Flugzeugkatapulte (veraltet auchFlugzeugschleudern)[1] werden in derLuftfahrt als Starthilfevorrichtung verwendet, wennFlugzeuge nicht durch eigene Kraft die nötige Startgeschwindigkeit erreichen. Dies kann der Fall sein, wenn etwa dieStartbahn zu kurz oder die Antriebsleistung des Fluggerätes zu schwach für einen Start ist. Die häufigste Anwendung finden solche Katapulte aufFlugzeugträgern, da die dort eingesetzten Kampfjets auf den extrem kurzen Startstrecken ohne Unterstützung keinen ausreichendenAuftrieb erzielen können. Aber auch vieleunbemannte Luftfahrzeuge werden mittels eines Katapults gestartet.
Das Konzept eines ersten, mitPressluft betriebenen Katapultes stammte aus dem Jahr 1916 und war von dem deutschen Marine-Oberingenieur Wilhelm Stein entwickelt worden. Im Herbst 1918 erfolgten einige Versuche mit einem WasserflugzeugW.29, die bei Ende desErsten Weltkrieges aber nicht weiter verfolgt wurden. Stein erhielt beim FlugzeugbauerHeinkel eine Anstellung als Betriebsdirektor, wo er weiter am Prinzip des pressluftgetriebenen Schiffskatapultes arbeitete. Es entstanden mehrere Modelle und eigens dafür entwickelte Flugzeugtypen. 1927 wurde dieHD 15 erstmals erfolgreich zusammen mit dem Katapult K-1 getestet. Es bestand aus einer Startschiene, auf der ein Startschlitten lief und auf den das Flugzeug aufgesetzt wurde. Zum Start wurde der Schlitten mittels Pressluft und Stahlseilen auf etwa 100 km/h beschleunigt und am Bahnende wieder abgebremst, wobei sich das Flugzeug vom Katapult löste. Heinkels Flugboote und Katapulte kamen in den folgenden Jahren sowohl auf Kriegs- als auch auf Zivilschiffen zum Einsatz (Katapultschiffe) und wurden auch ins Ausland exportiert, wie etwa das FlugbootHD 55. Bis in die 1930er Jahre hinein dominierte Heinkel weltweit den Katapultbau.[2]
Die Entwicklung von Dampfkatapulten begann in den 1930er Jahren, alsSchwimmerflugzeuge undFlugboote von Schiffen gestartet werden sollten, ohne sie vorher zu Wasser zu lassen. Die ersten wurden ab 1934 auf Katapultschiffen wie derSchwabenland eingesetzt. Der Dampf wurde von der Antriebsanlage des Schiffs geliefert. Alternativ konnte man den Dampf auch durch einenWasserstoffperoxid-Dampfgenerator erzeugen.
Später wurden Flugkörper von Schleudern gestartet, wie zum Beispiel dieFieseler Fi 103. Moderne schwerere Kampfflugzeuge konnten ab etwa der Zeit nach dem Zweiten Weltkrieg nicht mehr konventionell (d. h. ohne Unterstützung) vom Deck eines Flugzeugträgers aus abheben, weil die selbsterzeugte Anfangsgeschwindigkeit und der Fahrtüberschuss des Trägerschiffes zusammen nicht ausreichten, um die minimal notwendige Fluggeschwindigkeit zu erreichen, die die immer schwerer beschaffenen modernen Flugzeuge zum Auftrieb benötigten. Deswegen wurden dort Dampfstartkatapulte eingesetzt.
Die Dampfkatapulte in der heute bekannten Form wurden von derRoyal Navy aus imZweiten Weltkrieg erbeuteten Schleudern der deutschen Fieseler Fi 103 entwickelt und 1950 auf derHMS Perseus erprobt.[3] Von der Royal Navy übernahm dieUnited States Navy die neue Flugzeugkatapulttechnik und danach rüsteten auch andereMarinen ihre Flugzeugträger mit Dampfkatapulten aus.
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In den Boden desFlugdecks ist dazu eine Schiene eingelassen, auf der einSchlitten mittelsDampfdruck beschleunigt wird. Dieser Dampf wird bei Flugzeugträgern mit Atomantrieb direkt aus dem Sekundärkreis desReaktors entnommen. Am Vorderrad des Flugzeugs sorgt ein ausklappbares Verbindungsstück für die Kraftübertragung. Das Flugzeug fährt an den Schlitten heran, bis das Verbindungsstück eingerastet ist. Daraufhin zieht das Katapult kurz an, damit eine Spannung zwischen dem Flugzeug und dem Schlitten besteht und kein plötzlicher Ruck das Bugrad beschädigen könnte.
Der Druck des Dampfkatapults wird auf das jeweilige Gewicht des Flugzeuges eingestellt, damit die erforderliche Geschwindigkeit für den Auftrieb am Ende der Startbahn erreicht werden kann.
Vor dem Start wird das Flugzeug zunächst über eine Haltestange in seiner Position gehalten, bis genügend Dampfdruck aufgebaut wurde und dieTriebwerke Maximalschub erreicht haben. Dann wird die Halterung gelöst und das Flugzeug sehr stark beschleunigt, bis seine Tragflächen ausreichend Auftrieb erzeugen.
Der Schlitten wird am Ende der Startbahn auf kürzester Strecke abgebremst. Dies geschieht über einen langen Kegel an der Vorderseite des Schlittens, der am Ende des Katapultweges in ein mit Wasser gefülltes Rohr eindringt. Dank der Kegelform und der dadurch steigenden Wasserverdrängung nimmt auch die Bremswirkung schnell zu und bringt den Schlitten zum Stillstand. Daraufhin wird der Schlitten für den nächsten Start in seine Ausgangsposition zurückgezogen.
Seit Beginn des21. Jahrhunderts werden auchelektromagnetisch betriebene Katapulte erforscht. DieUS Navy hat 2017 einen Flugzeugträger mit elektromagnetischen Katapulten ausgestattet (Electromagnetic Aircraft Launch System, EMALS), dieLinearmotoren, ähnlich denen desTransrapids, benutzen. Dabei wird der Schlitten durch magnetische Wechselfelder beschleunigt.[4] Durch die bessere Steuerbarkeit lassen sich mit diesen Systemen die Startbedingungen genau auf das jeweilige Flugzeug und dessen Beladung einstellen. Die zuverlässige Aufbringung kurzzeitig hoher elektrischer Leistung erfordert ein Speichersystem, wie etwa eine Kombination vonSchwungrad und Generator. Am 17. Juni 2022 fand der Stapellauf des von derVolksrepublik China gebauten FlugzeugträgersFujian (vorher als Typ 003 bezeichnet) statt, der mit elektromagnetischen Katapulten ausgestattet ist.[5]
Da die Startbahn auf Flugzeugträgern nur knapp 200 Meter lang ist, ein Kampfjet aber etwa 260 km/h schnell sein muss, um sicher abheben zu können, wird binnen knapp drei Sekunden auf rund 260 km/h beschleunigt. Dies ergibt für den Piloten eine Belastung von 5–6g.[6]
