Staustrahltriebwerk

Einfacher Staustrahlbetrieb, mit Darstellung der Machzahlen der Strömung ⓘ

Ein Staustrahltriebwerk oder athodyd (aero thermodynamic duct) ist eine Form des luftatmenden Strahltriebwerks, das die Vorwärtsbewegung des Triebwerks zur Schuberzeugung nutzt. Da ein Staustrahltriebwerk im Stillstand keinen Schub erzeugt (keine Stauluft), benötigen Fahrzeuge mit Staustrahlantrieb eine Starthilfe wie eine Raketenhilfe, um sie auf eine Geschwindigkeit zu beschleunigen, bei der sie anfangen, Schub zu erzeugen. Staustrahltriebwerke arbeiten am effizientesten bei Überschallgeschwindigkeiten um Mach 3 (2.300 mph; 3.700 km/h) und können bis zu Geschwindigkeiten von Mach 6 (4.600 mph; 7.400 km/h) eingesetzt werden. ⓘ

Staustrahltriebwerke sind besonders nützlich für Anwendungen, die einen kleinen und einfachen Mechanismus für den Einsatz bei hohen Geschwindigkeiten erfordern, wie z. B. Raketen. Die USA, Kanada und das Vereinigte Königreich verfügten in den 1960er Jahren über weit verbreitete Raketenabwehrsysteme mit Staustrahlantrieb, wie die CIM-10 Bomarc und Bloodhound. Waffenkonstrukteure versuchen, die Staustrahltechnologie in Artilleriegeschossen einzusetzen, um die Reichweite zu erhöhen; eine 120-mm-Mörsergranate könnte mit Hilfe eines Staustrahls eine Reichweite von 35 km erreichen. Sie wurden auch erfolgreich, wenn auch nicht effizient, als Spitzenstrahl an den Enden von Hubschrauberrotoren eingesetzt. ⓘ

Staustrahltriebwerke unterscheiden sich von Pulsdüsen, die eine intermittierende Verbrennung verwenden; Staustrahltriebwerke arbeiten mit einem kontinuierlichen Verbrennungsprozess. ⓘ

Mit zunehmender Geschwindigkeit sinkt der Wirkungsgrad eines Staustrahltriebwerks, da die Lufttemperatur am Einlass aufgrund der Kompression steigt. Je näher die Einlasstemperatur an die Auslasstemperatur herankommt, desto weniger Energie kann in Form von Schub entnommen werden. Um bei noch höheren Geschwindigkeiten einen brauchbaren Schub zu erzeugen, muss das Staustrahltriebwerk so modifiziert werden, dass die einströmende Luft nicht mehr so stark komprimiert (und damit erwärmt) wird. Das bedeutet, dass die Luft, die durch die Brennkammer strömt, immer noch sehr schnell ist (im Verhältnis zum Triebwerk), und zwar mit Überschall - daher der Name Überschallverbrennungs-Staustrahltriebwerk oder Scramjet. ⓘ

Von einem Staustrahltriebwerk angetriebener Flugkörper des NACA ⓘ

Triebwerkstests in den USA, 2002 ⓘ

1913, Zeichnung von René Lorin zum Prinzip eines Staustrahltriebwerkes ⓘ

Ein Staustrahltriebwerk (engl. Ramjet, als Ausführung mit Überschallverbrennung Scramjet) ist ein luftatmendes Strahltriebwerk, bei dem die Kompression der dem Verbrennungsraum zugeführten Luft nicht durch bewegliche Teile wie Verdichter erfolgt, sondern allein durch die Strömungsgeschwindigkeit des Gases selbst in einem feststehenden, enger werdenden Einlauf. ⓘ

Staustrahltriebwerke können daher keinen Standschub erzeugen und funktionieren erst ab einer Mindestgeschwindigkeit; teilweise erst bei Überschallgeschwindigkeit. Zum Start und Erreichen der Marschgeschwindigkeit werden häufig abwerfbare Hilfsraketen (Booster) verwendet. ⓘ

Mitunter wird auch das Pulsstrahltriebwerk, das etwa in der V1 eingesetzt wurde, als Staustrahltriebwerk bezeichnet. Bauweise und Funktion weichen jedoch deutlich ab: Das Pulstriebwerk nutzt keine Kompression, arbeitet auch im Stand und zudem intermittierend. ⓘ

Staustrahltriebwerke wurden bereits Anfang des 20. Jahrhunderts von René Lorin beschrieben, sind aber weiterhin selten und wurden bisher vor allem bei Flugabwehrraketen wie der sowjetischen 2K11 Krug und 2K12 Kub, der britischen Bloodhound und der US-amerikanischen Bomarc, der Luft-Luft-Rakete MBDA Meteor oder dem Marschflugkörper Navaho praktisch eingesetzt. Weiter verfügen die russischen Seezielflugkörper P-800 Oniks und P-80/270 Moskit über solche Antriebe. ⓘ

Geschichte

Cyrano von Bergerac

L'Autre Monde: ou les États et Empires de la Lune (Komische Geschichte der Staaten und Reiche des Mondes) (1657) ist der erste von drei satirischen Romanen von Cyrano de Bergerac, die als die ersten Science-Fiction-Geschichten gelten. Arthur C. Clarke schrieb diesem Buch die Erfindung des Staustrahltriebwerks zu, das als erstes fiktives Beispiel für einen raketengetriebenen Raumflug gilt. ⓘ

René Lorin

Das Staustrahltriebwerk wurde 1913 von dem französischen Erfinder René Lorin erdacht, der ein Patent für sein Gerät erhielt. Versuche, einen Prototyp zu bauen, scheiterten an den unzureichenden Materialien. Sein Patent FR290356 zeigte einen Kolbenverbrennungsmotor mit zusätzlichen "Trompeten" als Auslassdüsen. [1] ⓘ

Albert Fonó

1915 entwickelte der ungarische Erfinder Albert Fonó eine Lösung zur Vergrößerung der Reichweite von Artilleriegeschützen, die aus einem mit einem Staustrahlantrieb kombinierten Geschoss bestand, das bei relativ geringen Mündungsgeschwindigkeiten eine große Reichweite erzielte und es ermöglichte, schwere Geschosse aus relativ leichten Geschützen zu verschießen. Fonó legte seine Erfindung der österreichisch-ungarischen Armee vor, doch der Vorschlag wurde abgelehnt. Nach dem Ersten Weltkrieg kehrte Fonó zum Thema Strahlantrieb zurück und beschrieb im Mai 1928 in einer deutschen Patentanmeldung ein "Luftstrahltriebwerk", das er als geeignet für Überschallflugzeuge in großer Höhe bezeichnete. In einer weiteren Patentanmeldung passte er das Triebwerk für Unterschallgeschwindigkeiten an. Das Patent wurde 1932 nach vierjähriger Prüfung erteilt (Deutsches Patent Nr. 554.906, 1932-11-02). ⓘ

Sowjetunion

In der Sowjetunion wurde 1928 von Boris Stechkin eine Theorie für Überschall-Staustrahltriebwerke vorgestellt. Juri Pobedonostsev, Leiter der 3. Brigade der GIRD, führte umfangreiche Forschungen zu Staustrahltriebwerken durch. Das erste Triebwerk, das GIRD-04, wurde von I.A. Merkulov entwickelt und im April 1933 getestet. Um den Überschallflug zu simulieren, wurde es mit Luft gespeist, die auf 20.000 Kilopascal (200 atm) komprimiert war, und mit Wasserstoff betankt. Das mit Phosphor betriebene Staustrahltriebwerk GIRD-08 wurde durch Abschuss aus einer Artilleriekanone getestet. Diese Geschosse waren möglicherweise die ersten düsengetriebenen Geschosse, die die Schallgeschwindigkeit durchbrachen. ⓘ

Im Jahr 1939 führte Merkulov weitere Staustrahltests mit einer zweistufigen Rakete, der R-3, durch. Im August dieses Jahres entwickelte er das erste Staustrahltriebwerk für den Einsatz als Hilfsmotor eines Flugzeugs, das DM-1. Der weltweit erste Flug mit einem Staustrahltriebwerk fand im Dezember 1940 statt, wobei zwei DM-2-Triebwerke an einer modifizierten Polikarpov I-15 verwendet wurden. Merkulov entwarf 1941 ein Staustrahl-Jagdflugzeug "Samolet D", das jedoch nie fertig gestellt wurde. Zwei seiner DM-4-Triebwerke wurden während des Zweiten Weltkriegs in das Jagdflugzeug Yak-7 PVRD eingebaut. 1940 wurde das Versuchsflugzeug Kostikov-302 entworfen, das mit einer Flüssigtreibstoffrakete für den Start und Staustrahltriebwerken für den Flug ausgestattet war. Dieses Projekt wurde 1944 eingestellt. ⓘ

1947 schlug Mstislav Keldysh einen Langstreckenbomber vor, der dem Sänger-Bredt-Bomber ähnelte, aber mit einem Staustrahltriebwerk anstelle einer Rakete angetrieben wurde. 1954 begannen die NPO Lawotschkin und das Keldysch-Institut mit der Entwicklung eines staustrahlgetriebenen Marschflugkörpers mit Mach 3, Burja. Dieses Projekt konkurrierte mit der R-7 ICBM, die von Sergej Koroljow entwickelt wurde, und wurde 1957 eingestellt. ⓘ

Am 1. März 2018 gab Präsident Wladimir Putin bekannt, dass Russland einen (vermutlich) nuklear angetriebenen Staustrahl-Marschflugkörper entwickelt hat, der eine große Reichweite hat. ⓘ

Deutschland

1936 konstruierte Hellmuth Walter ein mit Erdgas betriebenes Testtriebwerk. Theoretische Arbeiten wurden sowohl bei BMW und Junkers als auch bei der DFL durchgeführt. 1941 schlug Eugen Sänger von der DFL ein Staustrahltriebwerk mit einer sehr hohen Brennkammertemperatur vor. Er konstruierte sehr große Staustrahlrohre mit 500 Millimetern und 1000 Millimetern Durchmesser und führte Verbrennungsversuche an Lastwagen und auf einem speziellen Prüfstand an einer Dornier Do 17Z mit Fluggeschwindigkeiten von bis zu 200 Metern pro Sekunde (720 km/h) durch. Später, als in Deutschland kriegsbedingt das Benzin knapp wurde, wurden Versuche mit Blöcken aus gepresstem Kohlenstaub als Treibstoff durchgeführt (siehe z.B. Lippisch P.13a), die wegen der langsamen Verbrennung nicht erfolgreich waren. ⓘ

Vereinigte Staaten

Ein AQM-60 Kingfisher, das erste serienmäßige Staustrahltriebwerk, das beim US-Militär in Dienst gestellt wurde ⓘ

Stovepipe (fliegend/flammend/überschallend) war in den 1950er Jahren eine beliebte Bezeichnung für das Staustrahltriebwerk in Fachzeitschriften wie Aviation Week & Space Technology und anderen Publikationen wie The Cornell Engineer und dem Journal Of The American Rocket Society. Die Einfachheit des Namens ergab sich aus dem Vergleich mit dem Turbostrahltriebwerk, das zusammen mit dem Einlass, der Brennkammer und der Düse eines Staustrahltriebwerks auch eine komplexe und teure rotierende Turbomaschine (Verdichter und Turbine) besitzt. ⓘ

Die US-Marine entwickelte eine Reihe von Luft-Luft-Raketen unter der Bezeichnung "Gorgon" mit verschiedenen Antriebsmechanismen, darunter den Staustrahlantrieb der Gorgon IV. Die Staustrahltriebwerke der Gorgon IV, hergestellt von Glenn Martin, wurden 1948 und 1949 auf der Naval Air Station Point Mugu getestet. Das Staustrahltriebwerk selbst wurde an der University of Southern California entwickelt und von der Marquardt Aircraft Company hergestellt. Das Triebwerk war 2,1 Meter lang, hatte einen Durchmesser von 510 Millimetern und befand sich unterhalb des Flugkörpers. ⓘ

In den frühen 1950er Jahren entwickelten die USA im Rahmen des Lockheed X-7-Programms ein Staustrahltriebwerk mit Mach 4+. Daraus wurde die Lockheed AQM-60 Kingfisher entwickelt. Eine weitere Entwicklung führte zur Lockheed D-21 Spionagedrohne. ⓘ

In den späten 1950er Jahren führte die US-Marine ein System namens RIM-8 Talos ein, eine Boden-Luft-Rakete mit großer Reichweite, die von Schiffen aus abgefeuert wurde. Sie schoss im Vietnamkrieg mehrere feindliche Kampfflugzeuge erfolgreich ab und war die erste von einem Schiff aus abgefeuerte Rakete, die ein feindliches Flugzeug im Kampf zerstörte. Am 23. Mai 1968 schoss eine von der USS Long Beach abgefeuerte Talos eine vietnamesische MiG aus einer Entfernung von etwa 105 Kilometern ab. Sie wurde auch als Boden-Boden-Waffe eingesetzt und so modifiziert, dass sie landgestützte Radare zerstören konnte. ⓘ

In den späten 1950er und frühen 1960er Jahren produzierten die USA ein weit verbreitetes Verteidigungssystem namens CIM-10 Bomarc, das mit Hunderten von nuklear bestückten Staustrahl-Raketen mit einer Reichweite von mehreren hundert Meilen ausgestattet war. Es wurde von denselben Triebwerken angetrieben wie die AQM-60, aber mit verbesserten Materialien, um die längeren Flugzeiten zu überstehen. Das System wurde in den 1970er Jahren zurückgezogen, als die Bedrohung durch Bomber abnahm. ⓘ

Vereinigtes Königreich

Ein Bloodhound, ausgestellt im RAF-Museum in Hendon, London. ⓘ

In den späten 1950er- und frühen 1960er-Jahren entwickelte das Vereinigte Königreich mehrere Staustrahl-Raketen. ⓘ

Ein Projekt namens Blue Envoy sollte das Land mit einer staustrahlgetriebenen Luftabwehr gegen Bomber mit großer Reichweite ausstatten, doch das System wurde schließlich eingestellt. ⓘ

Es wurde durch ein Staustrahlraketensystem mit viel kürzerer Reichweite namens Bloodhound ersetzt. Das System war als zweite Verteidigungslinie für den Fall gedacht, dass es Angreifern gelingen sollte, die Flotte der verteidigenden English Electric Lightning-Jäger zu umgehen. ⓘ

In den 1960er Jahren entwickelte die Royal Navy einen Boden-Luft-Flugkörper mit Staustrahlantrieb für Schiffe namens Sea Dart und setzte ihn ein. Er hatte eine Reichweite von 65-130 Kilometern (40-80 Meilen) und eine Geschwindigkeit von Mach 3. Sie wurde im Falklandkrieg erfolgreich gegen mehrere Flugzeugtypen eingesetzt. ⓘ

Fritz Zwicky

Der bekannte Schweizer Astrophysiker Fritz Zwicky war Forschungsleiter bei Aerojet und hält zahlreiche Patente im Bereich des Düsenantriebs. Die US-Patente 5121670 und 4722261 beziehen sich auf Staudruckbeschleuniger. Die US-Marine erlaubte Fritz Zwicky nicht, seine eigene Erfindung, das US-Patent 2.461.797 für den Unterwasserstrahl, einen Staustrahl, der in einem flüssigen Medium arbeitet, öffentlich zu diskutieren. Das Time Magazine berichtete über die Arbeit von Fritz Zwicky in den Artikeln "Missed Swiss" vom 11. Juli 1955 und "Underwater Jet" in der Ausgabe vom 14. März 1949. ⓘ

Frankreich

Leduc 010 ⓘ

In Frankreich waren die Arbeiten von René Leduc bemerkenswert. Leducs Modell, die Leduc 0.10, war 1949 eines der ersten Flugzeuge mit Staustrahlantrieb. ⓘ

Die Nord 1500 Griffon erreichte 1958 Mach 2,19 (745 m/s; 2.680 km/h). ⓘ

Triebwerkszyklus

Brayton-Zyklus ⓘ

Luft, die durch einen Staustrahlkanal strömt, ändert ihren Zustand (z. B. Temperatur, Druck, Volumen), indem sie komprimiert, erwärmt und expandiert wird, und zwar in einem thermodynamischen Kreislauf, dem Brayton-Zyklus. Dieser Zyklus gilt auch für das Gasturbinentriebwerk. Für eine feste Luftmenge wird die Zustandsänderung durch Mengenpaare in Diagrammen dargestellt, in der Regel Temperatur-Entropie oder Druck-Volumen. Der Zyklus ist nach George Brayton benannt, dem amerikanischen Ingenieur, der ihn entwickelt hat, obwohl er ursprünglich von dem Engländer John Barber 1791 vorgeschlagen und patentiert wurde. Manchmal wird er auch als Joule-Zyklus bezeichnet. ⓘ

Aufbau

Ein typisches Staustrahltriebwerk ⓘ

Der erste Teil eines Staustrahltriebwerks ist der Diffusor (Kompressor), in dem die Vorwärtsbewegung des Staustrahltriebwerks genutzt wird, um den Druck des Arbeitsmediums (Luft) zu erhöhen, der für die Verbrennung des Kraftstoffs erforderlich ist. Anschließend wird die Luft durch eine Düse geleitet, um sie auf Überschallgeschwindigkeit zu beschleunigen. Diese Beschleunigung verleiht dem Staustrahltriebwerk einen Vorwärtsschub. ⓘ

Ein Staustrahltriebwerk ist insofern weniger komplex als ein Turbotriebwerk, als es einen Lufteinlass, eine Brennkammer und eine Düse, aber keine Turbomaschinen umfasst. Die einzigen beweglichen Teile sind in der Regel die Turbopumpe, die den Treibstoff zu den Sprühdüsen in der Brennkammer leitet (Staustrahltriebwerk mit flüssigem Treibstoff). Staustrahltriebwerke mit festem Brennstoff sind einfacher und benötigen kein Brennstoffsystem. ⓘ

Zum Vergleich: Ein Turbojet verwendet einen von einer Turbine angetriebenen Verdichter. Diese Art von Triebwerk erzeugt im Stillstand Schub, da die zur Erzeugung von Druckluft (d. h. Stauluft in einem Staustrahltriebwerk) erforderliche Hochgeschwindigkeitsluft durch den Kompressor selbst (sich schnell drehende Rotorblätter) erzeugt wird. ⓘ

Konstruktion

Diffusoren

Der Diffusor ist der Teil des Staustrahltriebwerks, der die hohe Geschwindigkeit der einströmenden Luft in den für die Verbrennung erforderlichen hohen (statischen) Druck umwandelt. Hohe Verbrennungsdrücke minimieren die in den Abgasen auftretende Wärmeenergieverschwendung (durch Verringerung des Entropieanstiegs bei der Wärmezufuhr). ⓘ

Staustrahltriebwerke mit Unterschall- und niedriger Überschallgeschwindigkeit verwenden einen stauähnlichen Einlass, um die Luft einzufangen. Danach folgt ein sich erweiternder interner Durchgang (Unterschalldiffusor), um eine niedrigere Unterschallgeschwindigkeit zu erreichen, die in der Brennkammer benötigt wird. Bei niedrigen Überschallgeschwindigkeiten bildet sich vor dem Einlass eine normale (ebene) Stoßwelle. ⓘ

Bei höheren Überschallgeschwindigkeiten wird der Druckverlust durch eine normale Stoßwelle vor dem Einlass unerschwinglich, und es muss ein vorstehender Dorn oder Kegel verwendet werden, um schräge Stoßwellen vor einem abschließenden normalen Stoß zu erzeugen, der nun an der Eintrittslippe des Einlasses auftritt. Der Diffusor besteht in diesem Fall aus zwei Teilen, dem Überschalldiffusor mit seinen Stoßwellen außerhalb des Einlasses, gefolgt von dem inneren Unterschalldiffusor. ⓘ

Bei höheren Geschwindigkeiten muss ein Teil der Überschalldiffusion im Inneren stattfinden, so dass es externe und interne schräge Stoßwellen gibt. Der abschließende Normalschock muss in der Nähe eines minimalen Strömungsbereichs, der so genannten Kehle, auftreten, auf die der Unterschalldiffusor folgt. ⓘ

Verbrennungsmotor

Wie bei anderen Düsentriebwerken muss die Brennkammer die Temperatur der Luft durch Verbrennung von Kraftstoff erhöhen. Dies geschieht mit einem geringen Druckverlust. Die in die Brennkammer eintretende Luftgeschwindigkeit muss so niedrig sein, dass eine kontinuierliche Verbrennung in geschützten Zonen, die durch Flammenhalter gebildet werden, stattfinden kann. ⓘ

Da es keine nachgeschaltete Turbine gibt, kann eine Staustrahlbrennkammer sicher mit stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Verhältnissen betrieben werden, was eine Brennkammeraustrittstemperatur in der Größenordnung von 2.400 K (2.130 °C; 3.860 °F) für Kerosin impliziert. Normalerweise muss die Brennkammer über einen weiten Bereich von Drosseleinstellungen für eine Reihe von Fluggeschwindigkeiten und Flughöhen betrieben werden können. In der Regel ermöglicht ein geschützter Pilotbereich die Fortsetzung der Verbrennung, wenn der Einlass des Fahrzeugs während der Kurvenfahrt starke Gier-/Neigungsbewegungen erfährt. Andere Techniken zur Flammenstabilisierung nutzen Flammenhalter, die von Brennkammern bis hin zu einfachen flachen Platten reichen, um die Flamme zu schützen und die Kraftstoffdurchmischung zu verbessern. Eine Überbefüllung der Brennkammer kann dazu führen, dass der letzte (normale) Stoß im Diffusor über die Ansauglippe hinaus nach vorne gedrückt wird, was zu einem erheblichen Rückgang des Triebwerksluftstroms und des Schubs führt. ⓘ

Düsen

Die Antriebsdüse ist ein entscheidender Teil der Staustrahlkonstruktion, da sie den Abgasstrom zur Schuberzeugung beschleunigt. ⓘ

Unterschall-Staustrahltriebwerke beschleunigen den Abgasstrom mit einer Düse. Für den Überschallflug ist in der Regel eine konvergent-divergente Düse erforderlich. ⓘ

Bristol Thor Staustrahltriebwerk, modifiziert für Ausstellungszwecke. Zwei Thor-Triebwerke wurden für die Bristol Bloodhound-Rakete verwendet. ⓘ

Leistung und Steuerung

Obwohl Staustrahltriebwerke bis zu einer Geschwindigkeit von 45 Metern pro Sekunde (160 km/h) betrieben wurden, erzeugen sie unterhalb von Mach 0,5 (170 m/s; 610 km/h) nur wenig Schub und sind aufgrund ihres geringen Druckverhältnisses äußerst ineffizient. ⓘ

Oberhalb dieser Geschwindigkeit ist ein Staustrahltriebwerk bei ausreichender Anfangsgeschwindigkeit selbsttragend. Sofern der Luftwiderstand des Fahrzeugs nicht extrem hoch ist, neigt die Kombination aus Triebwerk und Zelle dazu, auf immer höhere Fluggeschwindigkeiten zu beschleunigen, wodurch sich die Ansauglufttemperatur erheblich erhöht. Da sich dies nachteilig auf die Integrität des Triebwerks und/oder der Zelle auswirken könnte, muss das Kraftstoffsteuerungssystem den Kraftstoffdurchsatz des Triebwerks reduzieren, um die Flug-Machzahl und damit die Ansauglufttemperatur auf einem angemessenen Niveau zu stabilisieren. ⓘ

Aufgrund der stöchiometrischen Verbrennungstemperatur ist der Wirkungsgrad bei hohen Geschwindigkeiten (etwa Mach 2 - Mach 3, 680-1.000 m/s, 2.500-3.700 km/h) in der Regel gut, während bei niedrigen Geschwindigkeiten das relativ schlechte Druckverhältnis dazu führt, dass die Staustrahltriebwerke von Turbojets oder sogar Raketen übertroffen werden. ⓘ

Steuerung

Staustrahltriebwerke lassen sich nach der Art des Treibstoffs (flüssig oder fest) und des Boosters einteilen. ⓘ

Bei einem Staustrahltriebwerk mit Flüssigtreibstoff (LFRJ) wird (in der Regel) Kohlenwasserstofftreibstoff vor einem Flammenhalter in die Brennkammer eingespritzt, der die Flamme stabilisiert, die aus der Verbrennung des Treibstoffs mit der komprimierten Luft aus dem Einlass (den Einlässen) entsteht. Für die Druckbeaufschlagung und die Zufuhr des Brennstoffs in die Brennkammer ist ein kompliziertes und teures System erforderlich. Aérospatiale-Celerg hat einen LFRJ entwickelt, bei dem der Kraftstoff durch eine Elastomerblase in die Einspritzdüsen gedrückt wird, die sich nach und nach über die Länge des Kraftstofftanks aufbläst. Die Blase bildet zunächst eine eng anliegende Hülle um die Druckluftflasche, aus der sie aufgeblasen wird und die in Längsrichtung des Tanks angebracht ist. Dieser Ansatz ist kostengünstiger als ein regulierter LFRJ, der eine Turbopumpe und die dazugehörige Hardware für die Treibstoffversorgung benötigt. ⓘ

Ein Staustrahltriebwerk erzeugt keinen Standschub und benötigt einen Booster, um eine ausreichend hohe Vorwärtsgeschwindigkeit für einen effizienten Betrieb des Ansaugsystems zu erreichen. Die ersten staustrahlgetriebenen Flugkörper verwendeten externe Booster, in der Regel Feststoffraketen, entweder in Tandemanordnung, bei der der Booster unmittelbar hinter dem Staustrahltriebwerk angebracht ist (z. B. Sea Dart), oder in Wraparound-Anordnung, bei der mehrere Booster an der Außenseite des Staustrahltriebwerks angebracht sind (z. B. 2K11 Krug). Die Wahl der Boosteranordnung richtet sich in der Regel nach der Größe der Startplattform. Ein Tandem-Booster vergrößert die Gesamtlänge des Systems, während Wraparound-Booster den Gesamtdurchmesser vergrößern. Wraparound-Booster erzeugen in der Regel einen höheren Luftwiderstand als eine Tandem-Anordnung. ⓘ

Integrierte Booster bieten eine effizientere Verpackungsoption, da der Booster-Treibstoff in die ansonsten leere Brennkammer gegossen wird. Dieser Ansatz wurde bei Feststoffraketen (z. B. 2K12 Kub), Flüssigkeitsraketen (z. B. ASMP) und Röhrenraketen (z. B. Meteor) verwendet. Integrierte Entwürfe werden durch die unterschiedlichen Anforderungen an die Düsen für die Schub- und Staustrahlphasen des Fluges erschwert. Aufgrund des höheren Schubs des Boosters ist für einen optimalen Schub eine anders geformte Düse erforderlich als für den schubschwächeren Staustrahlträger. Dies wird normalerweise durch eine separate Düse erreicht, die nach dem Ausbrennen des Boosters ausgestoßen wird. Bei Konstruktionen wie Meteor werden jedoch düsenlose Booster verwendet. Dies hat den Vorteil, dass keine Gefahr für das Startflugzeug durch die ausgeworfenen Trümmer der Staustrahltriebwerke besteht, dass es einfach und zuverlässig ist und dass Masse und Kosten reduziert werden. ⓘ

Integraler Raketen-Staustrahl/geführte Rakete

Eine leichte Abwandlung des Staustrahltriebwerks nutzt die Überschallabgase aus dem Verbrennungsprozess einer Rakete, um die einströmende Luft in der Hauptbrennkammer zu komprimieren und mit ihr zu reagieren. Dies hat den Vorteil, dass auch bei Nullgeschwindigkeit Schub erzeugt wird. ⓘ

Bei einem integrierten Raketenstaustrahltriebwerk mit festem Brennstoff (SFIRR) wird der feste Brennstoff entlang der Außenwand des Staustrahltriebwerks gegossen. In diesem Fall erfolgt die Treibstoffeinspritzung durch Ablation des Treibstoffs durch die heiße Druckluft aus dem Einlass (den Einlässen). Zur Verbesserung der Verbrennungseffizienz kann ein Heckmischer verwendet werden. Für einige Anwendungen werden SFIRRs gegenüber LFRJs bevorzugt, da die Treibstoffzufuhr einfacher ist, allerdings nur, wenn die Drosselungsanforderungen minimal sind, d.h. wenn die Schwankungen der Höhe oder Machzahl begrenzt sind. ⓘ

In einer Kanalrakete erzeugt ein Festbrennstoff-Gasgenerator ein heißes, brennstoffreiches Gas, das im Staudruckbrenner mit der von den Einlässen zugeführten Druckluft verbrannt wird. Der Gasstrom verbessert die Vermischung von Brennstoff und Luft und erhöht den Gesamtdruckausgleich. Bei einer drosselbaren Röhrenrakete, auch bekannt als Röhrenrakete mit variablem Durchfluss, kann der Auslass des Gasgenerators über ein Ventil gedrosselt werden, wodurch der Schub gesteuert werden kann. Im Gegensatz zu einer LFRJ können Feststoffraketen nicht durchbrennen. Die Kanalrakete liegt irgendwo zwischen der Einfachheit der SFRJ und der unbegrenzten Drosselungsmöglichkeit der LFRJ. ⓘ

Fluggeschwindigkeit

Staustrahltriebwerke geben im Allgemeinen nur wenig oder gar keinen Schub unterhalb der halben Schallgeschwindigkeit ab und sind aufgrund des geringen Verdichtungsverhältnisses ineffizient (spezifischer Impuls von weniger als 600 Sekunden), bis die Fluggeschwindigkeit 1.000 Kilometer pro Stunde (280 m/s; 620 mph) überschreitet. ⓘ

Selbst oberhalb der Mindestgeschwindigkeit kann ein breiter Flugbereich (Bereich von Flugbedingungen), wie niedrige bis hohe Geschwindigkeiten und niedrige bis große Höhen, erhebliche Konstruktionskompromisse erzwingen, und sie funktionieren am besten, wenn sie für eine bestimmte Geschwindigkeit und Höhe optimiert sind (Punktkonstruktionen). Staustrahltriebwerke sind jedoch im Allgemeinen leistungsfähiger als Gasturbinentriebwerke und funktionieren am besten bei Überschallgeschwindigkeiten (Mach 2-4). Obwohl sie bei niedrigeren Geschwindigkeiten ineffizient sind, sind sie über ihren gesamten nutzbaren Arbeitsbereich bis mindestens Mach 6 (2.000 m/s; 7.400 km/h) sparsamer als Raketen. ⓘ

Die Leistung herkömmlicher Staustrahltriebwerke sinkt oberhalb von Mach 6 aufgrund von Dissoziation und Druckverlust durch Schock, wenn die einströmende Luft für die Verbrennung auf Unterschallgeschwindigkeiten abgebremst wird. Außerdem steigt die Einlasstemperatur der Brennkammer auf sehr hohe Werte an und nähert sich bei einer bestimmten Mach-Zahl der Dissoziationsgrenze. ⓘ

Flugzeuge mit Staustrahltriebwerken

Hiller Hornet (ein Hubschrauber mit Staustrahltriebwerk)
NHI H-3 Kolibrie (Hubschrauber)
Focke-Wulf Super Lorin
Focke-Wulf Ta 283
Focke-Wulf Triebflügel
Leduc-Versuchsflugzeug
Lockheed D-21
Lockheed X-7, 1950 Erprobungsträger
AQM-60 Kingfisher, von der X-7 abgeleitete Zielfahrzeuge mit Marquardt XRJ43-MA Staustrahltriebwerk
Nord 1500 Griffon
Republic XF-103, Entwurf, mit Wright J67-Turbotriebwerk und RJ55-W-1-Staustrahltriebwerk, nie gebaut
Skoda-Kauba Sk P.14 ⓘ

Raketen mit Staustrahltriebwerken

2K11 Krug
2K12 Kub
ASM-3
Bristol Bloodhound
BrahMos
CIM-10 Bomarc
Orbital Sciences GQM-163 Coyote
Hsiung Feng III
Kh-31
MBDA ASMP
MBDA Meteor
P-270 Moskit
P-800 Oniks
Bendix RIM-8 Talos
Sea Dart-Rakete
Nordamerikanische SM-64 Navaho
Feststoff-Rohrtriebwerk
YJ-12 ⓘ

Grundlage

Das Funktionsprinzip und der grundsätzliche mechanische Aufbau dieser Triebwerke ist verglichen mit Gasturbinen-basierten Antrieben sehr einfach. Die Beherrschung der Aerodynamik bei den Operationsgeschwindigkeiten (bis zur zehnfachen Schallgeschwindigkeit) ist jedoch anspruchsvoll. ⓘ

Grundsätzlich gewinnt ein Strahltriebwerk seinen Schub durch die Verbrennung von Treibstoff. Für eine effektive Verbrennung ist aber eine Verdichtung der zugeführten Luft notwendig. Bei Fluggeschwindigkeiten im Unterschallbereich wird heutzutage meist ein Turbofan-Triebwerk benutzt, das einen mehrstufigen Axialverdichter verwendet. ⓘ

Bei höheren Fluggeschwindigkeiten ergibt sich durch die Stauwirkung des Triebwerks jedoch eine konkurrierende Druckerhöhung, wodurch der Anteil des Axialverdichters an der Druckentwicklung abnimmt. Bei Mach 1 sind es jeweils ca. 50 %, bis Mach 3 sinkt der Anteil auf ca. 0 % ab. Bei mehrfacher Schallgeschwindigkeit nimmt somit der Wirkungsgrad konventioneller Gasturbinen-Strahltriebwerke ab, während andererseits der Staudruck bereits zu einer ausreichenden Luftkompression führt. ⓘ

Auf diesem Prinzip beruhen Staustrahltriebwerke, die jedoch nicht im Stand oder bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten arbeiten, da dann mangels Staudruck keine Kompression erfolgt. Zum Erreichen ihrer Operationsgeschwindigkeit müssen sie daher stets durch ein Hilfstriebwerk oder andere Mittel beschleunigt werden. Ihr optimales Leistungsspektrum beginnt meistens dort, wo auf Gasturbinen basierende Strahltriebwerke ihr Optimum verlassen. ⓘ

Zu den Vorteilen gegenüber Turbofan-Triebwerken gehören das niedrige Gewicht, die Verschleißarmut und die Fähigkeit, unterschiedliche Brennstoffe zu verwenden. Gegenüber Raketentriebwerken besteht der Vorteil im kleineren Gewicht des Gesamtsystems, da der Oxidator nicht als Treibstoff mitgeführt werden muss, sondern der Luftsauerstoff genutzt wird. ⓘ

Funktion

Querschnitt: Links wird die Luft hineingedrückt, in der Mitte der Treibstoff zugeführt und rechts der Schub erzeugt ⓘ

Das Staustrahltriebwerk besteht im Wesentlichen aus einer Röhre, die an der Eintrittsöffnung als Diffusor ausgebildet ist. Ein Konus, dessen Durchmesser in Richtung der Luftströmung zunimmt, bildet mit der Röhrenwandung für den Luftstrom eine Verengung und sorgt damit nach Bernoulli für eine Verringerung der (relativen) Strömungsgeschwindigkeit, wodurch der Druck steigt und die Luft komprimiert wird. ⓘ

Im folgenden Verbrennungsraum sinkt der Durchmesser des Triebwerks wieder oder bleibt zumindest konstant. Der durch die Kompression erhitzten Luft wird an dieser Stelle Kraftstoff zugeführt, der kontinuierlich verbrennt und dadurch eine Expansion des Gases herbeiführt. Das heiße Gas tritt dann nach hinten aus, wird durch die Düse beschleunigt und in der Strömungsrichtung möglichst axial ausgerichtet. Dies ermöglicht die Nutzung des Schubes an der Brennkammervorderseite. ⓘ

Die notwendige Kompression für eine effektive Verbrennung ist meist erst ab einer Luftgeschwindigkeit von etwa 1.000 km/h gegeben. Einen optimalen Lauf gewährleisten die meisten Staustrahltriebwerke erst ab doppelter Schallgeschwindigkeit (oberhalb von Mach 2 bzw. 2.400 km/h). Allerdings gab es auch Staustrahltriebwerke, die bereits bei etwa 320 km/h gestartet werden konnten und dann das Luftfahrzeug beschleunigten. ⓘ

Unter-/Überschall

Anhand der Kompression sind zwei Varianten von Staustrahltriebwerken zu unterscheiden: ⓘ

Unterschallverbrennung

Beim Ramjet wird durch die Kompression die einströmende Luft im Innern des Triebwerks unter die Schallgeschwindigkeit abgebremst (aus dem Bezugssystem des Fahrzeugs bzw. Triebwerks betrachtet; bzgl. der umgebenden Luft wird die zuvor stillstehende Luft in Flugrichtung beschleunigt), gefolgt von einer Unterschallverbrennung (Unterschall im Bezugssystem des Triebwerks). Um die Einströmgeschwindigkeit in die Brennkammer auf Unterschall zu verringern und damit den Druck zu erhöhen, wird im Bereich des Triebwerkseinlaufs ein Diffusor mit divergenter Form angeordnet. Dieselbe Luftmasse, die das Triebwerk in einer Zeit t durchläuft, wird in der Zeit t auch ausgestoßen. Hier steigt die Geschwindigkeit des Mediums, wenn sich der Rohrquerschnitt verringert: Eine der Brennkammer folgende Lavaldüse beschleunigt das ausströmende Gas anschließend wieder auf Überschall. Der Arbeitsbereich dieses Triebwerkstyps liegt mit Kohlenwasserstoffen bei Fluggeschwindigkeiten bis Mach 5; mit Wasserstoff bis Mach 7. ⓘ

Angewandt wurde diese Technik erstmals in den 1950er-Jahren bei der Lockheed X-7, sowie bei der Nord 1500 Griffon. ⓘ

Überschallverbrennung im Scramjet

Querschnitt: Links sind Lufteinlass und Verdichtung; in der Mitte Treibstoffzufuhr und Verbrennung; Rechts die Schuberzeugung ⓘ

Beim Scramjet (Supersonic Combustion Ramjet – Überschall-Verbrennung-Ramjet) wird die einströmende Luft bei der Kompression nicht unter die (Triebwerk-bezogene) Schallgeschwindigkeit abgebremst und auch die Verbrennung findet als Überschallverbrennung statt. Der Arbeitsbereich von Scramjet-Triebwerken liegt dann zwischen (Flugzeug-bezogenen) Mach 5 und (projektiert) Mach 15. ⓘ

Entscheidend für die Gasbeschleunigung ist hier die Dichte ρ des Gases: Im Gegensatz zur Lavaldüse des Ramjet führt hier eine Erweiterung des Düsendurchmessers zu einer Beschleunigung des austretenden Mediums. Grund dafür ist die nun freie Entspannung des Mediums, wodurch eine größere Expansion und somit auch eine höhere Austrittsgeschwindigkeit erzielt werden kann. ⓘ

Scramjet-Triebwerke werden über ihre gesamte Länge hinweg überschallschnell (> Mach 3) durchströmt und müssen den resultierenden deutlich höheren Temperaturen standhalten können. So entsteht beispielsweise bei einer Geschwindigkeit von Mach 8, abhängig von der Luftdichte, eine Temperatur von 3000 bis 4000 °C. Bei der für Mach 6 entwickelten X-51 umströmt deshalb der Treibstoff das über 1000 °C heiße Triebwerk zur Kühlung und nimmt die Hitze auf, wobei er verdampft. Die Kühlungskanäle sind dabei mit einem Katalysator beschichtet und der Treibstoff (JP-7) wird in kleinere (leichtere) Moleküle zerlegt, wie zum Beispiel Wasserstoff oder Ethylen. Diese werden dann verbrannt. ⓘ

Ein weiteres Problem der Überschallverbrennung besteht in der kurzen Verweilzeit der Luft im Triebwerk. Dadurch kann sich der Treibstoff schlechter mit der Luft und dem darin enthaltenen Sauerstoff durchmischen. Dieses Problem ist durch geeignete Maßnahmen bei der Triebwerksausgestaltung zu lösen. ⓘ

Der Scramjet besitzt weiterhin einen Isolator, ein Rohrstück mit konstantem Querschnitt, um die bei Geschwindigkeiten über Mach 3 drohenden ungewollten Verdichtungsstöße und Blockaden zu verhindern. ⓘ

Scramjet-Flüge

Rakete mit Cholod an der Spitze ⓘ

Der erste Nachweis von Überschallverbrennung in einem Flugkörper gelang dem HFL Cholod im November 1991 in Russland. Der Scramjet wurde vom Zentralinstitut für Flugmotoren (ZIAM) in Moskau in den späten 1970er Jahren entwickelt. Die theoretischen Grundlagen zur Überschallverbrennung entstanden in der Sowjetunion in den 1960er Jahren. Von 1992 bis 1998 wurden weitere 6 Testflüge des axialsymmetrischen Scramjet-Demonstrators vom ZIAM zusammen mit Frankreich und später mit der NASA durchgeführt. Es wurden maximale Fluggeschwindigkeiten von über Mach 6,4 erreicht und der Scramjet-Betrieb konnte 77 Sekunden lang demonstriert werden. ⓘ

Boeing X-43A ⓘ

Am 26. März 2004 erreichte die US-amerikanische NASA mit dem X-43A-Flugkörper mit Hilfe des Scramjet-Antriebs die siebenfache Schallgeschwindigkeit und hielt sie für einige Sekunden. Die nötige Operationsgeschwindigkeit für das Scramjet-Triebwerk wurde durch eine Pegasus-Trägerrakete erreicht. ⓘ

Am 16. November 2004 erreichte die NASA mit einem ähnlichen Versuchsaufbau knapp Mach 10. Dabei wurde die Pegasus-Trägerrakete mit der X-43A von einer B-52 in 12 km Höhe aus gestartet. Der eigentliche Flug der X-43A dauerte knapp 20 Sekunden auf über 33 km Höhe und erreichte Mach 9,8 (etwa 11.000 km/h oder 3,05 km/s). ⓘ

2007 erreichte der Experimentalflugkörper HyCAUSE (Hypersonic Collaborative Australia/United States Experiment) über dem Versuchsgelände Woomera in Australien Mach 10. ⓘ

2009 wurden die Testflüge im HIFiRE (Hypersonic International Flight Research Experimentation)-Programm fortgesetzt. ⓘ

Boeing X-51 (vorne) ⓘ

2012 erfolgte der dritte Erprobungsversuch der US-Luftwaffe: Das mit einem Scramjet-Antrieb betriebene experimentelle Hyperschall-Flugzeug X-51A. Am 14. August 2012 zündete der Raketenantrieb nach dem Start von einem B-52-Bomber. Nach 16 Sekunden traten jedoch Probleme auf und der Flugkörper geriet außer Kontrolle. Bei ihrem vierten Testflug am 1. Mai 2013 erreichte sie eine Geschwindigkeit von Mach 5,1 und flog in knapp über 6 Minuten rund 426 km. ⓘ

Am 9. Januar 2014 wurde von US-Satelliten ein mit Mach 5 (nach unbestätigten Angaben bis zu Mach 10) in 100 km Höhe fliegendes Objekt beobachtet. In diesem Falle würde Mach 5 etwa 5400 bis 6000 km/h bzw. Mach 10 ca. 11.000 km/h bedeuten. Laut amerikanischen Angaben, die durch chinesische Angaben untermauert wurden, handelt es sich um einen chinesischen experimentellen unbemannten Gleiter mit dem noch nicht endgültigen Namen WU-14. Das inzwischen DF-ZF genannte Fluggerät soll in der ersten Phase durch eine militärische Langstrecken-Trägerrakete auf die zum Zünden des Scramjets nötige Höhe und Geschwindigkeit gebracht worden sein. ⓘ

Sonderformen

Unterschiedliche Wege der Luft durch das J58-Triebwerk der SR-71 bei verschiedenen Geschwindigkeiten ⓘ

Test des Pratt & Whitney-Rocketdyne-Triebwerks SJY61 für die Boeing X-51 beim Übergang zu JP-7 ⓘ

Im Projekt Pluto wurde Ende der 1950er-Jahre mit hohem Aufwand ein nuklearer Ramjet entwickelt, der im Tiefflug mit Mach 3 eine Anzahl von H-Bomben in die UdSSR tragen sollte. Das Triebwerk wurde 1961 erfolgreich getestet, das Projekt jedoch aus politischen und praktischen Gründen eingestellt, bevor eine Flugerprobung begann. ⓘ

Im Aufklärungsflugzeug Lockheed SR-71 kommen Pratt & Whitney-J58-Triebwerke zur Anwendung, die als variable-cycle-Triebwerk Turbo- und Ramjet-Funktionen in sich vereinen: Bei niedrigen Geschwindigkeiten wird allein die Turbojet-Funktion genutzt, ab Mach 3 wird durch Verschiebung des Einlasskonus ein Teil des Luftstromes an den Turbinen vorbei als Ramjet genutzt, bei der Höchstgeschwindigkeit von Mach 3,2 entstehen dann 80 % des Schubs auf diese Weise. ⓘ

Die US-Konzerne Pratt & Whitney und United Technologies haben im Rahmen des FALCON-Programms ein Triebwerk entwickelt, das sowohl Unter- als auch Überschallverbrennung in einem einzelnen Triebwerk ermöglicht. Es kann im Geschwindigkeitsbereich von Mach 2,5 bis Mach 6 arbeiten, wobei der letzte Test im September 2007 stattfand. ⓘ