Ein neuer Strahltriebwerkstyp könnte den Überschallflugverkehr wiederbeleben

By | December 19, 2023

Sseit Seit den 1960er-Jahren tüfteln Ingenieure auf der ganzen Welt an einem neuen Strahltyp namens Rotationsdetonationstriebwerk (RDE), aber es kam nie über die experimentelle Phase hinaus. Das könnte sich bald ändern. GE Aerospace, einer der weltweit größten Hersteller von Strahltriebwerken, gab kürzlich bekannt, dass es eine funktionierende Version entwickelt. Anfang des Jahres vergab die US-amerikanische Defense Advanced Research Projects Agency einen Auftrag über 29 Millionen US-Dollar an Raytheon, einen Teil von RTXein weiterer großer Luft- und Raumfahrtkonzern, um eine zu entwickeln RDE namens Gambit.

Beide Triebwerke würden zum Antrieb von Raketen eingesetzt und würden die Reichweiten- und Geschwindigkeitsbeschränkungen aktueller Antriebssysteme, einschließlich Raketen und bestehender Arten von Strahltriebwerken, überwinden. Wenn Unternehmen sie jedoch zum Laufen bringen können, RDEs könnten eine viel umfassendere Rolle in der Luftfahrt spielen – einschließlich der Möglichkeit, zur Wiederbelebung des Überschallflugverkehrs beizutragen.

Kurz gesagt, a RDE „Es ersetzt Feuer durch eine kontrollierte Explosion“, erklärt Kareem Ahmed, Experte für fortschrittliche Luft- und Raumfahrtmotoren an der University of Central Florida. Technisch gesehen liegt das daran, dass ein Strahltriebwerk auf der Verbrennung von Sauerstoff und Treibstoff beruht, einer Unterschallreaktion, die Wissenschaftler Deflagration nennen. Im Vergleich dazu ist die Detonation eine hochenergetische Explosion, die mit Überschallgeschwindigkeit auftritt. Dadurch handelt es sich um eine leistungsfähigere und potenziell effizientere Methode zur Erzeugung von Schub, also der Kraft, die ein Flugzeug vorwärts treibt.

Ein herkömmliches Strahltriebwerk verwendet viele bewegliche Teile (siehe Diagramm). Rotierende Schaufeln saugen Luft an und verdichten sie, bevor sie in einer Brennkammer mit Kraftstoff entzündet werden. Dabei entstehen heiße Gase, die sich schnell ausdehnen und an der Rückseite austreten. Wenn die Gase austreten, treiben sie eine Turbine an, die den gesamten Prozess in Bewegung hält. Eins RDE es ist einfacher. Von vorne eintretende Luft wird in einen Hohlraum zwischen zwei konzentrischen Zylindern gedrückt. Wenn Kraftstoff in diesen Bereich gepumpt wird, vermischt er sich mit dem Sauerstoff in der Luft und detoniert, wodurch eine rotierende Überschallstoßwelle entsteht, die um die Öffnung wirbelt und hinten austritt. Einmal gestartet, ist die Detonation selbsterhaltend.

Bild: The Economist

Einige Jet-Derivate wie Staustrahltriebwerke und Pulsstrahltriebwerke kommen auch ohne Kompressoren und Turbinen aus, funktionieren jedoch anders und weisen Einschränkungen auf. Weil es einfach und kompakt ist, a RDE Es wäre kostengünstig in der Herstellung und treibstoffeffizient, sodass Raketen weiter und schneller fliegen könnten, mit bis zu fünffacher Schallgeschwindigkeit (Mach 5 oder etwa 6.125 km/h). Ö GE Die Version ist für den Einsatz mit einem Staustrahltriebwerk zur Beschleunigung von Hyperschallraketen konzipiert, die schneller als Mach 5 fliegen.

Lange Zeit verfügten Ingenieure nicht über die Werkzeuge zum Bauen RDES. Dies hat sich mit Fortschritten in der Computermodellierung, neuen Legierungen, die extremen Temperaturen standhalten können, und der additiven Fertigung, bekannt als 3, geändertD drucken. Im Jahr 2020 entwickelten Dr. Ahmed und seine Kollegen eine experimentelle Version einer Rakete für den Start von Weltraummissionen.

Um ein Flugzeug anzutreiben RDE Es würde wahrscheinlich Hilfe brauchen, um in die Luft zu kommen, bis genügend Luft in den Motor gedrückt wurde, damit die Detonation beginnen konnte. Es gibt jedoch einen Präzedenzfall dafür, wie dies mit einem Hybridmotor möglich ist. Lockheed LOL-71 Blackbird, ein amerikanisches Höhenspionageflugzeug, das während des Kalten Krieges flog, wurde von zwei konventionellen Strahltriebwerken angetrieben. Durch das Zünden seiner Nachbrenner würde es wie die meisten schnellen Jets Überschallgeschwindigkeit erreichen. Dabei wird Kraftstoff in die Abgase der Triebwerke gepumpt, um zusätzlichen Schub zu erzeugen. Bei etwa Mach 2 wurde ein Teil der an der Vorderseite der Triebwerke eintretenden Luft direkt nach hinten geleitet, um in den Nachbrennern verbrannt zu werden, wodurch die Blackbird auf über Mach 3 gebracht wurde. Eine Art Anordnung mit einem RDE Auf einem herkömmlichen Jet sollte es möglich sein.

Eins RDE Es würde weniger Kraftstoff verbrauchen als ein Nachbrenner, könnte aber genauso turbulent sein. Für das Militär ist das nicht unbedingt ein großes Problem, für die zivile Nutzung jedoch schon. Infolgedessen war der Betrieb der Concorde, des ersten und einzigen Überschallflugzeugs der Welt, teuer und wurde wegen zu hohen Lärms von vielen Strecken verbannt. Seit die Concorde, die knapp über Mach 2 fliegen konnte, 2003 außer Dienst gestellt wurde, denken mehrere Gruppen über den Bau eines Ersatzes nach. Boom, ein in Colorado ansässiges Unternehmen, bereitet sich darauf vor, bald einen kleinen Prototyp zu testen. Im Erfolgsfall wird das Unternehmen ein 80-sitziges Flugzeug namens Overture bauen, das Mach 1,7 erreichen kann. Boom behauptet, dass dies wirtschaftlicher und leiser als bei Concorde möglich sein wird, da herkömmliche Düsen mit speziell entwickelten Einlass- und Auslassdüsen verwendet werden, die einen Nachbrenner überflüssig machen.

Hintern

A RDE Ebenso kann es mit modernen Designtechniken etwas abgemildert werden. Aber mit dem unvermeidlichen Überschallknall umzugehen, der einem Flugzeug folgt, das schneller als die Schallgeschwindigkeit fliegt, ist eine andere Sache. Forscher glauben, dass dies ebenfalls verringert, aber nicht vollständig unterdrückt werden könnte. Durch die Modifizierung des Rumpfs und der Flügel eines Flugzeugs glauben Ingenieure, dass sie die Auswirkungen des Auslegers auf den Boden darunter verringern können. Diese Arbeit wird dazu beitragen, festzustellen, ob künftige Überschall-Passagierflugzeuge wie die Concorde nur über den Ozeanen fliegen dürfen oder nicht.

Der Flugverkehr hat viel mit der Militärtechnologie zu tun, doch der Transfer kann lange dauern. Strahltriebwerke tauchten erstmals in den 1940er-Jahren in Kampfflugzeugen auf, doch es dauerte bis in die späten 1950er-Jahre, bis sie in großer Zahl propellergetriebene Verkehrsflugzeuge ersetzten. Passagiere, die hoffen, den siebenstündigen Unterschallflug von New York nach London mit roten Augen auf etwas mehr als eine Stunde zu reduzieren, müssen möglicherweise ein Jahrzehnt oder länger warten.

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