Geschichte des Strahltriebwerks

Im Jahr 1928 legte der Kadett Frank Whittle vom RAF College Cranwell seinen Vorgesetzten offiziell seine Ideen für ein Turbotriebwerk vor. Im Oktober 1929 entwickelte er seine Ideen weiter. Am 16. Januar 1930 reichte Whittle in England sein erstes Patent ein (das 1932 erteilt wurde). Das Patent zeigte einen zweistufigen Axialkompressor, der einen einseitigen Zentrifugalkompressor speist. Praktische Axialkompressoren wurden durch die Ideen von A.A. Griffith in einer bahnbrechenden Arbeit von 1926 („An Aerodynamic Theory of Turbine Design“) ermöglicht. Whittle konzentrierte sich später aus verschiedenen praktischen Gründen ausschließlich auf den einfacheren Zentrifugalkompressor. Whittle brachte sein erstes Triebwerk im April 1937 zum Laufen. Es wurde mit Flüssigkeit betrieben und verfügte über eine eigene Kraftstoffpumpe. Whittles Team geriet fast in Panik, als der Motor nicht stehen blieb und auch nach dem Abstellen des Kraftstoffs noch beschleunigte. Es stellte sich heraus, dass Treibstoff in den Motor ausgelaufen war und sich in Pfützen angesammelt hatte.

Im Jahr 1935 begann Hans von Ohain in Deutschland mit der Arbeit an einer ähnlichen Konstruktion, und es wird oft behauptet, dass er nichts von Whittles Arbeit wusste. Ohain sagte, er habe das Patent von Whittle nicht gelesen, und Whittle glaubte ihm (Frank Whittle 1907-1996). Das Whittle-Patent befand sich jedoch in deutschen Bibliotheken, und Whittles Sohn hatte den Verdacht, dass Ohain es gelesen oder davon gehört hatte.

Jahre später gab von Ohain in seiner Biografie zu, dass dies der Fall war. Die Autorin Margaret Conner schreibt: ″Ohains Patentanwalt stieß in den Jahren, in denen die von Ohain-Patente formuliert wurden, auf ein Whittle-Patent“. Von Ohain selbst wird mit den Worten zitiert: „Wir hatten das Gefühl, dass es wie ein Patent auf eine Idee aussah“ „Wir dachten, dass nicht ernsthaft daran gearbeitet wurde.“ Da Ohains Patent erst 1935 eingereicht wurde, zeigt dieses Eingeständnis deutlich, dass er Whittles Patent gelesen und sogar in einigen Details kritisiert hatte, bevor er sein eigenes Patent anmeldete und etwa 2 Jahre bevor sein eigener Motor lief.

VON OHAIN: ″Unsere Patentansprüche mussten im Vergleich zu Whittles eingeschränkt werden, weil Whittle bestimmte Dinge zeigte.“ „Als ich Whittles Patent sah, war ich fast überzeugt, dass es etwas mit Grenzschicht-Saugkombinationen zu tun hatte. Es hatte einen zweiflutigen Radialverdichter mit doppeltem Eintritt, der aus Sicht des Motors monströs aussah. Seine Strömungsumkehr schien uns eine unerwünschte Sache zu sein, aber es stellte sich heraus, dass sie gar nicht so schlecht war, obwohl sie einige kleinere Instabilitätsprobleme verursachte.″

Sein erstes Gerät war rein experimentell und konnte nur mit externer Energie betrieben werden, aber er konnte das Grundkonzept demonstrieren. Ohain wurde daraufhin Ernst Heinkel, einem der großen Flugzeugindustriellen der damaligen Zeit, vorgestellt, der sofort das Potenzial des Entwurfs erkannte. Heinkel hatte kurz zuvor die Hirth-Motorenfirma gekauft, und Ohain und sein Maschinenbaumeister Max Hahn wurden dort als neue Abteilung der Hirth-Firma eingerichtet. Im September 1937 hatten sie ihren ersten HeS 1-Zentrifugalmotor zum Laufen gebracht. Im Gegensatz zu Whittles Konstruktion verwendete Ohain Wasserstoff als Brennstoff, der unter äußerem Druck zugeführt wurde. Ihre nachfolgenden Entwürfe gipfelten im benzinbetriebenen HeS 3 mit einer Leistung von 5 kN (1.100 lbf), das in die einfache und kompakte Heinkel-Zelle He 178 eingebaut und von Erich Warsitz am frühen Morgen des 27. August 1939 vom Flugplatz Rostock-Marienehe aus geflogen wurde – eine beeindruckend kurze Entwicklungszeit. Die He 178 war das erste Turboprop-Flugzeug der Welt.

Das erste Turboprop-Flugzeug der Welt war die Jendrassik Cs-1, die von dem ungarischen Maschinenbauingenieur György Jendrassik entworfen wurde. Sie wurde zwischen 1938 und 1942 in den Ganz-Werken in Budapest hergestellt und getestet. Er sollte in den zweimotorigen Aufklärungsbomber Varga RMI-1 X/H eingebaut werden, der 1940 von László Varga entworfen wurde, doch das Programm wurde eingestellt. Auch Jendrassik hatte 1937 ein kleines 75-kW-Turboprop-Triebwerk entwickelt.

Whittles Motor wurde allmählich brauchbar, und seine Power Jets Ltd. erhielt erste Gelder vom Luftfahrtministerium. 1941 wurde eine flugfähige Version des Motors namens W.1, mit einer Schubkraft von 4 kN (1000 lbf) wurde in die eigens dafür gebaute Gloster E28/39 eingebaut und flog erstmals am 15. Mai 1941 auf der RAF Cranwell.

Der britische Flugmotorenkonstrukteur Frank Halford entwickelte auf der Grundlage von Whittles Ideen eine „durchgehende“ Version des Zentrifugalstrahls; aus seinem Entwurf wurde die de Havilland Goblin.

Ein Problem bei diesen beiden frühen Konstruktionen, die als Zentrifugalstrahltriebwerke bezeichnet werden, bestand darin, dass der Kompressor die Luft vom zentralen Einlass zum äußeren Rand des Triebwerks beschleunigte, wo sie dann durch einen divergenten Kanalaufbau komprimiert wurde und ihre Geschwindigkeit in Druck umwandelte. Ein Vorteil dieser Konstruktion war, dass sie bereits gut bekannt war, da sie in Zentrifugalkompressoren eingesetzt wurde, die damals in Kolbenmotoren weit verbreitet waren. Angesichts der frühen technologischen Beschränkungen der Wellendrehzahl des Motors musste der Kompressor jedoch einen sehr großen Durchmesser haben, um die erforderliche Leistung zu erzeugen. Das bedeutete, dass die Triebwerke eine große Stirnfläche hatten, was sie aufgrund des Luftwiderstands als Flugzeugtriebwerk weniger geeignet machte. Ein weiterer Nachteil der früheren Whittle-Konstruktionen bestand darin, dass der Luftstrom in umgekehrter Richtung durch den Verbrennungsabschnitt und wieder zur Turbine und zum Auspuff geleitet wurde, was die Komplexität erhöhte und den Wirkungsgrad senkte. Nichtsdestotrotz hatten diese Triebwerkstypen die großen Vorteile des geringen Gewichts, der Einfachheit und der Zuverlässigkeit, und die Entwicklung schritt schnell zu praktischen, flugfähigen Konstruktionen voran.

Der Österreicher Anselm Franz von der Junkers-Motorensparte (Junkers Motoren oder Jumo) ging diese Probleme mit der Einführung des Axialverdichters an. Im Grunde handelt es sich dabei um eine umgekehrte Turbine. Die vorne am Motor ankommende Luft wird durch eine Fan-Stufe (konvergente Kanäle) zum hinteren Teil des Motors geblasen, wo sie auf einen Satz nicht rotierender Schaufeln, die so genannten Statoren (divergente Kanäle), prallt. Dieser Prozess ist bei weitem nicht so leistungsfähig wie ein Zentrifugalkompressor, weshalb mehrere dieser Ventilator- und Statorpaare in Reihe geschaltet werden, um die erforderliche Verdichtung zu erreichen. Trotz all der zusätzlichen Komplexität ist das resultierende Triebwerk wesentlich kleiner im Durchmesser und damit aerodynamischer. Jumo erhielt die nächste Motornummer in der RLM-Nummerierungsfolge, 4, und das Ergebnis war der Motor Jumo 004. Nachdem viele kleinere technische Schwierigkeiten gelöst worden waren, begann 1944 die Serienproduktion dieses Triebwerks als Antrieb für das erste Düsenjagdflugzeug der Welt, die Messerschmitt Me 262 (und später für das erste Düsenbomberflugzeug der Welt, die Arado Ar 234). Aus verschiedenen Gründen verzögerte sich die Verfügbarkeit des Triebwerks, und diese Verzögerung führte dazu, dass das Kampfflugzeug zu spät kam, um die Position Deutschlands im Zweiten Weltkrieg entscheidend zu beeinflussen. Nichtsdestotrotz wird es als der erste Einsatz von Strahltriebwerken im Dienst in Erinnerung bleiben.

Die Firma Heinkel-Hirth Flugzeugtriebwerke versuchte auch, ein leistungsstärkeres Turbotriebwerk zu entwickeln, das Heinkel HeS 011 mit einem Schub von fast 3.000 Pfund bei voller Leistung, das sehr spät im Krieg entwickelt wurde, um die Antriebsmöglichkeiten für neue deutsche militärische Strahlflugzeuge zu verbessern und die Leistung bestehender Konstruktionen zu erhöhen. Es verwendete einen einzigartigen „diagonalen“ Verdichterabschnitt, der die Merkmale von Zentrifugal- und Axialverdichtern für Turbojet-Triebwerke kombinierte, blieb aber auf dem Prüfstand, und es wurden nur etwa neunzehn Exemplare hergestellt.

In Großbritannien wurde das erste Axialtriebwerk, das Metrovick F.2, 1941 in Betrieb genommen und 1943 erstmals geflogen. Obwohl er leistungsfähiger war als die damaligen Zentrifugalkonstruktionen, betrachtete das Ministerium seine Komplexität und Unzuverlässigkeit als Nachteil in Kriegszeiten. Die Arbeit bei Metrovick führte zum Armstrong Siddeley Sapphire-Motor, der in den USA als J65 gebaut wurde.