Flugzeugtriebwerke

Als Triebwerk bezeichnet man bei einem Flugzeug alle Bauteile, die dem Antrieb dienen ( Bild 1). Je nach Art der Antriebsmaschine unterscheidet man zwischen Kolben- und Turbinentriebwerken, nach Art der Vortriebserzeugung zwischen Luftschrauben- und Strahltriebwerken. Im militärischen Bereich werden auch Raketentriebwerke eingesetzt.

Kolbentriebwerke
In der Anfangszeit der Fliegerei waren vor allem Kolbentriebwerke verbreitet, die einen Propeller (Luftschraube) bewegten (Bild 2). Sie waren in der Anfangszeit aus Holz gefertigt und haben je nach Leistung des Motors einen Durchmesser zwischen rund 1,5 Metern und 6,5 Metern. Als Kolbenmotoren wurden meist wasser- oder luftgekühlte Viertakt-Ottomotoren verwendet, der Vortrieb wurde durch Propeller erzeugt. Die Motorbauarten unterscheidet man nach der Anordnung ihrer Zylinder in Bezug zur Kurbelwelle in Reihen-, Boxer- oder Sternmotoren. Die größten jemals gebauten Kolbenflugmotoren wurden in den fünfziger Jahren in Passagierflugzeuge wie der Lockheed "Super Constellation" eingebaut. Diese hochkomplexen Motoren leisteten um 3 000 PS und waren als aufgeladene Sternmotoren mit 27 Zylindern in drei Sternen hintereinander aufgebaut. Die Motoren waren allerdings wartungsaufwendig und die Propeller begrenzten die erzielbare Geschwindigkeit.

Während der erste Nachteil durch die Entwicklung von Turboproptriebwerken überwunden werden konnte, brachte der Einzug der Strahltriebwerke, auch als Düsentriebwerke bezeichnet, ab Ende der fünfziger Jahre bei geringem Kosten- und Wartungsaufwand eine spürbare Steigerung der Geschwindigkeit und der Reichweiten. Kolbentriebwerke sind heute auf den Bereich der langsam fliegen­den Transportflugzeuge sowie der Sport- und Ultraleichtflugzeuge beschränkt.

Turboproptriebwerke
Turboproptriebwerke (Bild 3) werden für Transport- und Verkehrsflugzeuge für mittlere Reichweiten und Geschwindigkeiten bis 800 km/h genutzt. Ein durch eine Turbine angetriebenes Propellertriebwerk nennt man auch Propeller-Turbinen-Luftstrahltriebwerk (PTL-Triebwerk).

Den Aufbau eines solchen Triebwerkes zeigt Bild 4. Es besteht aus einem Niederdruck- und einem Hochdruckverdichter sowie einer Niederdruck- und einer Hochdruckturbine, den Brennkammern, den Turbinenwellen mit Getriebe sowie dem Propeller. Die angesaugte Luft wird in den beiden Verdichtern etwa im Verhältnis 1:10 verdichtet und dann in die Brennkammern geleitet. Dort wird sie mit Treibstoff versetzt, bei dessen Verbrennung große Mengen heißer Abgase entstehen. Der expandierende Abgasstrom durchläuft mit hoher Geschwindigkeit die beiden Turbinen, versetzt sie in Drehung und verrichtet dabei mechanische Arbeit, mit der zum Teil die Verdichter, vor allem aber der Propeller angetrieben wird. Die verbleibende Energie des nunmehr abgekühlten und expandierten Gases wird in der Schubdüse in Strahlschub umgewandelt. Dieser Anteil ist jedoch relativ gering (ca. 10 % der gesamten Schubleistung), da die Turbinen dem Heißgas bereits den größten Teil der Energie entnommen haben.
Der Vorteil der Propellerturbine gegenüber dem Ottomotor ist die geringe Zahl von beweglichen Teilen, sodass ein PTL-Triebwerk zuverlässiger arbeitet und bei gleicher Leistung leichter ist. Da die Drehbewegung weitgehend gleichmäßiger ist als die Auf-und-Ab-Bewegung der Kolben, arbeitet ein PTL-Triebwerk leiser und ohne die für Kolbentriebwerke typischen Vibrationen. Der Vorteil gegenüber einem reinen Strahlantrieb liegt in der höheren Wirtschaftlichkeit im mittleren Geschwindigkeitsbereich von etwa 400 km/h bis 800 km/h.

Strahltriebwerke
Auf einer ganz anderen Grundlage als die Propellertriebwerke arbeiten die Strahltriebwerke (englisch: jet engine), populär "Düsentriebwerke" genannt (Bild 5). Diese Triebwerke nutzen das Rückstoßprinzip aus. Demnach bewirkt ein schnelles Ausstoßen von Verbrennungsgasen in der einen Richtung einen Rückstoß in der entgegengesetzten Richtung. Stößt also ein Triebwerk den Abgasstrahl - eine Masse von verbranntem Treibstoff- mit einer bestimmten Geschwindigkeit nach hinten aus, dann wird das gesamte System nach vorn beschleunigt. Ihrer Vorteile wegen werden die Strahltriebwerke seit den vierziger Jahren des 20. Jahrhunderts in der Militärluft­fahrt und seit den sechziger Jahren auch in der Zivilluftfahrt verwendet.

Die Grundform des Turbinen-Strahltriebwerks, auch TL-Triebwerk oder Turbotriebwerk genannt, ist ähnlich wie beim Turboproptriebwerk, eine Anordnung von Verdichtern und Turbinen, die auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Im Kompressor (Verdichter) wird die Luft komprimiert und von dort in die Brennkammer geleitet, die als koaxiales Ring- oder Einzelbrennkammersystem um die Welle angeordnet ist. Die Verdichter bestehen aus mehreren abwechselnde Anordnungen von Laufrädern und Leiträdern, die als Stufen bezeichnet werden. Das Laufrad besteht aus einer Vielzahl von Laufschaufeln, die auf einer Kreisscheibe befestigt sind. Bei der Rotation führen die Laufschaufeln dem Luftstrom mechanische Energie zu. Ein Verdichter hat meist acht Stufen, bei zwei aufeinander folgenden Verdichtern sind es ca. 15 Stufen.

Nach der Verdichtung wird die Luft in die Brennkammern gedrückt. Dort wird durch die kontinuierliche Verbrennung des Treibstoffs Wärme zugeführt; erst jetzt besitzt das Gas so viel Energie, dass einerseits der Verdichter angetrieben und andererseits der Schub zum Bewegen des Flugzeugs erzeugt werden kann.

Die Brennkammer besteht aus einem hochfesten Material, denn die Flammentemperatur beträgt etwa 2000 °C. Durch intensive Luftzufuhr gelingt es aber, die Temperatur am Austritt der Brennkammer nicht über 1000 °C steigen zu lassen, weil die Werkstoffe der Turbine keine höhere Temperatur aushalten. Durch die Wärmezufuhr dehnt sich das Gas (bei gleich bleibendem Druck) stark aus. Das Heißgas strömt nun durch die Turbine.

Hinter der Turbine schließt sich ein kurzes Übergangsstück an, in dem der kreisringförmige Querschnitt des Gasstroms vergrößert wird, bevor man den Strom in die Schubdüse leitet. In dieser Düse, einem konisch zulaufenden Rohr, wird das Gas stark beschleunigt, wobei die im Gas enthaltene thermische Energie in kinetische Energie umgewandelt wird. Temperatur und Druck nehmen in der Schubdüse ab. Der entstehende Schub ist abhängig vom Durchsatz (also der Gasmasse pro Zeiteinheit), der Austrittsgeschwindigkeit des Gases, die ein Mehrfaches der Schallgeschwindigkeit betragen kann, sowie der Fluggeschwindigkeit (genauer: von der Differenz zwischen Austritts- und Fluggeschwindigkeit). Der Schub lässt sich um bis zu 50 % steigern, wenn mittels eines Nachbrenners den aus der Turbine ausströmenden Gasen noch zusätzliche thermische Energie verliehen wird.

Raketentriebwerke
Auch die Raketentriebwerke gehören zu den Strahltriebwerken, unterscheiden sich jedoch in einem wesentlichen Punkt von herkömmlichen Flugzeugtriebwerken: Sie funktionieren auch im luftleeren Raum. Anders als die "Luft atmenden" Strahltriebwerke müssen daher beide Treibstoffkomponenten (nämlich der eigentliche Brennstoff und das Oxidationsmittel als Luftersatz) mitgeführt werden. Nach dem Zustand der verwendeten Komponenten unterscheidet man Flüssigkeitsraketen und Feststoffraketen. Als Brennstoffe werden Alkohole, Erdölprodukte und flüssiger Wasserstoff verwendet, Oxidationsmittel sind im Wesentlichen flüssiger Sauerstoff oder sauerstoffreiche Verbindungen wie Wasserstoffsuperoxyd () oder Salpetersäure ().
In der Luftfahrt werden Raketentriebwerke ausschließlich im militärischen Bereich und für Forschungen eingesetzt, z. B. bei der US-amerikanischen X-15, die in ca. 15 km Höhe von einem Trägerflugzeug abgekoppelt wird. Die X-15 erreichte 1963 eine Maximalgeschwindigkeit von etwa 7300 km/h und eine maximale Höhe von etwa 108 km.

Umweltbelastungen durch Flugzeugtriebwerke
In den Brennkammern moderner Flugzeugtriebwerke werden aufgrund der höheren Temperaturen wesentlich größere Mengen Stickoxide produziert als in Kolbenmotoren. Damit treten erhebliche Umweltbelastungen auf. Da die Emission zudem in den obersten Schichten der Troposphäre (in etwa zehn bis zwölf Kilometern Höhe) stattfindet, können die Stickoxide leicht in die Stratosphäre gelangen und dort zur Vergrößerung des Ozonlochs beitragen, aber auch zu einer Erhöhung des Ozongehalts in den tieferen Schichten der Troposphäre führen. Beide Effekte sind unerwünscht, da das Ozon in großer Höhe die kurzwellige UV-Strahlung wegfiltert und in der Biosphäre ein schädliches, ja giftiges Gas darstellt. Doch nicht nur Stickoxide bilden sich bei der Verbrennung des Treibstoffs, hinzu kommt noch die Produktion der Treibhausgase Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf.
Auch die Lärmbelästigung - vor allem für die Menschen am Erdboden - ist nicht zu unterschätzen. Bei Überschallmaschinen kommt jenseits der Schallmauer zu den Triebwerkgeräuschen noch der »Überschallknall« hinzu. Man versucht, den Fluglärm durch Nachtflugverbote in dicht besiedelten Regionen sowie durch steile Start- und Landeflugbahnen zu reduzieren.