Düsenflugzeug: Der Abgasstrahl des Strahltriebwerks erzeugt Schub
In der Verkehrs- und Militärfliegerei haben heute die Düsenflugzeuge die größte Bedeutung. Sie sind mit Turbinen-Luftstrahltriebwerken (TL-Triebwerken) ausgerüstet und ermöglichen hohe Geschwindigkeiten. Verkehrsflugzeuge erreichen heute üblicherweise Geschwindigkeiten von fast 1000 km/h.
Antriebsprinzip
Bei Düsenflugzeugen wird der erforderliche Vortrieb durch einen Abgasstrahl erzeugt. Nach hinten aus dem Triebwerk strömende Verbrennungsgase üben eine nach vorne gerichtete Reaktionskraft auf das Flugzeug aus (Rückstoß, Schub). Als Brenngas wird Luft verwendet, die ständig aus der Umgebung angesaugt werden kann und in der Brennkammer mit dem Treibstoff verbrannt wird. Durch die Temperatursteigerung bei der Verbrennung kommt es zu einer starken Ausdehnung der Verbrennungsgase, die daher mit hoher Geschwindigkeit durch die Turbine und die Schubdüse ausströmen.
Ausführung von Turbinen-Luftstrahltriebwerken
Im Prinzip stellt das TL-Triebwerk eine Vereinfachung des Propeller-Luftstrahltriebwerks (PTL) dar. Da Propeller und Propeller-Getriebe entfallen, besteht ein TL-Triebwerk prinzipiell nur aus dem Verdichter, der Brennkammer und der Turbine. Die Luft wird angesaugt, verdichtet und in der Brennkammer zusammen mit Treibstoff verbrannt. Während beim PTL-Triebwerk die aus der Brennkammer ausströmenden Gase fast vollständig zum Antrieb des Propellers genutzt werden, haben TL-Triebwerke nur kleine Turbinen, die gerade genügend Antriebsleistung für den Verdichter sowie für einige Hilfsaggregate erzeugen. Daher können die ausströmenden Gase weitgehend ungehindert nach hinten durch die Düse ausströmen und den erforderlichen Schub erzeugen. Die hohe Ausströmgeschwindigkeit der Verbrennungsgase, die ein Mehrfaches der Schallgeschwindigkeit betragen kann, ermöglicht sehr schnelle Düsenflugzeuge.
Bei modernen TL-Triebwerken wird allerdings nicht die gesamte angesaugte Luft durch die Brennkammer zur Düse geleitet, sondern ein großer Teil wird in einem Ringkanal außen um die Brennkammer herumgeführt und erst in der Düse mit den Verbrennungsgasen gemischt. Es wird nur soviel Luft in der Brennkammer erhitzt, wie für den Antrieb der Turbine und somit des Verdichters notwendig sind. Diese Zweikreistriebwerke oder Mantelstromtriebwerke haben einen wesentlich verbesserten Wirkungsgrad gegenüber einfachen TL-Triebwerken. Für den Antrieb von Großraumflugzeugen werden Fan-Triebwerke (Mantelstromtriebwerke mit großem Nebenstromverhältnis) verwendet. Fan-Triebwerke, bei denen der Anteil der vorbeigeführten Luft sehr groß ist, sind erkennbar an großen Bläserrädern am Triebwerkseingang. Etwa 70-80 % der angesaugten Luft werden als kalter Sekundärstrom um das eigentliche Triebwerk herumgeführt und in einer Sekundärschubdüse hoch beschleunigt. Der überwiegende Teil des Schubes wird durch diesen Nebenstrom erzeugt. Neben gutem Wirkungsgrad und entsprechend reduziertem Treibstoffverbrauch ist auch die Lärmentwicklung durch den relativ langsam drehenden Bläser geringer als bei den Triebwerken älterer Bauart.
Überschallflug
Düsenstrahltriebwerke ermöglichen Fluggeschwindigkeiten, die schneller als der Schall sind. Die Schallgeschwindigkeit hat jedoch keinen konstanten Wert, sondern hängt vom Luftdruck und damit von der Temperatur ab, die mit zunehmender Höhe immer geringer wird. Der Mach-1-Wert (Mach-Zahl Ma = 1) gibt die höhenabhängige Schalleschwindigkeit an.
So wie Schiffe um sich herum Wellen erzeugen, so entstehen auch bei einem Flugzeug Luftschwingungen, die als kugelförmige Schallwellen in alle Richtungen abgestrahlt werden. Befindet sich das Flugzeug in Ruhe, so sind die abgestrahlten Schallwellen symmetrisch. Hat das Flugzeug eine Geschwindigkeit niedriger als die Schallgeschwindigkeit, so sind die Schallwellen unsymmetrisch. Ein entfernter Beobachter nimmt die erzeugten Luftdruckschwankungen dennoch als gleichmäßiges Geräusch wahr. Bei einem Flugzeug, das sich der Schallgeschwindigkeit nähert, wird der Abstand der »Wellenberge« vor dem Flugzeug immer geringer, da das Flugzeug den abgestrahlten Wellen folgt. Bei Erreichen der Schallgeschwindigkeit konzentrieren sich die abgestrahlten Wellenberge zu einer einzigen Wellenfront mit hoher Energiedichte, der »Schallmauer«. Ein Beobachter, der sich vor der Schallmauer befindet, hört nicht, dass sich ein Flugzeug nähert. Er befindet sich in der »Zone des Schweigens«. Beim Überschallflug ist der Schallbereich auf einen kegelförmigen Raum hinter dem Flugzeug beschränkt, den machschen Kegel, dessen Öffnungswinkel μ von der jeweiligen Überschallgeschwindigkeit des Flugzeuges abhängt. Ein Beobachter nimmt den Schall als Knall erst wahr, wenn der Schallkegel über ihn hinweg zieht.