Düsenflugzeug - Jet aircraft

McDonnell Douglas DC-10 von Continental Airlines ist ein Beispiel für eine Trijet- Konfiguration

Ein Düsenflugzeug (oder einfach Jet ) ist ein Flugzeug (fast immer ein Starrflügler ), das von Düsentriebwerken angetrieben wird .

Während die Triebwerke von Propellerflugzeugen ihren maximalen Wirkungsgrad in der Regel bei deutlich geringeren Geschwindigkeiten und Höhen erreichen, erreichen Strahltriebwerke ihren maximalen Wirkungsgrad bei Geschwindigkeiten nahe oder sogar deutlich oberhalb der Schallgeschwindigkeit . Düsenflugzeuge fliegen im Allgemeinen am effizientesten bei etwa Mach 0,8 (981 km/h (610 mph)) und in Höhen von etwa 10.000 bis 15.000 m (33.000 bis 49.000 Fuß) oder mehr.

Die Idee des Strahltriebwerks war nicht neu, aber die damit verbundenen technischen Probleme konnten erst in den 1930er Jahren gelöst werden. Frank Whittle , ein englischer Erfinder und RAF- Offizier, begann 1928 mit der Entwicklung eines brauchbaren Strahltriebwerks, und Hans von Ohain in Deutschland begann Anfang der 1930er Jahre unabhängig zu arbeiten. Im August 1939 werden die turbojet angetrieben Heinkel He 178 , die erste Düsenflugzeug der Welt, machte seinen ersten Flug. Sowohl für zivile als auch für militärische Zwecke gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Düsenflugzeugtypen.

Geschichte

Die Heinkel He 178 war das erste Flugzeug, das im August 1939 mit Turbojet-Antrieb flog

Nach dem ersten Motorflug wurde eine große Anzahl von Düsentriebwerkskonstruktionen vorgeschlagen. René Lorin , Morize, Harris schlugen Systeme vor, um einen Jet-Efflux zu erzeugen.

Nachdem andere Düsentriebwerke betrieben worden waren, behauptete der rumänische Erfinder Henri Coandă , 1910 ein strahlgetriebenes Flugzeug gebaut zu haben, die Coandă-1910 . Um diese Behauptung zu untermauern, musste er jedoch wesentliche Änderungen an den Zeichnungen vornehmen, mit denen er seine später entlarvten Behauptungen untermauerte. Tatsächlich ging das Gebläsetriebwerk nach hinten los und setzte das Flugzeug in Brand, bevor überhaupt Flüge durchgeführt wurden, und es fehlten fast alle Funktionen, die für ein Düsentriebwerk erforderlich sind - einschließlich einer fehlenden Kraftstoffeinspritzung und jeglicher Besorgnis über den heißen Strahlausfluss auf eine leicht entflammbare Stoffoberfläche gerichtet.

In den 1920er und 1930er Jahren wurden eine Reihe von Ansätzen versucht. Es wurden eine Vielzahl von Motorjet- , Turboprop- , Pulsejet- und Raketenflugzeugen entwickelt. In Deutschland wurde an Raketentriebwerken geforscht, und das erste Flugzeug, das mit Raketenantrieb flog , war 1928 die Lippisch Ente . Die Ente wurde zuvor als Segelflugzeug geflogen. Im nächsten Jahr, 1929, war der Opel RAK.1 das erste speziell gebaute Raketenflugzeug, das flog.

Der Turbojet wurde in den 1930er Jahren unabhängig von Frank Whittle und später Hans von Ohain erfunden . Das erste Turbojet-Flugzeug , das am 27. August 1939 in Rostock (Deutschland) flog, war die Heinkel He 178 . Dies war weitgehend ein Proof of Concept, da das Problem des „ Kriechens “ (Metallermüdung durch die hohen Temperaturen im Motor) nicht gelöst war und der Motor schnell durchgebrannt war.

Der erste Flug eines strahlgetriebenen Flugzeugs, der der Öffentlichkeit bekannt wurde, war der italienische Motorjet- Prototyp Caproni Campini N.1 , der am 27. August 1940 flog. Es war das erste Düsenflugzeug, das von der Fédération Aéronautique Internationale (damals die deutsche Das Programm wurde noch geheim gehalten). Campini begann 1932 mit der Entwicklung des Motorjets, der sich von einem echten Turbojet dadurch unterschied, dass anstelle des Abgases die Luft von einem Kolbenmotor durchströmt wurde, eine viel komplexere Lösung.

Boeing 707

Die britische experimentelle Gloster E.28/39 startete erstmals am 15. Mai 1941 in die Luft, angetrieben von Sir Frank Whittles Turbojet. Die Vereinigten Staaten produzierten die Bell XP-59A anhand von zwei Exemplaren einer Version des Whittle-Triebwerks von General Electric , das am 1. Oktober 1942 flog 8. August 1941, der erste Flug des Prototyps am 5. März 1943 und der erste Serienflug am 12. Januar 1944, während die ersten Aufträge für die Serienflugzeuge der Me 262 erst am 25. Mai 1943 erteilt wurden und die erste Serienmaschine der Me 262 erst flog 28. März 1944, obwohl das Me 262-Programm früher als das der Meteor als Projekt 1065 begonnen hatte, mit ersten Plänen, die vom Konstruktionsteam von Dr. Waldemar Voigt im April 1939 erstellt wurden.

Die Messerschmitt Me 262 war der erste einsatzfähige Düsenjäger , der während des Zweiten Weltkriegs von Deutschland hergestellt und am 19. April 1944 beim Erprobungskommando 262 auf dem Lechfeld südlich von Augsburg in Dienst gestellt wurde. Eine Me 262 erzielte am 26. Juli 1944 den ersten Kampfsieg für einen Düsenjäger. Die Me 262 war am 18. April 1941 zum ersten Mal geflogen, aber die Massenproduktion begann erst Anfang 1944 mit den ersten Staffeln, die in diesem Jahr einsatzbereit waren, zu spät für eine entscheidenden Einfluss auf den Ausgang des Zweiten Weltkriegs . Es war das schnellste konventionelle Flugzeug des Krieges, obwohl es schnellere Flugzeuge gab, die auf unkonventionelle Weise angetrieben wurden, wie die raketengetriebene Messerschmitt Me 163 Komet .

Um diese Zeit, Mitte 1944 die des Vereinigten Königreichs Gloster Meteor wurde zur Verteidigung des Vereinigten Königreichs gegen die begangen V-1 fliegende Bombe  - selbst ein Verpuffungsstrahltriebwerk -gestützte Flugzeuge und direkter Vorfahre der Cruise Missile - und dann gemahlen Angriff Operationen über Europa in den letzten Kriegsmonaten. Im Jahr 1944 führte Deutschland den Aufklärungs- und Bomber Arado Ar 234 in Dienst , obwohl er hauptsächlich in der früheren Rolle eingesetzt wurde, wobei der einstrahlige leichte Jäger Heinkel He 162 Spatz am Ende des Jahres 1944 seine Premiere feierte. Die UdSSR testete 1942 ihre eigene Bereznyak-Isayev BI-1 , aber das Projekt wurde 1945 von Joseph Stalin verschrottet . Die Kaiserlich Japanische Marine entwickelte 1945 auch Düsenflugzeuge, darunter die Nakajima J9Y Kikka , eine modifizierte und etwas kleinere Version der Me 262 mit Klappflügeln. Bis Ende 1945 hatten die USA ihren ersten Düsenjäger, die Lockheed P-80 Shooting Star, in Dienst gestellt und Großbritannien ihr zweites Jagdflugzeug, die de Havilland Vampire .

Die USA stellten 1948 mit der North American B-45 Tornado ihren ersten Düsenbomber in Dienst. Obwohl sie Atomwaffen tragen konnte, wurde sie zur Aufklärung über Korea eingesetzt. Am 8. November 1950 während des Korea - Krieges , United States Air Force Lt. Russell J. Brown, fliegen in einem F-80 abgefangen zwei nordkoreanische MiG-15s in der Nähe des Yalu und erschossen sie nach unten in den ersten Jet-to -Jet- Luftkampf in der Geschichte. Großbritannien stellte 1951 die English Electric Canberra als leichten Bomber in Dienst . Es wurde entwickelt, um höher und schneller zu fliegen als jeder Abfangjäger .

Die Concorde war von 1976 bis 2003 die am längsten laufende kommerzielle SST, die ihren Dienst leistete

BOAC betrieb 1952 mit dem Jetliner de Havilland Comet den ersten kommerziellen Düsendienst von London nach Johannesburg . Dieses hochinnovative Flugzeug flog viel schneller und höher als das Propellerflugzeug, war viel leiser, glatter und hatte stilvolle Flügel mit versteckten Düsentriebwerken. Aufgrund eines Konstruktionsfehlers und der Verwendung von Aluminiumlegierungen erlitt das Flugzeug jedoch eine katastrophale Metallermüdung , die zu mehreren Abstürzen führte. Die Absturzserie gab der Boeing 707 Zeit , 1958 in Dienst zu treten, und dies dominierte den Markt für zivile Flugzeuge. Die unter dem Boden liegenden Triebwerke erwiesen sich im Falle eines Treibmittellecks als vorteilhaft, und so sah die 707 ganz anders aus als die Comet: Die 707 hat eine Form, die praktisch der moderner Flugzeuge entspricht, mit deutlichen Gemeinsamkeiten, die auch heute noch erkennbar sind Beispiel mit 737 (Rumpf) und A340 (Eindecker, Pfeilflügel, vier Unterflügeltriebwerke).

Turbofan- Flugzeuge wurden in den 1950er und 1960er Jahren in Dienst gestellt und brachten eine weitaus höhere Treibstoffeffizienz mit sich , und dieser Jettyp ist heute weit verbreitet.

Der Überschalltransporter Tu-144 war mit Mach 2,35 (2.503 km/h (1.555 mph)) das schnellste Verkehrsflugzeug. Es wurde 1975 in Dienst gestellt, aber kurz darauf aus dem kommerziellen Dienst genommen. Die Mach 2 Concorde wurde 1976 in Dienst gestellt und flog 27 Jahre lang.

Das schnellste militärische Düsenflugzeug war die SR-71 Blackbird mit Mach 3,35 (3.661 km/h (2.275 mph)).

Andere Jets

Die meisten Leute verwenden den Begriff "Düsenflugzeuge", um auf Gasturbinen basierende luftatmende Düsentriebwerke zu bezeichnen , aber Raketen und Scramjets werden beide auch durch Düsenantrieb angetrieben.

Thw Sikorsky S-69 war ein Compound-Hubschrauber mit Hilfsturbojets

Cruise Missiles sind unbemannte Einwegstrahlflugzeuge, die überwiegend von Staustrahltriebwerken oder Turbojets oder manchmal Turbofans angetrieben werden, aber sie haben oft ein Raketenantriebssystem für den anfänglichen Antrieb.

Das schnellste luftatmende Düsenflugzeug ist der unbemannte X-43 Scramjet mit etwa Mach 9–10.

Das schnellste bemannte (Raketen-)Flugzeug ist die X-15 mit Mach 6,85.

Das Space Shuttle , obwohl viel schneller als das X-43 oder X-15, wurde während des Aufstiegs nicht als Flugzeug angesehen, da es ballistisch durch Raketenschub statt durch die Luft getragen wurde. Beim Wiedereintritt wurde es (wie ein Segelflugzeug) als antriebsloses Flugzeug eingestuft. Der Erstflug war 1981.

Die Bell 533 (1964), Lockheed XH-51 (1965) und Sikorsky S-69 (1977-1981) sind Beispiele für zusammengesetzte Hubschrauberkonstruktionen, bei denen Strahlabgase zum Vorwärtsschub beitragen. Die Hiller YH-32 Hornet und Fairey Ultra-light Helicopter gehörten zu den vielen Hubschraubern, bei denen die Rotoren von Tip Jets angetrieben wurden .

Es gibt düsengetriebene Wingsuits - angetrieben von Düsentriebwerken von Modellflugzeugen -, die jedoch von kurzer Dauer sind und in der Höhe gestartet werden müssen.

Aerodynamik

Aufgrund ihrer Funktionsweise ist die typische Abgasgeschwindigkeit von Düsentriebwerken transsonisch oder höher, daher müssen die meisten Düsenflugzeuge mit hohen Geschwindigkeiten fliegen, entweder mit Überschall oder mit Geschwindigkeiten knapp unter der Schallgeschwindigkeit (" transonic "), um eine effiziente Flug. Aerodynamik ist daher ein wichtiger Aspekt.

Düsenflugzeuge werden normalerweise nach der Whitcomb-Flächenregel konstruiert , die besagt, dass die Gesamtquerschnittsfläche des Flugzeugs an jedem Punkt entlang des Flugzeugs von der Nase aus ungefähr gleich der eines Sears-Haack-Körpers sein muss . Eine Form mit dieser Eigenschaft minimiert die Erzeugung von Stoßwellen, die Energie verschwenden würden.

Strahltriebwerke

Strahltriebwerke gibt es in mehreren Haupttypen:

Die Lockheed SR-71 war mit Mach 3,35 (3.661 km/h) einer der schnellsten Jets.

Die verschiedenen Typen werden für unterschiedliche Zwecke verwendet.

Raketen sind der älteste Typ und werden hauptsächlich verwendet, wenn extrem hohe Geschwindigkeiten oder extrem große Höhen erforderlich sind. Aufgrund der extremen, typischerweise hypersonischen Abgasgeschwindigkeit und der Notwendigkeit, Oxidationsmittel an Bord mitzuführen, verbrauchen sie extrem schnell Treibmittel. Aus diesem Grund sind sie für den Routinetransport nicht praktikabel.

Turbojets sind der zweitälteste Typ; es hat eine hohe, normalerweise Überschallgeschwindigkeit, und einen geringen frontalen Querschnitt und ist daher am besten für den Hochgeschwindigkeitsflug, normalerweise Überschallflug geeignet. Obwohl sie einst weit verbreitet waren, sind sie im Vergleich zu Turboprop- und Turbofans für den Unterschallflug relativ ineffizient . Die letzten großen Flugzeugtriebwerke verwenden waren Concorde und Tu-144 Überschall Transporte .

Turbofans mit niedrigem Bypass haben eine niedrigere Abgasgeschwindigkeit als Turbojets und werden hauptsächlich für hohe Schall-, Transschall- und niedrige Überschallgeschwindigkeiten verwendet. Turbofans mit hohem Bypass werden für Unterschallflugzeuge verwendet und sind sehr effizient und werden häufig für Verkehrsflugzeuge verwendet.

Flugeigenschaften

Düsenflugzeuge fliegen deutlich anders als Propellerflugzeuge.

Ein Unterschied besteht darin, dass Düsentriebwerke relativ langsam reagieren. Dies erschwert Start- und Landemanöver. Insbesondere beim Start blasen Propeller-Flugzeugmotoren Luft über ihre Flügel und das gibt mehr Auftrieb und einen kürzeren Start. Diese Unterschiede haben einige frühe BOAC Comet-Piloten überrascht.

Antriebswirkungsgrad

Bei Flugzeugen ist der Gesamtantriebswirkungsgrad der Wirkungsgrad in Prozent, mit dem die im Treibstoff eines Fahrzeugs enthaltene Energie in Nutzenergie umgewandelt wird, um Verluste durch Luftwiderstand , Schwerkraft und Beschleunigung zu ersetzen . Sie kann auch als Anteil der mechanischen Energie angegeben werden, die tatsächlich zum Antrieb des Flugzeugs aufgewendet wird. Aufgrund des kinetischen Energieverlusts an den Auspuff und der nicht idealen Effizienz des Antriebsmechanismus, sei es ein Propeller , ein Düsenauspuff oder ein Ventilator, beträgt er immer weniger als 100% . Darüber hinaus hängt die Antriebseffizienz stark von der Luftdichte und der Fluggeschwindigkeit ab.

Mathematisch wird es dargestellt als wo ist der Zykluswirkungsgrad und ist der Antriebswirkungsgrad. Der Zykluswirkungsgrad in Prozent ist der Energieanteil, der aus der Energiequelle gewonnen werden kann und der vom Motor in mechanische Energie umgewandelt wird .

Abhängigkeit des Antriebswirkungsgrades ( ) vom Verhältnis Fahrzeuggeschwindigkeit/Abgasgeschwindigkeit (v/c) bei Raketen- und Strahltriebwerken

Bei Düsenflugzeugen ist die Antriebseffizienz (im Wesentlichen die Energieeffizienz ) am höchsten, wenn das Triebwerk einen Abgasstrahl mit einer Geschwindigkeit ausstößt, die gleich oder fast gleich der Fahrzeuggeschwindigkeit ist. Die genaue Formel für luftatmende Motoren, wie sie in der Literatur angegeben ist, ist

wobei c die Abgasgeschwindigkeit und v die Geschwindigkeit des Flugzeugs ist.

Bereich

Bei einem Langstreckenjet, der in der Stratosphäre operiert , ist die Schallgeschwindigkeit konstant, daher führt das Fliegen mit einem festen Anstellwinkel und einer konstanten Machzahl dazu, dass das Flugzeug steigt, ohne den Wert der lokalen Schallgeschwindigkeit zu ändern. In diesem Fall:

wo ist die Reise-Mach-Zahl und die lokale Schallgeschwindigkeit. Die Reichweitengleichung kann wie folgt dargestellt werden:

die nach dem französischen Luftfahrtpionier Louis Charles Breguet als Breguet-Reichweitengleichung bekannt ist .

Siehe auch

Verweise

Zitate

Literaturverzeichnis

  • Butler, Phil; Buttler, Tony (2006). Gloster Meteor: Großbritanniens gefeierter Jet der ersten Generation . Surrey, Großbritannien: Midland Publishing. P. 23. ISBN 1-85780-230-6.
  • Lutz Warsitz: The First Jet Pilot – The Story of German Test Pilot Erich Warsitz , Pen and Sword Books Ltd., England, 2009, ISBN  978-1-84415-818-8 , Englische Ausgabe
  • Radinger, Will; Schick, Walter Schick (1996). Me 262 (auf Deutsch). Berlin: Avantic Verlag GmbH. ISBN 978-3-925505-21-8.


Externe Links