Wie funktioniert ein Strahltriebwerk und welche verschiedenen Typen gibt es?

Von den kühnen Träumen des Ikarus bis zu den Überschallflugzeugen von heute hat der Mensch die Grenzen des Himmels immer wieder erweitert.

Im Mittelpunkt dieser Eroberung der Lüfte steht eine revolutionäre Erfindung: das Strahltriebwerk. Dieses kraftvolle, komplexe und faszinierende Meisterwerk der Technik verwandelt eine einfache Verbrennung in eine phänomenale Kraft, die Hunderte von Tonnen durch die Wolken katapultieren kann.

Aber wie funktioniert sie wirklich? Welche physikalischen Prinzipien und historischen Innovationen haben ihn möglich gemacht?

Tauchen Sie ein in die Eingeweide dieser mechanischen Giganten, wo Wissenschaft auf pure Kraft trifft, und entdecken Sie die unglaubliche Geschichte der Motoren, die die Welt verändert haben.

Die Geschichte der Düsentriebwerke: ein wissenschaftliches und technisches Epos

Seit der Antike träumt der Mensch davon, den Himmel zu erobern. Der Mythos von Ikarus, der mit Flügeln aus Vogelfedern davonfliegt, veranschaulicht dieses uralte Streben. Es sollte jedoch noch Jahrhunderte dauern, bis Wissenschaft und Technik diesen Traum in die Realität umsetzten.

Die theoretischen Anfänge (16ᵉ-18ᵉ Jahrhunderte)

Im 16ᵉ Jahrhundert skizzierte Leonardo da Vinci die ersten Flugmaschinen, die von Vögeln inspiriert waren. Zu dieser Zeit war die einzige verfügbare Antriebskraft jedoch noch die Muskelkraft. Die wissenschaftlichen Grundlagen des Fliegens entstehen erst im 17ᵉ und 18ᵉ Jahrhundert durch die Arbeiten von :

• Isaac Newton (Gesetze der Dynamik),
• Daniel Bernoulli (Prinzip des aerodynamischen Auftriebs).

Die ersten Errungenschaften (19ᵉ Jahrhundert)

Die industrielle Revolution ebnete den Weg für konkrete Experimente:

• Im Jahr 1890 gelang es dem Franzosen Clément Ader, seine Éole, ein Flugzeug mit Dampfmotor, das vom Flug der Fledermäuse inspiriert war, in die Luft zu bringen. Obwohl dieses Flugzeug nicht sehr wendig war, stellte es einen entscheidenden Schritt dar.
• Am 17. Dezember 1903 gelang den Brüdern Orville und Wilbur Wright mit ihrem Flyer, der von einem Verbrennungsmotor angetrieben wurde, der erste motorisierte und kontrollierte Flug.

Das Aufkommen des Strahltriebwerks (20ᵉ Jahrhundert)

Die ersten Flugzeuge verwendeten zwar Propeller, doch die Grenzen dieser Technologie veranlassten die Ingenieure, nach einer Alternative zu suchen. Die Arbeiten am Düsenantrieb begannen bereits in den 1930er Jahren mit Pionieren wie :

• Frank Whittle (Großbritannien),
• Hans von Ohain (Deutschland).

Das erste einsatzfähige Düsenflugzeug, die Messerschmitt Me 262, wurde 1944 in Dienst gestellt und revolutionierte die moderne Luftfahrt.

Heute sind Strahltriebwerke in den meisten zivilen und militärischen Flugzeugen zu finden und bieten Geschwindigkeit, Leistung und Effizienz. Diese von Kühnheit und Innovation geprägte Geschichte zeigt, wie der Mensch die Grenzen des Möglichen immer weiter hinausgeschoben hat.

Wie ein Strahltriebwerk funktioniert

Ursprung und Entwicklung

Das erste Strahltriebwerk oder Turbostrahltriebwerk wurde 1939 von den Deutschen entwickelt. Es war jedoch das Ergebnis einer jahrhundertelangen Forschungsarbeit.

Die Funktionsweise der heute verwendeten Triebwerke wird in diesem Video vereinfacht :

Grundlegendes Prinzip

die Funktionsweise eines Strahltriebwerks beruht auf einer genauen Abfolge:

1. Ansaugen und Verdichten

Luft wird von einem Gebläse angesaugt und dann ständig verdichtet.

2. Verbrennung

Die komprimierte Luft gelangt in die Brennkammer, wo sie mit Kerosin vermischt und dann entzündet wird. Durch die hervorgerufene Reaktion werden Gase bei hoher Temperatur und hohem Druck expandiert.

3. Entspannung und Antrieb

Die expandierten Gase werden mit sehr hoher Geschwindigkeit durch eine konvergierende (sich verjüngende) Düse nach hinten ausgestoßen, wodurch ein Vorwärtsschub entsteht (nach dem Newtonschen Prinzip: Aktion – Reaktion).

4. Kontinuierliche Zufuhr

Beim Austritt bewegen die Gase eine Turbine, die sich auf derselben Achse wie der Kompressor befindet. Die Bewegung der Turbine bewirkt somit die Bewegung des Kompressors, wodurch sich der Zyklus fortsetzen kann, solange der Motor mit Strom versorgt wird.

Aerodynamische Unterstützung

Der Antrieb allein reicht nicht aus: Erst die Luftströmung an den Flügeln erzeugt den Auftrieb, der nötig ist, um das Flugzeug zu fliegen.

Aktuelle Herausforderungen

Fluggesellschaften und Flugzeughersteller arbeiten ständig daran, :

• Die Emissionen (CO₂, Partikel) durch Optimierung der Brennkammern zu reduzieren.
• Die Treibstoffeffizienz zu verbessern, z. B. durch Triebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis (z. B. Turbofan-Triebwerke).
• Den Treibstoffverbrauch senken, was eine große wirtschaftliche und ökologische Herausforderung darstellt.

Zur vereinfachten Veranschaulichung zeigt dieses Erklärvideo den Prozess im Detail.

Die Bewegungsgesetze von Newton

Im 17ᵉ Jahrhundert stellte Isaac Newton drei Grundgesetze auf, die die klassische Mechanik regeln:

1. Das Trägheitsprinzip: Ein Körper bleibt in Ruhe oder in gleichförmig geradliniger Bewegung, außer wenn eine Kraft auf ihn einwirkt.
2. Das Prinzip der Dynamik: Die auf ein Objekt ausgeübte Kraft ist gleich seiner Masse multipliziert mit seiner Beschleunigung (F = m × a).
3. Das Prinzip der Wechselwirkung (oder Aktion-Reaktion): Auf jede Aktion folgt eine Reaktion, die in ihrer Intensität gleich, in ihrer Richtung aber entgegengesetzt ist.

Anwendung auf den Reaktionsantrieb

Das dritte Newtonsche Gesetz ist das Herzstück der Funktionsweise von Strahltriebwerken. Wenn ein Flugzeug bei hoher Geschwindigkeit Gas nach hinten ausstößt, üben diese Gase eine Reaktionskraft (Schub) aus, die das Flugzeug nach vorne treibt. Je schneller und massiver der Gasstrahl ist, desto größer ist der Schub.

Der Flug von Flugzeugen und der Auftrieb

Dasselbe Gesetz erklärt auch, wie sich ein Flugzeug in der Luft hält:

• Die Flügel üben durch ihre Form und ihre Neigung eine nach unten gerichtete Kraft auf die Luft aus (Aktion).
• Als Reaktion darauf übt die Luft eine entgegengesetzte Kraft nach oben aus, den sogenannten Auftrieb, der das Gewicht des Flugzeugs ausgleicht.

So ermöglicht der Ausgleich der Kräfte (Schub, Luftwiderstand, Auftrieb und Gewicht) einen stabilen und kontrollierten Flug.

(Anmerkung: Diese Prinzipien sind auch in der Raumfahrt von entscheidender Bedeutung, wo der Antrieb von Raketen vollständig auf dem Gasausstoß nach dem dritten Newtonschen Gesetz beruht)

Das erste Strahltriebwerk: eine Revolution in der Luftfahrt

Die Anfänge: John Barber und die Gasturbine (1731)

Bereits 1731 stellte sich der Engländer John Barber ein Vorläuferkonzept für das Turbostrahltriebwerk vor, indem er Patente für eine Gasturbine mit innerer Verbrennung anmeldete.

Sein Motor enthält bereits die wichtigsten Elemente: einen Kompressor, eine Brennkammer und eine Turbine, die von einem Brennstoff angetrieben werden.

Leider konnte mit der damaligen Technologie nicht genug Leistung erzeugt werden, um es ordnungsgemäß zu betreiben.

Die Entwicklung der Gasturbinen wird dann vom Erfolg der Dampfturbinen überschattet, die zu dieser Zeit effizienter waren. Erst im XXᵉ Jahrhundert wurde die Idee wieder aufgegriffen.

Die Moderne: Whittle, Von Ohain und der Düsenantrieb

In den 1930er Jahren belebten die Arbeiten des Rumänen Henri Coandă und des Franzosen Maxime Guillaume das Interesse am Strahlantrieb neu. Es war jedoch der britische Ingenieur Sir Frank Whittle, der das Gebiet wirklich revolutionierte.

Whittle entwarf 1937 ein innovatives Turbostrahltriebwerk: Anstatt die Luft mit einem Kolbenmotor zu verdichten, installierte er eine nachgeschaltete Turbine, die die Energie der Abgase nutzte, um den Kompressor anzutreiben. Diese Architektur macht den Motor leistungsstärker und sparsamer als die Kolbenmodelle.

Fast gleichzeitig entwickelte der Deutsche Hans von Ohain einen ähnlichen Motor für die Firma Heinkel. Im Jahr 1939 wird die Heinkel He-178 zum ersten Düsenflugzeug der Welt. Ihr Jungfernflug wird jedoch verkürzt, nachdem ein Vogel in das Triebwerk eingesogen wurde.

Das Wettrüsten und der Aufschwung der modernen Luftfahrt

Der Zweite Weltkrieg beschleunigte den technologischen Fortschritt. Deutschland und Großbritannien lieferten sich ein Wettrennen um die beste Leistung, während die USA und die UdSSR nach 1945 schnell aufholten. Frankreich, das durch die Besatzung zurückgeworfen wurde, schloss sich dem Wettbewerb erst später an.

Ab den 1950er Jahren wurden die ersten zivilen Flugzeuge mit Turbostrahltriebwerken ausgestattet, was den Beginn einer neuen Ära im Luftverkehr bedeutete.

Diese Innovation, die aus einer Reihe von Fehlschlägen und Durchbrüchen entstand, veränderte die Luftfahrt endgültig und bot schnellere, leistungsfähigere und zuverlässigere Flugzeuge.

Heinkel He-178 – Bildnachweis: Wikimedia Commons

Welche Arten von Strahltriebwerken gibt es?

Es gibt mehrere Kategorien von Strahltriebwerken, die jeweils auf bestimmte Anforderungen zugeschnitten sind:

1. Turbostrahltriebwerke

Generell wird mithilfe von Turbostrahltriebwerken die in einem Treibstoff enthaltene chemische Energie in Bewegungsenergie umgewandelt.

Die Entwicklung von Turbostrahltriebwerken ist seit ihrer Entstehung ein wichtiges Anliegen, sowohl im militärischen als auch im zivilen Bereich.

Sie lassen sich in zwei Untertypen unterteilen:

• Turbostrahltriebwerke mit Zentrifugalverdichter: Turbostrahltriebwerke mit Zentrifugalverdichter sind einfach herzustellen und robust. Sie erfordern jedoch einen Motor mit großem Durchmesser, wodurch die Endgeschwindigkeit des Flugzeugs sinkt.
• Turbotriebwerke mit Axialverdichter: Diese sind dank einer Reihe von Propellern, die die Luft komprimieren, leistungsfähiger. Sie erfordern jedoch fortschrittlichere Materialien.

In beiden Fällen muss das Triebwerk in der Lage sein, Temperaturen von bis zu 2000 °C standzuhalten.

2. Doppelstromtriebwerke (Turbofan)

Bei einem Doppelstromtriebwerk befindet sich ein Gebläse vor dem Kompressor. Es saugt eine größere Menge Luft an, die sich dann in zwei Ströme aufteilt:

• Primärstrom: Der Primärstrom strömt in die Brennkammer, ist also ein Heißluftstrom.
• Sekundärstrom: Der Sekundärstrom wird direkt auf beiden Seiten des Triebwerks ausgestoßen und ist ein kalter Luftstrom, der 80% des Schubs liefert.

Am Auslass vermischt sich die kalte Luft mit der warmen Luft, was zu einer Abkühlung führt. Dieses System ist in den meisten Verkehrsflugzeugen zu finden, da es den Schub verbessert und den Lärm des Triebwerks reduziert.

Zweiflutiges Triebwerk – Bildnachweis: Wikipedia

3. Staustrahltriebwerke

Staustrahltriebwerke werden heute in Kampfflugzeugen und Raketen eingesetzt, da sie sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen können.

• Vorteile: Sie haben einen höheren Schub, da Treibstoff in die Brennkammer zurückgeführt wird, was man als Nachverbrennung bezeichnet. Außerdem haben sie keine beweglichen Teile und sind daher leicht.
• Nachteile: Sie benötigen eine Anfangsgeschwindigkeit, um zu funktionieren, und vertragen extreme Temperaturen auf Dauer nur schlecht.

Superstator-Triebwerke (wie das Concorde-Triebwerk, ein Hybrid aus Turbo- und Staustrahltriebwerk) erreichen Überschallgeschwindigkeiten.

4. Turboprop-Triebwerke

Turbofan-Triebwerke erhöhen ihren Schub, indem sie so viel Gas wie möglich ausstoßen. Bei Turboprop-Triebwerken ist dies nicht der Fall.

Diese verlassen sich auf die Drehkraft eines Propellers, der an der Außenseite des Flugzeugs befestigt ist, um den Großteil des Schubs zu liefern.

Turboprop-Triebwerke sind die wirtschaftlichste Lösung für Kurzstreckenflüge. Sie sind effizienter und verbrauchen weniger Treibstoff, sind aber in Bezug auf Flughöhe und Entfernung begrenzt.

Wenn Sie mehr über die verschiedenen Modelle von Turboprop-Flugzeugen erfahren möchten, besuchen Sie diese Seite.

Bildnachweis: Wikimedia Commons

5. Turbomotoren (für Hubschrauber)

Turbomotoren wurden für Hubschrauber entwickelt. Wie Turbostrahltriebwerke sind sie mit einer Turbine ausgestattet.

Die heute produzierten Hubschrauber, wie der Dauphin, haben eine freistehende Turbine.

Diese wird die kinetische und thermische Energie der Abgase in mechanische Energie umwandeln.

Außerdem sorgt sie dafür, dass sich die Rotorblätter des Hubschraubers mit einer anderen Geschwindigkeit als die des Kompressors drehen und so die Stabilität des Flugzeugs gewährleisten.