Verpuffungsstrahltriebwerk

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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).

[Bearbeiten] 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.

[Bearbeiten] 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, sind jedoch in den meisten europäischen Ländern aufgrund der Lärmentwicklung verboten. Aber auch eine militärische Nutzung in Drohnen ist durch einige Weiterentwicklungen durchaus denkbar.

[Bearbeiten] Ventillose Triebwerke - PDE

Schon in den 1940er und 1950er Jahren gab es umfangreiche Studien und Versuche, ventillose Triebwerke mit Verpuffungsstrahlantrieb zu bauen, so die "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 diese Ansätze dann aber endgültig durch Fest- und Flüssigtreibstoff-Raketen und durch Ramjets sowie die Strahltriebwerke verdrängt.

Aktuell werden wieder eine Reihe von Forschungen an der Pulse Detonation Engine (PDE) durchgeführt, bei der die Flatterventile durch "aerodynamische Ventile" ersetzt werden. Hier gibt es keinerlei bewegte Teile, das Triebwerk besteht im wesentlichen nur aus taillierten Rohrstücken. Diese Bauweise verspricht neben den hohen Geschwindigkeiten eines Scramjet zusätzlich einen höheren Wirkungsgrad bei der Treibstoffumsetzung, da eine explosionsartige Verbrennung effizienter abläuft als eine kontinuierliche ([1]). Die komplexen thermodynamischen Verhältnisse bei der Verbrennung lassen sich aber nur schlecht simulieren und auch nur schlecht durch Strömungssimulation berechnen.

Mit hoher Frequenz (>1.000 Hz) betriebene PDE versprechen auch bei niedrigen Geschwindigkeiten bessere Treibstoffausnutzung, was in Zeiten steigender Energiepreise erhebliches Einsparpotential gegenüber Turbojets bedeutet. Daher haben nun auch Pratt & Whitney und General Electric eigene Forschungen an PDE-Technologie begonnen.

Eine Variante sind PDRE - Pulse Detonation Rocket Engine - die wie bei herkömmlichen Flüssigtreibstoffraketen Oxidator und Brennstoff mischen, diesen aber nicht kontinuierlich verbrennen, sondern ebenfalls pulsweise zur Explosion bringen. Der mögliche Wirkungsgradgewinn von 5 bis 10 Prozent wäre angesichts der hohen Kosten für den Weltraumtransport von Nutzlasten sehr attraktiv.

Siehe auch: en:Pulse detonation engine