Wie wirkt sich die Machzahl auf Effizienz, Schub und spezifischen Kraftstoffverbrauch eines Staustrahltriebwerks aus?

Der Schub eines Staustrahltriebwerks hängt vom dynamischen Druck der Flugzeugzelle ab, da dieser bestimmt, wie hoch der Druck im Inneren des Staustrahltriebwerks werden kann. Der Schub wächst also zunächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit.

Der Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen hängt vom Temperatur- und Druckverhältnis ihres Zyklus ab, und auch hier hilft die Geschwindigkeit, dies zu verbessern. Der spezifische thermodynamische Prozess von Staustrahltriebwerken ist der Joule-Zyklus (in den USA Brayton-Zyklus genannt ).

Warum dies nicht unbegrenzt wächst, hat mit Nichtlinearitäten bei hoher Temperatur zu tun. Sobald die Gastemperaturen 2000 bis 4000 K überschreiten, beginnt Sauerstoff je nach Druck zu dissoziieren. Stickstoff folgt jenseits von 8000K. Nun wird die Verbrennungswärme nicht in eine weitere Temperaturerhöhung umgewandelt, sondern in der Luftdissoziation verschwendet. Wenn man sich dieser Grenze nähert, verbleibt weniger Spielraum zum Heizen und der SFC fällt. Das Optimum mit der aktuellen Technologie liegt bei etwa Mach 2,4.

Eine mögliche Abhilfe besteht darin, die Luft weniger zu bremsen, damit die maximale Hitze im Brennraum begrenzt werden kann. Die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit herkömmlicher Kohlenwasserstoffe setzt dem jedoch eine feste und niedrige Grenze. Die höhere Geschwindigkeit bedeutet einfach, dass Mischen, Verdampfen und Verbrennen meistens stattfinden, sobald das Luft-Kraftstoff-Gemisch den Motor verlassen hat. Hier muss man auf Wasserstoff und einen Überschall-Staustrahl umsteigen, aber das bringt eine Menge neuer Probleme mit sich.

Schub

Für einen gegebenen Treibstoff kann der Trend zwischen Staustrahlschub und Machzahl ungefähr (siehe Anmerkung 1) gegeben sein durch

Schub = Flugmachzahl(sqrt(2000 / (Lufttemperatur * (1+(7 * Flugmach ^ 2) / 40))) - 1)

TSFC

Wenn wir ein bestimmtes Luft/Kraftstoff-Verhältnis beibehalten, steigt die verbrauchte Kraftstoffmenge linear mit Mach an, da die Luftströmungsrate mit dem gleichen Trend ansteigt.

Anmerkungen

Anmerkung 1: Die Gleichung der Quelle wurde vereinfacht und einige Werte wurden abgerundet, um die aktuelle Gleichung zu ergeben.