Me 163B performance: Flugleistungen

Introduction

From ~2002 to 2008, an anonymous German webmaster ran the 'Flugleistungen' website. I'm guessing that Luftwaffe interest was still 'suspicious' in Germany, hence the anominimity. The website had interesting and unique performance data of the Me 163B, Me 262 and others, with comments. The site was saved for posterity by the Wayback Machine, but I haven't found a set that includes the images too. Luckily I had saved the Me 163B images when the site was still operational.

The data shown is very interesting, but also presents problems. Sources are not mentioned, and that means the data could be from the conceptual phase, from wind tunnel data, or from test flights. All three will yield different data. Plus: are they all from the same point in time, or spread out in time, not agreeing with each other? Also, of course German methods and German notation are used, that are slightly different from the current methods and notation. One example is the wing area of 17.6 m2, whereas 19.6 m2 is listed in the 'Me 163B Bedienungsvorschrift', and my own calculations, by extending the leading and trailing edges to the centerline, gives a value of 17.4 square meters. And what is 'Cw_P, for example? C for coefficient, W for Widerstand (drag), but what's the P? Lastly, there the hand-written text that is sometimes hard to decipher, or unreadable due to the scanning quality.

An interesting comment, that I hadn't seen before, is that the high rate of mass change (due to the high fuel consumption) creates an extra 'thrust' component. See Raketengrundgleichung on Wikipedia or one of the translations. To be investigated. Maybe there's a similar effect when a glider drops its water ballast?

Unfortunately, I could not find a way to contact the webmaster, to ask for permission to re-publish his web pages. The data was so unique that I decided to re-publish it without his consent, hoping that he appreciates the interest in his work.

Page 1, text copied from the Wayback Machine at me163_intro.html

Der Komet war das erste serienmäßig produzierte und eingesetzte Raketenflugzeug. Obwohl es das erste Flugzeug war daß im Horizontalflug die 1000Km/h Marke überschritt, war sein Aufbau teilweise aus Holz. Die Idee stammt von Prof. Lippisch, erst später wurde das Projekt Messerschmitt übertragen. Prof. Lippisch war Pionier was schwanzlose Flugzeuge angeht.

Angetrieben wurde der Komet mit einer hochexplosiven Mischung aus T- und C-Stoff (Wasserstoffsuperoxid, Hydrazinhydrat und Methanol). Dies brachte ihm bald unter den Piloten den Ruf einer Todesfalle ein. Restbestände konnten sich leicht bei harter Landung (auf Kufen, der Komet hob beim Start von seinem Startwagen ab und hatte kein Fahrwerk) entzünden. Es gingen mehr Piloten bei der Landung verloren als durch den Gegner abgeschossen wurden! Wie später immer wieder von Bedeutung sein wird muß eine Raketenstufe sowohl den chemich reduzierenden als auch den oxidierenden Stoff mit sich führen. Verbrennungsmotoren und Strahltriebwerke bekommen dagegen das oxidierende Mittel, den Sauerstoff, aus der Atmosphäre "geschenkt". Die Folge ist daß das Gewicht für den benötigten Treibstoff bei Raketenantrieben am Anfang deutlich höher liegt. Die Gewichtsreduzierung im Flug durch den hohen Verbrauch spielt beim Kometen eine entscheidende Rolle in seiner Leistungsberechnung. Im Gegensatz zu Strahltriebwerken kann man den Impuls durch Massereduzierung nicht mehr vernachlässigen.

Die Gewichtsreduzierung spielt wie gesagt eine entscheidende Rolle. Zum Vergleich: Ein Me109 Standardjäger hat mit 400Liter internem Tank ca. 300kg Sprit an Board. Bei einem Startgewicht von ca. 3200kg sind das knapp unter 10% was eine 109 an Gewicht durch Spritverbrauch verliert in einem Einsatz.

Ein Komet wiegt beim Zünden 4083kg, leergebrannt 2018kg!!! Der Komet verliert bei seiner kurzen Brenndauer der Triebwerke ~ 50% seines Gewichts!! Was das für Konsequenzen hat für die Steiggeschwindigkeit am Anfang und Ende kann man jetzt schon erahnen. Der Komet macht in seiner kurzen angetriebenen Phase eine Metamorphose von einem überladenem Flugzeug zu einem federleichtem Gleiter!

Die Brenndauer des Triebwerkes war sehr kurz, ca. 4-5Min bei Vollast. Das reichte aber um den Kometen in 12-15km Höhe zu katapultieren. Wegen seiner geringen Reichweite wurde der Komet hauptsächlich als Objektschutz eingesetzt, um Angriffe auf strategisch wichtige Ziele zu bekämpfen. Die wichtigste Baureihe war die B-Serie. Die C-Serie war leistungsmäßig verbessert.

Wer denkt, daß der Komet vom Start weg senkrecht in den Himmel schoß, irrt sich allerdings. Im Gegensatz zu Propellermaschinen ist der Leistungsüberschuß bei langsamen Geschwindigkeiten gering (ähnlich den Strahltriebwerken, ME262). Triebwerk war ein Walther 109.509 Triebwerk mit 1500kg Startschub und 1632kg in 9km Höhe. Ein typischer taktischer Einsatz so wohl so aus:

Zündung der Triebwerke
Takeoff
Beschleunigen horizontal auf Steiggeschwindigkeit (190-210 m/s, 685-755 km/h)
Steigflug auf Einsatzhöhe
Angriff
Entfernen vom Ziel im schnellen Gleitflug nach Abbrand der Raketenstufe
Gleitflug nach Hause

Page 2, text copied from the Wayback Machine at me163_aerodyn.html

Der Komet mußte 2 eigentlich absolut gegensätzliche Anforderungen in sich vereinigen:

A) Hochgeschwindigkeitsflug im Mach 1 nahen Bereich

B) gute Gleiteigenschaften

Zwecks A) fand zum ersten Mal eine konsequente Pfeilung des Flügels statt. Auch war sein Flügelprofil möglicherweise relativ dünn, was widerstandsärmer ist aber auch geringere Auftriebsbeiwerte mit sich bringt.(Bei 63m/s Abhebegeschwindigkeit und einem geschätzten Gewicht von 3800kg ergäbe sich CA_takeoff von nur 0,88). Außerdem hatte der Flügel eine niedrige Streckung. Die Integration des Höhenruders in den Flügel verbesserte sicherlich auch die Steuerbarkeit im Hochgeschwindigkeitsflug.

Waren alle Punkte unter A) eigentlich schlecht für B), so konnte nur ein insgesamt äußerst günstiger niedriger Widerstand die Gleiteigenschaften verbessern. Der Verzicht auf extra horizontale Schwanzflossen ist sicherlich auch in diesem Zusammenhang zu sehen.

Eine Polare für den Flügel allein für Geschwindigkeiten <0.5 Mach zeigt folgendes Bild:

Der Komet trat mit Machzahlen von über 0,7 in den Bereich ein wo der Widerstand nicht mehr alleinig vom Nullwiderstand und dem Auftriebsbeiwert abhängig ist. Dementsprechend mußte man mit einer ganzen Poloarenschar rechnen, die den Gesamtwiderstandsbeiwert Cw in Anhängigkeit vom Auftriebsbeiwert Ca dastellen:

Der Parameter bei den Kurven ist die Machzahl, das Verhältnis der Fluggeschwindigkeit zur Schallgeschwindigkeit. Schon jetzt sei darauf hingewiesen daß mit ABNEHMENDER TEMPERATUR der Atmosphäre mit zunehmender Flughöhe die Schallgeschwindigkeit ABNIMMT (von 0-11km, darueber ist die Temperatur und damit die Schallgeschwindigkeit bis ca. 25km konstant). Das heißt daß wenn ich in mit 900km/h in Bodennähe und in 10km Höhe fliege ist die Machzahl in Bodennähe GERINGER ist als in 10km Flughöhe!!

Das Diagramm gibt auch die Flügelfläche und Streckung an: 17,6m^2 sowie Streckung 4.85 (Streckung ist das Verhältnis der Spannweite im Quadrat zur Flügelfläche). Damit hatte der Komet im Langsamflug einen ziemlich hohen induzierten Widerstand, war aber besser für hohe Geschwindigkeiten geeignet.Ein Flügel mit niedriger Streckung verdrängt die Luft eher 2-dimensional (über den Flügel, seitlich am Flügel vorbei), ein Flügel mit hoher Streckung eher nur 1-dimensional (über den Flügel). Da eine seitliche Verdrängung die Auftriebseffizienz vermindert haben Segelflugzeuge mit ihren weiten schmalen Flügeln oft Streckungen von über 10. Bei hohen Fluggeschwindigkeiten ist Auftrieb aber nicht mehr so entscheident. Ein Flügel mit niedriger Streckung ist nun widerstandsärmer, Schockwellen breiten sich nicht so stark aus und die Kompression wird vermieden wird bzw. die Manövrierfähigkeit bleibt eher erhalten (ein Nachteil der P38 (Streckung 8,0, vgl. Me109 6,0) , deren Sturzflugeigenschaften katastrophal waren bis mit der P38L Sturzflugklappen eingebaut waren).

Noch eine kleine Nebenbemerkung: Die englische Spitfire gilt als das Propellerflugzeuges des 2. Weltkrieges welches im Sturzflug mit Mach 0,9 die höchste Machzahl erreichen konnte (Zum Vergleich, die Me109 erreichte gerade mal Mach 0,82). Sieht man sich den Anstieg in dem Diagramm des Widerstandes schon von 0,75 weg an, ist die Machzahl von 0,9 fast unglaubwürdig. Jedenfalls ist sie meiner Meinung nach nicht mit einem Standardjägermodell erflogen worden! Es wäre interressant herauszubekommen ob die Spitfire für diesen Test speziell präpariert worden war (Laminarprofil, clipped wing z.B.)

Was man auch bei der Bewertung von Fluggeschwindigkeiten aus der Zeit berücksichtigen muß ist das der Wissensstand einfach nicht dem heutigen entsprach, gerade was Mach-1 nahen Flug angeht. Spitfires und P47 sind nach Instrumentenanzeige zu urteilen in Sturzflügen über Mach-1 geflogen, was natürlich Quatsch ist. Die endgültige Bestimmung der erreichten Sturzfluggeschwindigkeit war also sehr stark von der nachträglichen Auswertung und den eingesetzten Korrekturfaktoren abhängig! Eine Verfolgung des Flugzeuges und Bestimmung der Fluggeschwindigkeit per Radar war im 2. WK noch nicht möglich.

Auch die angegebene Höchstgeschwindigkeit des russischen BI-1 Raketenflugzeuges (1030km/h in 7000m), was Mach 0,9 entspräche, ist für ein Flügel mit einer Streckung von 6 sehr zweifelhaft. Später stellten sich ja auch starke Instabillitäten heraus, es ist wie gesagt zweifelhaft dass diese erst ab Mach 0.9 eintraten.

Auch der Komet war von Kompressibillitätseffekten, also schlagartig einsetzender Wirkungslosigkeit der Ruder, nicht gefeit. Ein empfehlenswerter Link zu einem Interview mit dem deutschen Testpiloten Rudy Opitz ist hier

Zurück zum Komet. Eine grundlegende Aerodynamische Kenngröße, und für den taktischen Einsatz ja auch wichtig, ist die Gleitzahl. Epsilon E gibt an wie weit ich bei gegebener Höhe über Grund maximal segeln kann. In dem Diagramm wurde eine konservative Gleitzahl angenommen, die 80% der theoretischen beträgt und damit wohl gängige Verluste abdecken soll.

Geht man von einer Angriffshöhe der Bomber und damit auch des Kometen von ca. 8km aus, konnte der Komet mit einer Gleitzahl von ~13,4 also ~105km nach Hause segeln. Gibt man gewisse Sicherheiten dazu kann man jetzt schon Abschätzen daß sein Einsatzradius maximal ca. 80km betragen dürfte.

Eine Gleitzahl von 13,4 ist übrigens hervorragend für ein Jagdflugzeug! Eine F-16 (hat natürlich auch ein überschallprofil) kommt gerade mal auf ~4-5. Grund dafür dürfte der günstig niedrige Widerstand sein. Ein Nullwiderstand von ca. 0.016 ist gegenüber dem der Me109 bei vergleichbarer Flügelfläche sehr gering!! (Me109 CW0 ~0.26-0.28)

Wie sah nun der Flügel aus? Das sieht man schön in dem nächsten Diagramm links oben , das eigentlich zur Berrechnung der Rollgeschwindigkeit dient. Rollgeschwindigkeit wurde mit der Taktik des Sturz und Steigfluges, des schnellen Zuschlagens und Absetzens, immer wichtiger. Nicht umsont war die FW190 für Rollgeschwindigkeit optimiert und weniger auf Kurvenfähigkeit. Der Komet ist mit (errechneten) 2,55 Sekunden für eine volle Rolle bei schon 480km/h ein ziemlich flotter Roller!!. Man brauchte es als Pilot auch wohl, bei einem Anflug mit hohen Fluggeschwindigkeiten ist das Feuerfenster sehr kurz und man muß schnell korrigieren können.

Page 3, text copied from the Wayback Machine at me163_speed.html

Fluggeschwindigkeit

Der Antrieb des Kometen war in dem B-Modell ein Walther 109.509 Raketentriebwerk mit 1500kg Startschub. Mit zunehmender Höhe gewann das Triebwerk Kraft (1632kg in 9km Höhe). Damit sind wir wieder beim Unterschied Strahltriebwerk oder Kolbenmotor zum Raktentriebwerk.

Der Vorteil der ersteren, den Sauerstoff als Verbrennungsprodukt nicht mitschleppen zu müssen, bedingt den Nachteil, daß die Atmosphäre mit zunehmender Höhe immer weniger Sauerstoff pro Volumen zur Verfügung stellt (Dichte geht zurück). Kolbenmotoren konnten per Kompression der angesaugten Luft (Lader, Gebläse, Supercharger, Abgasturbolader) den Zylinder bis zu einer gewissen Flughöhe immer noch mit der gleichen Menge Sauerstoff versorgen, d.h. gleichbleibende oder nur gering abfallende Leistung mit zunehmender Flughöhe.

Die Leistung der Strahltriebwerke (Jumo 004 der Me262, He S-011) der ersten Generation sind dagegen direkt von der Dichte der Luft abhängig und die geht mit Höhe sehr schnell zurück. Siehe am Ende das Schubdiagramm der Heinkel S-011 A Strahlturbine.

Ein Raketentriebwerk ist von der Atmosphäre absolut unabhängig, d.h egal in welcher Höhe ich fliege, ja sogar bekanntlich im luftleeren Raum, ist der Schub nur von der Ausströmgeschwindigkeit und Menge der Verbrennungsprodukte abhängig (und von der Massereduzierung). Die Schubzunahme mit mehr Flughöhe könnte man dadurch erklären, daß das Ausströmverhalten durch den geringeren Gegendruck der Atmosphäre immer besser wird, damit auch der Schub nach Aktio=Reaktio zunimmt!

Genug fachgesimpelt, hier ist ein erstes Diagramm über die Berechung der wahren Fluggeschwindigkeit. In dem unteren Bild sind als Parameter die Flughöhen angegeben (0,3,6,9). Man sieht jetzt schon daß obwohl die Dichte und damit der Widerstand mit zunehmender Flughöhe geringer wird, der Schub aber leicht zunimmt, die größte Fluggeschwindigkeit in NUR 3km Höhe erreicht wird! ( Die Y-Achse beginnt bei 900km/h, und steigt dann in 10km/h Schritten bis auf 960km/h)

Das korrespondierende Bild für den Verlauf der Fluggeschwindigkeit ist:

Hier wird ausdrücklich vermerkt daß mit konstantem Gewicht, also ohne zusätzlichen Impuls durch Massereduzierung, gerechnet wurde!

Wieso ist aber die maximale Fluggeschwindigkeit in nur 3km Höhe? Dazu muß man sich nochmal den vorherigen Teil AERODYNAMIK des Kometen anschauen und dann der Tabelle oben in der 5. Spalte die Machzahl. Man kann sehen daß der Komet in 3km Höhe bei ~950km/h bei der Machzahl 0,8 fliegt, während er in 9km Höhe bei 0,84 fliegt. Vergegenwärtigt sich man nochmal die Zunahme des Widerstandes von Mach 0,8 auf 0,84 dann kann man sich erklären, daß diese Zunahme den Vorteil geringerer Luftdichte ab ~3km Flughöhe überwiegt.

Hier ein Diagramm welches zeigt wieviel Schub ich brauche um eine bestimmte Geschwindigkeit im Horizontalflug zu fliegen. Der Parameter ist das Fluggewicht, welches im Langsamflug den Widerstand bestimmt, im Schnellflug dagegen fast vernachlässigbar ist:

Nun, nur ~500kg für 900 km/h?? Wir haben doch 1600kg Schub? Nun ja, in diesem Diagramm ist der Macheinfluß offenbar vernachlässigt worden. In dem folgenden Diagramm sieht man den dramatischen Widerstandsanstieg und damit Schubbedarf bei Geschwindigkeiten über 900km/h!! :

Bleibt folgendes zu erwähnen: Am 2. Oktober 1941 stellte ein Komet in 3600m Flughöhe die 1000km/h Marke ein (1003 km/h)!! Es ist allerdings offensichtlich daß diese Geschwindigkeit für den taktischen Einsatz absolut ungeeignet ist, da Geschwindigkeiten über 900km/h zuviel Leistung erfordern und damit den Spritverbrauch in die Höhe treiben, was die taktische Reichweite extrem verringern würde!

Als Vergleich nun noch die Eigenschaft des Heinkel S-011 A Strahltriebwerkes, Parameter der Kurvenschar wiederrum Flughöhe. Da dieses Diagramm im Zusammenhang mit dem Kometen auftauchte gab es wohl überlegungen den Kometen mit einem solchen Antrieb auszurüsten. 600kg Schub in 9km Höhe hätten den Kometen im Gegensatz zu 1600kg des Walther-Raketentriebwerkes wohl aber eher als "lahme Ente" in die Geschichte eingehen lassen:

Page 4, text copied from the Wayback Machine at me163_tactical.html

Taktischer Einsatz

Ein im ersten Moment etwas verwirrendes Bild, aber bei genauerer Betrachtung sehr aufschlußreich zeigt den taktischen Einsatz eines Kometen:

Es zeigt Flughöhe über Reichweite. Vom Beginn des Steigfluges an (nicht Takeoff!), also dem Ursprung des Diagramms, zieht sich die Bahn steil in den Himmel, dabei macht der Komet auch Distanz. Abhängig vom Zeitpunkt des Abbruchs des Steigfluges kann der Komet horizontal eine gewisse Distanz zurücklegen, gerechnet mit einer Fluggeschwindigkeit von 800km/h. Je früher er levelt, desto mehr Treibstoff hat er noch für den Horizontalflug zur Verfügung und desto weiter kann er sich vom Heimatfeld entfernen. 800km/h heißt aber auch, der Komet wurde hier im Horizontalflug in seiner Leistung gedrosselt. Es werden zusätzlich die mittlerern Gewichte angegeben (Gm).

Nach Ausbrennen der Triebwerke kann der Komet als Gleiter im schnellen Sinkflug sich noch weiter vom Feld entfernen (die dichte Linienschar), muß aber spätestens beim Erreichen einer gewissen Höhe bei einer gewissen Entfernung zum Feld im optimalen Sinkflug zum Heimatfeld heimgleiten. Die lange Gerade die fast durch den Ursprung geht ist also der Gleitweg heim zu Mami :) Es sei extra noch mal darauf hingewiesen daß die Reichweite in diesem Diagramm vom Beginn des Steigfluges weg beginnt! Daß in der horizontalen Beschleunigungsphase nach Takeoff der Komet zwischen 6 und 7km zurücklegt, abhängig von der gewählten Steiggeschwindigkeit, zeigt folgendes Diagramm (unten links: L_start+L_Beschleunigung):

Addiert man diese 6km noch zu der Strecke im ersten Diagramm, hatte der Komet also bei 5km Einsazthöhe eine Reichweite von ca. 60km, in 10km Höhe nur ca. 50km.

Die benötigte Zeit für Beschleunigung auf der Runway, Takeoff, Horizontalbeschleunigung und Steigflug zeigt das folgende entsprechende Diagramm. Mit ihm und dem ersten Diagramm kann man die ungefähre Einsatzdauer bestimmen. Da der Horizontalflug mit 800km/h Treibstoff sparend ist gegenüber dem Steigflug mit Maximalschub, kann der Komet in niedrigen Höhen nicht nur eine größere Reichweite erzielen, sondern damit auch länger angetrieben in der Luft bleiben. Die Zeiten variieren je nach Einsatzhöhe zwischen 3,5 Minuten (12km Höhe) und 5.5 Minuten (5km Höhe)!

Man kann leicht sehen daß 3.5 Minuten nach Zünden der Triebwerke der Komet auf 12km Höhe angelangt ist. Allerdings hat er dann nicht mehr lang zu fliegen, denn der Treibstoff ist fast ganz weg. Ihm würden in 12km Höhe noch ganze 300kg Treibstoff verbleiben (vgl. erstes Diagramm Mittelgewicht 2000kg + 300/2 = 2150kg !). Schon beim Beginn des Steigfluges, nach ca. 63 Sekunden, hat er 450kg Treibstoff verbraucht, mehr als die Me109 intern mit sich führt!!:

Wie schnell steigt nun der Komet? Es gibt ein Diagramm für KONSTANTES GEWICHT. Dies ist nun nicht der Fall, deswegen habe ich aus den vorherigen Diagrammen den ungefähren Verlauf der Steiggeschwindigkeit mit roter Linie in das folgende Diagramm eingetragen: