Erster Luftfahrzeugantrieb ohne bewegliche Teile

Ein Antrieb für Luftfahrzeuge ohne bewegliche Teile klingt ein wenig wie Science-Fiction – doch der US-Triebwerkshersteller Wave Engine Corp. bringt genau so etwas heraus – zunächst für Hochgeschwindigkeitsdrohnen. Vorreiter kam bereits im Zweiten Weltkrieg zum Einsatz.

Ein mechanisch simpel aufgebautes Triebwerk, einfach herzustellen, ohne bewegliche Teile und dabei leistungsstark: Wovon viele Drohnen- und Flugzeughersteller träumen, scheint nun Realität zu sein.

Der US-Triebwerkshersteller Wave Engine Corporation hat an einen nicht näher benannten Kunden aus der Luft- und Raumfahrtindustrie nach umfangreichen Tests genau solche Triebwerke ausgeliefert – montiert auf Scitor-Drohnen.

Die Daten des simpel J1 genannten Triebwerks beeindrucken auf den ersten Blick: 1,63 m lang, 14 cm breit, 32 cm hoch, nur gut 8 kg schwer und mit einer Spitzengeschwindigkeit von knapp über 320 km/h. Es erzielt eine Schubkraft von 245 N. Dabei verbraucht es laut Hersteller nicht mehr als ein vergleichbar großes Strahlentriebwerk und kann mit verschiedenen Kraftstoffen betrieben werden – einschließlich Bioethanohl-basiertem E85. Das Pulsstrahl-Triebwerk oder auch Druckwellen-Triebwerk soll zunächst auf Hochgeschwindigkeitsdrohnen eingesetzt werden.

Die Technik des Pulsstrahl-Triebwerks kam schon im Zweiten Weltkrieg zum Einsatz

Bereits im Zweiten Weltkrieg war die sogenannte Vergeltungswaffe V1 (Fieseler FI 103) mit einem Pulsstrahl Triebwerk ausgerüstet. Mit dieser unbemannten Rakete beschoss die deutsche Wehrmacht hauptsächlich London und Antwerpen. Großer Nachteil des damaligen Triebwerks: Es war sehr kurzlebig. Bei einer nur einmal eingesetzten Rakete ein vielleicht zu verschmerzender Faktor. Der Grund dafür: Die sogenannten Flatterventile, die für den Gasaustausch sorgten, wiesen nur eine geringe Lebensdauer auf, da sie hohen thermischen Belastungen ausgesetzt waren.

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Noch bis in die 1950er-Jahre wurde daran geforscht, ventillose Verpuffungsstrahl-Triebwerke zu bauen – und damit ohne bewegliche Teile. Dabei sollten die Flatterventile durch sogenannte „aerodynamische Ventile“ ersetzt werden. Das bedeutet, das Triebwerk besteht im Wesentlichen nur aus taillierten Rohrstücken. Das „Einlassventil“ ist dabei ein simples Rohrstück, das der Verpuffungsexpansion mehr Widerstand bietet als das Strahlrohr und somit eine Vorzugsrichtung bewirkt. Doch die rasante Entwicklung von Fest- und Flüssigtreibstoff-Raketen, von Staustrahl-Triebwerken oder Strahltriebwerken machte dieser Forschungsrichtung ab Mitte der 1950er-Jahre den Garaus.

Nun lebt sie wieder auf und der Triebwerkhersteller Wave Engine hat seine ersten Jet-Antriebe für Drohnen vom Typ J-1 ausgeliefert.

Wie funktioniert der Antrieb ohne bewegliche Teile?

Der Hersteller selbst spricht von einem Wellenantrieb. Wellentriebwerke, auch bekannt als Impulsstrahl-Triebwerke, sind eine Klasse von Luftfahrzeug-Triebwerken, die mit Druckwellen anstelle von rotierenden Maschinen arbeiten. Diese Triebwerke zeichnen sich durch extreme Einfachheit aus, da sie im Wesentlichen aus hohlen Röhren ohne bewegliche Teile bestehen. Diese Art von Triebwerken nutzt die kompressible („federähnliche“) Beschaffenheit der Luft, um Schub für Hochgeschwindigkeitsflüge zu erzeugen.

Ein Triebwerkstakt beginnt mit einer frischen Ladung von Kraftstoff und Luft in der Brennkammer. Wenn diese per Zündkerze gezündet wird, erhöht der Verbrennungsprozess die Temperatur und den Druck der Gase im Inneren des Rohrs, und die heißen Verbrennungsprodukte werden aus beiden Enden des Rohrs ausgestoßen. Diese heißen Gasströme erzeugen einen positiven Schub und ermöglichen einen Hochgeschwindigkeitsflug. Die Trägheit der Hochgeschwindigkeitsgasstrahlen führt jedoch zu einer Überdehnung (d. h. „Überstreckung“) des Gases im Inneren der Röhre, was zu einem Teilvakuum in der Röhre führt. Daraufhin versucht das Rohr, frische Luft anzusaugen, um das durch die vorangegangene Verbrennung entstandene Teilvakuum zu füllen. Sobald diese frische Luft von der Röhre angesaugt ist, wird sie erneut mit Kraftstoff gefüllt und gezündet, um den Vorgang zu wiederholen. Akustisch erzeugt das ein knatterähnliches Geräusch, ähnlich dem eines Propellerflugzeugs.

Größere Triebwerke für größere Luftfahrzeuge

„Wir freuen uns auf die Zusammenarbeit mit unseren Kunden, um die Produktion zu steigern und eine unübertroffene Kombination aus Kosten, Einfachheit und Flugleistung auf den Markt zu bringen“, lässt sich Daanish Maqbool, CEO der Wave Engine Corp., zitieren. Und die Entwicklung ist noch nicht vorbei. Während das ausgelieferte Triebwerk J1 für Drohnen bis knapp 100 kg konzipiert ist, liefert das Triebwerk K1 desselben Herstellers den vierfachen Schub des J1 und kann für Luftfahrzeuge bis knapp 500 kg verwendet werden.