Pulsstrahltriebwerk

Diagramm eines Impulsstrahls ⓘ

Ein Impulsstrahltriebwerk (oder Impulsstrahl) ist eine Art von Strahltriebwerk, bei dem die Verbrennung in Impulsen erfolgt. Ein Impulsstrahltriebwerk kann mit wenigen oder gar keinen beweglichen Teilen hergestellt werden und ist in der Lage, statisch zu laufen (d. h. es muss keine Luft in seinen Einlass gepresst werden, normalerweise durch Vorwärtsbewegung). ⓘ

Impulsstrahltriebwerke sind eine leichte Form des Strahlantriebs, haben aber in der Regel ein schlechtes Verdichtungsverhältnis und daher einen niedrigen spezifischen Impuls. ⓘ

Es gibt zwei Haupttypen von Impulsstrahltriebwerken, die beide mit Resonanzverbrennung arbeiten und die sich ausdehnenden Verbrennungsprodukte zur Bildung eines pulsierenden Abgasstrahls nutzen, der intermittierend Schub erzeugt. Der erste Typ ist als Ventil- oder herkömmlicher Pulsjet bekannt und verfügt über eine Reihe von Einwegventilen, durch die die einströmende Luft strömt. Bei der Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches werden diese Ventile geschlossen, so dass die heißen Gase nur durch das Auspuffrohr des Triebwerks austreten können, wodurch ein Vorwärtsschub erzeugt wird. Die zweite Art von Impulsstrahltriebwerken ist als ventilloses Impulsstrahltriebwerk bekannt. Die technische Bezeichnung für dieses Triebwerk lautet akustischer Pulsstrahl oder aerodynamisch ventilierter Pulsstrahl. ⓘ

Eine bemerkenswerte Forschungsrichtung im Bereich der Pulsjet-Triebwerke ist das Puls-Detonations-Triebwerk, bei dem es zu wiederholten Detonationen im Triebwerk kommt und das potenziell eine hohe Verdichtung und einen recht guten Wirkungsgrad erzielen kann. ⓘ

Schema eines Verpuffungsstrahltriebwerks (links) und einer fliegenden Bombe V1 (rechts) ⓘ

Das Pulsstrahltriebwerk, z. T. auch als Pulsrohr, Pulso-Schubrohr, Pulso-Triebwerk oder Verpuffungsstrahltriebwerk bekannt, ist ein Strahltriebwerk. ⓘ

Geschichte

Ramon Casanova und das von ihm konstruierte und 1917 patentierte Impulsstrahltriebwerk ⓘ

Der russische Erfinder und pensionierte Artillerieoffizier Nikolaj Afanasievich Teleshov ließ sich 1867 einen Dampf-Pulsstrahlmotor patentieren, während der schwedische Erfinder Martin Wiberg ebenfalls für sich in Anspruch nimmt, den ersten Pulsjet in Schweden erfunden zu haben, wobei die Einzelheiten unklar sind. ⓘ

Der erste funktionierende Impulsstrahl wurde 1906 von dem russischen Ingenieur W.W. Karawodin patentiert, der 1907 ein funktionierendes Modell fertigstellte. Der französische Erfinder Georges Marconnet patentierte 1908 sein ventilloses Pulsstrahltriebwerk, und Ramon Casanova in Ripoll, Spanien, ließ 1917 in Barcelona ein Pulsstrahltriebwerk patentieren, nachdem er 1913 mit dem Bau eines solchen begonnen hatte. Robert Goddard erfand 1931 ein Impulsstrahltriebwerk und führte es an einem Fahrrad mit Düsenantrieb vor. Der Ingenieur Paul Schmidt leistete Pionierarbeit für eine effizientere Konstruktion, die auf einer Modifizierung der Einlassventile (oder Klappen) beruhte und ihm 1933 die Unterstützung des deutschen Luftfahrtministeriums einbrachte. ⓘ

1909 entwickelte Georges Marconnet den ersten pulsierenden Verbrennungsmotor ohne Ventile. Sie war der Großvater aller ventillosen Impulsdüsen. Das ventillose Pulsstrahltriebwerk wurde Ende der 1940er Jahre von der französischen Antriebsforschungsgruppe SNECMA (Société Nationale d'Étude et de Construction de Moteurs d'Aviation) erprobt. ⓘ

Der erste weit verbreitete Einsatz des ventillosen Impulsstrahls war die niederländische Drohne Aviolanda AT-21 ⓘ

Argus As 109-014

Argus As 014-Impulsstrahltriebwerk einer V-1-Flugbombe im Royal Air Force Museum London ⓘ

1934 schlugen Georg Hans Madelung und der Münchner Paul Schmidt dem deutschen Luftfahrtministerium eine "fliegende Bombe" vor, die von Schmidts Pulsstrahl angetrieben wurde. Madelung war Miterfinder des Bandfallschirms, einer Vorrichtung zur Stabilisierung der V-1 im Endsturz. Schmidts Bombenprototyp entsprach nicht den Anforderungen des deutschen Luftfahrtministeriums, vor allem wegen der geringen Zielgenauigkeit, Reichweite und der hohen Kosten. Im Gegensatz zur späteren V-1, bei der sich das Triebwerk über dem Sprengkopf und dem Rumpf befand, war bei Schmidts ursprünglichem Entwurf das Impulsstrahltriebwerk in einem Rumpf untergebracht, wie bei einem modernen Düsenjäger. ⓘ

Die Firma Argus begann ihre Arbeit auf der Grundlage von Schmidts Entwurf. Andere deutsche Hersteller, die an ähnlichen Impulsdüsen und fliegenden Bomben arbeiteten, waren die Firma Askania, Robert Lusser von Fieseler, Dr. Fritz Gosslau von Argus und die Firma Siemens, die alle gemeinsam an der V-1 arbeiteten. ⓘ

Unter der Leitung von Schmidt, der nun für Argus arbeitete, wurde der Impulsstrahl perfektioniert und offiziell unter der RLM-Bezeichnung Argus As 109-014 bekannt. Der erste unmotorisierte Abwurf fand am 28. Oktober 1942 in Peenemünde statt, der erste Motorflug am 10. Dezember 1942. ⓘ

Die Impulsdüse wurde als hervorragendes Gleichgewicht zwischen Kosten und Funktion bewertet: eine einfache Konstruktion, die bei minimalen Kosten gute Leistungen erbrachte. Er konnte mit jeder Erdölsorte betrieben werden, und das Zündverschlusssystem sollte nicht länger als die normale Flugdauer der V-1 von einer Stunde halten. Obwohl der Schub für den Start nicht ausreichte, konnte die Resonanzdüse der V-1 im Stand auf der Startrampe arbeiten. Die einfache Resonanzkonstruktion, die auf dem Verhältnis (8,7:1) zwischen dem Durchmesser und der Länge des Auspuffrohrs basierte, ermöglichte die Aufrechterhaltung des Verbrennungszyklus und erreichte eine stabile Resonanzfrequenz von 43 Zyklen pro Sekunde. Das Triebwerk erzeugte einen Standschub von 2.200 N (490 lbf) und im Flug etwa 3.300 N (740 lbf). ⓘ

Die Zündung des As 014 erfolgte über eine einzelne Zündkerze, die etwa 75 cm hinter der vorderen Ventilanordnung angebracht war. Der Zündfunke diente nur für die Startsequenz des Triebwerks; die Argus As 014 benötigte, wie alle Impulsdüsen, keine Zündspulen oder Magnetos für die Zündung - die Zündquelle war der Schweif des vorangehenden Feuerballs während des Laufs. Das Triebwerksgehäuse lieferte nicht genügend Wärme, um eine dieselartige Zündung des Treibstoffs zu bewirken, da die Kompression in einem Impulsstrahltriebwerk unbedeutend ist. ⓘ

Die Ventilanordnung der Argus As 014 basierte auf einem Verschlusssystem, das mit der Triebwerksfrequenz von 43 bis 45 Zyklen pro Sekunde arbeitete. ⓘ

Drei Luftdüsen an der Vorderseite des Argus As 014 waren mit einer externen Hochdruckquelle verbunden, um das Triebwerk zu starten. Als Brennstoff für die Zündung wurde Acetylen verwendet, wobei die Techniker ein Ablenkblech aus Holz oder Pappe in das Auspuffrohr legen mussten, um die Diffusion des Acetylens vor der vollständigen Zündung zu verhindern. Sobald der Motor gezündet und die Mindestbetriebstemperatur erreicht war, wurden die externen Schläuche und Anschlüsse entfernt. ⓘ

Da die V-1 ein Marschflugkörper war, hatte sie kein Fahrwerk. Stattdessen wurde die Argus As 014 auf einer schrägen Rampe gestartet, die von einem kolbengetriebenen Dampfkatapult angetrieben wurde. Die Dampfkraft zum Zünden des Kolbens wurde durch die heftige exotherme chemische Reaktion erzeugt, die bei der Kombination von Wasserstoffperoxid und Kaliumpermanganat (T-Stoff und Z-Stoff genannt) entsteht. ⓘ

Die wichtigste militärische Verwendung des Impulsstrahltriebwerks war mit der Serienproduktion des Argus As 014 (dem ersten Impulsstrahltriebwerk, das jemals in Serie produziert wurde) die Verwendung für die V-1-Flugbombe. Das charakteristische Dröhngeräusch des Triebwerks brachte ihm die Spitznamen "Buzz Bomb" oder "Doodlebug" ein. Die V-1 war ein deutscher Marschflugkörper, der im Zweiten Weltkrieg eingesetzt wurde, am bekanntesten bei der Bombardierung Londons im Jahr 1944. Die Konstrukteure der V-1 entschieden sich angesichts der Materialknappheit und der überlasteten deutschen Industrie in dieser Phase des Krieges für den Einsatz von Pulsejet-Triebwerken, da diese billig und einfach zu bauen waren. Die Konstrukteure moderner Marschflugkörper wählen für den Antrieb keine Impulsstrahltriebwerke, sondern Turbojets oder Raketentriebwerke. Die einzigen anderen Anwendungen des Impulsstrahls, die in Nazi-Deutschland das Hardware-Stadium erreichten, waren die Messerschmitt Me 328 und ein experimentelles Einpersonenfluggerät-Projekt für die deutsche Wehrmacht. ⓘ

Das technische Personal von Wright Field baute die V-1 aus den Überresten einer in Großbritannien nicht detonierten Rakete nach. Das Ergebnis war die JB-2 Loon, deren Zelle von Republic Aviation gebaut wurde, während das Argus As 014-Impulsstrahltriebwerk, bekannt unter der amerikanischen Bezeichnung PJ31, von der Ford Motor Company hergestellt wurde. ⓘ

General Hap Arnold von den United States Army Air Forces war besorgt darüber, dass diese Waffe aus Stahl und Holz in 2000 Arbeitsstunden und zu ungefähren Kosten von 600 US-Dollar (im Jahr 1943) gebaut werden könnte. ⓘ

Entwurf

Animation eines Pulsstrahltriebwerks ⓘ

Impulsstrahltriebwerke zeichnen sich durch Einfachheit, niedrige Baukosten und einen hohen Lärmpegel aus. Während das Schub-Gewichts-Verhältnis hervorragend ist, ist der schubspezifische Kraftstoffverbrauch sehr schlecht. Das Pulsstrahltriebwerk nutzt den Lenoir-Zyklus, der ohne einen externen Kompressionsantrieb wie den Kolben des Otto-Zyklus oder die Kompressionsturbine des Brayton-Zyklus die Kompression durch akustische Resonanz in einem Rohr antreibt. Dadurch wird das maximale Druckverhältnis vor der Verbrennung auf etwa 1,2 zu 1 begrenzt. ⓘ

Aufgrund des hohen Geräuschpegels sind sie in der Regel nur für militärische und andere, ähnlich eingeschränkte Anwendungen geeignet. Pulsejets werden jedoch in großem Umfang als industrielle Trocknungssysteme eingesetzt, und die Erforschung dieser Motoren für Anwendungen wie Hochleistungsheizungen, Biomasseumwandlung und alternative Energiesysteme hat einen Aufschwung erlebt, da Pulsejets mit fast allem betrieben werden können, was brennt, einschließlich partikelförmiger Brennstoffe wie Sägemehl oder Kohlepulver. ⓘ

Impulsdüsen wurden für den Antrieb von Versuchshubschraubern verwendet, wobei die Motoren an den Enden der Rotorblätter angebracht sind. Beim Antrieb von Hubschrauberrotoren haben Impulsdüsen gegenüber Turbinen- oder Kolbentriebwerken den Vorteil, dass sie kein Drehmoment auf den Rumpf ausüben, da sie keine Kraft auf die Welle ausüben, sondern die Spitzen schieben. Ein Hubschrauber kann dann ohne Heckrotor und das dazugehörige Getriebe und die Antriebswelle gebaut werden, was das Flugzeug vereinfacht (die zyklische und kollektive Steuerung des Hauptrotors ist weiterhin erforderlich). Dieses Konzept wurde bereits 1947 in Erwägung gezogen, als die American Helicopter Company mit der Arbeit an ihrem XA-5 Top Sergeant-Hubschrauberprototyp begann, der von Impulsstrahltriebwerken an den Rotorspitzen angetrieben wurde. Der XA-5 flog zum ersten Mal im Januar 1949, gefolgt vom XA-6 Buck Private mit demselben Pulsjet-Konzept. Ebenfalls 1949 baute und testete Hiller Helicopters den Hiller Powerblade, den weltweit ersten Druckstrahlrotor mit heißem Zyklus. Hiller wechselte zu kopfmontierten Staustrahltriebwerken, aber American Helicopter entwickelte im Auftrag der US-Armee den XA-8. Er flog erstmals 1952 und war als XH-26 Jet Jeep bekannt. Er verwendete XPJ49-Pulsdüsen, die an den Rotorspitzen montiert waren. Die XH-26 erfüllte alle wichtigen Konstruktionsziele, aber die Armee stellte das Projekt ein, weil der Geräuschpegel der Impulsdüsen inakzeptabel war und der Luftwiderstand der Impulsdüsen an den Rotorspitzen Autorotationslandungen sehr problematisch machte. Es wurde behauptet, dass der Rotorspitzenantrieb die Produktionskosten von Drehflüglern auf 1/10 der Kosten für konventionell angetriebene Drehflügler senken würde. ⓘ

Impulsdüsen wurden auch in Steuerleinen- und funkgesteuerten Modellflugzeugen eingesetzt. Der Geschwindigkeitsrekord für Modellflugzeuge mit Pulse-Jet-Antrieb liegt bei über 200 Meilen pro Stunde (323 km/h). ⓘ

Die Geschwindigkeit eines frei fliegenden, funkgesteuerten Pulsjets wird durch die Einlasskonstruktion des Motors begrenzt. Bei etwa 450 km/h (280 mph) hören die Ventilsysteme der meisten Ventiltriebwerke aufgrund des Staudrucks auf, sich vollständig zu schließen, was zu einem Leistungsverlust führt. ⓘ

Mit der variablen Ansauggeometrie kann der Motor bei den meisten Geschwindigkeiten seine volle Leistung erbringen, indem er für die Geschwindigkeit optimiert wird, mit der die Luft in den Pulsejet eintritt. Ventillose Konstruktionen werden durch den Staudruck nicht so stark beeinträchtigt wie andere Konstruktionen, da sie nie dazu gedacht waren, den Luftstrom aus dem Ansaugtrakt zu stoppen, und können ihre Leistung bei höheren Geschwindigkeiten erheblich steigern. ⓘ

Ein weiteres Merkmal von Impulsstrahltriebwerken ist, dass ihr Schub durch einen speziell geformten Kanal hinter dem Triebwerk erhöht werden kann. Der Kanal wirkt wie ein ringförmiger Flügel, der den pulsierenden Schub ausgleicht, indem er die aerodynamischen Kräfte im Abgas des Pulsstrahltriebwerks nutzt. Der Kanal, der in der Regel als Augmentor bezeichnet wird, kann den Schub eines Pulsjets ohne zusätzlichen Treibstoffverbrauch deutlich erhöhen. Schubsteigerungen von bis zu 100 % sind möglich, was zu einer wesentlich höheren Treibstoffeffizienz führt. Je größer der Augmenter-Kanal ist, desto mehr Luftwiderstand erzeugt er jedoch, und er ist nur in bestimmten Geschwindigkeitsbereichen wirksam. ⓘ

Betrieb

Entwürfe mit Ventilen

Schematische Darstellung eines Impulsstrahls. Erster Teil des Zyklus: Luft strömt durch den Einlass (1) und wird mit Kraftstoff vermischt (2). Zweiter Teil: Das Ventil (3) wird geschlossen und das gezündete Kraftstoff-Luft-Gemisch (4) treibt das Fahrzeug an. ⓘ

Pulsstrahltriebwerke mit Ventilen verwenden ein mechanisches Ventil, um den Fluss der sich ausdehnenden Abgase zu steuern und das heiße Gas zu zwingen, nur durch das Endrohr aus dem Motor zu strömen, während frische Luft und mehr Kraftstoff durch den Ansaugstutzen einströmen, da die Trägheit der entweichenden Abgase nach jeder Detonation für den Bruchteil einer Sekunde ein Teilvakuum erzeugt. Dadurch werden zwischen den Impulsen zusätzliche Luft und Kraftstoff angesaugt. ⓘ

Das Pulsjet mit Ventilen besteht aus einem Einlass mit einer Einwegventilanordnung. Die Ventile verhindern, dass das explosive Gas des gezündeten Kraftstoffgemischs in der Brennkammer austritt und den Ansaugluftstrom unterbricht, obwohl es bei allen praktischen Pulsdüsen mit Ventilen zu einem gewissen "Rückschlag" kommt, wenn sie statisch oder mit niedriger Geschwindigkeit laufen, da die Ventile nicht schnell genug schließen können, um zu verhindern, dass ein Teil des Gases durch den Einlass austritt. Die überhitzten Abgase treten durch ein akustisch resonantes Auspuffrohr aus. ⓘ

Das Einlassventil ist in der Regel ein Lamellenventil. Die beiden gängigsten Konfigurationen sind das Gänseblümchenventil und das rechteckige Ventilgitter. Ein Gänseblümchenventil besteht aus einer dünnen Materialplatte, die als Zunge dient und die Form eines stilisierten Gänseblümchens mit "Blütenblättern" hat, die sich zu ihren Enden hin verbreitern. Jedes "Blütenblatt" bedeckt an seiner Spitze eine runde Ansaugöffnung. Das Gänseblümchenventil wird in der Mitte mit dem Verteiler verschraubt. Obwohl es in kleinem Maßstab einfacher zu bauen ist, ist es weniger effektiv als ein Ventilgitter. ⓘ

Die Taktfrequenz hängt in erster Linie von der Länge des Motors ab. Bei einem kleinen Modellmotor kann die Frequenz bei etwa 250 Impulsen pro Sekunde liegen, während sie bei einem größeren Motor, wie dem der deutschen V-1-Flugbombe, eher bei 45 Impulsen pro Sekunde liegt. Der niederfrequente Ton führte dazu, dass die Raketen den Spitznamen "Brummtonbomben" erhielten. ⓘ

Ventillose Konstruktionen

Ventillose Impulsstrahltriebwerke haben keine beweglichen Teile und nutzen nur ihre Geometrie, um den Abgasstrom aus dem Triebwerk zu steuern. Ventillose Pulsjet-Triebwerke stoßen die Abgase sowohl aus dem Einlass als auch aus dem Auslass aus, wobei der Großteil der erzeugten Kraft durch den größeren Querschnitt des Auslasses austritt. Die größere Masse, die den breiteren Auspuff verlässt, hat eine größere Trägheit als der Rückstrom aus dem Ansaugtrakt, so dass nach jeder Detonation für den Bruchteil einer Sekunde ein Unterdruck entsteht, der die Strömung des Ansaugtrakts in die richtige Richtung umkehrt und somit mehr Luft und Kraftstoff ansaugt. Dies geschieht Dutzende Male pro Sekunde. ⓘ

Der ventillose Pulsejet arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie der Pulsejet mit Ventil, aber das "Ventil" ist die Geometrie des Motors. Der Kraftstoff wird entweder als Gas oder als zerstäubter Flüssigkeitsstrahl mit der Luft im Ansaugtrakt vermischt oder direkt in den Brennraum eingespritzt. Zum Anlassen des Motors sind in der Regel Druckluft und eine Zündquelle, z. B. eine Zündkerze, für das Kraftstoff-Luft-Gemisch erforderlich. Bei modernen Motorkonstruktionen kann fast jede Konstruktion so gestaltet werden, dass sie selbststartend ist, indem der Motor mit Kraftstoff und einem Zündfunken versorgt wird, so dass der Motor ohne Druckluft anspringt. Sobald der Motor läuft, muss er nur noch mit Kraftstoff versorgt werden, um einen sich selbst erhaltenden Verbrennungszyklus aufrechtzuerhalten. ⓘ

Der Verbrennungszyklus umfasst je nach Motor fünf oder sechs Phasen: Ansaugung, Verdichtung, (optional) Kraftstoffeinspritzung, Zündung, Verbrennung und Auspuff. ⓘ

Beginnend mit der Zündung im Brennraum wird durch die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ein hoher Druck aufgebaut. Das unter Druck stehende Verbrennungsgas kann nicht nach vorne durch das Einweg-Einlassventil entweichen und tritt daher nur nach hinten durch das Auspuffrohr aus. ⓘ

Durch die Trägheitsreaktion dieses Gasstroms erzeugt das Triebwerk einen Schub, der zum Vortrieb einer Flugzeugzelle oder eines Rotorblatts genutzt wird. Die Trägheit des wandernden Abgases bewirkt einen niedrigen Druck in der Brennkammer. Dieser Druck ist geringer als der Ansaugdruck (vor dem Einwegventil), und so beginnt die Ansaugphase des Zyklus. ⓘ

Bei den einfachsten Impulsstrahltriebwerken erfolgt diese Ansaugung über eine Venturi-Düse, die den Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorrat ansaugt. Bei komplexeren Motoren kann der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt werden. In der Ansaugphase wird der Kraftstoff in zerstäubter Form in den Brennraum eingespritzt, um das Vakuum zu füllen, das durch den Abgang des vorherigen Feuerballs entstanden ist; der zerstäubte Kraftstoff versucht, das gesamte Rohr einschließlich des Auspuffrohrs zu füllen. Dies führt dazu, dass der zerstäubte Kraftstoff im hinteren Teil der Brennkammer "aufblitzt", wenn er mit den heißen Gasen der vorangegangenen Gassäule in Berührung kommt - dieser entstehende Blitz "schlägt" die Lamellenventile zu oder stoppt bei ventillosen Ausführungen den Kraftstofffluss, bis ein Vakuum entsteht und der Zyklus sich wiederholt. ⓘ

Ventillose Impulsdüsen gibt es in verschiedenen Formen und Größen, wobei sich unterschiedliche Ausführungen für unterschiedliche Funktionen eignen. Ein typischer ventilloser Motor besteht aus einem oder mehreren Ansaugrohren, einem Brennkammerteil und einem oder mehreren Auspuffrohrteilen. ⓘ

Das Ansaugrohr saugt Luft an und vermischt sie mit Kraftstoff, um sie zu verbrennen, und steuert auch den Ausstoß von Abgasen wie ein Ventil, indem es den Durchfluss begrenzt, aber nicht gänzlich stoppt. Während das Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrennt, wird der größte Teil des sich ausdehnenden Gases aus dem Auspuffrohr des Motors gedrückt. Da die Ansaugrohre auch während des Auspuffzyklus des Triebwerks Gas ausstoßen, sind die Ansaugrohre bei den meisten ventillosen Triebwerken nach hinten gerichtet, so dass der erzeugte Schub zum Gesamtschub beiträgt, anstatt ihn zu verringern. ⓘ

Die Verbrennung erzeugt zwei Druckwellenfronten, von denen eine durch das längere Auspuffrohr und eine durch das kurze Einlassrohr läuft. Durch die richtige "Abstimmung" des Systems (durch die richtige Auslegung der Triebwerksabmessungen) kann ein resonanter Verbrennungsprozess erreicht werden. ⓘ

Während einige ventillose Triebwerke als extrem kraftstoffhungrig bekannt sind, verbrauchen andere Konstruktionen deutlich weniger Kraftstoff als ein Pulsjet mit Ventilen, und ein richtig konzipiertes System mit fortschrittlichen Komponenten und Techniken kann mit der Kraftstoffeffizienz kleiner Turbotriebwerke konkurrieren oder diese sogar übertreffen. ⓘ

Ein richtig konstruiertes ventilloses Triebwerk wird sich im Flug auszeichnen, da es keine Ventile hat und der Staudruck, der bei hoher Geschwindigkeit entsteht, nicht dazu führt, dass das Triebwerk wie ein ventilloses Triebwerk ausfällt. Sie können höhere Höchstgeschwindigkeiten erreichen, wobei einige fortschrittliche Konstruktionen in der Lage sind, mit Mach 0,7 oder möglicherweise höher zu arbeiten. ⓘ

Der Vorteil des akustischen Impulsstrahls ist seine Einfachheit. Da es keine beweglichen Teile gibt, die verschleißen, sind sie leichter zu warten und einfacher zu konstruieren. ⓘ

Pulsstrahltriebwerke arbeiten intermittierend (pulsierend, nicht-kontinuierlich). Das generelle Arbeitsprinzip, das in vier Phasen A) bis D) unterteilt werden kann, zeigt die Illustration rechts. Das Triebwerk kann auch bei geringen Fluggeschwindigkeiten oder im Stand betrieben werden. ⓘ

• Ein Pulstriebwerk wird gestartet, indem durch die Blattfeder-Einlassventile (Flatter- oder Jalousieventile) Frischluft in das Triebwerk gelangt und diese mit Kraftstoff in der Brennkammer vermischt wird – auch Initialzustand genannt → Zustand A).
• Eine Zündkerze entzündet das Brennstoff-Luft-Gemisch, die Verbrennung erzeugt einen schnellen Druckanstieg. Dadurch schließen die Jalousieventile (der Druck hinter ihnen ist größer als vor ihnen) → Zustand B).
• Das expandierende Gas entleert sich durch das Schubrohr nach hinten → Zustand C). Nachdem sich der Überdruck abgebaut hat, bricht die Gasströmung aufgrund ihrer Trägheit nicht sofort ab, sondern erzeugt einen leichten Unterdruck in der Brennkammer → Zustand D).
• Der Unterdruck in der Brennkammer öffnet die Jalousieventile nun wieder und neue Frischluft zieht nach. Bei geringer Fluggeschwindigkeit erfolgt evtl. auch eine schwache Rückströmung des verbrannten Gases und/oder ein Nachströmen von Frischluft von hinten – Zustand D). Bei erneutem Einspritzen von Treibstoff beginnt der Ablauf im Triebwerk erneut: Das Frischluft/Treibstoff-Gemisch entzündet sich (ohne Fremdzündung) an den heißen Restgasen D) und an der heißen Rohrwandung; der schnelle Druckanstieg der Verbrennung schließt die Jalousieventile wieder → Zustand B). ⓘ

Unabhängig davon, ob Treibstoff kontinuierlich eingespritzt wird oder nur zu dem Zeitpunkt, zu dem Frischluft verfügbar ist, zündet das Gasgemisch periodisch, sobald es zündfähig ist (ausreichend Frischluft sowie Treibstoff vorhanden), da heiße Restgase oder die heiße Rohrwandung stets ausreichend Zündenergie bereitstellen. ⓘ

Sowohl der Flammenrücklauf als auch das Nachsaugen von Frischluft („von hinten“) am Auslass-/Schubrohr kann die Leistungsfähigkeit (Schub) deutlich beeinflussen. Außerdem strömt auch während der Auffüllphase und während der Verbrennung ein Teil der Gasmasse nach hinten ab, da das Triebwerk nach hinten stets offen ist. Das frische Gasgemisch entzündet sich ohne Fremdzündung periodisch an den heißen Restgasen und an der heißen Rohrwandung. ⓘ

Beim Anlassen des Triebwerks wird der pulsierende Triebwerksprozess meist durch Einblasen von Druckluft mit Frischluft versorgt. Auch wird manchmal das Triebwerk samt Fluggerät auf einem Startkatapult durch die Luft bewegt, und der Fahrtwind sorgt für Frischluft. Das Triebwerk kann aber auch (durch bestimmte Auslegung der Treibstoffversorgung bei größeren Triebwerken) ohne Druckluft, nur mit Hilfe von Frischluftinduktion in Betrieb gesetzt werden. ⓘ

Charakteristisch für Pulsstrahltriebwerke sind die große Lärmentwicklung (die sich oft in einem tiefen Brummton äußert), der hohe Brennstoffverbrauch, hohe Wandungstemperaturen (~1000 °C, je nach Triebwerksgestaltung und Materialstärke rot-orange und sogar bis ins Gelbe hinein glühender Stahl) und eine sehr geringe Laufzeit aufgrund der begrenzten Lebensdauer der Flatterventile, sodass sie für bemannte Luftfahrzeuge bis in die heutige Zeit ungeeignet sind. ⓘ

Ein Pulsstrahltriebwerk arbeitet im Allgemeinen in akustischer Resonanz zwischen Brennraum und Abströmrohr, die den geometrischen Abmessungen der beteiligten Rohrabschnitte entspricht. ⓘ

Künftige Anwendungen

Impulsdüsen werden heute in Zieldrohnen, Flugmodellen (sowie funkgesteuerten Flugzeugen), Nebelgeneratoren, industriellen Trocknungsanlagen und Heizgeräten eingesetzt. Da Impulsdüsen ein effizientes und einfaches Verfahren zur Umwandlung von Brennstoff in Wärme darstellen, werden sie von Forschern für neue industrielle Anwendungen wie die Umwandlung von Biomassebrennstoffen sowie für Kessel- und Heizsysteme eingesetzt. ⓘ

Einige Experimentatoren arbeiten weiterhin an verbesserten Konstruktionen. Die Triebwerke lassen sich aufgrund von Lärm und Vibrationen nur schwer in kommerzielle bemannte Flugzeuge integrieren, eignen sich jedoch hervorragend für unbemannte Fahrzeuge kleineren Maßstabs. ⓘ

Das Puls-Detonations-Triebwerk (PDE) stellt einen neuen Ansatz für nichtkontinuierliche Strahltriebwerke dar und verspricht eine höhere Treibstoffeffizienz im Vergleich zu Turbofan-Triebwerken, zumindest bei sehr hohen Geschwindigkeiten. Pratt & Whitney und General Electric führen derzeit aktive PDE-Forschungsprogramme durch. Die meisten PDE-Forschungsprogramme nutzen Impulsstrahltriebwerke, um Ideen in einer frühen Entwicklungsphase zu testen. ⓘ

Boeing verfügt über eine eigene Pulsjet-Triebwerkstechnologie namens Pulse Ejector Thrust Augmentor (PETA), die Pulsjet-Triebwerke für den vertikalen Auftrieb in militärischen und kommerziellen VTOL-Flugzeugen einsetzen soll. ⓘ

Anwendung

Pulsstrahltriebwerk für Flugzeugmodelle im Museum ⓘ

Die wohl bekannteste Verwendung dieser Triebwerksbauweise war der Antrieb der Fieseler Fi 103 (V1) in der Spätphase des Zweiten Weltkriegs, weniger bekannt ist die Einplanung dieser Triebwerksart in einige Flugzeuge wie das nicht realisierte Konzept des Erdkampfflugzeugs Henschel PJ 600/67 1941/1942. Anfang der 1950er stellte Ford in den USA einige „Fieseler-Ableger“ in Serienproduktion her. Abgewandelte Triebwerke wurden als sogenannte Schwingfeuerheizungen bekannt. Bis in die 1980er Jahre wurden diese Heizgeräte für Fahrzeuge der Bundeswehr und des Katastrophenschutzes eingesetzt. Einfache Triebwerke werden mitunter experimentell von Hobbybastlern oder zum Antrieb von Modellflugzeugen verwendet. Zur Anwendung bei militärischen Drohnen wurden in den 2010er Jahren laufende Weiterentwicklungen bekannt. ⓘ

Ventillose Triebwerke

Ablauf in einem ventillosen Triebwerk ⓘ

Schon in den 1940er und 1950er Jahren gab es umfangreiche Studien und Versuche, ventillose Verpuffungsstrahltriebwerke zu bauen. Diese gingen auf die fluidischen Ventile zurück, die Nikola Tesla in den 1920er Jahren entworfen hatte. Hierbei werden die Flatterventile durch „aerodynamische Ventile“ ersetzt, d. h., es gibt keinerlei bewegte Teile, das Triebwerk besteht im Wesentlichen nur aus taillierten Rohrstücken. Das „Einlassventil“ ist dabei einfach ein Rohrstück, welches der Verpuffungs-Expansion mehr Widerstand bietet als das Strahlrohr und somit eine Vorzugsrichtung bewirkt.
Als Beispiele sind die „Escopette“ und „Ecrevisse“ der Firma SNECMA oder die US-amerikanischen Konstrukteure Lockwood und Hiller („Lockwood(-Hiller) type jet engine“) zu nennen. Ab Mitte der 1950er Jahre wurden diese Ansätze aber endgültig durch Fest- und Flüssigtreibstoff-Raketen, durch Staustrahltriebwerke oder durch Strahltriebwerke verdrängt. ⓘ

Pulse Detonation Engine

Aktuell werden wieder eine Reihe von Forschungen im Bereich der ventillosen Verpuffungsstrahltriebwerke durchgeführt, insbesondere an solchen, in denen der Verbrennungsvorgang nicht in Form einer Verpuffung, sondern als wesentlich intensivere Detonation abläuft. Diese Bauweise, auch pulse detonation engine (PDE) genannt, verspricht neben den hohen Geschwindigkeiten eines Überschall-Staustrahltriebwerks zusätzlich einen höheren Wirkungsgrad bei der Treibstoffumsetzung, da eine explosionsartige Verbrennung ergiebiger ist als eine kontinuierliche. Die komplexen thermodynamischen Verhältnisse bei der Verbrennung lassen sich aber nur schlecht durch Strömungssimulation berechnen. ⓘ

Mit hoher Frequenz (>1000 Hz) betriebene PDE versprechen auch bei niedrigen Geschwindigkeiten bessere Treibstoffausnutzung, was in Zeiten steigender Energiepreise erhebliche Einsparmöglichkeiten gegenüber Turbojets bedeutet. Daher haben nun auch Pratt & Whitney und General Electric eigene Forschungen an der PDE-Technik begonnen. ⓘ

Eine Variante sind PDRE – Pulsed Detonation Rocket Engine –, die wie bei herkömmlichen Flüssigtreibstoffraketen Oxidator und Brennstoff mischen, diesen aber nicht kontinuierlich verbrennen, sondern ebenfalls pulsweise zur Explosion bringen. Der mögliche Wirkungsgradgewinn von 5 bis 10 Prozent wäre angesichts der hohen Kosten für den Weltraumtransport von Nutzlasten sehr attraktiv. ⓘ