Puls- oder Verpuffungsstrahltriebwerk

Eine erweiterte Version des Staustrahltriebwerks ist das Puls- oder Verpuffungsstrahltriebwerk (engl.: pulsejet) z.T. auch Pulsrohr genannt. Anders als das Staustrahltriebwerk kann es auch bei geringen Fluggeschwindigkeiten und sogar im Stand betrieben werden.

Geschichte

Historische deutsche Bezeichnungen für diesen Antrieb sind Schmidt-Rohr, Argus-Rohr oder auch Argus-Schmidt-Rohr, benannt nach der Berliner Motorenfirma Argus und dem Münchner Erfinder Paul Schmidt. Das Argus-Schmidt-Rohr, Argus As 014, war der Antrieb für die im zweiten Weltkrieg eingesetzten „fliegenden Bomben“ Fieseler Fi-103 (V1). Der Vorteil dieses Antriebskonzepts liegt in der auch heute noch unschlagbar einfachen und kostengünstigen Fertigung, der wesentliche Nachteil in der geringen Lebensdauer der Flatterventile (ca. 15 bis 60 Minuten), die hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind.

Arbeitsweise

Zum Starten des Triebwerks wird die Luft entweder als Druckluft in das Triebwerk geblasen oder aber das Triebwerk samt Fluggerät auf einem Startkatapult durch die Luft bewegt. Pulsstrahltriebwerke arbeiten dann intermittierend. Das generelle Arbeitsprinzip, das in vier Phasen A) bis D) unterteilt werden kann, zeigt die Illustration rechts.

• Der Arbeitszyklus eines Pulstriebwerks beginnt damit, dass durch die Blattfeder-Einlassventile (Flatter- oder Jalousienventile) Luft in das Triebwerk gelangt und diese mit Kraftstoff in der Brennkammer vermischt wird - auch Initialzustand A) genannt. Bei diesem Aufladungsvorgang steigt der Druck im divergenten Brennkammerbereich an.
• Nach Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches mittels einer Zündkerze wird die Verbrennung ausgelöst, deren Gase zu einem Druckanstieg führen, wodurch die aerodynamisch arbeitenden Jalousienventile schließen B).
• Nun wird die Entleerung des expandierenden Gases durch das Schubrohr nach hinten eingeleitet. Der Entleerungsvorgang, der aufgrund des Impulses der bewegten Gasmasse annähernd kontinuierlich abläuft, erzeugt einen Unterdruck im Brennraum C). Aufgrund des höheren Druckes vor den Jalousienventilen öffnen diese nun wieder, und der Ablauf der Vorgänge im Triebwerk beginnt erneut.
• In Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit erfolgt eine gewisse Rückströmung des verbrannten Gases bzw. ein Nachströmen von Frischluft von hinten D), wobei sowohl der Flammenrücklauf als auch das Nachsaugen von Frischluft am Auslass- bzw. Schubrohr wesentlich für die Leistungsfähigkeit (Schub) sind. Weiterhin strömt auch während der Auffüllphase und während der Verbrennung ein Teil der Gasmasse nach hinten ab, da das Triebwerk in Rückwärtsrichtung stets offen ist. Das frische Gasgemisch entzündet sich ohne Fremdzündung periodisch an den heißen Restgasen D) und an der heißen Rohrwandung.

Beim Anlassen des Triebwerks wird der pulsierende Triebwerksprozess meist durch Einblasen von Druckluft eingeleitet. Dieser aber kann durch bestimmte Auslegung der Treibstoffversorung bei größeren Triebwerken auch nur mit Hilfe von Frischluftinduktion durch einfaches Einschalten der Zündung und Starten der Treibstoffzulieferung geschehen.

Ein Pulsstrahltriebwerk arbeitet nur bei bestimmten geometrischen Abmessungen der beteiligten Rohrabschnitte, wodurch es zu akustischer Resonanz zwischen Brennraum und Abströmrohr kommt, was unabdingbare Voraussetzung für dessen Funktion ist. Es müssen dabei Massenfluss, Aerodynamik und Thermodynamik berücksichtigt werden.

Charakteristisch für Pulsstrahltriebwerke sind die große Lärmentwicklung, ein hoher Brennstoffverbrauch, hohe Wandungstemperaturen (~1000°C, rot-orange und sogar bis ins Gelbe hinein glühender Stahl, je nach Triebwerksdesign und Materialstärke) und eine sehr geringe Laufzeit aufgrund der begrenzten Lebensdauer der Flatterventile, sodass sie für bemannte Luftfahrzeuge derzeit ungeeignet sind.

Anwendung

Die wohl bekannteste Verwendung dieser Triebwerksbauweise war der Antrieb der V1 im zweiten Weltkrieg. Anfang der 1950er stellte Ford "Fieseler-Ableger" in Serienproduktion her.

Heutzutage werden diese Triebwerke mitunter zum Antrieb von Modellflugzeugen verwendet, sind jedoch in den meisten europäischen Ländern aufgrund der Lärmentwicklung verboten. Aber auch eine militärische Nutzung in Drohnen wird durch laufende Weiterentwicklungen erprobt.

Ventillose Triebwerke

Schon in den 1940er und 1950er Jahren gab es umfangreiche Studien und Versuche, ventillose Verpuffungsstrahltriebwerke zu bauen. Hierbei werden die Flatterventile durch "aerodynamische Ventile" ersetzt, d.h. es gibt keinerlei bewegte Teile, das Triebwerk besteht im wesentlichen nur aus taillierten Rohrstücken. Als Beispiele sind die "Escopette" und "Ecrevisse" der Firma SNECMA oder die US-amerikanischen Konstrukteure Lockwood und Hiller ("Lockwood(-Hiller) type jet engine") zu nennen. Ab Mitte der 1950er Jahre wurden diese Ansätze aber endgültig durch Fest- und Flüssigtreibstoff-Raketen, durch Ramjets oder durch Strahltriebwerke verdrängt.

Pulse Detonation Engine

Aktuell werden wieder eine Reihe von Forschungen im Bereich der ventillosen Verpuffungsstrahltriebwerke durchgeführt, insbesonderen an solchen, in denen der Verbrennungsvorgang nicht in Form einer Verpuffung, sondern als wesentlich intensivere Detonation abläuft. Diese Bauweise, auch pulse detonation engine oder PDE genannt, verspricht neben den hohen Geschwindigkeiten eines Scramjet zusätzlich einen höheren Wirkungsgrad bei der Treibstoffumsetzung, da eine explosionsartige Verbrennung effizienter abläuft als eine kontinuierliche ([1]). Die komplexen thermodynamischen Verhältnisse bei der Verbrennung lassen sich aber nur schlecht simulieren und auch nur schlecht durch Strömungssimulation berechnen.

Mit hoher Frequenz (>1.000 Hz) betriebene PDE versprechen auch bei niedrigen Geschwindigkeiten bessere Treibstoffausnutzung, was in Zeiten steigender Energiepreise erhebliches Einsparpotential gegenüber Turbojets bedeutet. Daher haben nun auch Pratt & Whitney und General Electric eigene Forschungen an PDE-Technologie begonnen.

Eine Variante sind PDRE - Pulse Detonation Rocket Engine - die wie bei herkömmlichen Flüssigtreibstoffraketen Oxidator und Brennstoff mischen, diesen aber nicht kontinuierlich verbrennen, sondern ebenfalls pulsweise zur Explosion bringen. Der mögliche Wirkungsgradgewinn von 5 bis 10 Prozent wäre angesichts der hohen Kosten für den Weltraumtransport von Nutzlasten sehr attraktiv.

Weblinks

• http://hathor.onera.fr/conferences/ramjet-scramjet-pde/ - Geschichte, Technik und Fotos u.a. zu PDE und PDRE
• 'Pulsoschmiede' mit Technikdetails für Modellbau
• http://www.ronny-heigenhauser.de 'Ronny´s Pulsoseite' mit vielen Details für Selbstbau eines Pulsotriebwerkes
• Eigenbau Pulsotriebwerke
• Private Seite mit vielen Infos zu Modellflugpulsos und deren Bau
• Englische Seite mit Bauplänen und detaillierten Informationen, auch über ventillose Triebweke
• Death Rattler - Ein Maschinenkunstprojekt mit Pulsejet-Antrieb