Was ist ein Nachbrenner und wie lange kann ein Jet mit einem Nachbrenner fliegen?

Ein Nachbrenner ist ein sekundäres Verbrennungssystem, das zusätzlichen Kraftstoff stromabwärts der Brennkammer verbrennt, um den Schub auf Kosten eines viel höheren Kraftstoffverbrauchs weiter zu erhöhen.

Dies ist der nachverbrennende Turbofan F100 von Pratt & Whitney, dessen Varianten die Flotte der 4. Generation von F-15 und F-16 der USAF antreiben:

Das letzte speichenähnliche Ding direkt hinter den Turbinenflossen und dem gesamten Raum zwischen dem Turbinenkern und der Abgasdüse ist der Nachbrenner. In diesem Bereich wird Kraftstoff direkt in den Abgasstrom des Turbinenkerns gesprüht, wo die Wärme der den Kern verlassenden Luft ausreicht, um ihn zu zünden. Dieser zusätzliche Druck erhöht den von der Turbine erzeugten Schub.

Wie gesagt, der Kompromiss ist jedoch ein erhöhter Kraftstoffverbrauch, manchmal normalerweise dramatisch. Die F-16 verbrennt bei voller militärischer Leistung und geringer Höhe etwa 8000 Pfund Treibstoff pro Stunde, was ihr bei einer vollen Droptank-Konfiguration eine Flugzeit von etwa 2 Stunden verleiht. Beim Fliegen in größeren Höhen kann diese Flugzeit weiter verlängert werden, da sowohl die größere Höhe als auch die niedrigere Gaseinstellung (ca. 80 %) die Kraftstoffdurchflussrate um bis zu 40 % im Vergleich zu Flügen in geringer Höhe reduzieren.

Mit vollem Nachbrenner in niedrigen Höhen kann die F-16 mehr als 64.000 Pfund pro Stunde verbrennen. Bei Vollgas hat eine US-Variante F-16 mit maximalen externen Kraftstoffvorräten etwa 20 Minuten, bis sie auf Notreserven steht (was bei vollem Nachbrenner nur etwa eine zusätzliche Minute dauern würde). Der Geschwindigkeitsgewinn ist minimal; die F-16 kreuzt zwischen 450 und 550 Knoten, während ein voller Nachbrenner diese nur auf etwa 700 bis 800 Knoten mit einer typischen Unterflügelbeladung erhöht. Wenn Sie also das 8-fache des Kraftstoffs verbrennen, erhalten Sie einen Geschwindigkeitsschub von etwa 50 %.

Durch die Verwendung des Nachbrenners wird Kraftstoff stromabwärts der Turbine eingespritzt. Austrittsgeschwindigkeit wird höher -> Mehr Schub.

Vergleich des erzeugten Schubs in einer F/A-18C Hornet:

• Maximaler Schub ohne Nachbrenner 10.440 daN (jeweils 5.220 daN)
• Maximaler Schub mit Nachbrenner 15.660 daN (jeweils 7.830 daN)

(Die F/A-18C Hornet verwendet 2 General Electric F404-GE-402 Turbofans)

Einige Flugzeuge benötigen den Nachbrenner, um Überschallgeschwindigkeit zu erreichen, da der "normale" Einsatz der Strahlturbine nicht genügend Schub erzeugt. Die Verwendung der Turbine im "normalen" Modus (ohne Nachbrenner) wird auch als "militärische Leistung" oder "trocken" bezeichnet. Der Einsatz der Turbine mit Nachbrenner wird auch als „Vollgas“ oder „Nass“ bezeichnet.

Aus diesem Wikipedia-Artikel:

Aufgrund ihres hohen Kraftstoffverbrauchs werden Nachbrenner in der Regel so wenig wie möglich eingesetzt; Eine bemerkenswerte Ausnahme ist der Pratt & Whitney J58-Motor, der im SR-71 Blackbird verwendet wird. Nachbrenner werden im Allgemeinen nur dann verwendet, wenn es wichtig ist, möglichst viel Schub zu haben. Dazu gehören Starts von kurzen Landebahnen, die Unterstützung von Katapultstarts von Flugzeugträgern und in Luftkampfsituationen.

Es ist wahr, dass ein Kampfjet selten den Nachbrenner einschaltet, weil er extrem viel Treibstoff verbraucht. Teilweise bis zum Faktor 10 zum normalen Spritverbrauch. Deshalb nutzen sie ihn auch nicht ständig: Die Reichweite des Kampfjets wird durch den Einsatz des Nachbrenners drastisch reduziert.

Der Pilot kann den Nachbrenner in verschiedenen Stufen einsetzen, um das perfekte Verhältnis von Kraftstoffverbrauch / Geschwindigkeit / Reichweite zu finden.

Quelle (auf Englisch): http://www.lw.admin.ch/internet/luftwaffe/en/home/dokumentation/assets/aircraft/fa18.html

Es ist möglich, ein Flugzeug zu konstruieren, das mit Überschallgeschwindigkeit fliegen kann, ohne Nachbrenner zu verwenden (z. B. Concorde, das britische Streik-/Aufklärungsflugzeug TSR-2 und die Tu-144). Die Luftwiderstandskraft ist bei transsonischen Geschwindigkeiten höher als bei Überschallgeschwindigkeit, und die Verwendung von Nachbrennern zum schnelleren Beschleunigen durch den transsonischen Geschwindigkeitsbereich kann tatsächlich die gesamte Kraftstoffverbrennung reduzieren. Das war definitiv der Fall für Concorde. Die Nachbrenner wurden auch verwendet, um die Startrolle auf Concorde zu verkürzen.

Die meisten Düsenjäger sind nicht für "effizientes Überschallkreuzen in einer geraden Linie bei konstanter Geschwindigkeit" ausgelegt, daher ist ein Überschallflug ohne Nachbrenner nicht die Hauptüberlegung beim Design.

Ich bin 7 Jahre lang B-1B geflogen. Ich hatte auch Flüge in F-15 und F-16. Die B-1 hat 4 Nachbrenner, aber viel mehr Gas als die Jäger, sodass ich selten wegen Treibstoff aus dem Brenner bleiben musste. Es gibt jedoch viele Gründe, die Brennernutzung zu minimieren:

1. Operativ macht AB Sie für alle gut sichtbar. Nachts stellst du dich selbst ins Rampenlicht. Tagsüber kann Sie jeder am Boden hören. IR-Sensoren werden Sie schnell und einfach finden, und selbst niedrigere Tech-IR-Raketen werden Ihren Brenner Fackeln vorziehen.

2. Diese zusätzlichen 50% über die Mil-Power hinaus sind eigentlich eine Menge. Wenn Sie einen Brenner verwenden, brauchen Sie ihn nicht lange. Die B-1 konnte in nur wenigen Sekunden in vollem AB von 0,8 auf 0,95 Mach beschleunigen. Operativ braucht man AB einfach nicht so oft oder so oft. Wenn Sie versuchen, eine Rakete abzuwehren, verwenden Sie zuerst eine übermäßige Fluggeschwindigkeit, um auf Kurvengeschwindigkeit zu verlangsamen. Der B-1 kann die Kurvengeschwindigkeit ohne Brenner aufrechterhalten, da er ein relativ niedriges g hat. Ein Jäger mit 7+ g braucht etwas Brenner, um Energie zu halten, besonders bei Kurvengeschwindigkeit, aber da er sich in nur wenigen Sekunden um 90+ Grad drehen kann, braucht er nicht viel oder keinen Brenner. Unabhängig davon, um eine Radarrakete zu besiegen, wird ein Pilot häufig annehmen, dass dies der Fall ist, da IR-Raketen „passiv“ erkennen, was bedeutet, dass es wenig oder keine Warnung gibt.

3. Luft-Luft-Luftkämpfe aus nächster Nähe sind einer der wenigen Fälle, in denen ein Kampfflugzeug einen verlängerten Brenner benötigt. Im Kämpferkampf ist Energiemanagement sehr wichtig. Niemand will auf der Verliererseite stehen. Wenn Sie die Fluggeschwindigkeit zu niedrig einstellen, dreht Ihr Jet zu langsam und Sie verlieren, sodass Kampfpiloten alles verwenden werden, was sie brauchen, um die Bedrohung von ihrem Heck fernzuhalten und den Kampf zu gewinnen. Auch in der B-1, bei Abfangübungen für Jäger, tendierten wir dazu, mehr Brenner zu verwenden. Wir neigten dazu, es zu verwenden, um schnell zu beschleunigen, um das Abfangen des Jägers zu erschweren, und in einigen Fällen, um mit einem Jäger am Heck abzuhauen.

4. Das andere Regime, in dem Brenner häufig verwendet werden, ist der Start. Dies ist statistisch gesehen eine der gefährlichsten Flugphasen, und das Erreichen der Fluggeschwindigkeit minimiert die Gefahr schnell. Als ich geflogen bin, ist die B-1 immer im Brenner gestartet – jetzt bin ich mir nicht sicher. Jäger können unter bestimmten Bedingungen mit Mil Power starten, aber ich habe es selten gesehen.

5. Die Verwendung von Brennern in amerikanischen Jets trägt absolut nicht wesentlich zur erforderlichen Wartung bei und beschädigt die Motoren nicht. Der Poster, der das erwähnte, könnte etwas auf der MIG-25 gesehen haben, das seine Triebwerke im Hochgeschwindigkeitsflug zerstört. Vermutlich haben andere sowjetische Jäger einige Wartungsprobleme mit der Verwendung von Brennern, aber amerikanische Kampfflugzeuge sind so gebaut, dass sie bei Bedarf Brenner einsetzen, ohne die Triebwerke zu beschädigen.

6. Die Höhe ist ein sehr wichtiger Punkt, da der Brennerbrennstofffluss mit der Höhe abnimmt. In dünner Luft steht weniger Sauerstoff für die Verbrennung zur Verfügung, daher müssen die Kraftstoffregler entsprechend angepasst werden. Wie der vorherige Poster schrieb, erzeugt dünnere Luft weniger Luftwiderstand, was es einfacher macht, schnell zu fahren. Aber ... als Berufspilot bin ich heute mit vielen ehemaligen Kampfpiloten geflogen, und wenn wir darüber sprechen, haben nur wenige von uns Zeit über 40.000 Fuß verbracht. Die höhere Serviceobergrenze ist eine nette Statistik für die Vertriebsteams von Auftragnehmern, aber es gibt selten einen betrieblichen Grund, und bis in die 40er Jahre können viele schlimme Dinge passieren (wie Motorstillstand und physiologische Notfälle).

https://www.nasa.gov/centers/dryden/pdf/88117main_H-1449.pdf

Scrollen Sie nach unten, es gibt einige nützliche Grafiken, die Ihnen eine Vorstellung geben können. AB erhöht die Abgastemperatur und ermöglicht somit eine Erhöhung der Abgasgeschwindigkeit. Nach der Aktuatorscheibentheorie bedeutet dies, dass der Schub im Flug bei MAX bei jeder gegebenen Geschwindigkeit näher an der statischen Zahl liegt als der Schub im Flug bei MIL. Aus diesem Grund kann eine F-15 bei 40.000 Fuß nur bei M0,95 bei MIL fliegen, aber bei M2,5 bei MAX mit nur 63% Erhöhung des statischen Schubs.

Die Antwort ist, es hängt von Ihrer Höhe ab. Viel.

Zum Beispiel nehme ich eine F-16, da ich jemanden gefragt habe, der sich online als ehemaliger F-16-Besatzungschef identifiziert hat: Eine F-16, die mit voller militärischer Schubkraft auf Meereshöhe fliegt, verbraucht etwa so viel Treibstoff wie ein voller Nachbrenner bei FL400 (40000 Fuß). Bei der F-16-Dienstleistungsobergrenze von FL500 verbraucht der volle Nachbrenner auf Meereshöhe etwas weniger Treibstoff als der militärische Schub.

So weit oben kann ein voller Nachbrenner sogar 30 Minuten lang verwendet werden, wenn der Aufstieg effizient durchgeführt wird und der große Mittellinien-Falltank verwendet wurde. So kann die F-16 tatsächlich Mach 2 erreichen. Es wird eine Weile dauern, bis der Nachbrenner so stark beschleunigt.

Dies bedeutet auch, dass der volle Nachbrenner nicht so viel zusätzlichen Schub erzeugt, aber da die Luft so dünn ist, hat dies einen ziemlich erheblichen Einfluss auf die erzielte tatsächliche Fluggeschwindigkeit.