Luftfahrtantrieb

Das Triebwerk einer Suchoi Su-22

Als Luftfahrtantrieb wird ein als Antrieb eines Luftfahrzeugs verwendetes Triebwerk bezeichnet.^[1] Gegebenenfalls werden Propeller und Getriebe dazugezählt, welche zwar nicht der eigentlichen Kraftgewinnung, jedoch der Vortriebsentfaltung dienen. Dieses technische System ermöglicht es dem Fluggerät, die (Vortriebs-) Kraft zu erhalten, um aktiv vom Boden abzuheben, selbständig Höhe zu gewinnen und sich im Luftraum vorwärts zu bewegen.

Bei zivilen Flugzeugen ist der Begriff des Antriebssystems (engl. Propulsion System) abzugrenzen, welcher eine aus Triebwerk, Triebwerksverkleidung und Schubumkehr bestehende Baugruppe bezeichnen kann.

Geschichtliche Entwicklung

Nach der Entwicklung von antriebslosen Gleitflugzeugen (v. a. durch Otto Lilienthal) bestand das Hauptproblem für einen dauerhaften Streckenflug, dass die Gewichtskraft das Halten der Flughöhe verhinderte. Die notwendige Energie zur Überwindung der Erdanziehungskraft konnte nicht zur Verfügung gestellt werden. Erste Ansätze bestanden darin, den Auftrieb durch erwärmte Luft oder von Gasen auszunutzen (Montgolfière und Ballon). Aufwinde wurden und werden durch Segelflugzeuge genutzt. Erst mit der Verfügbarkeit von leichten, leistungsfähigen aktiven Flugzeugantrieben konnten auch Fluggeräte, die schwerer als Luft waren, sich selbständig in die Luft erheben, aus eigener Kraft Höhe gewinnen und Strecken fliegen, ohne dabei Höhe zu verlieren.

Antriebsarten

Zeichnung des Sternmotors einer JU 52

Es sind mittlerweile eine Vielzahl von Antrieben für Fluggeräte entwickelt worden. Es kommen bis heute vor allem Verbrennungskraftmaschinen zum Einsatz. Sie unterteilen sich in zwei Gruppen:

• Luftatmende Antriebe; der Antrieb bezieht den zur Verbrennung des Treibstoffs notwendigen Sauerstoff aus der Umgebungsluft.
  • „Flugmotor“: Ein Kolbentriebwerk als Benzin- oder Dieselmotor. Ein Hubkolbenmotor liefert Wellenleistung, die einen Propeller antreibt. Bauweisen sind Sternmotor, Reihenmotor, Boxermotor.
  • Gasturbinen-Triebwerke
    • Der Turbojet ist ein reines Strahltriebwerk: Der Verdichter des Turbo-Strahltriebwerks komprimiert die eingesaugte Luft. In der Brennkammer wird sie dann mit Kerosin verbrannt, wobei sie sich stark erhitzt und beschleunigt. Die anschließende Turbine entzieht dem Abgasstrahl etwas Energie, um damit den am Einlauf befindlichen Verdichter anzutreiben. Die verbleibende Abgasstrahl-Energie ist der Vortrieb.
    • Der Turbofan ist weitgehend gleich aufgebaut wie der Turbojet. Zusätzlich treibt die Turbine vor dem Verdichter noch große „Fan“-Schaufelblätter an, welche ähnlich einem Propeller eine große Luftmenge „am eigentlichen Triebwerk vorbei“ nach hinten beschleunigen. Meist entfällt der Großteil der Antriebsleistung auf diesen Mantelstrom, der Gasturbinen-Abgasstrahl ist dagegen vernachlässigbar. Oft wird deswegen lediglich der Mantelstrom zur Schubumkehr umgelenkt. ^[2]
    • Wellenleistungstriebwerk (Turboprop) zum Antrieb einer Luftschraube: Ein Turbojet-Triebwerk, dessen Rückstoß vernachlässigbar ist, jedoch dessen Kraftentwicklung auf der Antriebswelle abgenommen und auf einen Propeller übertragen wird (meist über ein Getriebe).
  • Staustrahltriebwerk: Ähnlich einem Turbojet wird die Eingangsluft verdichtet, in der Brennkammer verbrannt, und zur Schubdüse beschleunigt. Die Verdichtung geschieht jedoch mittels Querschnittsverengung des Einlaufs, was den „Fahrtwind staut“. Da weder ein rotierender Verdichter noch eine Turbine (um den Verdichter anzutreiben) vorhanden sind, kommt das Staustrahltriebwerk weitgehend ohne bewegliche Teile aus.
  • Das Verpuffungsstrahltriebwerk besteht aus dem Strahlrohr sowie Ventilen, die sicherstellen, dass Frischluft für eine Verbrennung nur von einer Seite in das Strahlrohr gelangen kann, und die Expansion der Verbrennung/Verpuffung nur in die andere Richtung das Strahlrohr verlassen kann.
• Nicht-luftatmende Antriebe; der benötigte Sauerstoff wird (i. A. flüssig) mitgeführt.
  • Raketenantrieb: Im Raketentriebwerk führt die Verbrennung von meist zwei Chemikalien zu starker Expansion, welche durch eine Düse gerichtet wird. Die Stützmasse breitet sich in die entsprechende Richtung aus, die Reaktio treibt den Flugkörper in die entgegengesetzte Richtung.

Andere Antriebsarten haben bisher nur geringe Bedeutung:

• Elektromotor mit Propeller: Die Energie für den Elektromotor entstammt einem Akku, selten einer Brennstoffzelle oder Solarzellen (Solarflugzeug).
• Tretpedale oder mechanische Energiespeicher mit Propeller: Lediglich bei Flugmodellen werden am Boden Gummis verdrillt, die dann beim Sich-Entdrillen einen Propeller drehen und Vortrieb erzeugen. Mit (menschlicher) Muskelkraft betriebene Flugzeuge sind Musculair 1 und 2 (siehe auch Muskelkraftflugzeug).
• Vortrieb mittels Flügelschlagen: Schwingenflugzeuge (Ornithopter) gibt es bisher nur im Experimentalbereich oder im Modellbau, die eigentliche Antriebskraft erzeugt ein Elektro- oder Verbrennungsmotor.

Problemfelder

Durch die Flughöhen und den damit verbundenen niedrigen Luftdruck ergeben sich technische Schwierigkeiten, die Motoren mit genügend Sauerstoff aus der Umgebungsluft zu versorgen, insbesondere bei Kolbenmotoren. Eine Möglichkeit der Kompensation der geringeren Luftdichte bei Kolbenmotoren besteht in der Motoraufladung. Auch Gasturbinen zeigen in großer Höhe Leistungseinbußen, allerdings in geringerem Maße, da der Wirkungsgrad in kälterer Luft zunimmt.

Siehe auch

• Leanen

Literatur

• Ernst Götsch: Luftfahrzeugtechnik, Motorbuchverlag, Stuttgart 2003, ISBN 3-613-02006-8
• Willy J.G. Bräunling: Flugzeugtriebwerke, Grundlagen, Aero-Thermodynamik, ideale und reale Kreisprozesse, Thermische Turbomaschinen, Komponenten, Emissionen und Systeme, 3., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage, Springer Dordrecht Heidelberg London New York 2009, ISBN 978-3-540-76368-0

Weblinks

• Flugzeugtriebwerke aus der Zeit des Zweiten Weltkrieges von Daimler-Benz, BMW, Junkers, Rolls Royce, Pratt & Whitney etc.

Einzelnachweise

1. ↑ Niels Klubmann, Arnim Malik: Lexikon der Luftfahrt. 2. Auflage. Springer Verlag, Berlin, Heidelberg 2007, ISBN 978-3-540-49095-1.
2. ↑ http://erlebnis-wissen.lufthansa.com/zivile-luftfahrt/1201m/1204m/