Turbinen-Strahltriebwerk
Ein Strahltriebwerk ist ein Triebwerk, das nach dem Prinzip des Rückstoßantriebes arbeitet, wobei die Schubmasse ein Gas- oder Flüssigkeitsstrahl ist. Eigentlich sind auch Raketentriebwerke Strahltriebwerke, landläufigerweise werden damit jedoch nur Aggregate bezeichnet, die das Umgebungsmedium ansaugen und als Antriebsstrahl wieder ausstoßen. Fast immer sind Turbinen-Luftstrahltriebwerke (auch "Düsentriebwerke" oder "Strahlturbinen" genannt) gemeint, nur selten andere Bauarten von Luftstrahltriebwerken oder gar Wasserstrahltriebwerke. Luftstrahltriebwerke werden hauptsächlich in der Luftfahrt verwendet, Wasserstrahlantriebe bei Rennbooten, Tragflächenbooten und Amphibienfahrzeugen.
Ein Turbinen-Luftstrahltriebwerk saugt Luft ein und komprimiert sie in einem Verdichter. In die komprimierte und dadurch sehr heiße Luft wird Treibstoff eingespritzt und diese Mischung dann in Brennkammern verbrannt. Die Verbrennung erhöht das Volumen des Gases und damit die Stömungsgeschwindigkeit sehr stark. Ein Teil der so gewonnenen kinetischen Energie wird - bevor die heißen Verbrennungsgase über eine Düse nach außen strömen - in einer hinter den Brennkammern angeordneten Turbine entnommen und zum Antrieb des Verdichters und anderer Aggregate (Generator, Hydraulikpumpen, etc.) verwendet. Bei einigen Strahltriebwerken ist dahinter zur kurzfristigen Leistungserhöhung noch ein Nachbrenner angebracht.
Weil der für die Verbrennung notwendige Sauerstoff der angesaugten Luft entnommen wird, spricht man auch von »luftatmenden« Triebwerken.
Dieser Prozess kann durchaus mit dem in einem Kolbenmotor verglichen werden, wobei jedoch alle vier Takte - Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen - gleichzeitig und kontinuierlich statt finden. Die dadurch entsprechend Newtons Reaktionsprinzip entstehende Kraft ist der Schub. Entgegen der landläufigen Meinung, "drücken" die ausströmenden Gase nicht gegen die umgebende Luft. Ein Strahltriebwerk beschleunigt eine relativ geringe Masse Luft sehr stark, wogegen ein Propeller eine große Luftmasse weitaus schwächer beschleunigt. Die Effizienz dieses Prozesses wird wie bei jedem anderen Verbrennungsmotor durch das Verhältnis zwischen dem Volumen der komprimierten Luft und dem Volumen des Abgases definiert.
Der Vorteil des Strahlantriebes liegt in seiner Effizienz bei hohen Geschwindigkeiten (speziell bei Überschallgeschwindigkeit) und in großen Höhen.
Geschichte
Anfänge
Propellerflugzeuge erreichten maximale Geschwindigkeiten von rund 700 km/h, die zwar noch etwas durch verstellbare Luftschrauben und unterschiedliche Techniken zur Leistungssteigerungen der Motoren erhöht werden konnten, doch das Ziel, Flugzeuge zu bauen, die schneller als 800 km/h fliegen konnten, ließ sich nicht realisieren, ohne eine neue Antriebstechnik zu entwickeln. Die bereits früh als beste Lösung erkannten Rückstoßantriebe ließen sie sich erst umsetzten, als man genügend Kenntnisse auf den Gebieten der Aerodynamik, der Thermodynamik sowie der Metallurgie hatte.
Die frühsten Versuche, ein Strahltriebwerk herzustellen, waren hybride Designs, bei denen die Kompression durch eine externe Energiequelle erfolgte. In einem solchem System (Thermojet von Secondo Campini) wird die Luft durch ein Gebläse, das durch einen konventionellen Benzinmotor angetrieben wurde, mit dem Treibstoff vermischt und dann zur Schuberzeugung verbrannt. Es gab drei Exemplare dieser Bauart und zwar Henri Coandas Coanda-1910, die viel später entwickelte Campini Caproni CC.2 und der japanische Tsu-11-Antrieb, der für die Ohka Kamikaze-Flugzeuge gegen Ende des Zweiten Weltkrieges vorgesehen war. Keiner dieser Antriebe war erfolgreich, die CC.2 stellte sich schließlich als langsamer heraus als ein konventionelles Flugzeug mit dem gleichen Motor.
Frank Whittle
Frank Whittle reichte schon 1928 verschiedene Vorschläge zum Bau von Triebwerken ein, welche auf thermodynamischen Gesetzen beruhten. Er dachte an ein Antriebssystem, das in einer Höhe von 35.000 m seine Arbeit verrichten sollte. Seine Pläne stießen zu Beginn auf Gespött und Misstrauen, was die Zusammenarbeit mit dem Militär behinderte. Auch Anfragen bei verschiedenen Industriefirmen schlugen fehl.
Der Schlüssel zu einem verwendbaren Strahlantrieb war die Gasturbine, bei der die Energie zum Antrieb des Kompressors von der Turbine selbst stammte. Die Arbeit an einem solchen integrierten Design begann in England 1930, als Frank Whittle Patente für einen solchen Antrieb einreichte (bewilligt 1932), der eine einzige Turbinenstufe am Auspuff benutzte, um einen Zentrifugalkompressor anzutreiben.
1935 gründete R. D. Williams die Firma Power Jets Ltd. und setzte Whittle als Erfinder ein. Erst jetzt entwickelte Whittle mit seinen Mitarbeitern ein Triebwerk, das speziell für die Luftfahrt verwendet werden sollte: Typ U. Es war das erste für ein Flugzeug entwickelte Strahltriebwerk, welches am 12. April 1937 seinen Erstlauf absolvierte.
Nach diesem Erfolg entschlossen sich auch die Militärs zur Erforschung und Weiterentwicklung der Strahltriebwerke. Man beauftragte die Firma Gloster Aircraft ein geeignetes Flugzeug herzustellen. So entstand das erstmals am 15. Mai 1941 geflogene Versuchsflugzeug E 28/39.
Hans von Ohain
Unabhängig und in Unkenntnis von Whittles Arbeiten begann 1935 Hans von Ohain in Deutschland seine Arbeit an einem ähnlichen Triebwerk. Ohain wandte sich an Ernst Heinkel, einen der größeren Flugzeughersteller dieser Zeit, der sofort die Vorteile des neuen Antriebskonzeptes erkannte. Heinkel hatte erst kürzlich die Hirth Motoren Fabrik gekauft und Ohain bildete zusammen mit seinem Mechanikermeister Max Hahn eine neue Abteilung dieser Fabrik.
Der erste Antrieb - HeS-1 - lief bereits 1937. Anders als Whittle, benutzte Ohain zunächst Wasserstoff als Treibstoff, worauf er auch seine raschen Erfolge zurück führte. Die nachfolgenden Entwürfe fanden ihren Höhepunkt im HeS-3 mit 550 kp (ca. 5,4 kN), das in die extra dafür konstruierte Heinkel He 178 eingebaut wurde. Nach einer beeindruckend kurzen Entwicklungszeit flog dieser Prototyp bereits im August 1939 als das erste Düsenflugzeug der Welt. Als erstes Strahltriebwerk in Serie wurde später das Jumo 004 ab 1942 produziert, welches unter anderem in der zweistrahligen Messerschmitt Me 262 zum Einsatz kam. Bis Kriegsende wurden etwa 5.000 Einheiten dieses Triebwerks produziert.
Militärische Weiterentwicklung
Das erste in Deutschland zur Einsatzreife entwickelte Strahltriebwerk stammte von BMW. Es arbeitete mit einem Axialverdichter, der dem Radialverdichtern von Whittle überlegen war. Er hatte einen besseren Wirkungsgrad bei höheren Belastungen und einen kleineren Durchmesser. Es war möglich, den in der Brennkammer benötigten Druck mit sechs Kompressorstufen aufzubauen. Das Verhältnis von Verbrauch zu Leistung wies für diese Auslegung ein Optimum bei einem Druckverhältnis von 5:1 auf. Bei Tests wurden zunächst nur Druckverhältnisse von 3:1 gewählt, um das noch nicht ausgereifte Triebwerk nicht zu überlasten.
Priorität hatte die Erhöhung der Geschwindigkeit; Kraftstoffverbrauch, Gewicht und Stabilität sollten im Laufe der Entwicklung verbessert werden. Um Erfahrungen bei der Konstruktion der Brennkammer zu sammeln, verwendete man eine Versuchskonstruktion, die aus einem von einem üblichen Kolbenmotor angetriebenen Kompressor, einer Gasturbine sowie einer Brennkammer bestand.
Mit zur Entwicklung der Triebwerke gehörten auch die neuen Versuchsanstalten, Mess- und Testgeräte. Man benötigte leistungsfähigere Windkanäle und neue Werkstoffe, um den bevorstehenden Anforderungen gerecht zu werden. Die Entwicklung und Herstellung der Baugruppen wurden bis auf die Konstruktion der Verdichterschaufeln von BMW übernommen. Deren Entwicklung übernahm die aerodynamische Versuchsanstalt in Göttingen (AVA). So entstand das erste Versuchstriebwerk mit der Bezeichnung P-3302 (V-1 bis V-10), das 1941 auf dem Prüfstand getestet wurde. Es zeichneten sich aber auch noch in dieser Phase Schwierigkeiten ab, da aufgrund von minderwertigen Schweißnähten und Materialien oft Schaufeln brachen, bevor sie die geforderte Drehzahl von 9000 U/min erreichten. Auch im Bereich der Brennkammern, die sich durch die ungleichmäßige Erwärmung verzogen und so das ganze Triebwerk verspannten, kam es zu Ausfällen. Erfahrungen und Daten, die von Industriebrennern genutzt wurden, erwiesen sich bald als sehr ungeeignet, da sie unter anderen Umständen im Betrieb standen. Dies führte auch dazu, dass der in das Triebwerk eingespritzte Kraftstoff nicht vollständig verbrannt wurde, was auf eine zu kurze Brennkammer zurück zuführen war.
Nach 1941 galt es eine neue Leistungsmarke von 800 kp (ca. 7,8 kN) zu erreichen. Dies gelang dadurch, dass BMW den Kompressor umkonstruierte, um so bei gleichem Schaufeldurchmesser den Luftdurchsatz um 30% zu steigern. Durch die Erhöhung des Luftdurchflusses erhöhte sich auch die Kompression, die jetzt bei 6:1 bis 7:1 lag. Mit der Weiterentwicklung ergaben sich neue Probleme. Es kam zu Schaufelbrüchen, die auf spröde Schweißnähte zurückzuführen waren.
Es zeigte sich auch, dass man mit der neuen Technik anders umgehen musste. Rasche Beschleunigungen, wie man sie bei Kolbenmotoren vornehmen konnte, indem man einfach den Gashebel nach vorn schob, waren nun nicht mehr möglich, wollte man nicht den Verlust oder die Beschädigung des Triebwerks herbeiführen. Es mussten entsprechende Regler gebaut werden. Mit der weiteren Verbesserung hinsichtlich des Kraftstoffverbrauches und der Leistung begann man 1943 mit der Herstellung des BMW Triebwerks BMW-003 (Nullserie). Das Triebwerk bewährte sich bei vielen Tests, so beispielsweise beim 50-stündigen Dauertest, der jedoch nicht ganz ohne Modifikationen an den Kompressorschaufeln vonstatten ging, da man diese verstärkte, um so ein vorzeitiges Reißen zu verhindern. Mit der Erprobung erfolgten weitere Umbauten, aber auch neue Rekorde, wie beispielsweise der Höhenflug mit einer Arado 234, die eine Höhe von 13.500 m erreichte. Weiterhin stellte man auch die Art des Kraftstoffes um. Man verwendete nun nicht mehr Normalbenzin, sondern Dieselkraftstoff, der den Vorteil hatte, dass er leichter zu beschaffen war und einen höheren Siedepunkt hat. Aufgrund dieses Umstiegs mussten auch Veränderungen eingeführt werden. Man baute eine Zündanlage ein, um den schwerer zündenden Dieselkraftstoff zu entflammen. Bis zum Ende des Krieges wurden an die 1300 Triebwerke des Typs BMW-003 hergestellt, die weiterhin Verbesserungen bei der Leistung erreichten, die später bei etwa 900 kp (ca. 8,8 kN) lag. Das Heinkel-Triebwerk HeS 11 lief bei Kriegsende mit 1300 kp (ca. 12,7 kN) und war das stärkste Turbotriebwerk der Welt. Bei BMW und Heinkel befanden sich auch die ersten Propellerturbinen in der Entwicklung.
In der Zeit des Kriegs entstand in Deutschland verschiedene Typen. Bis zum Ende des Krieges wurden über 2.000 Düsenflugzeuge aller Art in Deutschland hergestellt, wie beispielsweise die Jäger Messerschmitt Me 262 und Heinkel He 162, beziehungsweise der Bomber Arado Ar 234. Die meisten kamen jedoch nicht mehr zum Einsatz.
Das erarbeitete Wissen bildete mit die Grundlage für weitere Entwicklungen in den Militärbündnissen des Warschauer Pakts und in der NATO. Im zivilen Einsatzbereich standen vor allem Treibstoffverbrauch, Gewicht und Sicherheit im Vordergrund. Leistung und Geschwindigkeit wurden hingegen im militärischen Bereich gefordert.
Im Laufe der Zeit entstanden neue Strahltriebwerkstypen und ein immer größer werdendes Einsatzgebiet. Heute werden Luftfahrzeuge zum größten Teil mit Luftstrahltriebwerken angetrieben. Raketentriebwerke werden genutzt, um Lasten in das All für den Bau der Weltraumstation ISS zu befördern. Im Kurzstreckenbereich werden langsameren und kraftstoffsparenden Flugzeuge mit Propellerturbinen eingesetzt, die unter diesen Betriebsbedingungen günstiger sind.
Funktionsweise und Aufbau
Im Gegensatz zu den Raketentriebwerken nutzen Strahltriebwerke für die Verbrennung des Treibstoffes Luft, welche auch den größten Teil der Austrittsmasse bildet. Der Ablauf ist dabei folgender: Als erstes wird dem Triebwerk Luft zugeführt, die durch Kompression stark erhitzt und verdichtet wird. Dieser Luft wird dann ein Kraftstoff zu geführt, der selbst- oder fremdgezündet wird. Die Verbrennung in einem Strahltriebwerk (außer Pulsstrahltriebwerk) läuft konstant ab. Durch den starken Temperaturanstieg, der aufgrund der exothermen Reaktion entsteht, kommt es zur raschen Expansion der Gase, wodurch es zu einem nach hinten gerichteten Austritt der Verbrennungsgase kommt und Vortrieb erzeugt wird.
Die meisten Strahltriebwerke besitzen Einlauf, Kompressor, Brennkammer, Turbine und Düse. Bis auf Einlauf und Düse werden alle anderen Komponenten über eine oder auch mehrere Wellen gekoppelt. Der vorne angeordnete Einlauf ist bei hohen Geschwindigkeiten von Nutzen, da schon dort die einströmende Luftmasse vorverdichtet wird.
Verdichter / Kompressor
Nach dem Lufteinlauf folgt der Verdichterkomplex, welcher aus mehreren Laufrädern mit Kompressorschaufeln in axialer Bauform bestehen. Er hat die Aufgabe, der einströmenden Luftmasse kinetische Energie zuzuführen und diese in Druckenergie umzuwandeln. Dies geschieht in den diffusorförmigen (d.h. sich erweiternden) Zwischenräumen der Kompressorschaufeln. Nach den Gesetzen der Aerodynamik erhöht sich in einem solchen (an Querschnittsfläche wachsenden) Kanal der Druck, während die Strömungsgeschwindigkeit sinkt. Die nun verlorene kinetische Energie wird in einer Rotorstufe wieder ausgeglichen. Eine komplette Verdichterstufe eines Axialverdichters besteht also aus einer Rotorstufe in der sowohl Druck und Temperatur als auch die Geschwindigkeit steigen und einer Statorstufe in der der Druck zuungunsten der Geschwindigkeit steigt. Die Rotorstufen sind hintereinander auf einer gemeinsamen Trommel (heute: 2-3 Trommeln) angeordnet, die Statorstufen sind fest in die Innenseite des Verdichtergehäuses eingebaut.
Alte Verdichter wie z.B. derjenige des J79 (eingebaut im Starfighter und teilweise in F4 Phantom; Baujahr: ab 1952) erreichten mit 17 aufeinanderfolgenden Verdichterstufen lediglich eine Verdichtung von 12,5:1 (Druck am Ende des Verdichters:Umgebungsdruck) während moderne Triebwerke mit weniger Stufen wesentlich höhere Verdichtungen erreichen (z.B.: GP 7000, für Airbus A380, 43,9:1 mit 13 Stufen. Dies ist u.a. durch verbesserte Profile der Kompressorschaufeln möglich, die selbst bei Überschallgeschwindigkeiten (Resultierende aus Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln und Anströmgeschwindigkeit) sehr gute Strömungseigenschaften bieten. Die reine Durchströmgeschwindigkeit darf jedoch die örtliche Schallgeschwindigkeit nicht überschreiten, da sich ansonsten, vereinfacht gesagt, die Wirkung der diffusorförmigen Kanäle umkehren würde. Hierbei gilt es zu bedenken, dass die örtliche Schallgeschwindigkeit wegen der steigenden Temperatur im Kompressor (s.o.; bis 600°C) ebenfalls steigt.
Die Triebwerkshersteller bieten weitere gute Anschauungsmöglichkeiten.
Die hohe Kompression der Luft verursacht einen starken Temperaturanstieg. Die so erhitze Luft strömt anschließend in die Brennkammer, wo ihr Kraftstoff zugeführt wird. Dieser wird beim Triebwerksstart durch eine Zündkerze gezündet. Dann erfolgt die Verbrennung kontinuierlich. Durch die exotherme Reaktion des Sauerstoff-Kohlenwasserstoff-Gemisches kommt es zu einem erneuten Temperaturanstieg und einer Ausdehnung des Gases. Dieser Abschnitt des Triebwerks ist durch die Temperatur von über 2000°C stark belastet. Daher wird der direkte Kontakt zwischen der Flamme und der Ummantelung unterbunden. Damit die Flamme nicht erlischt, befinden sich die Einspritzventile für den Kraftstoff in einer geschützten Zone (in einem Windschatten der durchströmenden Luft). Weiterhin wird in unmittelbarer Umgebung die Luftdurchflussgeschwindigkeit reduziert, um ein Erlöschen der Flamme zu verhindern und einen optimale Verbrennung zu erzielen.
Die nach hinten austretenden Gase treffen anschließend auf eine Turbine. Diese treibt über eine Welle den Kompressor an. Bei den meisten Einstrom-Triebwerken wird der größte Teil der kinetischen Energie für den Rückstoß genutzt. Es wird also nur so viel Energie auf die Turbine übertragen, wie für den Betrieb des Kompressors gebraucht wird. Heute werden jedoch meist zwei- oder dreistufige Turbinen eingesetzt, die durch jeweils eine entsprechende Welle einen Teil des ebenfalls mehrstufigen Kompressors antrieben.
Nach der Turbine ist eine konvergente Düse angebracht, durch die das Gas mit hoher Geschwindigkeit ausströmt und damit den Schub erzeugt, weshalb die Düse Schubdüse genannt wird. Das nach der Turbine vorhandene Druckgefälle (Turbinenausgangsdruck – Umgebungsdruck) wird dabei vollständig in Geschwindigkeit umgesetzt, wobei es das Ziel ist, eine möglichst hohe Ausströmgeschwindigkeit zu erreichen, wobei gleichzeitig am Schubdüsenende der Umgebungsdruck vorhanden sein soll, damit der Gasstrahl nicht aufplatzt.
Triebwerke mit Nachbrenner expandieren nicht vollständig, sondern führen dem Gasstrom bei vorhandenem Überdruck (zum Umgebungsdruck) im Nachbrenner nochmals Kraftstoff zu, was zu einer weiteren Beschleunigung des Gasstromes führt. Somit kann einer schnellen Schubanforderung entsprochen werden, wie sie z.B. im Manöverflug erforderlich ist. Triebwerke mit Nachbrenner haben in der Regel eine in ihrer Geometrie veränderliche Düse, um stets den optimalen Wirkungsgrad zu erreichen.
Schubformel
Der vom Triebwerk erzeugte Schub muss, im Falle einer konstanten Fluggeschwindigkeit, dem Widerstand des Flugzeuges entsprechen; der Schub muss größer als der Widerstand sein, falls eine Beschleunigung des Flugzeuges erforderlich ist.
Es gilt folgende vereinfachte Schubformel unter vernachlässigter Kraftstoffmenge und der Annahme, dass Austrittsdruck der Verbrennungsgase dem Umgebungsdruck entspricht:
- S Schub in N
- Luftmasse in kg/s
- Gasaustrittsgeschwindigkeit gegenüber dem Flugkörper in m/s
- Fluggeschwindigkeit in m/s
Vortriebwirkungsgrad
Für den Vortriebswirkungsgrad gilt jedoch
und deswegen werden heute in der Zivilluftfahrt Bypasstriebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis verwendet werden, wo eine große Luftmasse relativ langsam das Triebwerk verlässt, was einen besseren Wirkungsgrad bewirkt.
Strahltriebwerkstypen
Strahltriebwerk (Turbojet)
Der Turbojet ist die einfachste Form einer Gasturbine. Das Triebwerk hat nur eine Welle, auf der der Verdichter und die Turbine montiert sind. Es hat einen begrenzten Wirkungsgrad und entwickelt einen hohen Lärmpegel.
Einstrom-Strahltriebwerke gehören heutzutage nicht mehr zur modernsten Ausstattung, da sie eine hohe Lärmentwicklung, einen hohen Kraftstoffverbrauch und eine hohe Umweltbelastung darstellen. Sie bilden die einfachste Form eines Wellenstrahltriebwerks. Ihre Einsatzzeit ist vor allem in den Jahren nach dem Zweiten Weltkrieg zu finden.
Zweistrom-Strahltriebwerk (Turbofan)
Hat ein Strahltriebwerk mindestens zwei Wellen und eine stark vergrößerte erste Kompressorstufe, so spricht man vom Zweistrom-Strahltriebwerk (Turbofan, fan = Englisch für Gebläse). Praktisch alle heute mit Strahlturbinen hergestellte Flugzeuge werden mit Turbofans ausgerüstet.
Die erste Stufe ist jedoch nicht nur Teil des Kompressors, sondern sie teilt den Luftstrom auf in einen
- inneren Luftstrom, der in die Gasturbine gelangt, und einen
- äußeren Luftstrom, der durch den Fan außen an der Turbine vorbeigeführt wird. Er wirkt dabei wie ein ummantelter Propeller.
Charakteristisch für einen Turbofan ist ein hohes Bypassverhältnis. Das ist das Verhältnis der Luftmenge, die durch die Gasturbine strömt, zu der Luftmenge, die außen durch den Fan strömt.
Ein Turbofan bietet gegenüber einem herkömmlichen Strahltriebwerk mehrere Vorteile:
- Besserer Wirkungsgrad des Triebwerkes durch die geringere "mittlere Geschwindigkeit" des Antriebsluftstrahles
- Geringere Lärmentwicklung, indem der Lärm der heißen und schnellen Turbinengase durch den umgebenden kühlen Gasstrom der ersten Stufe gedämpft wird.
Siehe: Turbofan
Propellerturbine (Turboprop)
Eine Sonderform ist der Antrieb eines Propellers durch die Turbine (im Gegensatz zu sonstigen Propellerflugzeugen, bei denen im Regelfall der Antrieb der Luftschraube durch einen Kolbenmotor erfolgt). Diese Antriebsart wird auch als Turboprop bezeichnet.
Siehe: Turboprop
Bei Staustrahltriebwerken erfolgt die Verdichtung der der Brennkammer zugeführten Luft nicht durch mechanisch bewegliche Teile (Axial- oder Radialverdichter), sondern durch Ausnutzung des Staudrucks. Innerhalb der Staustrahltriebwerke kann man noch zwischen Ramjet- und Scramjet (Supersonic Combustion Ramjet)-Triebwerken unterscheiden. Bei letzteren behält die einströmende Luft auch nach der Verdichtung und in der Brennkammer Überschallgeschwindigkeit (Überschallverbrennung – Supersonic Combustion). Während das Prinzip bereits vor dem Ersten Weltkrieg patentiert wurde, dauerte es mehr als 30 Jahre, bis das erste Staustrahltriebwerk lief. Im Zweiten Weltkrieg wurde diese Technik in Deutschland vorangetrieben, ein Versuchsexemplar wurde bereits an einer Do 217 im Fluge erprobt.
Ausgerüstet mit einem solchen Antrieb wurde ein von der NASA entwickeltes Hyperschall-Flugzeug, die X-43A. Am 16. November 2004 erreichte der Flugkörper dabei für 10 Sekunden knapp die 10-fache Schallgeschwindigkeit.
Siehe: Staustrahltriebwerk
Pulsstrahltriebwerk
Selten werden Puls- oder Verpuffungsstrahltriebwerk eingesetzt. Im Unterschied zu anderen Strahltriebwerken verläuft die Verbrennung periodisch. Die geläufigsten Triebwerke besitzen eine Klappenvorrichtung (Flatterventil) zur Luftregulierung, eine Brennkammer und ein Entspannungszone, in der sich die heißen Gase beruhigen können.
Anders als bei einem Staustrahltriebwerk strömt die Luft selbstständig ein. Der weitere Ablauf ist komplexer als bei Wellentriebwerken. Die Flatterventile öffnen sich und lassen Luft in die Brennkammer einströmen. Danach wird das Luft-Kraftstoffgemisch durch eine Zündkerze entzündet. Durch die Expansion und den daraus resultierenden Druck schließen sich die Flatterventile, die Verbrennungsgase können nur nach hinten entweichen und erzeugen den Vortrieb. Nachdem das Gas das Triebwerk verlassen hat, kommt es zu einer Entspannung und zu einem erneuten Öffnen der Flatterventile. Dadurch kann frische Luft nachströmen und wird erneut gezündet. Dieser Ablauf wiederholt sich periodisch. Das System stellt einen Helmholtz-Resonator dar.
Wie bei den Staustrahltriebwerken ist auch das Einsatzspektrum der Pulsstrahltriebwerke begrenzt. Der bekannteste Einsatz war während des Zweiten Weltkriegs, als Antrieb der V1. Heutzutage wird es lediglich bei kleineren Motorseglern und, in verkleinertem Maßstab, vor allem in Modellflugzeugen verwendet. Zu den Nachteilen zählen die enorme Lautstärke (bis zu 140 dB), die durch die periodischen Zündungen entsteht, der relativ geringe Schub im Verhältnis zum verbrauchten Kraftstoff sowie die enorme Erwärmung des Triebwerkes (~1000°C).
Siehe: Raketentriebwerk, Verpuffungsstrahltriebwerk
siege Flugzeugtriebwerke#d.C3.BCsentriebwerke
Literatur
- ROLLS-ROYCE: the Jet engine, ISBN 0-902121-04-9 (in engl.; sehr gut bebildert)
