Sternmotor
Der Sternmotor ist eine Bauform des Hubkolben-Verbrennungsmotors, bei der mehrere Motorzylinder sternförmig radial um die Kurbelwelle herum angeordnet sind. Sternmotoren arbeiten überwiegend nach dem Viertakt-Ottoverfahren, aber auch Diesel- oder Zweitaktmotoren oder Kombinationen dieser Bauweisen sind möglich. Sie finden vorwiegend Verwendung als Luftfahrtantriebe. Üblich sind bei diesen Motoren feststehende Gehäuse und eine rotierende Kurbelwelle, es wurden aber auch Umlaufmotoren gebaut, bei denen die Kurbelwelle stillsteht und der Zylinderstern rotiert. ⓘ
Der Sternmotor ist ein Hubkolben-Verbrennungsmotor, bei dem die Zylinder wie die Speichen eines Rades strahlenförmig von einem zentralen Kurbelgehäuse nach außen laufen. Von vorne betrachtet ähnelt er einem stilisierten Stern und wird in einigen anderen Sprachen "Sternmotor" genannt. ⓘ
Die Sternform wurde häufig für Flugzeugtriebwerke verwendet, bevor sich Gasturbinenmotoren durchsetzten. ⓘ
Betrieb eines Motors
Die Kolben sind in Gold und die Ventile in Rosa dargestellt,
Hauptpleuelstange und Gegengewicht lila, Nebenpleuelstangen blau,
und Steuerring und Nocken in rot.
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Da die Achsen der Zylinder koplanar sind, können die Pleuelstangen nicht alle direkt mit der Kurbelwelle verbunden werden, es sei denn, es werden mechanisch komplizierte Gabelpleuelstangen verwendet, was bisher nicht gelungen ist. Stattdessen sind die Kolben über eine Haupt- und Gelenkstangenanordnung mit der Kurbelwelle verbunden. Ein Kolben, der oberste in der Animation, hat eine Hauptstange, die direkt mit der Kurbelwelle verbunden ist. Die übrigen Kolben sind mit ihren Pleuelstangen an Ringen am Rand der Hauptstange befestigt. Zusätzliche Reihen" von Sternzylindern können hinzugefügt werden, um die Kapazität des Motors zu erhöhen, ohne seinen Durchmesser zu vergrößern. ⓘ
Viertakt-Sternmotoren haben eine ungerade Anzahl von Zylindern pro Reihe, so dass eine gleichmäßige Zündfolge mit jedem anderen Kolben beibehalten werden kann, was einen reibungslosen Betrieb ermöglicht. Bei einem Motor mit fünf Zylindern lautet die Zündfolge beispielsweise 1, 3, 5, 2, 4 und zurück zu Zylinder 1. Außerdem bleibt zwischen dem Kolben im Verbrennungstakt und dem Kolben im Verdichtungstakt immer ein Abstand von einem Kolben. Der aktive Hub trägt direkt zur Verdichtung des nächsten Zylinders bei, wodurch die Bewegung gleichmäßiger wird. Bei einer geraden Anzahl von Zylindern wäre ein gleichmäßig getakteter Zündzyklus nicht möglich. Die Prototypen der radialen Zoche-Aerodiesel (siehe unten) haben eine gerade Anzahl von Zylindern, entweder vier oder acht; dies ist jedoch unproblematisch, da es sich um Zweitaktmotoren handelt, die pro Kurbelwellenumdrehung doppelt so viele Arbeitstakte haben wie ein Viertaktmotor. ⓘ
Wie bei den meisten Viertaktmotoren benötigt die Kurbelwelle zwei Umdrehungen, um die vier Takte eines jeden Kolbens (Einlass, Verdichtung, Verbrennung, Auslass) zu vollenden. Der Nockenwellenring ist so ausgelegt, dass er sich langsamer und in entgegengesetzter Richtung zur Kurbelwelle dreht. Seine Nocken sind in zwei Reihen angeordnet, eine für die Einlass- und eine für die Auslassventile. Der Sternmotor hat normalerweise weniger Nocken als andere Typen. Bei dem Motor in der Animation bedienen beispielsweise vier Nocken alle 10 Ventile in den fünf Zylindern, während bei einem typischen Reihenmotor mit der gleichen Anzahl von Zylindern und Ventilen 10 Nocken erforderlich wären. ⓘ
Die meisten Sternmotoren verwenden obenliegende Tellerventile, die von Stößelstangen und Stößeln auf einer Nockenplatte angetrieben werden, die konzentrisch zur Kurbelwelle angeordnet ist. Einige kleinere Sternmotoren, wie der Kinner B-5 und der russische Shvetsov M-11, verwenden für jeden Zylinder eine eigene Nockenwelle im Kurbelgehäuse. Einige wenige Motoren, wie der 14-Zylinder Bristol Hercules und der 18-Zylinder Bristol Centaurus, verwenden Hülsenventile, die leiser und laufruhiger sind, aber wesentlich engere Fertigungstoleranzen erfordern. ⓘ
Abweichend von anderen mehrzylindrigen Motorkonzepten hat jeder Zylinderstern nur eine einfach gekröpfte Kurbelwelle. Während bei den meisten anderen Kolbenmotoren jeder Kolben über sein Pleuel unmittelbar mit einem Hubzapfen der Kurbelwelle verbunden ist, findet sich eine direkte Verbindung beim Sternmotor nur bei einem der Pleuel, nämlich dem Hauptpleuel (auch Mutterpleuel genannt; in der Animation oben das obere, heller gefärbte Pleuel). Am kurbelwellenseitigen Fuß des Hauptpleuels befinden sich ringförmig um das auf dem Zapfen laufende Pleuelauge angeordnete Gelenklager; die verbleibenden Pleuel (Nebenpleuel genannt) werden über diese Gelenklager mit dem Hauptpleuelfuß verbunden. Diese Bauweise bewirkt, dass alle Kolben einer Zylinderebene über die jeweiligen Pleuel ohne Längsversatz auf einen einzigen Hubzapfen wirken können. Wie bei allen Haupt-/Nebenpleuelanlenkungen ist die Kraftlinie der Nebenpleuel – abhängig von der Kurbelwellenposition – nicht immer genau geradlinig zwischen Kolbenbolzen und Hubzapfen-Achsmitte, sondern am exzentrischen Anlenkpunkt Gelenklager fallweise etwas ausgeknickt. Daraus resultieren etwas abweichende Kolbenhübe der Nebenpleuel-Kolben gegenüber dem Hauptpleuel-Kolben (im Millimeter-Bereich). Da der komplexe und durch die Gelenklager hoch belastete Pleuelfuß des Hauptpleuels in der Regel zur Montage nicht teilbar, d. h. nur ohne abnehmbaren Pleueldeckel gefertigt werden kann, wird meist im Gegenzug eine am Hubzapfen teilbare Kurbelwelle verwendet. ⓘ
Da die Oszillation aller beweglichen Bauelemente in genau einer Ebene erfolgt, entstehen keine freien Massenmomente. Die umlaufenden Massenkräfte der Pleuel und Kolben können – bei Motoren mit gerader Zylinderzahl generell oder bei Motoren mit ungerader Zylinderzahl ab fünf Zylindern – durch die Gegengewichte an den Kurbelwangen fast vollständig ausgeglichen werden, was einen vibrationsarmen Lauf zur Folge hat. ⓘ
Geschichte
Flugzeuge
C. M. Manly konstruierte 1901 einen wassergekühlten Fünfzylinder-Sternmotor, einen Umbau eines Rotationsmotors von Stephen Balzer, für das Flugzeug Langley's Aerodrome. Der Motor von Manly leistete 52 PS (39 kW) bei 950 Umdrehungen pro Minute. ⓘ
In den Jahren 1903-1904 nutzte Jacob Ellehammer seine Erfahrungen beim Bau von Motorrädern, um den ersten luftgekühlten Sternmotor der Welt zu bauen, einen Dreizylindermotor, den er 1907 als Grundlage für ein leistungsstärkeres Fünfzylindermodell verwendete. Dieser wurde in seinen Dreidecker eingebaut und absolvierte eine Reihe von kurzen Freiflugstrecken. ⓘ
Ein weiterer früher Sternmotor war der Dreizylindermotor von Anzani, der ursprünglich als W3 "Fan"-Konfiguration gebaut wurde und von dem einer die Blériot XI von Louis Blériot über den Ärmelkanal antrieb. Vor 1914 hatte Alessandro Anzani Sternmotoren entwickelt, die von 3 Zylindern (im Abstand von 120°) - früh genug, um in einigen in Frankreich gebauten Exemplaren der berühmten Blériot XI aus der ursprünglichen Blériot-Fabrik verwendet worden zu sein - bis zu einem massiven 20-Zylinder-Motor mit 200 PS (150 kW) reichten, dessen Zylinder in vier Reihen zu je fünf Zylindern angeordnet waren. ⓘ
Die meisten Sternmotoren sind luftgekühlt, aber einer der erfolgreichsten frühen Sternmotoren (und die früheste "stationäre" Konstruktion, die für Kampfflugzeuge des Ersten Weltkriegs hergestellt wurde) war die Salmson 9Z-Serie von wassergekühlten Neunzylinder-Sternmotoren, die in großen Stückzahlen produziert wurden. Georges Canton und Pierre Unné ließen die ursprüngliche Motorkonstruktion 1909 patentieren und boten sie der Firma Salmson an; der Motor wurde oft als Canton-Unné-Motor bezeichnet. ⓘ
Von 1909 bis 1919 stand der Sternmotor im Schatten seines nahen Verwandten, des Kreiskolbenmotors, der sich vom so genannten "stationären" Sternmotor dadurch unterschied, dass sich das Kurbelgehäuse und die Zylinder mit dem Propeller drehten. Das Konzept ähnelte dem des späteren Sternmotors, wobei der Hauptunterschied darin bestand, dass der Propeller mit dem Motor und die Kurbelwelle mit der Flugzeugzelle verschraubt war. Das Problem der Kühlung der Zylinder, das bei den frühen "stationären" Sternmotoren eine große Rolle spielte, wurde dadurch gelöst, dass der Motor seinen eigenen Kühlluftstrom erzeugte. ⓘ
Im Ersten Weltkrieg flogen viele französische und andere alliierte Flugzeuge mit Gnome-, Le Rhône-, Clerget- und Bentley-Kreiskolbenmotoren, deren stärkste Exemplare 250 PS (190 kW) erreichten, obwohl keiner der Motoren über 160 PS (120 kW) erfolgreich war. Bis 1917 blieb die Entwicklung von Kreiskolbenmotoren hinter den neuen Reihen- und V-Motoren zurück, die bis 1918 bis zu 400 PS (300 kW) leisteten und fast alle neuen französischen und britischen Kampfflugzeuge antrieben. ⓘ
Die meisten deutschen Flugzeuge der damaligen Zeit verwendeten wassergekühlte 6-Zylinder-Reihenmotoren. Die Motorenfabrik Oberursel fertigte Lizenzkopien der Rotationsmotoren Gnome und Le Rhône, und Siemens-Halske baute eigene Konstruktionen, darunter den Siemens-Halske Sh. III, ein Elfzylinder-Kreiskolbenmotor, der für die damalige Zeit ungewöhnlich war, da er über ein Kegelradgetriebe im hinteren Teil des Kurbelgehäuses angetrieben wurde, ohne dass die Kurbelwelle fest mit der Flugzeugzelle verbunden war, so dass die inneren Bauteile des Motors (die vollständig innenliegende Kurbelwelle "schwimmt" in ihren Kurbelgehäuselagern, mit ihren Pleueln und Kolben) in entgegengesetzter Richtung zum Kurbelgehäuse und den Zylindern gedreht wurden, die sich weiterhin wie der Propeller selbst drehten, da er immer noch fest an der Vorderseite des Kurbelgehäuses befestigt war, wie bei den regulären deutschen Umlaufmotoren. ⓘ
Gegen Ende des Krieges stieß der Kreiskolbenmotor an seine konstruktiven Grenzen, insbesondere hinsichtlich der Menge an Kraftstoff und Luft, die durch die hohle Kurbelwelle in die Zylinder gesaugt werden konnte, während Fortschritte in der Metallurgie und der Kühlung der Zylinder es schließlich ermöglichten, dass stationäre Sternmotoren die Kreiskolbenmotoren ablösten. In den frühen 1920er Jahren baute Le Rhône eine Reihe seiner Kreiskolbenmotoren in stationäre Sternmotoren um. ⓘ
1918 waren die potenziellen Vorteile luftgekühlter Sternmotoren gegenüber den wassergekühlten Reihenmotoren und luftgekühlten Kreiskolbenmotoren, die im Ersten Weltkrieg Flugzeuge angetrieben hatten, zwar erkannt, aber noch nicht verwirklicht. Britische Konstrukteure hatten 1917 den ABC-Dragonfly-Sternmotor entwickelt, waren aber nicht in der Lage, die Kühlungsprobleme zu lösen, und erst in den 1920er Jahren brachten Bristol und Armstrong Siddeley zuverlässige luftgekühlte Sternmotoren wie den Bristol Jupiter und den Armstrong Siddeley Jaguar heraus. ⓘ
In den Vereinigten Staaten stellte das National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) 1920 fest, dass luftgekühlte Sternmotoren ein besseres Leistungsgewicht und eine höhere Zuverlässigkeit bieten könnten. 1921 kündigte die US-Marine an, nur noch Flugzeuge mit luftgekühlten Sternmotoren zu bestellen, und andere Marineluftstreitkräfte folgten diesem Beispiel. Der J-1-Motor von Charles Lawrance wurde 1922 mit finanzieller Unterstützung der Navy entwickelt und lief mit Aluminiumzylindern und Stahllaufbuchsen 300 Stunden lang - zu einer Zeit, in der eine Lebensdauer von 50 Stunden üblich war - wie nie zuvor. Auf Drängen der Armee und der Marine kaufte die Wright Aeronautical Corporation das Unternehmen von Lawrance, und die nachfolgenden Motoren wurden unter dem Namen Wright gebaut. Die Sternmotoren gaben den Navy-Piloten Vertrauen für Langstreckenflüge über Wasser. ⓘ
Der 225 PS (168 kW) starke J-5 Whirlwind-Sternmotor von Wright aus dem Jahr 1925 wurde weithin als "der erste wirklich zuverlässige Flugzeugmotor" bezeichnet. Wright beauftragte Giuseppe Mario Bellanca mit der Konstruktion eines Flugzeugs, das diesen Motor vorführen sollte, und das Ergebnis war die Wright-Bellanca WB-1, die noch im selben Jahr erstmals flog. Die J-5 wurde in vielen fortschrittlichen Flugzeugen der damaligen Zeit eingesetzt, darunter auch in Charles Lindberghs Spirit of St. Louis, mit der er den ersten Solo-Transatlantikflug unternahm. ⓘ
1925 wurde das amerikanische Unternehmen Pratt & Whitney gegründet, das mit den Sternmotoren von Wright konkurrierte. Das erste Angebot von Pratt & Whitney, der R-1340 Wasp, wurde noch im selben Jahr getestet und bildete den Auftakt zu einer Reihe von Motoren, zu denen in den nächsten 25 Jahren auch der zweireihige 14-Zylinder-Motor Pratt & Whitney R-1830 Twin Wasp gehörte. Von der Twin Wasp wurden mehr Motoren produziert als von jedem anderen Kolbenmotor in der Geschichte der Luftfahrt; fast 175.000 Stück wurden gebaut. ⓘ
Im Vereinigten Königreich konzentrierte sich die Bristol Aeroplane Company auf die Entwicklung von Sternmotoren wie dem Jupiter, Mercury und dem Hercules-Sternmotor mit Hülsenventil. Deutschland, Japan und die Sowjetunion begannen mit dem Bau von Lizenzversionen der Armstrong Siddeley-, Bristol-, Wright- oder Pratt & Whitney-Sternmotoren, bevor sie ihre eigenen verbesserten Versionen produzierten. Frankreich setzte die Entwicklung verschiedener Rotationsmotoren fort, stellte aber auch Motoren her, die von Bristol-Konstruktionen abgeleitet waren, insbesondere den Jupiter. ⓘ
Obwohl andere Kolbenkonfigurationen und Turboprops den Platz moderner Propellerflugzeuge eingenommen haben, ist die Rare Bear, eine Grumman F8F Bearcat, die mit einem Wright R-3350 Duplex-Cyclone-Sternmotor ausgestattet ist, immer noch das schnellste kolbenangetriebene Flugzeug. ⓘ
125.334 Exemplare des amerikanischen zweireihigen 18-Zylinder-Motors Pratt & Whitney R-2800 Double Wasp mit einem Hubraum von 2.800 in³ (46 L) und zwischen 2.000 und 2.400 PS (1.500-1.800 kW) trieben die amerikanische einmotorige Vought F4U Corsair, die Grumman F6F Hellcat, die Republic P-47 Thunderbolt, die zweimotorige Martin B-26 Marauder, die Douglas A-26 Invader, die Northrop P-61 Black Widow usw. an. Der bereits erwähnte zweireihige 14-Zylinder-Sternmotor Twin Wasp desselben Unternehmens mit kleinerem Hubraum (30 Liter) wurde als Haupttriebwerk für die B-24 Liberator, die PBY Catalina und die Douglas C-47 verwendet, die jeweils zu den Spitzenreitern bei den Produktionszahlen für die einzelnen Flugzeugtypen gehörten. ⓘ
Die amerikanischen zweireihigen Sternmotoren der Wright-Cyclone-Serie trieben amerikanische Kampfflugzeuge an: der 14-Zylinder-Twin-Cyclone mit fast 43 Litern Hubraum die einmotorige Grumman TBF Avenger, die zweimotorige nordamerikanische B-25 Mitchell und einige Versionen der Douglas A-20 Havoc, während der massive zweireihige Duplex-Cyclone mit fast 55 Litern Hubraum und 18 Zylindern die viermotorige Boeing B-29 Superfortress und andere antrieb. ⓘ
Das sowjetische Konstruktionsbüro Shvetsov OKB-19 war die einzige Konstruktionsquelle für alle von der sowjetischen Regierung fabrikmäßig hergestellten Sternmotoren, die in ihren Flugzeugen des Zweiten Weltkriegs verwendet wurden, beginnend mit dem Shvetsov M-25 (der seinerseits auf der Konstruktion des amerikanischen Wright Cyclone 9 basierte) und der Konstruktion des Shvetsov ASh-82 mit 41 Litern Hubraum und 14 Zylindern für Jagdflugzeuge, und das massive Achtzehnzylinder-Radialflugzeug Shvetsov ASh-73 mit 58 Litern Hubraum im Jahr 1946. Das kleinste Radialflugzeug des Shvetsov OKB während des Krieges war das einheimische 8. 6-Liter-Hubraum Shvetsov M-11 mit fünf Zylindern. ⓘ
Mehr als 28.000 deutsche 14-Zylinder-Zweireiher BMW 801 mit 42 Litern Hubraum und einer Leistung zwischen 1.560 und 2.000 PS (1.540-1.970 PS bzw. 1.150-1.470 kW) trieben die einsitzige, einmotorige Focke-Wulf Fw 190 Würger und die zweimotorige Junkers Ju 88 an. ⓘ
In Japan wurden die meisten Flugzeuge von luftgekühlten Sternmotoren wie dem 14-Zylinder Mitsubishi Zuisei (11.903 Stück, z. B. Kawasaki Ki-45), Mitsubishi Kinsei (12.228 Stück, z. B. Aichi D3A) angetrieben. Aichi D3A), Mitsubishi Kasei (16.486 Einheiten, z.B. Kawanishi H8K), Nakajima Sakae (30.233 Einheiten, z.B. Mitsubishi A6M und Nakajima Ki-43) und 18-Zylinder Nakajima Homare (9.089 Einheiten, z.B. Nakajima Ki-84). Die Kawasaki Ki-61 und die Yokosuka D4Y waren damals seltene Beispiele für japanische Flugzeuge mit flüssigkeitsgekühlten Reihenmotoren, wurden aber später als Kawasaki Ki-100 und Yokosuka D4Y3 auch auf Sternmotoren umgerüstet. ⓘ
In Großbritannien produzierte Bristol sowohl Sternmotoren mit Hülsenventilen als auch konventionelle Sternmotoren mit Tellerventilen: Von den hülsengesteuerten Motoren trieben mehr als 57.400 Hercules-Motoren die Vickers Wellington, Short Stirling, Handley Page Halifax und einige Versionen der Avro Lancaster an, über 8.000 der bahnbrechenden hülsengesteuerten Bristol Perseus kamen in verschiedenen Typen zum Einsatz, und mehr als 2.500 des hubraumstärksten britischen Sternmotors der Firma Bristol, des Bristol Centaurus, wurden zum Antrieb der Hawker Tempest II und der Sea Fury verwendet. Zu den Radialmotoren mit Tellerventilen derselben Firma gehörten etwa 32.000 Bristol Pegasus, die in der Short Sunderland, der Handley Page Hampden und der Fairey Swordfish eingesetzt wurden, und über 20.000 Exemplare des Neunzylinder-Mercury aus dem Jahr 1925, der als Antrieb für die Westland Lysander, die Bristol Blenheim und die Blackburn Skua diente. ⓘ
Panzer
In den Jahren vor dem Zweiten Weltkrieg, als der Bedarf an gepanzerten Fahrzeugen erkannt wurde, sahen sich die Konstrukteure mit dem Problem konfrontiert, wie sie die Fahrzeuge antreiben sollten, und wandten sich dem Einsatz von Flugzeugmotoren zu, darunter auch Sternmotoren. Die Sternmotoren boten ein besseres Leistungsgewicht und waren zuverlässiger als die damals verfügbaren herkömmlichen Reihenmotoren für Fahrzeuge. Die Verwendung von Sternmotoren hatte jedoch auch einen Nachteil: Wurden die Motoren vertikal eingebaut, wie beim M3 Lee und M4 Sherman, verlieh ihr vergleichsweise großer Durchmesser dem Panzer eine höhere Silhouette als bei Fahrzeugen mit Reihenmotoren. ⓘ
Der Continental R-670, ein 7-Zylinder-Sternmotor, der 1931 erstmals zum Einsatz kam, wurde zu einem weit verbreiteten Panzertriebwerk, das im M1 Combat Car, M2 Light Tank, M3 Stuart, M3 Lee und LVT-2 Water Buffalo eingebaut wurde. ⓘ
Der Guiberson T-1020, ein 9-Zylinder-Sterndieselmotor, kam im M1A1E1 zum Einsatz, während der Continental R975 im M4 Sherman, M7 Priest, M18 Hellcat und der Panzerhaubitze M44 Verwendung fand. ⓘ
Moderne Sternmotoren
Eine Reihe von Unternehmen baut auch heute noch Sternmotoren. Wedenejew produziert den M-14P-Sternmotor mit 360-450 PS (270-340 kW), der in Jakowlew- und Suchoi-Kunstflugzeugen eingesetzt wird. Der M-14P wird auch von den Erbauern selbstgebauter Flugzeuge wie der Culp Special, der Culp Sopwith Pup, der Pitts S12 "Monster" und der Murphy "Moose" verwendet. Die 7-Zylinder-Motoren mit 110 PS (82 kW) und die 9-Zylinder-Motoren mit 150 PS (110 kW) werden von Rotec Aerosport in Australien angeboten. HCI Aviation bietet den R180 5-Zylinder (75 PS (56 kW)) und den R220 7-Zylinder (110 PS (82 kW)) an, die "flugfertig" und als Bausatz erhältlich sind. Verner Motor aus der Tschechischen Republik baut mehrere Sternmotoren mit einer Leistung von 25 bis 150 PS (19 bis 112 kW). Miniatur-Sternmotoren für Modellflugzeuge sind von O. S. Engines, Saito Seisakusho aus Japan und Shijiazhuang aus China sowie von Evolution (entwickelt von Wolfgang Seidel aus Deutschland und hergestellt in Indien) und Technopower aus den USA erhältlich. ⓘ
Vergleich mit Reihenmotoren
Flüssigkeitskühlsysteme sind im Allgemeinen anfälliger für Kampfschäden. Selbst kleinere Schrapnellschäden können leicht zu einem Kühlmittelverlust und einer daraus resultierenden Überhitzung des Motors führen, während ein luftgekühlter Sternmotor von kleineren Schäden weitgehend verschont bleiben kann. Sternmotoren haben kürzere und steifere Kurbelwellen. Ein Einkammer-Sternmotor benötigt nur zwei Kurbelwellenlager im Gegensatz zu den sieben, die für einen flüssigkeitsgekühlten Sechszylinder-Reihenmotor mit ähnlicher Steifigkeit erforderlich sind. ⓘ
Während bei einem einreihigen Sternmotor alle Zylinder gleichmäßig gekühlt werden können, gilt dies nicht für mehrreihige Motoren, bei denen die hinteren Zylinder durch die von der vorderen Reihe ausgehende Wärme beeinträchtigt werden können und der Luftstrom verdeckt wird. ⓘ
Ein potenzieller Nachteil von Sternmotoren besteht darin, dass sich der Luftwiderstand erheblich erhöht, wenn die Zylinder dem Luftstrom ausgesetzt sind. Die Lösung war der Einsatz von speziell konstruierten Verkleidungen mit Leitblechen, die die Luft zwischen die Zylinder zwingen. Die erste wirksame Verkleidung zur Verringerung des Luftwiderstands, die die Kühlung des Motors nicht beeinträchtigte, war der britische Townend-Ring oder "Drag Ring", der ein schmales Band um den Motor bildete, das die Zylinderköpfe abdeckte und den Luftwiderstand verringerte. Das National Advisory Committee for Aeronautics untersuchte das Problem und entwickelte die NACA-Verkleidung, die den Luftwiderstand weiter reduzierte und die Kühlung verbesserte. Nahezu alle Flugzeug-Sternmotoren verwenden seitdem NACA-Verkleidungen. ⓘ
Während flüssigkeitsgekühlte Reihentriebwerke bei Neukonstruktionen bis zum Ende des Zweiten Weltkriegs üblich waren, dominierten danach Sternmotoren, bis sie von Düsentriebwerken überholt wurden. Die Hawker Sea Fury und die Grumman F8F Bearcat, zwei der schnellsten jemals gebauten Serienflugzeuge mit Kolbenmotoren, verwendeten Sternmotoren. ⓘ
Die übliche Luftkühlung ist ebenfalls ungünstiger in Bezug auf den Luftwiderstand und führt wegen Asymmetrien der kühlenden Luftströmung unvermeidlich dazu, dass nicht alle Zylinder oder Zylinderbereiche immer mit gleicher Temperatur arbeiten und einzelne Zylinder Gefahr laufen können, zu überhitzen oder zu unterkühlen. ⓘ
Da einige der Zylinder bauartbedingt nach unten hängen, ist es möglich, dass bei abgestelltem Motor Motoröl am Kolbenhemd und den Kolbenringen vorbei in den Brennraum sickert; dies führt zu einem erhöhten Ölverbrauch und kurzzeitiger Rauchbildung beim Anlassen. Im ungünstigsten Fall kann es beim Anlassen durch zu viel eingesickertes Öl zu einer hydraulischen Blockade eines Zylinders und damit zur Beschädigung oder Zerstörung des Motors kommen. ⓘ
Hydrolock
Wenn ein Sternmotor länger als ein paar Minuten abgeschaltet bleibt, kann Öl oder Kraftstoff in die Brennräume der unteren Zylinder ablaufen oder sich in den unteren Ansaugrohren ansammeln, um beim Anlassen des Motors in die Zylinder gesaugt zu werden. Wenn sich der Kolben dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs nähert, stoppt diese Flüssigkeit, da sie inkompressibel ist, die Kolbenbewegung. Wird der Motor in einem solchen Zustand gestartet oder versucht zu starten, kann dies zu einer verbogenen oder gebrochenen Pleuelstange führen. ⓘ
Andere Arten von Sternmotoren
Mehrreihige Sternmotoren
Ursprünglich hatten Sternmotoren nur eine Zylinderreihe, aber mit zunehmender Größe des Motors wurde es notwendig, zusätzliche Reihen zu bauen. Der erste bekannte zweireihige Sternmotor war der 160 PS starke Gnôme-Doppel-Lambda"-Rotationsmotor von 1912, der als zweireihige 14-Zylinder-Version des einreihigen Siebenzylinder-Rotationsmotors Lambda (80 PS) des Unternehmens konzipiert war. ⓘ
Zweireihige Konstruktionen kamen in den 1930er Jahren in großer Zahl auf den Markt, als Größe und Gewicht der Flugzeuge so stark zunahmen, dass einreihige Motoren mit der erforderlichen Leistung einfach zu groß waren, um praktikabel zu sein. Bei zweireihigen Konstruktionen gab es häufig Probleme mit der Kühlung der hinteren Zylinderreihe, aber es wurden verschiedene Leitbleche und Lamellen eingeführt, die diese Probleme weitgehend beseitigten. Der Nachteil war eine relativ große Frontfläche, die offen gelassen werden musste, um einen ausreichenden Luftstrom zu gewährleisten, was den Luftwiderstand erhöhte. Dies führte in den späten 1930er Jahren zu erheblichen Diskussionen in der Industrie über die Möglichkeit, Radialreifen für Hochgeschwindigkeitsflugzeuge wie moderne Jagdflugzeuge zu verwenden. ⓘ
Die Lösung wurde mit dem zweireihigen 14-Zylinder-Radialmotor BMW 801 eingeführt. Kurt Tank entwarf für diesen Motor ein neues Kühlsystem, bei dem ein Hochgeschwindigkeitsgebläse Druckluft in Kanäle bläst, die die Luft in die Mitte der Bänke leiten, wo eine Reihe von Leitblechen die Luft über alle Zylinder leitet. Auf diese Weise konnte die Motorhaube eng um den Motor gelegt werden, was den Luftwiderstand verringerte, während gleichzeitig (nach einer Reihe von Experimenten und Modifikationen) genügend Kühlluft nach hinten geleitet wurde. Dieses Grundkonzept wurde bald von vielen anderen Herstellern kopiert, und viele Flugzeuge aus der Spätphase des Zweiten Weltkriegs kehrten zur Radialbauweise zurück, als neuere und viel größere Konstruktionen eingeführt wurden. Beispiele sind der Bristol Centaurus in der Hawker Sea Fury und der Shvetsov ASh-82 in der Lavochkin La-7. ⓘ
Um noch mehr Leistung zu erzielen, wurde das Hinzufügen weiterer Triebwerksreihen als nicht praktikabel erachtet, da es schwierig war, den erforderlichen Luftstrom zu den hinteren Triebwerksbänken zu leiten. Es wurden größere Motoren entwickelt, die zumeist wassergekühlt waren, was jedoch die Komplexität stark erhöhte und einige der Vorteile der luftgekühlten Sternmotoren zunichte machte. Ein Beispiel für dieses Konzept ist der BMW 803, der nie in Betrieb genommen wurde. ⓘ
In den USA wurde eine umfangreiche Studie über die Luftströmung um Radialmotoren mit Hilfe von Windkanälen und anderen Systemen durchgeführt, die zeigte, dass bei sorgfältiger Konstruktion ein ausreichender Luftstrom vorhanden war. So entstand der R-4360 mit 28 Zylindern, die in einer vierreihigen Maiskolbenkonfiguration angeordnet sind. Der R-4360 wurde in der Zeit nach dem Zweiten Weltkrieg in großen amerikanischen Flugzeugen eingesetzt. Die USA und die Sowjetunion setzten ihre Experimente mit größeren Radialtriebwerken fort, doch das Vereinigte Königreich gab solche Konstruktionen zugunsten neuerer Versionen des Centaurus und der raschen Umstellung auf Turboprops wie die Armstrong Siddeley Python und die Bristol Proteus auf, die ohne weiteres mehr Leistung als Radialtriebwerke erbrachten, ohne dabei schwerer oder komplexer zu sein. ⓘ
Große Radialflugzeuge wurden weiterhin für andere Zwecke gebaut, auch wenn sie nicht mehr üblich sind. Ein Beispiel ist der 5-Tonnen-Dieselmotor Zvezda M503 mit 42 Zylindern in 6 Reihen von 7, einem Hubraum von 143,6 Litern und einer Leistung von 3.942 PS (2.940 kW). Drei dieser Motoren wurden auf den schnellen Raketenbooten der Osa-Klasse eingesetzt. Ein weiterer Motor war der Lycoming XR-7755, der größte jemals in den Vereinigten Staaten gebaute Kolbenflugmotor mit 36 Zylindern und einem Hubraum von insgesamt 7.750 in³ (127 L) und einer Leistung von 5.000 PS (3.700 Kilowatt). ⓘ
Diesel-Radialmotoren
Während die meisten Sternmotoren für Benzinmotoren hergestellt wurden, gab es auch Diesel-Sternmotoren. Zwei große Vorteile sprechen für Dieselmotoren: geringerer Kraftstoffverbrauch und geringere Brandgefahr. ⓘ
- Packard
Packard entwickelte und baute 1928 einen 9-Zylinder-Diesel-Sternmotor mit 980 Kubikzoll (16,06 Liter) Hubraum, den DR-980 mit 225 PS (168 kW). Am 28. Mai 1931 stellte eine vom DR-980 angetriebene Bellanca CH-300 mit 481 Gallonen Treibstoff unter der Leitung von Walter Edwin Lees und Frederick Brossy den Rekord auf, 84 Stunden und 32 Minuten in der Luft zu bleiben, ohne aufgetankt zu werden. Dieser Rekord hielt 55 Jahre lang, bis er von der Rutan Voyager gebrochen wurde. ⓘ
- Bristol
Die experimentelle Bristol Phoenix aus den Jahren 1928-1932 wurde in einer Westland Wapiti erfolgreich im Flug getestet und stellte 1934 Höhenrekorde auf, die bis zum Zweiten Weltkrieg Bestand hatten. ⓘ
- Clerget
Im Jahr 1932 entwickelte das französische Unternehmen Clerget den 14D, einen 14-Zylinder-Zweitakt-Sternmotor. Nach einer Reihe von Verbesserungen wurde 1938 das Modell 14F2 entwickelt, das bei einer Drehzahl von 1910 U/min eine Leistung von 520 PS (390 kW) erbrachte. Das Leistungsgewicht entsprach in etwa dem eines zeitgenössischen Benzinmotors, und der spezifische Kraftstoffverbrauch lag bei etwa 80 % desjenigen eines entsprechenden Benzinmotors. Während des Zweiten Weltkriegs wurden die Forschungen fortgesetzt, aber wegen der Nazi-Besatzung kam es zu keiner Massenproduktion. Bis 1943 war der Motor auf eine Leistung von über 1.000 PS (750 kW) mit einem Turbolader angewachsen. Nach dem Krieg wurde die Firma Clerget in das Unternehmen SNECMA integriert und hatte Pläne für einen 32-Zylinder-Dieselmotor mit 4.000 PS (3.000 kW), aber 1947 gab das Unternehmen die Entwicklung von Kolbenmotoren zugunsten der aufkommenden Turbinenmotoren auf. ⓘ
- Nordberg
Die Nordberg Manufacturing Company in den Vereinigten Staaten entwickelte und produzierte ab Ende der 1940er Jahre eine Reihe großer Zweitakt-Sterndieselmotoren für die Stromerzeugung, vor allem in Aluminiumhütten und zum Pumpen von Wasser. Sie unterschieden sich von den meisten Sternmotoren dadurch, dass sie eine gerade Anzahl von Zylindern in einer einzigen Bank (oder Reihe) und eine ungewöhnliche doppelte Hauptpleuelstange hatten. Es wurden Varianten gebaut, die entweder mit Dieselöl oder Benzin oder einer Mischung aus beidem betrieben werden konnten. In den USA wurde eine Reihe von Kraftwerksanlagen mit einer großen Anzahl dieser Motoren gebaut. ⓘ
- EMD
Electro-Motive Diesel (EMD) baute die "Pfannkuchen"-Motoren 16-184 und 16-338 für die Schifffahrt. ⓘ
Druckluftsternmotoren
Eine Reihe von Sternmotoren, die mit Druckluft betrieben werden, wurden entwickelt, hauptsächlich für den Einsatz in Modellflugzeugen und Gaskompressoren. ⓘ
Modell-Sternmotoren
Eine Reihe von Mehrzylinder-Viertakt-Sternmotoren sind im Handel erhältlich. Den Anfang machte 1986 die japanische Firma O.S. Max mit dem Fünfzylinder-Sternmotor "Sirius" FR5-300 mit 3,0 Kubikzentimeter Hubraum (50 cm3). Die amerikanische Firma "Technopower" hatte bereits 1976 Fünf- und Siebenzylinder-Sternmotoren mit kleinerem Hubraum hergestellt, aber der Motor der Firma OS war der erste in Serie hergestellte Sternmotor in der Geschichte des Flugmodellbaus. Die konkurrierende Firma Saito Seisakusho in Japan hat seither einen ähnlich großen Fünfzylinder-Viertakt-Sternmotor als direkten Konkurrenten der OS-Konstruktion hergestellt, und Saito hat auch eine Reihe von Dreizylinder-Sternmotoren mit Methanol- und Benzinantrieb im Bereich von 0,90 cu.in. (15 cm3) bis 4,50 cu.in. (75 cm3) Hubraum entwickelt, die jetzt auch alle als Ottomotoren mit bis zu 84 cm3 Hubraum für den Betrieb mit Benzin erhältlich sind. Die deutsche Firma Seidel stellte früher sowohl sieben- als auch neunzylindrige "große" (ab 35 cm3 Hubraum) Funkfernsteuer-Sternmotoren her, meist für Glühkerzenzündung, wobei ein experimenteller vierzehnzylindriger zweireihiger Sternmotor erprobt wurde - die amerikanische Firma Evolution vertreibt jetzt die von Seidel konstruierten Sternmotoren, wobei die Herstellung in Indien erfolgt. ⓘ
Technik
Beim Sternmotor sind die Achsen aller Zylinder einer Zylinderreihe in einer senkrecht zur Drehachse der Kurbelwelle stehenden Ebene in gleichmäßigen Winkelabständen radial um diese Achse angeordnet. ⓘ
Ventilsteuerung
Viertakt-Sternmotoren haben meist eine OHV-Ventilsteuerung mit Stoßstangen und Kipphebeln in den Zylinderköpfen. Die Ventile werden im einfachsten Fall durch eine im Kurbelgehäuse angeordnete, untersetzte Nockentrommel gesteuert. Es sind jedoch auch Konstruktionen mit einer Nockenwelle pro Zylinder oder Ventil möglich. Im Zweiten Weltkrieg kamen auf britischer Seite auch große Stückzahlen von ventillosen Viertakt-Schiebermotoren zum Einsatz, bei denen der Ladungswechsel durch wechselweise freigegebene Öffnungen in der Laufbuchse gesteuert wurde. ⓘ
Gehäuseaufbau
Im Regelfall ist im in Flugrichtung vorderen Teil des kompakten Kurbelgehäuses bei vielen Modellen ein Propellergetriebe integriert, im rückwärtigen Teil befinden sich meist ein vom hinteren Kurbelwellenstumpf angetriebener zentraler Radiallader zur Motoraufladung und die Nebenaggregate wie Kraftstoffpumpen, Lichtmaschinen, Anlasser und die Gemischaufbereitung. ⓘ
Motorschmierung
Da durch die Bauweise ohne ausgeprägte konstruktive Ober- oder Unterseite der Einsatz einer Ölwanne am tiefsten Punkt des Ölkreislaufes nicht ohne weiteres möglich ist, kommt in der Regel eine Trockensumpfschmierung, oft sogar mit mehreren Rückförderpumpen, zum Einsatz. ⓘ
Vorteile und Nachteile
Vorteile
In der Anfangszeit der Flugmotorenentwicklung zeigten sich Sternmotoren den üblichen Reihenmotoren überlegen. Sternmotoren waren leichter als vergleichbare Reihenmotoren. Die kurze Baulänge kam den Flugzeugkonstrukteuren bei der Entwicklung wendiger Jagdflugzeuge entgegen, durch den guten Massenausgleich wurden wenig Vibrationen auf die filigranen Flugzeugzellen übertragen. ⓘ
Im militärischen Bereich wurde die geringere Empfindlichkeit von luftgekühlten Sternmotoren gegen Beschuss als Vorteil gesehen, da die Gefahr einer Beschädigung eines Flüssigkeits-Kühlkreislaufes und damit des Kühlmittelverlustes nicht vorhanden ist; ein Verlust des Kühlmittels hat stets einen Ausfall des Motors innerhalb sehr kurzer Zeit zur Folge. Da luftgekühlte Sternmotoren keine korrosionsempfindlichen Kühler benötigen, wurde ihre Empfindlichkeit gegen Salzwasserkorrosion beim Trägereinsatz geringer eingeschätzt, was die US Navy dazu veranlasste, für ihre auf Flugzeugträgern eingesetzten Flugzeuge (bis zur Einführung von Strahlflugzeugen) ausschließlich Muster mit Sternmotoren zu verwenden. ⓘ