Geschichte des Strahltriebwerks - History of the jet engine
Vorläufer
Strahltriebwerke lassen sich auf die Erfindung des Äolipils um 150 v. Chr. zurückdatieren . Dieses Gerät nutzte Dampfkraft, die durch zwei Düsen geleitet wurde, um eine Kugel schnell um ihre Achse zu drehen. Soweit bekannt, wurde es nicht zur Lieferung mechanischer Energie verwendet, und die möglichen praktischen Anwendungen dieser Erfindung wurden nicht erkannt. Es wurde einfach als Kuriosität angesehen.
Archytas , der Begründer der mathematischen Mechanik, wie sie fünf Jahrhunderte nach ihm in den Schriften von Aulus Gellius beschrieben wird , soll das erste künstliche, selbstfahrende Fluggerät entworfen und gebaut haben. Dieses Gerät war ein vogelförmiges Modell, das von einem wahrscheinlich Dampfstrahl angetrieben wurde, der tatsächlich etwa 200 Meter geflogen sein soll.
Der osmanische Lagari Hasan Çelebi soll 1633 mit einer kegelförmigen Rakete abgehoben und dann mit Flügeln in eine erfolgreiche Landung geglitten sein und eine Position in der osmanischen Armee gewonnen haben . Dies war jedoch im Wesentlichen ein Stunt. Das Problem war, dass Raketen bei niedrigen Geschwindigkeiten einfach zu ineffizient sind, um für die allgemeine Luftfahrt nützlich zu sein.
Der erste funktionierende Pulsejet wurde 1906 vom russischen Ingenieur VV Karavodin patentiert, der 1907 ein funktionierendes Modell fertigstellte. Der französische Erfinder Georges Marconnet patentierte 1908 sein ventilloses Pulsejet-Triebwerk und Ramon Casanova in Ripoll , Spanien, patentierte 1917 einen Pulsejet in Barcelona , nachdem er 1913 eines gebaut hatte. Robert Goddard erfand 1931 ein Pulsstrahltriebwerk und demonstrierte es an einem strahlgetriebenen Fahrrad. Der Ingenieur Paul Schmidt leistete Pionierarbeit für ein effizienteres Design, das auf der Modifikation der Einlassventile (oder Klappen) beruhte, was ihm 1933 staatliche Unterstützung durch das deutsche Luftministerium einbrachte.
Einige frühe Versuche von luftatmenden Düsentriebwerken waren Hybridkonstruktionen, bei denen eine externe Energiequelle zuerst Luft komprimierte, die dann mit Treibstoff vermischt und für den Strahlschub verbrannt wurde. In einem solchen System, genannt ThermoJet von Secondo Campini aber häufiger, Thermojet wurde die Luft durch einen Ventilator mit einem herkömmlichen Kolbenmotor angetrieben komprimiert. Beispiele sind die Caproni Campini N.1 und das japanische Tsu-11- Triebwerk, das gegen Ende des Zweiten Weltkriegs Kamikaze-Flugzeuge von Ohka antreiben sollte . Keine war vollständig erfolgreich und der CC.2 war schließlich langsamer als das gleiche Design mit einer traditionellen Motor- und Propellerkombination .
Im Jahr 1913 patentierte der französische Luft- und Raumfahrtingenieur René Lorin ein Design für den weltweit ersten Staustrahltriebwerk , aber es war nicht möglich, einen funktionierenden Prototyp zu entwickeln, da kein vorhandenes Flugzeug eine ausreichende Geschwindigkeit für seinen Betrieb erreichen konnte, und somit blieb das Konzept theoretisch.
Ingenieure in den 1930er Jahren erkannten, dass die maximale Leistung von Kolbenmotoren begrenzt war, da die Antriebseffizienz abnahm, wenn sich die Schaufelspitzen der Schallgeschwindigkeit näherten . Damit die Motorleistung über diese Grenze hinaus gesteigert werden kann, müsste ein Weg gefunden werden, das Design des Kolbenmotors radikal zu verbessern, oder es müsste ein völlig neuer Antriebstyp entwickelt werden. Gasturbinentriebwerke, die allgemein als "Strahltriebwerke" bezeichnet werden, könnten dies tun.
Der Schlüssel zu einem praktischen Strahltriebwerk war die Gasturbine, die dazu verwendet wurde, dem Triebwerk selbst Energie zu entziehen, um den Kompressor anzutreiben . Die Gasturbine war keine Idee aus den 1930er Jahren: 1791 wurde John Barber in England das Patent für eine stationäre Turbine erteilt . Die erste erfolgreich autark laufende Gasturbine wurde 1903 vom norwegischen Ingenieur Ægidius Elling gebaut . Einschränkungen in Design und praktischer Technik und Metallurgie verhinderten, dass solche Motoren in die Fertigung gelangten. Die Hauptprobleme waren Sicherheit, Zuverlässigkeit, Gewicht und vor allem der dauerhafte Betrieb.
In Ungarn entwickelte Albert Fonó 1915 eine Lösung zur Erhöhung der Reichweite der Artillerie, bestehend aus einem von Kanonen abgefeuerten Projektil, das mit einem Staustrahlantrieb vereint werden sollte. Dies sollte es ermöglichen, eine große Reichweite mit geringen anfänglichen Mündungsgeschwindigkeiten zu erzielen, sodass schwere Granaten aus relativ leichten Geschützen abgefeuert werden konnten. Fonó reichte seine Erfindung der österreichisch-ungarischen Armee ein, der Vorschlag wurde jedoch abgelehnt. 1928 meldete er ein deutsches Patent für mit Überschall-Staustrahltriebwerken angetriebene Flugzeuge an, das 1932 erteilt wurde.
Das erste Patent für den Einsatz einer Gasturbine zum Antrieb eines Flugzeugs wurde 1921 vom Franzosen Maxime Guillaume eingereicht . Sein Motor war ein Axial-Turbojet.
1923 veröffentlichte Edgar Buckingham vom US National Bureau of Standards einen Bericht, in dem er seine Skepsis äußerte, dass Düsentriebwerke bei den niedrigen Flughöhen und Fluggeschwindigkeiten der damaligen Zeit mit Propellerflugzeugen wirtschaftlich konkurrenzfähig sein würden: Was auch immer dieser Düsenantrieb der hier betrachteten Art jemals von praktischem Wert sein wird, sogar für militärische Zwecke."
Stattdessen war in den 1930er Jahren der Kolbenmotor in seinen vielen verschiedenen Formen (Rotations- und statischer Radialmotor, luftgekühlter und flüssigkeitsgekühlter Inline- Motor ) der einzige Triebwerkstyp, der den Flugzeugkonstrukteuren zur Verfügung stand. Dies war akzeptabel, solange nur Flugzeuge mit geringer Leistung benötigt wurden, und zwar alle, die verfügbar waren.
Vor dem Zweiten Weltkrieg
1928 unterbreitete Frank Whittle, Kadett des RAF College Cranwell , seinen Vorgesetzten formell seine Ideen für einen Turbojet. Im Oktober 1929 entwickelte er seine Ideen weiter. Am 16. Januar 1930 reichte Whittle in England sein erstes Patent ein (erteilt 1932). Das Patent zeigte einen zweistufigen Axialverdichter , der einen einseitigen Radialverdichter speist . Praktische Axialkompressoren wurden durch Ideen von AA Griffith in einer wegweisenden Arbeit im Jahr 1926 ("An Aerodynamic Theory of Turbine Design") ermöglicht. Whittle konzentrierte sich später aus verschiedenen praktischen Gründen nur auf den einfacheren Radialverdichter. Whittle ließ seinen ersten Motor im April 1937 laufen. Er wurde mit Flüssigkraftstoff betrieben und enthielt eine in sich geschlossene Kraftstoffpumpe. Whittles Team geriet in Panik, als der Motor nicht stoppte und sogar nach dem Abstellen des Kraftstoffs beschleunigte. Es stellte sich heraus, dass Kraftstoff in den Motor eingedrungen war und sich in Pools angesammelt hatte.
1935 begann Hans von Ohain in Deutschland mit der Arbeit an einem ähnlichen Design, und es wird oft behauptet, dass er Whittles Arbeit nicht kannte. Ohain sagte, dass er Whittles Patent nicht gelesen hatte, und Whittle glaubte ihm ( Frank Whittle 1907–1996 ). Das Whittle-Patent befand sich jedoch in deutschen Bibliotheken, und Whittles Sohn hatte den Verdacht, dass Ohain es gelesen oder davon gehört hatte.
Jahre später gab von Ohain in seiner Biographie zu, dass dies so war. Die Autorin Margaret Conner sagt: „Ohains Patentanwalt ist in den Jahren, in denen die von Ohain-Patente formuliert wurden, auf ein Whittle-Patent gestoßen.“ Von Ohain selbst wird mit den Worten zitiert: „ Wir hatten das Gefühl, dass es wie ein Patent einer Idee aussah.“ daran wurde nicht ernsthaft gearbeitet." Da Ohains Patent erst 1935 eingereicht wurde, zeigt dieses Eingeständnis deutlich, dass er Whittles Patent gelesen und sogar ausführlich kritisiert hatte, bevor er sein eigenes Patent einreichte und etwa 2 Jahre vor seinem eigenen Motor lief.
VON OHAIN: „Unsere Patentansprüche mussten im Vergleich zu Whittles eingegrenzt werden, weil Whittle gewisse Dinge gezeigt hat.“ „Als ich Whittles Patent sah, war ich fast überzeugt, dass es etwas mit Grenzschicht-Saugkombinationen zu tun hatte. Es hatte einen zweiflutigen Radialkompressor mit zwei Eintrittsströmungen, der aus Sicht des Motors monströs aussah. Seine Strömungsumkehr schien uns eine unerwünschte Sache zu sein, aber es stellte sich heraus, dass es danach nicht mehr so schlimm war, obwohl es einige kleinere Instabilitätsprobleme gab.″
Sein erstes Gerät war streng experimentell und konnte nur mit externer Energie betrieben werden, aber er konnte das Grundkonzept demonstrieren. Ohain wurde dann Ernst Heinkel vorgestellt , einem der größten Flugzeugindustriellen seiner Zeit, der sofort das Versprechen des Designs sah. Heinkel hatte vor kurzem die Motorenfirma Hirth gekauft, und Ohain und sein Maschinenmeister Max Hahn wurden dort als neuer Geschäftsbereich der Firma Hirth gegründet. Sie hatten ihren ersten HeS-1- Kreiselmotor im September 1937 in Betrieb. Im Gegensatz zu Whittles Konstruktion verwendete Ohain Wasserstoff als Kraftstoff, der unter externem Druck zugeführt wurde. Ihre späteren Konstruktionen gipfelten in der benzinbetriebenen HeS 3 von 1.100 lbf (5 kN), die an Heinkels einfacher und kompakter He 178- Flugzeugzelle montiert und von Erich Warsitz am frühen Morgen des 27. August 1939 vom Flugplatz Rostock- Marienehe geflogen wurde. eine beeindruckend kurze Entwicklungszeit. Die He 178 war das weltweit erste fliegende Flugzeug mit Turbostrahlantrieb.
Der weltweit erste Turboprop war die Jendrassik Cs-1 des ungarischen Maschinenbauingenieurs György Jendrassik . Es wurde zwischen 1938 und 1942 in der Ganz- Fabrik in Budapest produziert und getestet . Es war für den 1940 von László Varga entworfenen zweimotorigen Aufklärungsbomber Varga RMI-1 X/H geplant, aber das Programm wurde eingestellt. Jendrassik hatte 1937 auch einen kleinen 75-kW-Turboprop konstruiert.
Whittles Triebwerk sah allmählich nützlich aus und seine Power Jets Ltd. erhielt Geld vom Luftministerium . 1941 wurde eine flugfähige Version des Triebwerks namens W.1 mit einem Schub von 1000 lbf (4 kN) in die eigens dafür gebaute Gloster E28/39- Zelle eingebaut und flog erstmals am 15. Mai 1941 bei RAF Cranwell .
Der britische Flugzeugtriebwerkskonstrukteur Frank Halford entwickelte nach Whittles Ideen eine "Straight-Through"-Version des Zentrifugaljets; sein Entwurf wurde der de Havilland Goblin .
Ein Problem bei diesen beiden frühen Konstruktionen, die als Zentrifugalströmungsmotoren bezeichnet werden , bestand darin, dass der Kompressor arbeitete, indem er Luft vom zentralen Einlass zum Außenumfang des Motors beschleunigte, wo die Luft dann durch einen divergenten Kanalsatz komprimiert wurde. nach oben und wandelt seine Geschwindigkeit in Druck um. Ein Vorteil dieser Konstruktion war , dass es schon gut verstanden wurde, in der zentrifugalen umgesetzt worden Ladern , dann in weit verbreiteten Einsatz auf Kolbenmotoren. Angesichts der frühen technologischen Beschränkungen der Wellendrehzahl des Motors musste der Kompressor jedoch einen sehr großen Durchmesser haben, um die erforderliche Leistung zu erzeugen. Dies bedeutete, dass die Motoren eine große Frontfläche hatten, was sie aufgrund des Luftwiderstands als Flugzeugtriebwerk weniger nützlich machte. Ein weiterer Nachteil der früheren Whittle-Konstruktionen bestand darin, dass der Luftstrom durch den Verbrennungsabschnitt und wieder zur Turbine und zum Auspuffrohr umgekehrt wurde, was die Komplexität erhöht und die Effizienz verringert. Nichtsdestotrotz hatten diese Triebwerkstypen die Hauptvorteile des geringen Gewichts, der Einfachheit und der Zuverlässigkeit, und die Entwicklung schritt schnell zu praktischen flugfähigen Konstruktionen.
Der Österreicher Anselm Franz von der Junkers Motorensparte ( Junkers Motoren oder Jumo ) hat sich mit der Einführung des Axialverdichters dieser Probleme angenommen . Im Wesentlichen ist dies eine umgekehrte Turbine. An der Vorderseite des Triebwerks ankommende Luft wird von einer Gebläsestufe (konvergente Kanäle) in Richtung der Rückseite des Triebwerks geblasen, wo sie gegen einen Satz nicht rotierender Schaufeln, sogenannte Statoren (divergente Kanäle), zerkleinert wird . Der Prozess ist bei weitem nicht so leistungsstark wie der Kreiselverdichter, daher werden eine Reihe dieser Lüfter- und Statorpaare in Reihe geschaltet, um die erforderliche Kompression zu erzielen. Trotz all der zusätzlichen Komplexität ist der resultierende Motor im Durchmesser viel kleiner und damit aerodynamischer. Jumo erhielt die nächste Triebwerksnummer in der RLM- Nummerierungsfolge, 4, und das Ergebnis war das Jumo 004- Triebwerk. Nachdem viele kleinere technische Schwierigkeiten gelöst waren, begann 1944 die Massenproduktion dieses Triebwerks als Triebwerk für das erste Düsenjägerflugzeug der Welt, die Messerschmitt Me 262 (und später das weltweit erste Düsenbomberflugzeug, die Arado Ar 234 ). Eine Vielzahl von Gründen führte zu einer Verzögerung der Verfügbarkeit des Triebwerks. Diese Verzögerung führte dazu, dass der Jäger zu spät eintraf, um die Position Deutschlands im Zweiten Weltkrieg entscheidend zu beeinflussen. Nichtsdestotrotz wird es als der erste Einsatz von Düsentriebwerken in Erinnerung bleiben.
Das Luftfahrtunternehmen Heinkel-Hirth versuchte auch , sehr spät im Krieg ein leistungsstärkeres Turbojet-Triebwerk zu entwickeln, das Heinkel HeS 011 mit fast 3.000 Pfund Schub bei voller Leistung, um die Antriebsoptionen für neue deutsche Militärflugzeugdesigns zu verbessern. und die Leistung bestehender Designs zu verbessern. Es verwendete einen einzigartigen "diagonalen" Verdichterabschnitt, der die Merkmale von Radial- und Axialverdichter-Layouts für Turbojet-Triebwerke kombinierte, aber auf dem Prüfstand blieb, wobei nur etwa neunzehn Exemplare jemals produziert wurden.
In Großbritannien lief ihr erster Axialmotor, die Metrovick F.2 , 1941 und wurde erstmals 1943 geflogen. Obwohl sie zu dieser Zeit leistungsfähiger war als die damaligen Zentrifugalkonstruktionen, betrachtete das Ministerium ihre Komplexität und Unzuverlässigkeit als Nachteil in Kriegszeiten. Die Arbeit bei Metrovick führte zum Armstrong Siddeley Sapphire- Motor, der in den USA als J65 gebaut wurde.
Nach dem Zweiten Weltkrieg
Nach Kriegsende wurden die deutschen Düsenflugzeuge und Düsentriebwerke von den siegreichen Verbündeten eingehend studiert und trugen zur Arbeit an frühen sowjetischen (siehe Arkhip Lyulka ) und US-amerikanischen Düsenjägern bei. Das Erbe des Axialstromtriebwerks zeigt sich darin, dass praktisch alle Strahltriebwerke von Starrflüglern von diesem Design inspiriert wurden.
Zentrifugalstrommotoren haben sich seit ihrer Einführung verbessert. Durch Verbesserungen in der Lagertechnik wurde die Wellendrehzahl des Motors erhöht, wodurch der Durchmesser des Radialverdichters stark reduziert wurde. Die kurze Triebwerkslänge bleibt ein Vorteil dieser Konstruktion, insbesondere für den Einsatz in Hubschraubern, bei denen die Gesamtgröße wichtiger ist als die Frontfläche. Da ihre Motorkomponenten robuster sind, sind sie außerdem weniger anfällig für Beschädigungen durch Fremdkörper als Axialkompressormotoren.
Obwohl deutsche Konstruktionen aerodynamisch fortschrittlicher waren, führte die Kombination aus Einfachheit und dem Fehlen der erforderlichen seltenen Metalle für die notwendige fortschrittliche Metallurgie (wie Wolfram , Chrom und Titan ) für hochbelastete Komponenten wie Turbinenschaufeln und Lager usw später produzierte deutsche Motoren hatten eine kurze Lebensdauer und mussten nach 10–25 Stunden gewechselt werden. Britische Motoren wurden auch in den USA in großem Umfang in Lizenz hergestellt (siehe Tizard-Mission ) und an Sowjetrussland verkauft, die sie mit der Nene nachbauten, um die berühmte MiG-15 anzutreiben . Amerikanische und sowjetische Konstruktionen, größtenteils unabhängige Axialströmungstypen, strebten bis in die 1960er Jahre nach überlegener Leistung, obwohl die General Electric J47 in den 1950er Jahren in der F-86 Sabre hervorragende Dienste leistete .
In den 1950er Jahren war das Strahltriebwerk in Kampfflugzeugen fast universell einsetzbar, mit Ausnahme von Fracht-, Verbindungs- und anderen Spezialtypen. Zu diesem Zeitpunkt waren einige der britischen Designs bereits für den zivilen Gebrauch freigegeben und erschienen auf frühen Modellen wie dem de Havilland Comet und dem Avro Canada Jetliner . In den 1960er Jahren waren alle großen zivilen Flugzeuge auch mit Düsenstrahlantrieben ausgestattet, sodass der Kolbenmotor in solchen kostengünstigen Nischenrollen wie Frachtflügen Platz fand .
Unermüdliche Verbesserungen im Turboprop verdrängten den Kolbenmotor (einen Verbrennungsmotor) vollständig aus dem Mainstream, so dass er nur den kleinsten Designs der allgemeinen Luftfahrt und einigen Anwendungen in Drohnenflugzeugen diente . Der Aufstieg des Strahltriebwerks zum nahezu universellen Einsatz in Flugzeugen dauerte weit weniger als zwanzig Jahre.
Die Geschichte war jedoch noch nicht ganz zu Ende, denn die Effizienz von Turbojet-Triebwerken war immer noch etwas schlechter als die von Kolbentriebwerken, aber in den 1970er Jahren mit dem Aufkommen von Jet-Triebwerken mit hohem Bypass , eine Innovation, die von frühen Kommentatoren wie Edgar Buckingham nicht vorhergesehen wurde. bei hohen Geschwindigkeiten und Höhen, die ihnen absurd erschienen, erst dann übertraf die Kraftstoffeffizienz endgültig die der besten Kolben- und Propellermotoren, und der Traum von einer schnellen, sicheren und wirtschaftlichen Weltreise war endlich da und ihre mürrische, wenn Für die damalige Zeit gut begründet, wurden Vorhersagen, dass Düsentriebwerke nie viel ausmachen würden, für immer getötet.