Strahlflugzeug

Die McDonnell Douglas DC-10 der Continental Airlines ist ein Beispiel für eine Trijet-Konfiguration ⓘ

Ein Düsenflugzeug (oder einfach Jet) ist ein Flugzeug (fast immer ein Starrflügler), das von Strahltriebwerken angetrieben wird. ⓘ

Während die Triebwerke von Propellerflugzeugen ihren maximalen Wirkungsgrad in der Regel bei viel niedrigeren Geschwindigkeiten und Höhen erreichen, erreichen Strahltriebwerke ihren maximalen Wirkungsgrad bei Geschwindigkeiten nahe der Schallgeschwindigkeit oder sogar weit darüber. Düsenflugzeuge fliegen in der Regel am effizientesten bei Mach 0,8 (981 km/h) und in Höhen von 10.000-15.000 m oder mehr. ⓘ

Die Idee des Düsentriebwerks war nicht neu, aber die damit verbundenen technischen Probleme konnten erst in den 1930er Jahren gelöst werden. Frank Whittle, ein englischer Erfinder und RAF-Offizier, begann 1928 mit der Entwicklung eines brauchbaren Düsentriebwerks, und Hans von Ohain in Deutschland begann in den frühen 1930er Jahren unabhängig davon mit der Arbeit. Im August 1939 absolvierte die Heinkel He 178, das erste Düsenflugzeug der Welt, ihren Erstflug mit Turbinenantrieb. Es gibt eine Vielzahl verschiedener Typen von Düsenflugzeugen, sowohl für zivile als auch für militärische Zwecke. ⓘ

Me 262 mit außenliegenden Strahltriebwerken unter den Tragflächen ⓘ

Modernes Learjet 60 Geschäftsreiseflugzeug mit außenliegenden Strahltriebwerken ⓘ

Strahlflugzeuge sind Flugzeuge, die mittels Strahltriebwerken durch Rückstoßantrieb fliegen. ⓘ

Geschichte

Die Heinkel He 178 war das erste Flugzeug, das im August 1939 mit Turbojet-Antrieb flog. ⓘ

Nach dem ersten Motorflug wurden zahlreiche Entwürfe für Strahltriebwerke vorgeschlagen. René Lorin, Morize und Harris schlugen Systeme zur Erzeugung eines Strahlstroms vor. ⓘ

Nachdem andere Düsentriebwerke in Betrieb genommen worden waren, behauptete der rumänische Erfinder Henri Coandă, 1910 ein Flugzeug mit Düsenantrieb gebaut zu haben, die Coandă-1910. Um diese Behauptung zu untermauern, musste er jedoch erhebliche Änderungen an den Zeichnungen vornehmen, die er zur Untermauerung seiner später entkräfteten Behauptungen verwendete. In der Tat ging der Kanalgebläsemotor nach hinten los und setzte das Flugzeug in Brand, bevor es überhaupt geflogen war, und es fehlten fast alle für ein Düsentriebwerk erforderlichen Merkmale - einschließlich der fehlenden Treibstoffeinspritzung und der Sorge, dass der heiße Strahl auf eine leicht entflammbare Stoffoberfläche geleitet werden könnte. ⓘ

In den 1920er und 1930er Jahren wurde eine Reihe von Ansätzen ausprobiert. Es wurden verschiedene Motorstrahl-, Turboprop-, Impulsstrahl- und raketengetriebene Flugzeuge entwickelt. In Deutschland wurde mit Raketentriebwerken geforscht, und das erste Flugzeug, das mit Raketenantrieb flog, war 1928 die Lippisch Ente. Die Ente war zuvor als Segelflugzeug geflogen worden. Ein Jahr später, 1929, flog mit der Opel RAK.1 das erste speziell gebaute Raketenflugzeug. ⓘ

Das Turbostrahltriebwerk wurde in den 1930er Jahren unabhängig voneinander von Frank Whittle und später von Hans von Ohain erfunden. Das erste Turbostrahlflugzeug, das flog, war die Heinkel He 178 am 27. August 1939 in Rostock (Deutschland), angetrieben von von Ohains Konstruktion. Dabei handelte es sich weitgehend um eine Erprobung des Konzepts, da das Problem des "Kriechens" (Metallermüdung aufgrund der hohen Temperaturen im Triebwerk) noch nicht gelöst war und das Triebwerk schnell ausbrannte. ⓘ

Der erste Flug eines Flugzeugs mit Düsenantrieb, der die Aufmerksamkeit der Öffentlichkeit erregte, war der italienische Prototyp Caproni Campini N.1, der am 27. August 1940 flog. Es war das erste von der Fédération Aéronautique Internationale anerkannte Düsenflugzeug (das deutsche He 178-Programm wurde damals noch geheim gehalten). Campini begann 1932 mit der Entwicklung des Motorstrahls, der sich von einem echten Turbostrahl dadurch unterschied, dass die Luft von einem Kolbentriebwerk und nicht von den Abgasen angetrieben wurde - eine wesentlich komplexere Lösung. ⓘ

Boeing 707 ⓘ

Das britische Experimentalflugzeug Gloster E.28/39 flog erstmals am 15. Mai 1941, angetrieben von Sir Frank Whittles Turbotriebwerk. Die Vereinigten Staaten produzierten die Bell XP-59A, die am 1. Oktober 1942 flog und zwei Exemplare einer von General Electric gebauten Version des Whittle-Triebwerks verwendete. Die Meteor war das erste Serienflugzeug. Die ersten Bestellungen für Serienflugzeuge wurden am 8. August 1941 aufgegeben, der Prototyp flog erstmals am 5. März 1943 und das erste Serienflugzeug am 12. Januar 1944, während die ersten Bestellungen für Serienflugzeuge der Me 262 erst am 25. Mai 1943 aufgegeben wurden und die erste Serienmaschine der Me 262 erst am 28. März 1944 flog, obwohl das Programm für die Me 262 bereits früher als das für die Meteor begonnen hatte, nämlich als Projekt 1065, wobei die ersten Pläne von Dr. Waldemar Voigts Konstruktionsteam im April 1939 erstellt wurden. ⓘ

Die Messerschmitt Me 262 war das erste einsatzfähige Düsenjagdflugzeug, das von Deutschland während des Zweiten Weltkriegs hergestellt und am 19. April 1944 beim Erprobungskommando 262 auf dem Lechfeld südlich von Augsburg in Dienst gestellt wurde. Eine Me 262 errang am 26. Juli 1944 den ersten Kampfsieg eines Düsenjägers. Die Me 262 flog zum ersten Mal am 18. April 1941, aber die Massenproduktion begann erst Anfang 1944, und die ersten Geschwader waren in diesem Jahr einsatzbereit, zu spät, um den Ausgang des Zweiten Weltkriegs noch beeinflussen zu können. Sie war das schnellste konventionelle Flugzeug des Krieges, obwohl es schnellere Flugzeuge mit unkonventionellem Antrieb gab, wie z. B. die Messerschmitt Me 163 Komet mit Raketentriebwerk. ⓘ

Zu dieser Zeit, Mitte 1944, wurde die britische Gloster Meteor zur Verteidigung des Vereinigten Königreichs gegen die V-1-Flugbombe - selbst ein impulsstrahlgetriebenes Flugzeug und direkter Vorläufer des Marschflugkörpers - und in den letzten Kriegsmonaten für Bodenangriffe über Europa eingesetzt. 1944 führte Deutschland den strahlgetriebenen Aufklärungs- und Bomber Arado Ar 234 ein, der allerdings hauptsächlich in der ersten Rolle eingesetzt wurde, während das leichte einstrahlige Jagdflugzeug Heinkel He 162 Spatz erst Ende 1944 erschien. Die UdSSR testete 1942 ihre eigene Bereznyak-Isayev BI-1, doch das Projekt wurde 1945 von Joseph Stalin eingestellt. Auch die kaiserliche japanische Marine entwickelte 1945 Düsenflugzeuge, darunter die Nakajima J9Y Kikka, eine modifizierte und etwas kleinere Version der Me 262 mit einklappbaren Flügeln. Ende 1945 hatten die USA ihr erstes Düsenjagdflugzeug, die Lockheed P-80 Shooting Star, in Dienst gestellt und das Vereinigte Königreich sein zweites Jagdflugzeug, die de Havilland Vampire. ⓘ

Die USA stellten 1948 den North American B-45 Tornado, ihren ersten Düsenbomber, in Dienst. Obwohl er Atomwaffen tragen konnte, wurde er für Aufklärungsflüge über Korea eingesetzt. Am 8. November 1950, während des Koreakrieges, fing US-Luftwaffenleutnant Russell J. Brown in einer F-80 zwei nordkoreanische MiG-15 in der Nähe des Yalu-Flusses ab und schoss sie im ersten Düsenjäger-Duell der Geschichte ab. Das Vereinigte Königreich stellte 1951 die English Electric Canberra als leichten Bomber in Dienst. Er war so konzipiert, dass er höher und schneller als jeder Abfangjäger fliegen konnte. ⓘ

Die Concorde war das am längsten in Betrieb befindliche kommerzielle Verkehrsflugzeug, das von 1976 bis 2003 im Einsatz war. ⓘ

BOAC betrieb 1952 den ersten kommerziellen Jetdienst von London nach Johannesburg mit dem de Havilland Comet Jetliner. Dieses hochinnovative Flugzeug flog weitaus schneller und höher als Propellerflugzeuge, war viel leiser und geschmeidiger und verfügte über stilvoll geformte Flügel mit versteckten Düsentriebwerken. Aufgrund eines Konstruktionsfehlers und der Verwendung von Aluminiumlegierungen erlitt das Flugzeug jedoch eine katastrophale Metallermüdung, die zu mehreren Abstürzen führte. Die Serie von Abstürzen führte dazu, dass 1958 die Boeing 707 in Dienst gestellt wurde, die den Markt für zivile Verkehrsflugzeuge dominierte. Die unter dem Rumpf angebrachten Triebwerke erwiesen sich im Falle eines Treibstoffaustritts als vorteilhaft, und so sah die 707 ganz anders aus als die Comet: Die 707 hat praktisch die gleiche Form wie die zeitgenössischen Flugzeuge, mit ausgeprägten Gemeinsamkeiten, die noch heute z. B. bei der 737 (Rumpf) und dem A340 (Eindecker, gepfeilter Flügel, vier Triebwerke unter den Flügeln) zu beobachten sind. ⓘ

In den 1950er- und 1960er-Jahren kamen Turbofan-Flugzeuge auf den Markt, die eine weitaus höhere Treibstoffeffizienz mit sich brachten und heute weit verbreitet sind. ⓘ

Der Überschalltransporter Tu-144 war mit Mach 2,35 (2.503 km/h) das schnellste Verkehrsflugzeug. Sie wurde 1975 in Dienst gestellt, aber kurz darauf wieder aus dem kommerziellen Verkehr gezogen. Die Concorde Mach 2 wurde 1976 in Dienst gestellt und flog 27 Jahre lang. ⓘ

Das schnellste militärische Düsenflugzeug war die SR-71 Blackbird mit Mach 3,35 (3.661 km/h (2.275 mph)). ⓘ

Weitere Entwicklung

Spätere Meilensteine der Zivilluftfahrt waren die Großraumflugzeuge Boeing 747, unter dem Namen Jumbojet ab 1970, sowie die dreistrahligen Typen McDonnell Douglas DC-10 (1971) und Lockheed L-1011 TriStar (1972), deren Größe erst ab 2007 durch den zweistöckigen Airbus A380 übertroffen wurde. Die französisch-britische Concorde war das einzige kommerziell ab 1976 über längere Zeit eingesetzte zivile Überschallflugzeug, während der Prototyp der sowjetischen Tupolew Tu-144 zwar etwas früher flog, danach aber komplett umkonstruiert werden musste und die gebauten Flugzeuge nur in den Jahren 1977/78 insgesamt 55 Passagierflüge durchführten. ⓘ

Besonders große Stückzahlen erreichen Typen für den Kurz- und Mittelstreckenverkehr, wie historisch die französische Caravelle, die Boeing 727 oder die Douglas DC-9 (inklusive ihrer Weiterentwicklung McDonnell Douglas DC-9-80 (MD-80)), oder heute Boeing 737 und Airbus A320. ⓘ

Im Passagierverkehr auf kurzen Distanzen haben Strahlflugzeuge die Propellerflugzeuge nicht vollständig verdrängt; dort werden mit modernen Turboprop-Antrieben ausgestattete Passagierflugzeuge (z. B. die ATR-Serie) weiterhin eingesetzt und auch gebaut. ⓘ

Auch im Geschäftsreiseverkehr sind die kleinen „Jets“ seit Jahrzehnten vertreten, beispielsweise mit dem Learjet. Dort sind Varianten in praktisch allen Größen erhältlich; sogar interkontinentale Flüge können durchgeführt werden (Gulfstream G500, Bombardier-Global-Familie, Falcon 7X). ⓘ

• Passagierflugzeuge mit Strahlantrieb
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  Frühes Passagierflugzeug von 1949, die de Havilland Comet

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  Die Briefmarke der 60er Jahre zeigt eine Boeing 707

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  Ebenfalls in den 60ern: die Caravelle

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  Eines der bekanntesten Flugzeuge überhaupt: Boeing 747

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  Das größte Passagierflugzeug der heutigen Zeit: Airbus A380

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  Ein Strahltriebwerk der Boeing 737

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  Ein moderner „Kurzstrecken-Jet“: Embraer 145

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  Eclipse 500, ein sehr kleiner „biz jet“ von 2006 ⓘ

Andere Düsenflugzeuge

Die meisten Menschen verwenden den Begriff "Düsenflugzeug" für gasbetriebene, luftatmende Strahltriebwerke, aber auch Raketen und Scramjets werden durch Düsenantrieb angetrieben. ⓘ

Der Sikorsky S-69 war ein Verbundhubschrauber mit Zusatztriebwerken. ⓘ

Marschflugkörper sind unbemannte Einzweck-Strahlflugzeuge, die überwiegend von Staustrahltriebwerken oder Turbojets oder manchmal auch von Turbofans angetrieben werden, aber oft auch über ein Raketenantriebssystem für den Anfangsantrieb verfügen. ⓘ

Das schnellste luftatmende Strahlflugzeug ist das unbemannte X-43 Scramjet mit etwa Mach 9-10. ⓘ

Das schnellste bemannte (Raketen-)Flugzeug ist die X-15 mit Mach 6,85. ⓘ

Das Space Shuttle war zwar viel schneller als die X-43 oder die X-15, wurde aber während des Aufstiegs nicht als Flugzeug betrachtet, da es nicht von der Luft, sondern vom Raketenschub getragen wurde. Beim Wiedereintritt wurde es (wie ein Segelflugzeug) als unmotorisiertes Flugzeug eingestuft. Der Erstflug fand 1981 statt. ⓘ

Der Bell 533 (1964), der Lockheed XH-51 (1965) und der Sikorsky S-69 (1977-1981) sind Beispiele für Verbundhubschrauber, bei denen der Abgasstrahl den Vorwärtsschub verstärkt. Der Hiller YH-32 Hornet und der Fairey Ultra-light Helicopter gehören zu den vielen Hubschraubern, bei denen die Rotoren durch Düsen angetrieben wurden. ⓘ

Es gibt auch düsengetriebene Wingsuits, die von Düsentriebwerken von Modellflugzeugen angetrieben werden, aber nur von kurzer Dauer sind und aus großer Höhe gestartet werden müssen. ⓘ

Aerodynamik

Aufgrund ihrer Funktionsweise liegt die typische Abgasgeschwindigkeit von Düsentriebwerken im transsonischen Bereich oder noch schneller. Daher müssen die meisten Düsenflugzeuge mit hohen Geschwindigkeiten fliegen, entweder im Überschallbereich oder knapp unter der Schallgeschwindigkeit ("transsonisch"), um effizient zu fliegen. Die Aerodynamik ist daher ein wichtiger Gesichtspunkt. ⓘ

Düsenflugzeuge werden in der Regel nach der Whitcomb-Flächenregel konstruiert, die besagt, dass die Gesamtquerschnittsfläche des Flugzeugs an jedem beliebigen Punkt entlang des Flugzeugs ab der Nase ungefähr der eines Sears-Haack-Körpers entsprechen muss. Eine Form mit dieser Eigenschaft minimiert die Erzeugung von Stoßwellen, die Energie verschwenden würden. ⓘ

Düsentriebwerke

Düsentriebwerke gibt es in mehreren Haupttypen:

Die Lockheed SR-71 war mit Mach 3,35 (3.661 km/h (2.275 mph)) eines der schnellsten Flugzeuge. ⓘ

• Turboluftstrahl
• Mantelstromtriebwerke (die es in zwei Hauptformen gibt: Mantelstromtriebwerke mit niedrigem Nebenstrom und Mantelstromtriebwerke mit hohem Nebenstrom)
• Rakete ⓘ

Die verschiedenen Typen werden für unterschiedliche Zwecke eingesetzt. ⓘ

Raketen sind der älteste Typ und werden vor allem dann eingesetzt, wenn extrem hohe Geschwindigkeiten oder extrem große Höhen erforderlich sind. Aufgrund der extremen, typischerweise hypersonischen Ausstoßgeschwindigkeit und der Notwendigkeit, Oxidationsmittel an Bord zu haben, verbrauchen sie den Treibstoff extrem schnell. Aus diesem Grund sind sie für den normalen Transport nicht geeignet. ⓘ

Turbojets sind der zweitälteste Typ; sie haben eine hohe Auslassgeschwindigkeit, in der Regel im Überschallbereich, und einen geringen Frontalquerschnitt und eignen sich daher am besten für Hochgeschwindigkeitsflüge, in der Regel im Überschallbereich. Obwohl sie früher weit verbreitet waren, sind sie im Vergleich zu Turboprop- und Turbofans für den Unterschallflug relativ ineffizient. Die letzten großen Flugzeuge, in denen Turbojets zum Einsatz kamen, waren die Überschalltransportflugzeuge Concorde und Tu-144. ⓘ

Low-Bypass-Turbofans haben eine niedrigere Auslassgeschwindigkeit als Turbojets und werden meist für hohe Schall-, Transschall- und niedrige Überschallgeschwindigkeiten eingesetzt. Turbofans mit hohem Nebenstrom werden für Unterschallflugzeuge verwendet, sind recht effizient und werden häufig für Verkehrsflugzeuge eingesetzt. ⓘ

Flugeigenschaften

Strahlflugzeuge fliegen ganz anders als Propellerflugzeuge. ⓘ

Ein Unterschied besteht darin, dass Düsentriebwerke relativ langsam ansprechen. Dies erschwert die Start- und Landemanöver. Vor allem beim Start blasen Propellermaschinen Luft über die Flügel, was zu mehr Auftrieb und einem kürzeren Start führt. Diese Unterschiede fielen einigen frühen BOAC Comet-Piloten auf. ⓘ

Antriebseffizienz

Bei Flugzeugen ist der Gesamtwirkungsgrad des Antriebs $\eta$ ist der prozentuale Wirkungsgrad, mit dem die im Treibstoff eines Fahrzeugs enthaltene Energie in Nutzenergie umgewandelt wird, um Verluste durch Luftwiderstand, Schwerkraft und Beschleunigung zu ersetzen. Er kann auch als der Anteil der mechanischen Energie angegeben werden, der tatsächlich für den Vortrieb des Flugzeugs verwendet wird. Er liegt immer unter 100 %, da die kinetische Energie in den Abgasen verloren geht und der Wirkungsgrad des Antriebsmechanismus, sei es ein Propeller, ein Abgasstrahl oder ein Ventilator, nicht optimal ist. Darüber hinaus hängt der Wirkungsgrad des Antriebs stark von der Luftdichte und der Fluggeschwindigkeit ab. ⓘ

Mathematisch lässt er sich wie folgt darstellen $\eta =\eta _{c}\eta _{p}$ wobei $\eta _{c}$ der Zykluswirkungsgrad ist und $\eta _{p}$ der Wirkungsgrad des Antriebs ist. Der Zykluswirkungsgrad (in Prozent) ist der Anteil der Energie, der aus der Energiequelle gewonnen werden kann, die vom Motor in mechanische Energie umgewandelt wird. ⓘ

Die Abhängigkeit des Vortriebswirkungsgrads ($\eta _{p}$) vom Verhältnis zwischen Fahrzeuggeschwindigkeit und Abgasgeschwindigkeit (v/c) bei Raketen- und Strahltriebwerken ⓘ

Bei Strahlflugzeugen ist der Vortriebswirkungsgrad (im Wesentlichen der Energiewirkungsgrad) am höchsten, wenn das Triebwerk einen Abgasstrahl mit einer Geschwindigkeit ausstößt, die gleich oder nahezu gleich der Fahrzeuggeschwindigkeit ist. Die genaue Formel für luftatmende Triebwerke, die in der Literatur angegeben ist, lautet ⓘ

$\eta _{p}={\frac {2}{1+{\frac {c}{v}}}}$ ⓘ

wobei c die Abgasgeschwindigkeit und v die Geschwindigkeit des Flugzeugs ist. ⓘ

Reichweite

Bei einem Langstreckenflugzeug, das in der Stratosphäre operiert, ist die Schallgeschwindigkeit konstant, so dass das Flugzeug bei festem Anstellwinkel und konstanter Machzahl steigt, ohne dass sich der Wert der lokalen Schallgeschwindigkeit ändert. In diesem Fall: $V=aM$ ⓘ

wobei $M$ ist die Reise-Machzahl und $a$ die lokale Schallgeschwindigkeit. Die Gleichung für die Reichweite kann wie folgt dargestellt werden: $R={\frac {aM}{c_{T}}}{\frac {C_{L}}{C_{D}}}ln{\frac {W_{1}}{W_{2}}}$ ⓘ

Sie ist nach dem französischen Luftfahrtpionier Louis Charles Breguet als Breguet-Reichweitengleichung bekannt. ⓘ