Was ist ein Staustrahl?

Was ist ein Staustrahl? Wurde es auf der SR-71 Blackbird verwendet?

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und die Triebwerke des SR-71 sind keine Ramjets: en.wikipedia.org/wiki/Pratt_%26_Whitney_J58
Wenn Sie einen Ramjet zeigen möchten, wählen Sie bitte die D-21 . Als Triebwerk wurde der RJ-43 von Marquardt verwendet, ein echter Staustrahl. Der SR-71 ist ein weniger passendes Beispiel.
Die Triebwerke des SR-71 sind keine reinen Staustrahltriebwerke (die unterhalb einer bestimmten Geschwindigkeit nicht funktionieren können, da es keinen mechanischen Kompressionsmechanismus gibt), aber bei Höchstgeschwindigkeit leitet eine Funktion namens Kompressor-Entlüftungs-Bypass einen Teil des Luftstroms der Kompressorstufe direkt zum Nachbrenner um, anstatt zu gehen durch den Turbostrahl. Dies kühlt den Nachbrenner, was einen anhaltenden Betrieb ermöglicht, und erhöht die Effizienz des Nachbrenners selbst, wodurch er zum dominierenden schuberzeugenden Teil des Triebwerks wird. Da diese umgeleitete Luft den Nachbrenner direkt befeuert, wird der J58 als "partieller Staustrahl" bezeichnet.

Antworten (4)

Ein Strahltriebwerk komprimiert Luft, erwärmt sie durch Mischen mit Kraftstoff und verbrennt sie und lässt die erwärmte Luft am Ende entweichen, wo sie in einer konvergent-divergenten Düse aufgrund der Dichte des erwärmten Gases auf mehr als ihre Anfangsgeschwindigkeit beschleunigt wird niedriger, wodurch bei gleichem Druck ein höheres Volumen benötigt wird.

Durch die Umwandlung der kinetischen Energie der Strömung in Druck (potenzielle Energie) erzeugt der Einlass Hochdruckluft zur Versorgung des Motors. Dies wird als Druckrückgewinnung bezeichnet und steigt mit dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit. Unten finden Sie ein Diagramm: Dies setzt einen Druck von 1 bei Mach 0,5, was auf der hohen Seite für die Strömungsgeschwindigkeit nahe der Kompressorfläche in einem Strahltriebwerkseinlass liegt.

Druckwiederherstellungsverhältnis über Machzahl

Beachten Sie, dass die Luft unter statischen Bedingungen beschleunigt werden muss, sodass der Ansaugdruck nur 84 % des Umgebungsdrucks beträgt, und bei Mach 0,85, der Höchstgeschwindigkeit von Verkehrsflugzeugen, der Ansaugdruck 1,37-mal höher ist als der Umgebungsdruck. Aber bei Überschallgeschwindigkeit geht es richtig los: Die Druckrückgewinnung lag bei der Concorde bereits bei 6 bei Mach 2,0, bei der SR-71 bei 40 bei Mach 3,2. Wenn Sie einen mathematischeren Ansatz wünschen, ergibt die Gleichung für die isentropische Kompression:

p 0 = p ∞ ⋅ ( 1.2 ⋅ M a 2 ) 3.5 ( 1 + 5 6 ⋅ ( M a 2 − 1 ) ) 2.5
Die ungeraden Exponenten haben mit dem Verhältnis der spezifischen Wärmen zu tun κ aus Luft. 3,5 ist eigentlich κ κ − 1 und 2,5 ist 1 κ − 1 . Die realen Kompressionsverhältnisse liegen aufgrund der Reibung leicht unter denen der idealen isentropischen Kompression, aber nicht viel.

Die genaue Gleichung, die für das obige Diagramm verwendet wird, ergibt sich aus der direkten Berechnung des Verhältnisses zur Einlass-Machzahl, diesmal mit κ = 1,405:

p ich n t a k e p ∞ = ( 0,2025 ⋅ M a 2 ⋅ ( 1 − ( M a ich n t a k e M a ∞ ) 2 ) + 1 ) 3.469

So erhält man bereits bei Mach 2 das Verdichtungsverhältnis eines J-47 , eines frühen Strahltriebwerks, und bei Mach 3,2 das eines GE90 , eines modernen Turbofan-Triebwerks. Darüber hinaus macht es nicht viel Sinn, den Motor mit Turbomaschinen zu verkomplizieren - lassen Sie sich einfach vom Staudruck die Kompression für die Schuberzeugung geben. Sie müssen das Fahrzeug jedoch zuerst auf andere Weise beschleunigen, da der mögliche Schub proportional zur Druckwiederherstellung oder dem Quadrat der Fluggeschwindigkeit ist. Keine Geschwindigkeit, kein Schub!

Sie haben vielleicht Behauptungen gelesen, dass die J-58 der SR-71 ein Ramjet war. Das ist nur halb wahr . Unterhalb von Mach 2 funktionierte es als normaler Turbojet, hatte aber Bypass-Rohre, die etwas Luft von der vierten Stufe des Kompressors um die späteren Kompressorstufen, die Brennkammern und die Turbine direkt in den Nachbrenner leiteten. Jetzt wurde ein Teil der Luft im Einlass komprimiert und direkt einem Verbrennungsbereich und durch eine konvergent-divergente Düse zugeführt, sodass dieser Teil wie ein Staustrahl funktionierte. Ein Teil der Luft strömte jedoch immer noch durch das Kerntriebwerk, um es am Laufen zu halten.

Ein besseres Beispiel für ein Flugzeug mit Staustrahlantrieb ist die Aufklärungsdrohne Lockheed D-21 , die einen RJ-43-Staustrahl von Marquardt als Antrieb verwendete. Seine Reisegeschwindigkeit betrug vor 50 Jahren Mach 3,7! Siehe unten für ein Bild ( Quelle ).

Lockheed D-21 in statischer Anzeige auf Trolley

Beachten Sie, dass der gleiche Trick, der einen Staustrahl ermöglicht, verwendet werden kann, um den Kühlwiderstand für Hochgeschwindigkeits-Kolbenflugzeuge zu reduzieren. Ein gut konstruierter Kühlkanal verlangsamt und komprimiert die einströmende Luft und erwärmt sie, indem er sie durch einen Kühler strömen lässt. Die erwärmte Luft hat eine höhere Austrittsgeschwindigkeit, was zu Strahlschub führt, der den Kühlwiderstand bei höheren Geschwindigkeiten kompensieren kann. Der Republic XF-12 , ein viel unterschätztes Design, machte sich diese Technik vorbildlich zunutze.

Könnten Sie für die Poesie-Majors unter uns eine Erklärung hinzufügen, worauf sich „Druckwiederherstellung“ bezieht? Vielen Dank!
Als ich etwas mehr über Ihre abschließende Bemerkung zum Erhitzen von Luft nachdachte, um Schub zu erzeugen, dachte ich darüber nach, den gleichen Ansatz für einen Turbofan zu verwenden. Wissen Sie, ob es Experimente mit dem Austausch von Wärme aus der Luft nach der Kompressorstufe zum Nebenstrom gegeben hat? Dies könnte die Temperatur am Einlass der Brennkammer senken und dadurch den thermodynamischen Wirkungsgrad des Strahlkerns erhöhen. Die entnommene Energie kann durch Aufheizen des Nebenstroms zusätzlichen Schub erzeugen.
@DeltaLima: Interessantes Konzept! Alles, woran ich mich erinnere, sind Pläne, etwas Ähnliches auf dem T-56 für den P-3 zu machen. Der mechanische Aufwand war am Ende zu groß, sodass dieses Konzept fallen gelassen wurde. In Ihrer Turbofan-Idee würden die heißen und kalten Strömungen nebeneinander liegen, sodass die Komplexität möglicherweise überschaubar ist. Sie benötigen jedoch ein großes Volumen, da der Wärmeaustausch bei geringerer Strömungsgeschwindigkeit effizienter ist. Ich denke, der Volumenbedarf macht dies unpraktisch.
Ein weiterer Grund für niedrigere Geschwindigkeiten ist, dass die Kühlluft sonst eine immer höhere Machzahl haben wird. Ich bin jedoch nicht der Erste, der über dieses Konzept nachdenkt, ich habe mehrere Artikel gefunden. Zur Beschreibung werden die Worte intercooled und rekuperiert verwendet. In den letzten 5 Jahren gab es einige theoretische Arbeiten darüber, aber ich konnte keine praktischen Experimente finden.
Ich nehme also die einfache Schlussfolgerung: Staustrahl = Strahltriebwerk ohne Kompressor?
@kevin: … und Turbine, ja. Im Grunde ist es ein Strahltriebwerk mit Ansaug-, Nachbrenner- und Con-Di-Düse.
@DeltaLima Es gibt Versuchsmotoren, die den Kraftstoff (oder das Kühlmittel) zum Kühlen der Ansaugluft verwenden. Meistens für verschiedene Surface-to-Orbit-Konzepte. Ich denke, für alles andere macht die zusätzliche Masse es unpraktisch. Ähnliche Probleme könnten Ihren Vorschlag blockieren, der Gewinn lohnt sich möglicherweise nicht für Unterschallflugzeuge. Und da die Concorde weg ist, fliegt so ziemlich alles. Peter hat also ziemlich sicher recht.
@DeltaLima Klärung, warum ich davon gesprochen habe, dass Unterschall ein Problem ist. Je mehr Energie der Motor verbraucht, desto größer ist der mögliche Gewinn. Ein Motor mit höherer Abgasgeschwindigkeit benötigt mehr kinetische Energie für den gleichen Schub. Schnellere Flugzeuge benötigen eine höhere Abgasgeschwindigkeit. Je schneller das Flugzeug ist, desto mehr kann es von Verbesserungen der Energieeffizienz profitieren. Je langsamer das Flugzeug ist, desto langsamer ist die optimale Abgasgeschwindigkeit, was bedeutet, dass weniger Energie pro Volumen verbraucht wird, was die Gewinne aus der Herstellung eines komplexeren Motors zur Verbesserung der Energieeffizienz verringert.

Der Staustrahl ist konzeptionell das einfachste Strahltriebwerk. Es ist ein Kanal, in dem Luft verbrannt wird, wodurch ein heißer Strahl entsteht, der Schub liefert. Es ist ein bekannter aerothermodynamischer Kanal , da es nicht mehr als ein Kanal ist, in dem ein thermodynamischer Zyklus durchgeführt wird. Sie werden nicht mehr für Flugzeuge verwendet, da sie bei Fluggeschwindigkeit Null keinen Schub liefern können - da sie keinen Kompressor im Diffusor haben - und moderner Turbofan viel effizienter ist. Es besteht aus einem Diffusor , einem Brenner und einer Düse , es verwendet dynamische Kompression von Stauluft in seinem Einlass und dann breitet sich der heiße Strahl in einer konvergent-divergenten Düse aus, da es sich um Überschall handelt.

Flugzeuge wie die Blackbird verwendeten einen Staustrahl, um eine höhere Mach-Geschwindigkeit zu erreichen, indem sie den Staustrahl starteten, als er bereits Unterschall war.

Die Amsel benutzte keine Ramjets
@ Federico, das P & W J58-Triebwerk war im Wesentlichen ein Staustrahl, der um einen Turbostrahl gewickelt war. Bei hohen Geschwindigkeiten strömte nur so viel Luft durch den Turbojet-Kern, dass er sich drehte; Der größte Teil der Luft umging den Kern zum Nachbrenner, der als Staustrahl fungierte.
@ Davide, der Staustrahl ist das konzeptionell einfachste Düsentriebwerk. Einen zu bauen ist tatsächlich eine Meisterleistung fortschrittlicher Ingenieurskunst.
„Nicht mehr gebraucht“? Das klingt so, als ob sie in den frühen Tagen der Luftfahrt sehr beliebt waren und in Ungnade gefallen sind, was nicht einmal annähernd richtig ist; Nur wenige Flugzeuge haben es jemals geschafft, einen Staustrahltriebwerk einzusetzen, und die meisten davon waren Grundlagenforschung – Forschung, die bis heute andauert, wenn auch normalerweise mit Scramjets.

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aber die kurze Antwort

Ein Staustrahl, manchmal auch als fliegendes Ofenrohr oder Athodyd (eine Abkürzung für aerothermodynamischen Kanal) bezeichnet, ist eine Form eines luftatmenden Strahltriebwerks, das die Vorwärtsbewegung des Triebwerks nutzt, um die einströmende Luft ohne Axialkompressor zu komprimieren.

Mit anderen Worten, es nutzt den erzeugten Schub, um die ankommende Luft zu komprimieren, indem es sie in den Motor "rammt". Da sie keine Möglichkeit haben, Luft einzusaugen, funktionieren sie nicht in einer statischen (nicht vorwärts bewegten) Situation. Sie funktionieren oft am besten bei Überschallgeschwindigkeit. Abgesehen von der Vorrichtung, mit der Kraftstoff in den Motor gepumpt wird, haben sie im Wesentlichen keine beweglichen Teile.

Was macht sie bei höheren Geschwindigkeiten effizienter?
Ich weiß nicht genug über sie, um sie zu kommentieren, aber das könnte eine eigene Frage rechtfertigen.

Ein Staustrahl ist ein Strahltriebwerk, in dem Stauluftdruck, der durch die Vorwärtsbewegung des Luftfahrzeugs erzeugt wird, verwendet wird, um Luft zu komprimieren, bevor Kraftstoff damit gemischt und verbrannt wird, um Schub durch eine Erhöhung der Temperatur und des Drucks der expandierenden Gase zu erzeugen. Dies bedeutet, dass ein Staustrahl unterhalb einer bestimmten Fluggeschwindigkeit keinen statischen Schub erzeugen oder effizient arbeiten kann. Staustrahltriebwerke sind normalerweise für den Betrieb mit Überschallgeschwindigkeit ausgelegt. Ein Scramjet oder Überschallverbrennungs-Staustrahl ist ein Staustrahl, bei dem der Luftstrom durch den Motorverbrennungsabschnitt Überschall ist.

Was ist ein Staustrahl?
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