Pulsstrahltriebwerk

Eine erweiterte Version des Staustrahltriebwerks ist das Puls- oder Verpuffungsstrahltriebwerk (engl.: pulsejet). Anders als das Staustrahltriebwerk kann es auch bei geringen Fluggeschwindigkeiten und sogar im Stand betrieben werden. Historische deutsche Bezeichnungen für diesen Antrieb sind Schmidt-Rohr, Argus-Rohr oder auch Argus-Schmidt-Rohr, benannt nach der Berliner Motorenfirma Argus und dem Münchner Erfinder Paul Schmidt. Das Argus-Schmidt-Rohr war der Antrieb für die im zweiten Weltkrieg eingesetzten „fliegenden Bomben“ Fieseler Fi-103 (V1). Der Vorteil dieses Antriebskonzepts lag in der auch heute noch unschlagbar einfachen und kostengünstigen Fertigung, der wesentliche Nachteil in der geringen Lebensdauer der Flatterventile (ca. 15 bis 60 Minuten).

Arbeitsweise

Pulsstrahltriebwerke arbeiten intermittierend. Das generelle Arbeitsprinzip, das in vier Phasen A) bis D) unterteilt werden kann, zeigt das Bild rechts. Ein Arbeitszyklus eines Pulstriebwerks beginnt damit, dass durch aerodynamisch gesteuerte Blattfeder-Einlassventile (Flatter- oder Jalousienventile) Luft in das Triebwerk gelangt und diese mit Kraftstoff in der Brennkammer vermischt wird. Zum Starten des Triebwerks wird die Luft entweder als Pressluft in das Triebwerk geblasen oder aber das Triebwerk samt Fluggerät auf einem Startkatapult durch die Luft bewegt. Das Triebwerk hat jetzt den so genannten Initialzustand A) erreicht. Bei diesem Aufladungsvorgang steigt der Druck im divergenten Brennkammerbereich an. Durch Entzündung des eingespritzten Brennstoffs mittels einer Zündkerze findet ein weiterer explosionsartig starker Druckanstieg statt, wodurch die aerodynamisch arbeitenden Jalousienventile schließen B). Daran anschließend wird die Entleerung des infolge Erhitzung expandierenden Gases durch das Schubrohr nach hinten eingeleitet. Der Entleerungsvorgang, der aufgrund des Impulses der bewegten Gasmasse annähernd kontinuierlich abläuft, erzeugt einen Unterdruck im Brennraum C). Aufgrund des höheren Druckes vor den Jalousienventilen öffnen diese nun wieder aerodynamisch, und der Ablauf der Vorgänge im Triebwerk beginnt erneut. In Abhängigkeit der Fluggeschwindigkeit erfolgt eine gewisse Rückströmung des verbrannten Gases bzw. ein Nachströmen von Frischluft von hinten D), wobei sowohl der Flammenrücklauf als auch das Nachsaugen von Frischluft am Auslass- bzw. Schubrohr mitentscheidend für die Leistungsfähigkeit (Schub) sind. Des weiteren strömt auch während der Auffüllphase und während der Verbrennung ein Teil der Gasmasse nach hinten ab, da das Triebwerk in Rückwärtsrichtung stets offen ist. Das frische Gasgemisch entzündet sich ohne Fremdzündung periodisch an den heißen Restgasen D) und an der heißen Rohrwandung.

Beim Anlassen des Triebwerks wird der pulsierende Triebwerksprozess meist durch Einblasen von Pressluft eingeleitet. Dieser aber kann durch bestimmte Auslegung der Treibstoffversorung bei größeren Triebwerken auch nur mit Hilfe von Frischluftinduktion durch einfaches Einschalten der Zündung und Starten der Treibstoffzulieferung geschehen.

Ein Pulsstrahltriebwerk arbeitet nur bei bestimmten geometrischen Abmessungen der beteiligten Rohrabschnitte, wodurch es zu akustischer Resonanz zwischen Brennraum und Abströmrohr kommt, was unabdingbare Voraussetzung für dessen Funktion ist. Es müssen dabei Massenfluss, Aerodynamik und Thermodynamik berücksichtigt werden.

Charakteristisch für Pulsstrahltriebwerke sind die große Lärmentwicklung, ein hoher Brennstoffverbrauch, hohe Wandungstemperaturen (~1000°C, rot-orange und sogar bis ins Gelbe hinein glühender Stahl, je nach Triebwerksdesign und Materialstärke) und eine sehr geringe Laufzeit aufgrund der begrenzten Lebensdauer der Flatterventile, sodass sie für bemannte Luftfahrzeuge derzeit ungeeignet sind.

Anwendung

Die wohl bekannteste Verwendung dieser Triebwerksbauweise war der Antrieb der V1 im zweiten Weltkrieg. Heutzutage werden diese Triebwerke mitunter zum Antrieb von Modellflugzeugen verwendet. Aber auch eine militärische Nutzung in Drohnen ist durch einige Weiterentwicklungen durchaus denkbar.

Ausblick

Vermutlich kann es für Pulstriebwerke nur eine Zukunft geben, wenn die Flatterventile durch "aerodynamische Ventile" ersetzt werden (keinerlei bewegte Teile; das Triebwerk besteht eigentlich nur aus taillierten Rohrstücken) und der spezifische Treibstoffverbrauch gemindert werden kann.

Hierzu gab es schon in den 40er und 50er Jahren des 20. Jahrhunderts umfangreiche Studien und Versuche, so die ventillosen Triebwerke "Escopette" und "Ecrevisse" der Firma SNECMA oder die US-amerikanischen Konstukteure Lockwood und Hiller ("Lockwood(-Hiller) type jet engine"); auch Ford stellte Anfang der 50er "Fisler-Ableger" in Großproduktion her.

Ab Mitte der 1950er Jahre wurden Pulstriebwerke dann aber endgültig durch Fest- und Flüssigtreibstoff-Raketen und durch Ramjets sowie die Strahltriebwerke verdrängt bzw. abgelöst. Es wird aber weiterhin von einer Anzahl von Enthusiasten an Verpuffungs- und Pulsodetonationstriebwerken (so genannte PDEs - "pulse detonation engines", statt deflagrierender Verbrennung wird eine detonierende Reaktion erzeugt) geforscht und gearbeitet. Auch der Einsatz anderer Treibstoffe könnte eine Nutzanwendung wieder näher rücken.