Ich habe die Gedanken zur Funktionsweise noch mal geordnet, da mein letzter Text mir jetzt etwas zu "konfus" erscheint
. Wen es nicht interessiert, NICHT LESEN, es beinhaltet ein wenig Theorie
.
GrundlagenIn einem Triebwerk wird dem Lufstrom Energie durch Verbrennung hinzugefügt. Das macht sich in höherer Temperatut und höherem Druck bemerkbar. In der Düse wird das Gas dann entspannt und setzt seinen Druck in Geschwindigkeit um. Damit wird der Massenstrom
beschleunigt und über die Impulserhaltung führt das zu einer nach Vorne wirkenden Kraft, dem Schub.
Um viel Energie pro Sekunde dem Luftstrom zuführen zu können, muss viel Treibstoff pro Sekunde verbrannt werden. Dazu muss er
sich mit viel Sauerstoff mischen. Deswegen muss die eingesaugte Luft verdichtet werden (sonst hat man nur ein Lagerfeuer
).
Zur Verdichtung lässt sich nun allgemein sagen, dass sich der Totaldruck eines strömenden Mediums aus dem statischen Druck
und dem dynamischen Druck zusammensetzt. Der dynamische Druck ensteht dann, wenn man das strömende Medium auf die Geschwindigkeit
Null abbremst. Das Ganze ist eine Art der Energieerhaltung und kann formelmäßig über die Bernoulli-Gleichgunen so geschrieben
werden:
| rho | | | --> Dichte |
| v | | | --> Ggeschwindigkeit |
| Ps | | | --> statischer Druck |
| Pd = 0.5*rho*v^2 | | | --> dynamischer Druck |
| 0;1 | | | --> Positionsindizes |
Ps0 + Pd0 = Ps1 + Pd1
Ps0 + 0.5*rho*v0^2 = Ps1 + 0.5*rho*v1^2
Einfach gesagt:Die Summe aus beiden Drücken muss immer gleich sein. Das bedeutet jetzt, wenn die Strömung verlangsamt wird (v1 < v0),
erhöht sich der statische Druck an Position 1 gegenüber Position 0. Wenn man sie komplett abbremst, herrscht nur noch statischer
Druck an Position 1.
Normales StrahltriebwerkDiese Triebwerke werden im Unterschall und niedrigen Überschall betrieben. Im Einlauf wird die Strömung schon verlangsamt und es
baut sich statischer Druck auf. Die Strömung ist aber zu langsam, als dass nur durch Abbremsung ausreichend Druck und Verdichtung
für die Verbrennung erzeugt werden kann. Deshalb besitzen diese Triebwerke einen rotierenden Verdichter. Dieser gibt zusätzlich
Energie an die Strömung ab und verdichtet sie weiter. In der Brennkammer wird dann Treibstoff eingespritzt, vermischt und gezündet
und liefert den eigentlichen Energiezuwachs für die Strömung. Die Turbine entzieht dem Luftstrom dann wieder Energie und dreht
sich. Dadurch wird v.a. der Verichter angetrieben, aber auch Anbauteile (Pumpen, Generatoren) zu Versorgung des Flugzeugs.
RamjetEin Ramjet ist ein Staustrahltriebwerk mit Unterschallverbrennung. Es funktioniert nur bei Überschall und die Verdichtung der Luft
wird vollständig aus der Strömungsenergie gewonnen. Es gibt also keinen roterierenden Verdichter + Turbine mehr. Die Idee ist,
dass bei Überschallströmung schon ausreichend Energie in der Strömung vorhanden ist, so dass durch eine Abbremsung genug Druck und
Verdichtung für eine Verbrennung erzeugt werden können.
Beim Eintritt in das Triebwerk wird die Luft durch einen senkrechten Verdichtungsstoß schlagartig auf Unterschall abgebremst.
Dadurch entsteht der höhere Druck im Triebwerk. Im Triebwerk herrscht also Unterschallgeschwindigkeit. Es wird "nur noch"
Treibstoff eingespritzt und verbrannt.
Ein senkrechter Verdichtungsstoß ist aber sehr ineffizient. Es enstehen hohe Druckverluste, so dass der Einsatz nur bis ca. Mach
5 effizent möglich ist.
ScramjetDer Scramjet ist ein Staustrahltriebwerk mit Überschallverbrennung. Man vermeidet eine Abbremsung der Strömung auf Unterschall.
Damit entsteht kein (ineffizienter) senkrechter Verdichtungsstoß am Einlauf mehr, sondern man benutzt nur mehrere schräge
Verdichtungsströße, um die Strömung stufenweise zu bremsen. Durch den fehlenden senkrechten Verdichtungsstoß arbeitet das System
effizienter, gleichzeitig ist aber durch die schrägen Stöße keine so starke Verdichtung (Abbremsung --> Druckaufbau) möglich, wie
es mit dem senkrechten Stoß der Fall wäre. Deshalb funktioniert ein Scramjet bei höheren Geschwindigkeiten als ein Ramjet.
Hauptproblem beim Scramjet ist eine stabile Verbrennung. Da die Strömung so schnell im Triebwerk ist, hat der eingespritzte
Treibstoff nur minimal Zeit sich zu vermischen und vollständig zu verbrennen. V.a. hierum geht es bei der Scramjetforschung, wie
man die Verbrennung kontrollieren kann. Außerdem wird die Struktur des Flugkörpers extremen thermischen Belastungen durch Reibung
ausgesetzt.
