Zweiter Weltkrieg

Mit U 21 unternahm Frauenheim als Kommandant fünf Feindfahrten. Auf der ersten Unternehmung patrouillierte das Boot vor der niederländischen Küste. Die zweite Unternehmung fand zwischen dem vom 9. September und dem 3. Oktober statt. Frauenheim meldete am 22. September die Versenkung eines britischen Zerstörers im Seegebiet vor Nord-Schottland – dieser angegebene Erfolg konnte jedoch nicht bestätigt werden. Die dritte Unternehmung, vom 22. Oktober 1939 bis zum 8. November 1939, absolvierte das Boot in der Nordsee und vor dem Firth of Forth, wo Frauenheim eine Minenoperation durchführte. Eine der von U 21 ausgebrachten Minen beschädigte kurz danach den britischen Kreuzer Belfast schwer. Zum Jahresende 1939 wurde Frauenheim ab dem 30. Dezember 1939 zur Verfügung gehalten. Ab dem 10. Februar 1940 erhielt er mit weiteren Offizieren die Baubelehrung zu dem neuen Boot U  101, als dessen Kommandant er vorgesehen war. Das Boot hätte nach Einhaltung der durchgängigen Nummerierung der deutschen Boote eigentlich U 71 heißen müssen, war aber zur Verschleierung der stockenden Produktionszahlen mit einer höheren Nummer versehen worden.

Die Washington

Nach dem Stapellauf wurde Frauenheim am 11. März 1940 Kommandant von U 101. Die erste Unternehmung führte das Boot Anfang Mai nach Trondheim um die dortigen Besatzungstruppen mit Flugzeugbenzin zu versorgen. Im Mai und Juni patrouillierte Fraunheim mit U 101 im Atlantik und in der Biscaya. Anfang Juni provozierte er beinahe einen schwerwiegenden diplomatischen Zwischenfall. Am 6. Juni traf U 101 im Seegebiet vor Lissabon auf einen großen Passagierdampfer mit 24.000 BRT, den Frauenheim als griechisches Schiff identifizierte. Er ließ auftauchen, steuerte U 101 an das andere Schiff heran und forderte Besatzung und Passagiere auf, innerhalb von zehn Minuten von Bord zu gehen. Dabei stellte sich heraus, dass es sich um den US-amerikanischen Passagierdampfer SS Washington handelte, der sich auf dem Weg von Portugal nach Galway befand. Als Frauenheim seinen Irrtum bemerkte, rief er dem Dampfer zu: "Sorry. Mistake. Proceed!", was später in der alliierten Presse empört als anmaßender strenger Befehl interpretiert wurde. Ähnlich wie bei der Versenkung der Athenia versuchte die deutsche U-Bootführung den Zwischenfall zunächst einem britischen U-Boot zuzuschreiben, während amerikanische Reporter spekulierten, die deutsche Seite hätte auf eine Versenkung abgezielt, um diese den Briten anzulasten, was wiederum die guten Verbindungen zwischen den USA und dem Vereinigten Königreich hätte belasten sollen. Beide Argumentationen verfingen jedoch nicht.

Ritterkreuz

Auf dieser Unternehmung versenkte Frauenheim den britischen Dampfer Wellington Star mit 11.400 BRT. Weiterhin gab Frauenheim die Versenkung von insgesamt 41.500 BRT an. Dafür wurde er am 17. Juni 1940 im Wehrmachtbericht genannt. Auf einer weiteren Unternehmung mit diesem Boot, vom 9. August 1940 bis zum 16. September 1940 andauerte, versenkte er weitere drei Schiffe mit 12.311 BRT. Für diese Leistungen wurde Frauenheim am 29. August 1940 mit dem Ritterkreuz des Eisernen Kreuzes ausgezeichnet. Die letzte Unternehmung von U 101 unter dem Kommando von Frauenheim dauerte vom 5. bis 24. Oktober 1940. Dabei wurden erneut vier Schiffe, darunter die Assyrian, mit mindestens 14.616 BRT versenkt. Frauenheim meldete vier weitere Versenkungen großer Schiffe, die er jeweils auf 5.000–7.000 BRT schätzte – diese Angaben konnten jedoch nicht bestätigt werden. Dennoch wurde Frauenheim aufgrund seiner Versenkungserfolge am 19. Oktober 1940 erneut im Wehrmachtbericht genannt. Danach übergab er das Kommando über U 101 am 3. November 1940 an Ernst Mengersen. Frauenheim wurde am 21. Dezember 1940 Offizierslehrer bei der 2. U-Lehrdivision in Gotenhafen.

Stabsoffizier und Flottillenchef

Am 5. April 1941 wurde Frauenheim dann Verbindungsoffizier beim Fliegerführer Atlantik, Generalleutnant Martin Harlinghausen. Diese Dienststelle, die der weiträumigen Aufklärung des atlantischen Seegebietes durch die Luftwaffe dienen sollte, war in Lorient stationiert. Frauenheims Aufgabe als Admiralstabsoffizier war die Koordination des Einsatzes der U-Boote mit den Aufklärungsaufgaben der Luftstreitkräfte. Am 1. Juli 1941 übernahm Frauenheim stellvertretend das Kommando über die 4. U-Flottille, eine Ausbildungsflottille, die in Stettin stationiert war. Einen Monat später wurde ihm das Kommando über die 6. U-Flottille übertragen. Die Flottille wurde in diesem Zeitraum in Danzig neu aufgestellt und Frauenheim trat das Kommando nicht an.

Am 11. September wurde er Flottillenchef der 23. U-Flottille, die sich ebenfalls gerade im Aufbau befand. Das Engagement der Kriegsmarine im Mittelmeer hatte sich in dieser Zeit erheblich verstärkt. Ende Juni war das Marinegruppenkommando Süd eingerichtet worden, das den gemeinsamen Einsatz der deutschen und der italienischen Seestreitkräfte koordinierte, wobei deren beteiligter Stabsoffizier im komplexen Gefüge der Zuständigkeiten lediglich Vorschläge unterbreiten konnte. Der Einsatz der Seestreitkräfte der Achsenmächte wurde aber faktisch allein vom Chef des Marinegruppenkommando Süd, Karlgeorg Schuster befehligt. Die neu aufgebaute U-Flottille war auf Salamis stationiert. In diesem Seegebiet hatte der Admiral Ägäis das Kommando, eine Dienststelle, die seit Juli 1941 existierte und zum Zeitpunkt von Frauenheims Ernennung durch Vizeadmiral Erich Förste ausgefüllt wurde. Mit Frauenheims Kommando über die 23. U-Flottille, wodurch er dem Marinegruppenkommando Süd direkt unterstellt worden war, ging allerdings faktisch seine Befehlsgewalt über die deutschen (und somit auch die italienischen) U-Boote östlich der Straße von Messina einher. Dies führte zu einer grotesken Gleichstellung mit dem erheblich dienstälteren und ranghöheren Admiral Ägäis Förste, was Admiral Schuster am 16. Oktober zu einer Beschwerde veranlasste. Als Konsequenz wurde Schuster das Kommando über die deutschen U-Boote entzogen und vollständig dem Führer der U-Boote im Mittelmeer, Victor Oehrn übertragen, was von Schuster sehr bedauert wurde. Frauenheim, der am 1. November 1941 das Italienische Kriegskreuz mit Schwertern erhalten hatte, unterstand in Folge der Neuordnung ab Frühjahr 1942 Oehrn direkt. Seine Position hatte er bis Mai 1942 inne, dann ging die 23. U-Flottille in der 29. U-Flottille auf, deren Kommando Frauenheim am 29. Mai 1942 übernahm. Diese Flottille war im italienischen Hafen La Spezia stationiert, von wo aus die verbliebenen Mittelmeer-U-Boote der Kriegsmarine operierten. Für deren effizienten Einsatz erwies sich der Hafen jedoch als zu klein, zudem er mit italienischen Schiffen und U-Booten überfüllt war. Zusätzliche Schwierigkeiten ergaben sich aus der Zusammenarbeit mit den italienischen Dienststellen, die nicht reibungslos verlief. Nach der Niederlage im Tunesienfeldzug befürchtete die Seekriegsleitung zudem die Absetzung Mussolinis und die Kapitulation des italienischen Verbündeten, oder gar den Übertritt auf alliierte Seite. Daher wurde beschlossen, die U-Flottille nach Toulon zu verlegen – gleichzeitig wurde Frauenheim, der im Juni 1943 mit dem Ritterkreuz des Ordens vom Römischen Adler mit Schwertern ausgezeichnet worden war, durch Günter Jahn abgelöst.

Zwischen dem 1. August 1943 und 16. Februar 1944, inzwischen zum 1. März 1944 zum Korvettenkapitän befördert, stand Frauenheim beim Kommandierenden Admiral der U-Boote erneut zur Verfügung. Bis April war er als U-Admiralstabsoffizier beim Marineoberkommando Ostsee. Im Frühjahr 1944 war Frauenheim Einsatzleiter der neu aufgestellten Kleinkampfverbänden der Kriegsmarine bei deren erstem Kampfeinsatz im April 1944 in Nettuno. Zurück in Deutschland wurde Frauenheim noch im April 1944 zum Chef des Stabes beim Admiral der Kleinkampfverbände Hellmuth Heye ernannt. Am 23. November erhielt er das Deutsche Kreuz in Gold, wenige Tage später wurde er zum Fregattenkapitän befördert. Die Position des Stabschefs hatte Frauenheim bis Kriegsende inne. Am 8. Mai 1945 geriet er in britische Kriegsgefangenschaft, aus der er am 9. Januar 1946 wieder entlassen wurde.

Der deutschstämmige Militärschriftsteller Mallmann Showell wertete Frauenheim als „außergewöhnlichen U-Boot-Kommandant“.