Frühe Strahlflugzeuge Me 262 und Yak-15

Das Konzept eines Strahltriebwerks ist zwei Jahrtausende älter als der Kolbenmotor, das erste wurde bekannt als der Heronsball, auch Äolipile genannt. Sich aus einer Quelle ausbreitende Gase (in dem Fall Wasserdampf in einer Kugel) wurden aus zwei gebogenen Düsen ausgestoßen und versetzten die Kugel in eine starke Rotation und demonstrierten so eine Aktion (der Gasaustoß) und eine Reaktion (die Bewegung), später von Isaac Newton als zweites und drittes Grundgesetz der Bewegung formuliert. Tatsächlich war die Idee von Strahltriebwerken schon lange vor dem Zweiten Weltkrieg in den Köpfen der Erfinder. Eine strahlgetriebene Reaktionsturbine wurde von John Barber 1791 vorgeschlagen und zum Patent angemeldet. Eine Turbinenanlage, die effizienter die mechanische Energie eines Gasstrahls nutzen konnte, wurde 100 Jahr später erfunden.

Verdichterrad des Napier NA357

In der Geschichte gab es unzählige gebaute Objekte, die von einem Strahl angetrieben wurden, einschließlich des Reaktionstriebwerkes, der Rakete. Beispiele sind Raketenspeere im antiken China, Raketenfahrzeuge und sogar Raketenflugzeuge wie der Opel-Sander RAK.1 von 1929 und die Messerschmitt Me 163 von 1944. 1910 meldete der rumänische Erfinder Henri Coandă ein Patent auf ein Flugzeugstrahlantrieb an, welches aus einem Kolbenmotor bestand und einen Verdichter antrieb: der Thermojet. Das italienische Caproni Campini N.1 war ähnlich, hatte aber einen Nachbrenner, in dem zusätzlich in der Düse Treibstoff verbrannt wurde.

Der Turbojet, gemeinhin als das eigentlich Strahltriebwerk bekannt, ist ein recht simples Triebwerk. Wie ein Otto-Kolbenmotor hat es eine Verdichtungs-, Zündungs- und Expansionsphase. Der Unterschied ist, dass es ein durchgängig offenes System ist und so einen konstanten Luftstrom erlaubt. Dadurch laufen alle drei Phasen gleichzeitig ab, was als Joule- oder Brayton-Kreisprozess bekannt ist. Auch war es wichtig, den richtigen Luftstrom und die richtige Verdichtung zu finden, was der Hauptgrund war, warum es bis zum Zweiten Weltkrieg nicht reif für die Anwendung wurde. Die Metallurgie sowie die Wissenschaft um die Eigenschaften von Metallen waren noch nicht weit genug fortgeschritten. Die äußerst hohe Zentrifugalkraft und Temperatur, die von einem Turbojet auferlegt wurden, waren für die Ingenieurskunst der damaligen Zeit eine klare Grenze, aber für einige war es eine Herausforderung, die es zu meistern galt.

Whittle W.1/W.2B Turbojet. Beachte die Großaufnahme des Laufrads auf der rechten Seite.

Frank Whittle und Hans von Ohain nahmen gleichzeitig, aber voneinander nichts ahnend, diese Herausforderung an, zum Trotz der Skepsis ihrer Kollegen, an einem Turbojet zu arbeiten. Obwohl Whittle viel früher an Konzepten bastelte und die “Whittle Unit” 6 Monate vor von Ohains Arbeit starten konnte, konnte von Ohain mehr Unterstützung von Fachkollegen erringen und bald schon trieb der Flugzeughersteller Heinkel die Entwicklung von Strahltriebwerken für Flugzeuge voran, mit den eigenen Topingenieuren und Prüfgeräten, und stellte das “HeS 3”-Triebwerk fertig. Dieses trieb das erste Strahlflugzeug, die He 178, an. Nach dem Erstflug am 27. August 1939 (4 Tage vor Kriegsausbruch) begann sich die Haltung der Offiziellen gegenüber der Strahlantriebstechnologie zu ändern.

Whittle und von Ohain nutzten beide einen Zentrifugalkompressor für den Lufteinzug, weil diese Technologie (mechanische Lader) gut bekannt war und in Motoren aller Art verbaut wurde. Turbolader existierten auch schon, waren aber noch nicht weit verbreitet, ebenso wenig verbreitet waren Lufterhitzer mit hohem Durchlass. Kurz gesagt nutzten ihre Entwicklungen alte Konzepte neu. Beide Entwicklungen hatten einen sehr hohen Durchmesser vergleichbar mit Sternmotoren, doch während sich der Whittle PowerJet W.1 weit verbreitete, tat es das HeS jedoch nicht.

Nachkriegsbeute, Jumo 004.

Als Junkers von dem neuen Antrieb hörte, wollte der Flugzeughersteller ein Triebwerk in Konkurrenz herstellen und wählte Dr. Anselm Franz als Chefingenieur dank dessen Erfahrung mit Turboladern aus. Obwohl nicht sehr ambitioniert, hatte seine Entwicklung einen entscheidenden Unterschied: anstatt einen einzelnen, großen Radialverdichter zu nutzen, verfügte seine Entwicklung über mehrere Stufen, um die Luft in die Brennkammer zu leiten, den Axialverdichter. Die Absicht war den Durchmesser zu verringern, aber noch mehr profitierte das Triebwerk von dem verstärkten Luftstrom, was zu einem höheren Schub gegenüber den Zentrifugalkompressor führte. Das daraus entwickelte “Jumo 004”-Triebwerk nutzten die meisten frühen deutschen Strahlflugzeuge und machte die Me 262 schneller als die frühe Gloster Meteor, P-80 und die sowjetischen Strahlflugzeuge. Jedoch war diese Technologie eingeschränkt, und durch Rohstoffknappheit betrug die Lebensspanne eines Triebwerks nur 25 Stunden (wie bei frühen Kolbenmotoren) und lieferte weniger Schub als in der Theorie eigentlich möglich. Jedoch wurde das Jumo 004 legendär und der genutzte Axialverdichter ist bis heute Standard für Flugzeugstrahltriebwerke.

Nach dem Krieg wurde Dr. Franz in die Vereinigten Staaten gebracht, wo er dann auch blieb und für das Lycoming Aircraft Engine Department arbeitete. Mithilfe seiner Erfahrung aus dem Jumo 004 entwickelte er die meistgenutzte Wellenturbine der Geschichte, die Lycoming T53 (zB genutzt im Bell UH-1 “Huey”). Daraus wurden die vergößerte T55 und später AGT-1500 entwickelt, die Turbine, die den M1 Abrams Kampfpanzer antreibt.

Autor: Joe “Pony51” Kudrna