami, bis sie vernachlässigt am Steg sank.

Die "High Point", einstiger Stolz der Navy, liegt heute verwittert, verkommen und ausgeschlachtet in einem Industriegebiet in Oregon und steht zum Verkauf für 69000 US-Dollar. Für derartige Boote gibt es keinen Markt mehr.

Gefragt sind in dieser Entwicklungsphase der Foiler kleine, spritsparende Spaßboote wie die genannten. Ob diese Foiler von heute in einigen Jahrzehnten ein ähnliches Schicksal haben werden, weil sie so extrem sind? Oder als Meilenstein der Entwicklung gelten werden?

Der Schiffbauingenieur A. Silverleaf gibt schon im 1960 erschienenen Werk "High Performance Ships" zu bedenken, ob es nicht für weniger performanceorientierte Gebrauchsboote einen Mittelweg zwischen Verdränger und Foiler geben könnte:

"Dann würde das Gewicht des Schiffes zum Teil durch das verdrängte Volumen getragen werden, zum anderen durch den Auftrieb der Tragfläche."

Solch ein Schiff würde zwar nicht fliegen, aber sich dennoch "mit weniger Tiefgang und Verdrängung durchs Wasser bewegen".

Tatsächlich haben mittlerweile einige Designer versucht, solch ein hybrides Konzept umzusetzen, wie Hysucat aus North Carolina: ein offener Motorkatamaran, zwischen dessen Rümpfen eine starre Tragfläche in T-Form befestigt ist.

Obwohl das Boot vollkommen eingetaucht bleibt, vermindert der erzeugte Auftrieb den Widerstand, soll Treibstoff sparen und die Geschwindigkeit um bis zu 15 Prozent steigern. Ein Konzept, das zwar das Potenzial der Hydrofoils nicht vollkommen ausschöpft, aber praxisorientierter ist.

Diesen Artikel finden Sie in der Februar-Ausgabe 2020 von BOOTE!

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Johannes Erdmann am 23.05.2020