Luftfahrtantriebe

Luftatmende Antriebe beziehen den zur Verbrennung des Treibstoffs notwendigen Sauerstoff aus der Umgebungsluft.

Ein Flugmotor (auch Flugzeugmotor) ist ein Verbrennungsmotor (am häufigsten in Form eines Hubkolbenmotors), der speziell für den Einsatz in einem Luftfahrzeug konstruiert wurde. Er stellt mechanische Leistung an einer Welle bereit („Wellenleistung“; siehe auch Rotationsenergie) und treibt, meist über ein Propellergetriebe, die Luftschraube an. Gängige Bauformen von Hubkolben-Flugmotoren sind Stern-, Reihen- oder Boxermotoren.

Querschnitte im Vergleich:
(a) Turbojet („Gasturbine“)
(b) Ramjet
(c) Scramjet.
Links die Verdichtung, in der Mitte die Verbrennung und rechts der Heißgasaustritt.

Luftatmende Strahltriebwerke erzeugen den Vortrieb ganz oder teilweise durch die Rückstoßwirkung des Abgasstrahls. Neben den luftatmenden Strahltriebwerken in den drei Bauformen Turbinen-Strahltriebwerk, Staustrahltriebwerk und Pulsstrahltriebwerk zählt auch das Raketentriebwerk (siehe unten) zu den Strahltriebwerken.

Turbinen-Strahltriebwerke basieren auf der Gasturbine.

• Der Turbojet erzeugt Vortrieb nur durch den Abgasstrahl: Die angesaugte Luft wird vom Verdichter komprimiert und in der Brennkammer zusammen mit Kerosin verbrannt, wobei sich die Temperatur der Mischung aus Verbrennungsgas und Luft (Heißgas) stark erhöht. Die anschließende Turbine expandiert das Gas und entzieht ihm Energie, um damit den Verdichter anzutreiben. Die verbleibende kinetische Energie des Abgasstrahles erzeugt Schub und damit den Vortrieb.

• Das Mantelstromtriebwerk (engl. turbofan) ist weitgehend gleich aufgebaut wie der Turbojet. Zusätzlich treibt die Turbine die vor dem Verdichter befindlichen großen „Fan“-Schaufelblätter an, die ähnlich einem Propeller eine große Luftmenge an der eigentlichen Gasturbine vorbei nach hinten blasen. Dieser Mantelstrom erbringt meist den Großteil der Antriebsleistung; der vom Abgasstrahl erzeugte Schub ist vergleichsweise gering. Diese Bauform wird bei praktisch allen Nicht-Propeller-Flugzeugen verwendet.

• Ein Turboprop-Triebwerk ist eine Gasturbine, die an ihrer Welle Rotationsleistung zum Antrieb eines Propellers eines Flugzeugs abgibt. Eng damit verwandt ist das Hubschraubertriebwerk, das Haupt- und Heckrotor eines Hubschraubers antreibt. Die Gasturbine des Turboprop-Antriebs und das Hubschraubertriebwerk sind Wellenleistungstriebwerke, deren Haupt-Leistungsabgabe Rotationsleistung an ihrer Welle ist.

Bei einem Staustrahltriebwerk wird die Eingangsluft wie beim Turbojet verdichtet, zusammen mit dem Kraftstoff in der Brennkammer verbrannt, und das entstehende Heißgas über die Schubdüse nach außen geführt. Die Verdichtung geschieht im Einlauf, in dem die Geschwindigkeit des Gases relativ zum Flugzeug stark verzögert wird, sodass der Druck steigt. Da weder ein rotierender Verdichter noch eine Turbine zu dessen Antrieb vorhanden sind, kommt das Staustrahltriebwerk weitgehend ohne bewegliche Teile aus.

Da ein Staustrahltriebwerk zum Verdichten eine erhebliche Vorwärtsbewegung durch die Luft benötigt (meist mindestens mehrere Hundert km/h, ein Scramjet meist Überschall), kann es bei Stillstand des Flugzeugs nicht arbeiten.

Im Ramjet verlaufen Verdichtung und Verbrennung bei „lokalem Unterschall“ – aus Sicht des Triebwerks durchfließt die Luft diese Triebwerksbereiche nicht mit Überschall-Geschwindigkeit. Im Scramjet wird das gesamte Triebwerk mit „lokalem Überschall“ durchströmt.

Das Pulsstrahltriebwerk arbeitet im Gegensatz zum Staustrahltriebwerk pulsierend (nicht-kontinuierlich) und ist sehr einfach aufgebaut. Es besteht aus dem Strahlrohr mit Brennkammer und Flatter- oder Jalousieventilen. Diese lassen von vorn Luft in die Brennkammer, schließen jedoch automatisch bei (versuchter) Gegenströmung. Der zugeführte Kraftstoff entzündet sich und das expandierende Heißgas kann das Strahlrohr nur nach hinten verlassen. Es gibt auch Bauformen ohne Jalousien, die auf „aerodynamischen Ventilen“ beruhen.

Bei der Bezeichnung „nicht-luftatmend“ wird zumeist implizit vorausgesetzt, dass die Antriebsart dennoch auf Verbrennung basiert. Bei diesen Antriebsarten wird der benötigte Oxidator im Fluggerät mitgeführt. In der Regel handelt es sich um einen flüssigen Sauerstoffträger.

Beim Raketenantrieb führt die Verbrennung im Raketentriebwerk zu einer starken Expansion, die durch die Schubdüse ausgeführt wird. Das entstehende Heißgas, die sogenannte Stützmasse, breitet sich in eine bestimmte Richtung aus, entsprechend dem Gesetz Actio und Reactio wird der Flugkörper in die entgegengesetzte Richtung angetrieben.
Das Raketentriebwerk ist ein (nicht-luftatmendes) Strahltriebwerk. Entweder der Treibstoff beinhaltet bereits den zur Oxidation benötigten Sauerstoff, oder der Sauerstoff wird gesondert mitgeführt; die Expansion des Treibstoffes kann auch auf Molekülzerfall beruhen (keine Verbrennung). In allen Fällen ist kein Sauerstoff aus der Umgebung nötig.

Andere Antriebsarten haben bisher nur geringe Bedeutung:

• Elektromotor mit Propeller: Die Energie für den Elektromotor entstammt einem Akku, selten einer Brennstoffzelle oder Solarzellen (Solarflugzeug). Auch an Hybridsystemen aus Elektromotor und luftatmendem Verbrennungsantrieb wird geforscht.
• Tretpedale oder mechanische Energiespeicher mit Propeller: Lediglich bei Flugmodellen werden am Boden Gummis verdrillt, die dann beim Sich-Entdrillen einen Propeller drehen und Vortrieb erzeugen. Mit (menschlicher) Muskelkraft betriebene Flugzeuge sind Muskelkraftflugzeuge.
• Vortrieb mittels Flügelschlagens: Ornithopter (auch Schwingenflugzeuge) gibt es bisher nur im Experimentalbereich oder im Modellbau, die eigentliche Antriebskraft erzeugt ein Elektro-, Verbrennungs- oder Federmotor.