Technischer Fokus: Düsentriebwerke

Wolltet ihr schon immer wissen, wie ein Flugzeug eigentlich funktioniert und fliegt, aber euch haben die komplexe Fachsprache und die vielen mathematischen Formeln abgeschreckt? In dieser unregelmäßig erscheinenden Artikelserie erklären wir euch alles in einfacher Sprache, damit auch ihr im Nu zu Experten werdet!

Diesen Monat werfen wir einen Blick auf…

Düsentriebwerke!

Obwohl die meisten Flugzeuge bei World of Warplanes durch einen Propeller angetrieben werden, kommen bei einigen wenigen Flugzeugen der höchsten Stufe Düsentriebwerke (auch Gasturbinen genannt) zum Einsatz. Der erste echte Düsenjäger war die Messerschmitt 262, die ihr auch im Spiel fliegen könnt.

Natürlich sind Düsentriebwerke nach wie vor der häufigste Antrieb bei modernen Flugzeugen aller Arten. Das Grundkonzept ist äußerst simpel und es wird seit 2.000 Jahren daran herumgebastelt. Das Grundprinzip besteht darin, dass der Ausstoß hochverdichteter Luft eine nach vorne gerichtete Schubkraft erzeugt. Habt ihr schon mal einen Luftballon aufgeblasen und ihn dann losgelassen, ohne einen Knoten ins Ende zu machen? Vielleicht habt ihr in der Schule ein „Ballonraketen“-Experiment durchgeführt, unter Verwendung eines Luftballons, eines Strohhalms und einer Schnur?

Die unglaubliche Ballonrakete!

Das physikalische Prinzip dahinter ist das dritte newtonsche Gesetz der Bewegung. Dieses besagt, dass Kräfte paarweise auftreten – wo es eine Aktion gibt, muss es auch eine gleich große und entgegengesetzte Reaktion geben. Um dies etwas präziser zu beschreiben: Wenn ein Körper Kraft auf einen zweiten Körper ausübt, erzeugt der zweite Körper gleichzeitig eine Kraft, die gleich groß ist und der Richtung der ersten Kraft entgegengesetzt ist. Im Fall der Ballonrakete ist der erste Körper die Luft und der zweite Körper der Luftballon. Wenn die Luft aus dem Ballonhals entweicht, wird der Ballon nach vorne getrieben. Diese Kraft wird Schub genannt. Durch sie wird die für den Flug benötigte Vorwärtsbewegung erzeugt.

Ein Düsentriebwerk funktioniert ganz ähnlich wie der Luftballon, allerdings auf technologisch weit beeindruckendere Weise. Es stößt Luft aus der Düse mit extrem hohen Druck und enormer Geschwindigkeit aus, wodurch eine gleich große und entgegengesetzt wirkende Kraft auf das Triebwerk selbst ausgeübt wird. Als Ergebnis daraus bewegt sich das Triebwerk und alles, was daran befestigt ist (d. h. der Rest des Flugzeugs) nach vorne. Die technische Bezeichnung für diese Vorrichtung lautet „Gasturbine“ und die einfachste Form wird „Turbojet“ genannt. 

Ein typisches modernes Düsentriebwerk eines Flugzeugs.

Nach der Erfindung des Motorflugs dauerte es nicht lange, bis Ingenieure rund um die Welt zu überlegen anfingen, wie man mithilfe der Turbojet-Technologie höhere Geschwindigkeiten bei Flugzeugen erzielen konnte. Bereits vor dem Zweiten Weltkrieg hatten Ingenieure erkannt, dass die Leistungsfähigkeit der damals verwendeten kolbengetriebenen Propeller bald ausgereizt sein würde (die obere Grenze ist dann erreicht, wenn die Propellerblattspitzen Schallgeschwindigkeit erreichen – zirka 343 m/Sek., je nach Lufttyp). Für leistungsfähigere und schnellere Flugzeuge benötigte man ein komplett neues Antriebssystem. Die Antwort darauf war der Turbojet.

Im Laufe der Anfangsjahre des 20. Jahrhunderts wurde die Entwicklung in ganz Europa vorangetrieben, aber das erste echte Patent für ein funktionsfähiges Turbojet-Triebwerk wurde Frank Whittle aus Großbritannien im Jahre 1932 erteilt. Ungefähr zur gleichen Zeit arbeitete Hans von Ohain in Deutschland an seinem eigenen Entwurf, unabhängig von Whittle. Das weltweit erste Flugzeug mit Turbojet-Triebwerk war die He 178, die 1939 zum ersten Mal abhob.

Erst einige Jahre nach dem Zweiten Weltkrieg nahmen die Düsentriebwerke eine dominierende Stellung in der Luftfahrt ein. Durch ihren Einsatz konnten nicht nur leistungsfähigere Flugzeuge für die Kriegführung konstruiert werden, sondern sie ermöglichten auch internationale Fernreisen, sowohl in praktischer als auch in wirtschaftlicher Hinsicht. Durch Düsentriebwerke wurde der Himmel von immer größeren Flugzeugen bevölkert – seht euch nur mal die Größe des Airbus A380 mit seinen zwei Decks an! Düsentriebwerke funktionieren auch in großen Höhenlagen, auf die Propellerflugzeuge aufgrund der dünnen Luft nicht aufsteigen könnten.

Könnt ihr euch vorstellen, dass so etwas durch Propeller angetrieben wird?

Das Düsentriebwerk ist eine Erfindung, die in der Tat die Welt veränderte, und eine, hinter der ein einfaches Wirkprinzip steht.

Die Gasturbine ist einfach ein Gerät, das Luft ansaugt, sie verdichtet und sie dann durch die Düse hinten ausstößt. Der gesamte Vorgang kann in vier Worten zusammengefasst werden, die beschreiben, was mit der Luft passiert, wenn sie das Triebwerk durchströmt:

1 – ANSAUGEN

2 – VERDICHTEN

3 – ZÜNDUNG

4 – AUSSTOSSEN

Prägt euch diese vier Worte ein – sie sagen euch alles, was ihr über die Funktionsweise einer Gasturbine wissen müsst! Seht euch das Diagramm oben an und vergleicht es mit dem Schnittbild unten. Seht ihr, in welchem Teil der Gasturbine jede der vier Stufen abläuft?

Schnittbild einer Rolls-Royce-Trent-1000-Gasturbine, die in vielen großen modernen Passagierflugzeugen zum Einsatz kommt. Es handelt sich dabei um ein Turbofan-Triebwerk.

ANSAUGEN

Die Lufteinlaufphase steht am Anfang und bezieht sich darauf, dass über ein riesiges Gebläse an der Vorderseite Luft in das Triebwerk gesaugt wird. Dieses Gebläse ist der Teil, der bei jedem Flugzeugmotor sichtbar ist. Am Boden wird es generell mit Barrieren abgesichert, damit die Leute ihm nicht zu nahe kommen. Das Gebläse ist unglaublich leistungsstark und kann daher für alles in seiner Nähe zur Gefahr werden! Ein typisches Triebwerk wie das Trent-Modell saugt eine Tonne Luft pro Sekunde ein – das ist, als würde man die gesamte Luft eines Squash-Spielfeldes innerhalb einer Sekunde entfernen. Ein Teil der Luft wird in den Hauptteil des Triebwerks gesaugt, während der Rest über Nebenstromventile direkt in die „Ausstoß“-Phase geleitet wird.

VERDICHTEN

Sobald sich die Luft im Innern des Triebwerks befindet, wird sie durch eine Reihe immer kleiner werdender Schaufelräder, genannt Turbinen (bei der Trent 1000 im Bild oben goldfarben dargestellt), verdichtet. Die Turbinen quetschen die Luft in einen viel kleineren Raum, was den Druck extrem ansteigen lässt. Hochverdichtete Luft enthält ein hohes Maß an Energie, wodurch sie unter anderem anfälliger für Explosionen wird, was uns zur nächsten Stufe bringt.

ZÜNDUNG

Treibstoff wird über ein kleines Röhrchen in den Motor eingespritzt und dort mit der hochverdichteten Luft vermischt. Das Gemisch wird dann entzündet. Dies führt zu einer kontrollierten Explosion, bei der sich alle Gase mit hoher Geschwindigkeit massiv ausdehnen. Aufgrund der Form des Triebwerks entlädt sich die volle Wucht der Explosion durch den hinteren Teil.

AUSSTOSSEN

Die letzte Stufe! Hier wird die heiße Luft der Explosion aus dem Inneren des Triebwerks mit der vorbeiströmenden Luft des Hauptgebläses vermischt. Das Ganze wird dann mit hoher Geschwindigkeit am hinteren Ende des Triebwerks ausgestoßen, wobei enorme Schubkraft erzeugt wird. Ein Teil des Luftstroms wird dazu benutzt, die Hauptwelle des Triebwerks anzutreiben und es dadurch in Gang zu halten, während der Rest des Schubs nur für die Fortbewegung genutzt wird.

Ein Junkers Jumo 004 im Royal-Air-Force-Museum in Cosford, Großbritannien.
Dies war das Triebwerk, das in der Messerschmitt 262 zum Einsatz kam.

Das war's! Das ist der Ablauf in einem einfachen Turbofan-Triebwerk, bei dem der Schub allein durch die ausgestoßene Luft erzeugt wird. Bei einem reinem Turbojet-Triebwerk, wie es in den frühen Düsenjägern des Zweiten Weltkriegs zum Einsatz kam, fehlt das große Gebläse, das den Lufteinlauf unterstützt – es funktioniert rein auf Basis des Luftstroms, der das Triebwerk durchströmt.

Eine weitere Variante ist das Turboprop-Triebwerk, bei dem ein Propeller an der Turbinenwelle angebracht ist, der auf niedrigen Flughöhen eingesetzt werden kann, um Treibstoff zu sparen.

Verbrennungsmotoren (oder „Kolbenmotoren“) verwenden ähnliche Begriffe, da die Abläufe in gewisser Weise ähnlich sind. Die Funktionsweise von Kolbenmotoren wird das Thema eines zukünftigen Artikels sein.

Während viele moderne Düsentriebwerke in Flugzeugen genutzt werden, gibt es auch eine breite Palette anderer Anwendungsmöglichkeiten. Manche werden bei großen Schiffen eingesetzt, um die Propeller anzutreiben. Andere wiederum werden an Land bei Versuchen verwendet, Geschwindigkeitsrekorde am Boden zu brechen. Der aktuelle Weltrekord für die schnellste Bodengeschwindigkeit wurde im Oktober 1997 in Nevada in den USA durch das Fahrzeug Thrust SSC aufgestellt. Es erreichte eine Geschwindigkeit von beinahe 1.228 km/h und durchbrach die Schallmauer!

Das Aussehen der Thrust SSC ist von den riesigen Düsentriebwerken geprägt.

Hinweis: Ein Großteil dieses Artikels beruht auf den Ausführungen des Unternehmens Rolls-Royce zur Wirkungsweise von Düsentriebwerken. Auf deren Website findet ihr weitere Informationen und einige interessante Animationen.

Seid ihr jetzt Experten? Steigt in eure Flugzeuge und hebt ab, Piloten!