DE102021004784A1

DE102021004784A1 - Adaptives Triebwerkskonzept (z.B. Raketen, Überschallraketenbrennkammern, luftatmende Triebwerke wie z.B. Düsentriebwerke, Unterschall- Staustahltriebwerken, Ramjets Scramjets, Dualmode, Pulsejets, Detonationsstriebwerke, Raketen-Staustrahl-Antriebe, Laval-/Düsen) und Strukturkonzept (z.B. für Flugzeuge und Raketen) für flexible und gezielt veränderliche Geometrien

Info

Publication number: DE102021004784A1
Application number: DE102021004784.2A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-09-22
Filing date: 2021-09-22
Publication date: 2023-03-23

Abstract

Raketen und Triebwerke, insbesondere luftatmende Triebwerkssysteme (z.B. Ramjets) sind allgemein nur schwer regelbar. Für die Regelung ist die Geometrie wesentlich. Bei Mechaniken resultiert häufig zusätzlich enormes Gewicht und hoher Entwicklungsaufwand. Zudem bedeuten veränderliche Geometrien häufig komplexe Zusatzsysteme verbunden mit Risiken und Kosten. Auch sind die möglichen Veränderungen der Geometrien begrenzt. Leistungsfähige Triebwerke sind so bisher nur auf einen begrenzten Bereich von Geschwindigkeit und Druck ausgelegt. Das Konzept soll die Regelung von Triebwerken und Strukturen vereinfachen, sowie die reale Effizienz erhöhen.Das Konzept ist vielseitig bei Groß- und Kleinstrukturen und verwendet verschiedene Komponenten. Auf festen Stützstrukturen werden leichte veränderliche volumetrische Grundstrukturen (z.B. pneumatische Schwerlastkissen) angeordnet. Diese bestimmen die Geometrie. Flexible Deckstrukturen sind aufgebracht (z.B. metallische oder keramische Fasern). Ggf. werden flexible Verbundstrukturen, Spannvorrichtungen oder Kühlvorrichtungen ergänzt.Luft- und Raumfahrt

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs I. Anwendungsgebiet: Luft- und Raumfahrt Tabelle 1: Übersicht relevanter Unterlagen

Nr.	Titel	Patentdatum

US 4,644,746	GAS COMPRESSOR FOR JET ENGINE	30.12.1985 (Anmeldung) 24.02.1987 (patentiert)
US 6,786,040 B2	EJECTOR BASED ENGINES	20.02.2002 (Anmeldung) 07.09.2004 (patentiert)
US 9,254,925 B2	AIR INTAKE WITH DOUBLE INLET DOOR	29.09.2012 (Anmeldung) 09.02.2016 (patentiert)
US 2003 0154720 A1	EJECTOR BASED ENGINES	20.02.2002 (angemeldet) 21.08.2003 (veröffentlicht)
US 2010/0044504 A1	REAR PROPULSION SYSTEM WITH LATERAL AIR INLETS FOR AN AIRCRAFT WITH SUCH SYSTEM	26.02.2009 (Anmeldung) 25.02.2010 (Veröffentlichung)
US 2019/0390601 A1	AIR INTAKE SYSTEM	13.06:2019 (Anmeldung) 26.12.2019 (Veröffentlichung)
US 2020/0339242 A1	MORPHABLE BODY WITH SHAPE MEMORY MATERIAL MEMBERS	29.04.2019 (Anmeldung) 29.10.2020 (veröffentlicht)

DE 696 20 185 T2 ( EP 0839 309 B1 )	VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR BEEINFLUSSUNG DER GRENZSCHICHT IN EINEM KONTINUIERLICHEN MEDIUM	19.07.1995 (Priorität) 19.07.1997 (Anmeldung) 27.03.2002 (Veröffentlichung)
DE 10 2020 006 254.7	Antriebskonzept zur Kombination von konventionellen Raketentriebwerken und luftatmenden Triebwerken	07.10.2020 (Priorität dieser Anmeldung) (gleichnamiger Anmelder)
DE 10 2020 007 312.3	Scramjet Triebwerkskonzept	01.12.2020 (Anmeldung) (gleichnamiger Anmelder)
DE 10 2021 000 530.9	Triebwerkskonzept zum Start und Betrieb luftatmender Triebwerkssysteme (z.B. bei Ramjets) durch zusätzlich-variable Einbringung eines Oxidators	03.02.2021 (Anmeldung) (gleichnamiger Anmelder)
DE 10 2021 000 701.8	Reaktionskonzept für Triebwerke zur katalytischen Beschleunigung der Reaktion und Austrittsgeschwindigkeit bei Reduzierung der Reaktionstemperatur (Treiber-Konzept)	11.02.2021 (Anmeldung) (gleichnamiger Anmelder)
DE 10 2021 001 272.0	Zündkonzept für Triebwerke und Raketenantriebe: möglichst gerichtete Anregung und Zündung mittels angepasster elektromagnetischer Anregung (z.B. Radiowellen, Mikrowellen, Magnetwellen) und Metallzusätzen (z.B. ferromagnetischer Stoffe und Katalysatoren) zur Erhöhung des energetischen Wirkungsgrades und Schubes	10.03.2021 (Anmeldung) (gleichnamiger Anmelder)
DE 10 2021 004 141.0	Angepasstes Verfahrenskonzept und Leistungskonzept für Triebwerke (z.B. Raketen, Überschallraketenbrennkammem / Düsentriebwerke), luftatmende Antriebe (z.B. Unterschall-Staustrahltriebwerke, Ramjets, Scramjets, Dualmode, Pulsejets, Detonationstriebwerke, Raketen-Staustrahl-Antriebe), Turbopumpen bzw. Düsen (z.B. Glockendüsen, Aerospikes)	12.08.2021 (Anmeldung) (gleichnamiger Anmelder)

Weitere Unterlagen:

[1] Reinhard Müller: Luftstrahltriebwerke - Grundlagen, Charakteristiken Arbeitsverhalten, ISBN 978-3-322-90325-9; Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft 1997
[2] Wilfried Ley et. AI.: Handbuch der Raumfahrttechnik; 5. überarbeitete Auflage; ISBN: 978-3-446-45429-3; 2019; Carl Hanser Verlag München
[3] https://de.wikipedia.org_/wiki/Merlin (Raketentriebwerk)
[4] https://www.nasa.gov/pdf/64281main_DRC-010-039_Ram-Booster.pdf
[5] https://www.reactionengines.co.uk
[6] Dipl.-Ing. Mirko Hornung (Dissertation): „Entwurf einer luftatmenden Oberstufe und Gesamtoptimierung eines transatmosphärischen Raumtransportsystems“; 07.06.2002; Universität der Bundeswehr München
[7] Emst Messerschmid et al: Raumfahrtsysteme; 4. Auflage, 2011, ISBN 978-3-642-12816-5
[8] THE POCKET RAMJET READER; CHEMICAL SYSTEMS DIVISION; 1978
[9] Antonella Ingenito: Subsonic Combustion Ramjet Design; Springer; 2021; ISBN 978-3-030-66880-8; S. 6
[10] Matthias Ziefuß (Seminararbeit): Dual-Bell-Düse; DLR; Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt e.V. Institut für Raumfahrtantriebe 15.01.2016
[11] https://arts.eu/de/insights/artikel/bionic-die-tierweit-als-vorbild-fuer-die-industrie/#
[12] https://www.fast.kit.edu/download/DownloadsFahrzeugtechnik/Reifenentwicklung_Ar mbruster.pdf vom 17.09.2019; Dipl.-Ing. Felix Wittmeier et. Al.: REIFENENTWICKLUNG UNTER AERODYNAMISCHEN ASPEKTEN;

A - Einleitung
Stand der Technik
Hydraulische und pneumatische Mechaniken mit festen Strukturen sind bereits seit langem bewährt.
Pneumatische Strukturen werden zunehmend im Bauwesen interessant (z.B. für Hallen und Gebäude). Mechanische bewegliche Strukturen sind seit bekannt und in Anwendung.
Mit Turbopumpen und anderen Pumpsystemen stehen leistungsfähige Komponenten zur Verfügung.
Für Verkehrs-, bzw. Passagierflugzeuge in der Wirtschaftsluftfahrt sind zahlreiche Systeme mit veränderlichen Klappen und Einläufen patentiert, bzw. bereits Stand der Technik. Diese Systeme dienen z.B. Hilfsantrieben im Heck von Flugzeugen um Turbinentriebwerke mit Anströmung zu versorgen. So weist beispielsweise die Patentschrift US 2010/0044504 A1 eine Ausführungsvariante mit versenkbaren und ebenen Einläufen auf. Die Patentschriften US 9,254,925 B2 und US 2019/0390601 A1 führen zu hydraulischen verstellbaren Klappen aus, die mit bzw. ohne zusätzlich verstellbare Querklappen ausgestattet sind. Auch diese Systeme werden eben dargestellt, um z.B. die Verstellbarkeit zu erleichtern. Dies obwohl die nachgeschalteten rotierenden Turbinentriebwerke einen kreisrunden Triebwerkskanal erfordern. Durch diese Systeme kann z.B. zusätzlicher Schub in besonderen Situationen bereitgestellt werden und die Regelung der übrigen Triebwerke entlastet, bzw. deren optimale Auslegung verfeinert werden.
Mechanisch verschiebbare Triebwerksquerschnitte sind z.B. einseitig beweglich an festen Triebwerkswänden realisierbar. Hierzu können z.B. gelagerte Träger, Platten, hydraulische Systeme, pneumatische Systeme, Aktoren, Motoren, Gelenke usw. verwendet werden. Alternativ kann der Querschnitt auch an einer festen Außenwand eingeklappt werden. Dies kann z.B. bei rechteckigen oder elliptischen Triebwerksquerschnitten realisiert werden. Hierdurch wird die Regelbarkeit weiter verbessert.
Flexible Strukturen sind bereits in der Luft- und Raumfahrt in der Anwendung. Aus Gewichtsgründen werden z.B. Lastschiffe teilweise Flexibel gestaltet, bzw. bespannt.
Hebekissen werden auch in der Luft- und Raumfahrt für Transport und Logistik verwendet,
Raumanzüge sind aus verschiedenen Gründen teilweise flexibel.
Flexible Bremsschirme dienen als eine Form negativer Triebwerke mit minimalen Eigengewicht zum Abbremsen in Atmosphären.
Kissen, bzw. Airbags dienen beispielsweise zur Stoßdämpfung bei Landungen auf Himmelskörpern. Auch wurden flexible Umhausungen, bzw. pneumatische Strukturen, für Weltraummissionen konzipiert.
Nachteile des Standes der Technik
Insbesondere luftatmende Triebwerkssysteme sind allgemein nur bedingt regelbar. Es resultiert bei Mechaniken allgemein zusätzliches Gewicht und hoher Entwicklungsaufwand. In weiterer Steigerung kann die bewegliche Triebwerkswand oder Struktur - gelenkig oder flexibel ausgeführt werden. Dieses Konzept ist üblich für eigenstartfähige Ramjets mit zusätzlicher Einspeisung eines Oxidators (z.B. Patentschrift US 4,644,746 ). Im weiteren Sinne kann die Außengondel der luftatmenden Triebwerke auch beweglich im Luftmassenstrom ausgeführt werden um z.B. auf die Aerodynamik von Rakete und Leiteinrichtung zu reagieren.
Um eine variable Anströmung von Luftmassen möglichst umfassend chemisch zu nutzen und im Triebwerk energetisch möglichst effizient einzuschleusen, bestehen jedoch hohe Anforderungen an die Regelung.
Diese Anforderungen bedingen unter anderem:

• eine veränderliche Geometrie des Triebwerkskanals und
• einen effizienten Mischbereich, sowie
• hohe Anforderungen an Zündung und Verbrennung.

Dies hat bisher zu entscheidenden Nachteilen für die Auslegung geführt. Leistungsfähige luftatmende Triebwerke sind bisher nur auf einen begrenzten Einsatzbereich eingeschränkt. Zudem bedeuten veränderliche Geometrien häufig komplexe Zusatzsysteme. Daraus resultieren mögliche weitere Nachteile wie zusätzlicher Entwicklungsaufwand, Risiken, Kosten und Gewicht. Auch sind die möglichen Veränderungen der Geometrien begrenzt.
Kreissymmetrische Triebwerkskonzepte besitzen zwar strömungsmechanische Vorteile bei begrenzten Geschwindigkeiten, sind jedoch gegenüber ebenen Triebwerkskonzepten und Einläufen in der Regelbarkeit begrenzt. Auch sind Stoßsysteme durch Überschalldruckstöße bei kreissymmetrischen Triebwerken eher komplex und nachteilig.
Insbesondere ist der Einbau regeltechnischer Komponenten bei kreissymmetrischen Triebwerkskonzepten noch zusätzlich erschwert z.B. bei:

• verstellbaren Einläufen
• verstellbaren Zwischenkörpern
• Klappen
• Einbauten

Luftatmende Antriebe, einschließlich Unterschall-Staustrahltriebwerken, weisen bei geringen Anströmgeschwindigkeiten, bzw. Verdichtungsverhältnissen und breitem Einsatzbereich einen verschlechterten Ausbrand aus. Die Flexibilität und Leistungsfähigkeit des Zündsystems ist aufgrund der Minimierung des Aufwandes begrenzt.
Ein angestrebter Effekt des Konzeptes ist auch die Reduzierung oder Optimierung des Energieflusses zwischen Brennraum und Einlauf z.B. bei luftatmenden Triebwerken (wie z.B. Turbinentriebwerken, Unterschall-Staustrahltriebwerken, Ramjets, Scramjets). Das „thermische Blockieren“ des Einlaufes bei Maximierung des Brennkammerdruckes ist längsmöglich auszuschließen. Hierzu können ggf. adaptive Strukturelementen (z.B. Flexibilisierung von Zwickelbereichen) eingesetzt werden um die Grenzschichtströmung anzupassen. Diese Elemente können sowohl im ganzen Bereich zwischen Einlauf und Brennkammer, oder in einzelnen Abschnitten verwendet werden.
Die äußere Struktur von Flugzeugen, Schiffen, Zügen hat z.B. Auswirkungen auf den Ablösepunkt und die Wiederanlegestelle für laminare Grenzschichtströmungen. Auch die schädliche Fläche bei Schubdüsen, bzw. die verlustbehaftete aerodynamische Umströmung von Rumpf und Gondel werden durch das Profil mit beeinflusst. Umgekehrt kann mit gezielt turbulenten Strömungen die Entstehungen von Ablöseblasen verhindert werden. Auch kann ggf. die energiereiche Grenzschichtströmung angepasst und ggf. vermindert werden. Mit herkömmlichen Materialien ist jedoch die Anpassung des Profils, bzw. Struktur nicht oder nur mit hohem Aufwand möglich (z.B. bewegliche Flügel).
Die verfahrenstechnischen Potentiale der zunehmenden additiven Fertigung oder Laserbearbeitung zur wirtschaftlichen Strukturierung von Formen werden noch nicht vollständig ausgeschöpft, bzw. werden derzeit noch intensiv erforscht.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist die energetische Optimierung mittels adaptiver, bzw. flexibler Strukturen und Profilen bei Triebwerken und umströmten Körpern.
Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Im Folgenden werden allgemein mögliche Lösungsansätze beschrieben und verglichen. In den Figuren sind Ausführungsvarianten dargestellt.
Allgemein:
Eine Kombination von festen, bzw. unterschiedlich flexiblen Abschnitten ist möglich.
Das Konzept ist vielseitig bei Groß- und Kleinstrukturen anwendbar und setzt folgende Grundkomponenten voraus:

• feste Stützstrukturen, bzw. feste Umgebungsmatrix/-matritzen,
• volumetrische Grundstrukturen,
• Deckstrukturen,
• ggf. flexibler Verbundstrukturen,
• ggf. Spannvorrichtungen.
• ggf. Kühlvorrichtungen

Die volumetrische Grundstruktur kann aus pneumatischen oder hydraulischen Kissen oder Kammern, wie Schwerlastkissen auch mehrlagig und nebeneinander mehrreihig realisiert werden. Pneumatische Strukturen sind gewichtssparend. Hydraulische Strukturen für höhere Drücke einsetzbar. Zur Grundstruktur sind nach Bedarf ggf. Pumpen, Generatoren, Vorratsbehälter/ -tanks, Anströmvorrichtungen, Ablasseinrichtungen, Ventile, Überdruckventile und Leitungen zugehörig.
Eine Deckstruktur kann aus einer Abdeckung z.B. per flexiblen Metall-/ Keramikfasern, Ringpanzem / Verbundketten, verbundene Metallplatten oder -teilen gebildet werden. Idealerweise sind diese mit Gegenspannung längs der Triebwerksachse ausfahrbar oder z.B. überlappend. Die Deckstruktur kann ungeteilt, oder segmentiert hergestellt werden um die Verformbarkeit zu erhöhen. Die Deckstruktur ist kraftschlüssig oder formschlüssig an den Grundstrukturen einsetzbar. Kraftschlüssig kann z.B. der Druck durch Strömung, Brennkammer und entgegengesetzter Grundstruktur verwendet werden. Auch sind Deckstrukturen aufspannbar. Bei entsprechender Flexibilität von Grund- und Deckstruktur ist auch ein formschlüssiger Direktverbund möglich.
Mittels flexibler Verbundstrukturen ist eine Umgehung des Direktverbundes von Grund- und Deckstruktur möglich. Dies ist z.B. bei Erfordernis zu höherer Flexibilität notwendig. Vorteilhaft sind z.B. Spannseile, Schlaufen und Laschen, bzw. Netze. Grundsätzlich wirkt der Innendruck des Triebwerkssystems der Grundstruktur entgegen. Die Verbundstruktur kann z.B. eine Verschiebbarkeit der Deckstruktur gegenüber der Grundstruktur ermöglichen oder das Zusammenwirken von geteilten Deckstrukturen ermöglichen bzw. verbessern.
Bei Erfordernis können z.B. separate Spannvorrichtungen eingesetzt werden (z.B. Spannrollen). Diese ermöglichen eine zusätzliche Kontrolle, bzw. Regulierung der Verbund- und Deckstrukturen.
Zur Kühlung der Riblets ist eine Reaktivkühlung per eingelagerter flexibler Schläuche, Metallleitungen, dichter Hohlfasern (z.B. in Längsrichtung) oder auch kontinuierlich abgelassener Druckluft möglich. Dies kann partiell an neuralgischen. Punkten wie z.B. an Bereichen des Zwischenkörpers, bzw. im Verbrennungsbereich eingesetzt werden.
Triebwerkssysteme
Mit dem Konzept können in Triebwerken die strömungsmechanischen und thermodynamischen Zustandsänderungen über Änderungen der Querschnittsfläche gesteuert werden. Durch flexible Ausrundungen kann ggf. am Rand beschleunigt und die Grenzschicht angepasst werden.
Folgende Methodiken können verwendet werden um die Herausforderungen bei maximalen Einsatzgrenzen von Triebwerken zu bewältigen:

• vorzugsweise Nutzung ebener Einlauf
• flexible Triebwerksgeometrien - adaptiv, z.B. verschiebbare Triebwerksquerschnitte wie Brennkammerwände, flexible Einkapselung von Kammern, Verwendung von Schwertastkissen / Druckluftkörper, Flüssigkeitskörpern,
• Überdeckung mit Metallfasern, bzw. Keramikfasern oder anderen flexiblen Deckstrukturen

Die wesentlichen in Aussicht stehenden Ziele sind maximale Regelbarkeit, mindestens mittlere Effizienz und insbesondere gleichmäßiges Strömungsfeld möglichst angepasst an die Gesamtstruktur.
Volumetrische flexible bzw. verschiebbare Triebwerksquerschnitte können ein- oder mehrseitig angepasst werden. Alternativ kann der flexible Querschnitt auch auf bestimmte Bereiche beschränkt werden, wie dem Einlauf. Im Weiteren wird von einer gekapselten Struktur ausgegangen. Dies bedeutet innere Struktur und separate Außengondel. Die Außengondel kann strömungstechnisch optimiert werden.
Bei Erfordernis ist eine Gestaltung einer adaptiven Absaugvorrichtung einsetzbar (z.B. am Einlauf). Bei vollständiger Adaptierbarkeit ist die Absaugvorrichtung deaktivierbar.
Möglich ist die Nutzung flexibler Geometrien auch im Bereich der Einläufe und Leitsysteme selbst um Volumen und Form anzupassen.
Auch Außenformen und -konturen können Gegenstand flexibler Strukturen werden, um z.B. die Aerodynamik des Flugkörpers, bzw. der Außenkontur von Triebwerksbestandteilen (wie z.B. Düsen) anzupassen.
B Beschreibung
Ausführungsvarianten der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Die Ausführungsvarianten sind möglichst in allgemeinen Grundbausteinen zusammengefasst. Anschließend sind besondere Kombinationen stellvertretend erfasst. Die genannten Ausführungsvarianten sind Beispiele. Weiterführende Varianten sind in der Patentschrift, bzw. den Ansprüchen / Claims erfasst.
Luftatmende Antriebe - Allgemeine Technische Grenzen

1: Übersicht spezifischer Puls - Staustrahltriebwerke
2: Einsatzgrenzen luftatmender Triebwerkssysteme

Allgemeine Triebwerkssysteme

3: Grundform Unterschall-Staustrahltriebwerk Ramjet / Lorin-Staustrahlrohr
4: Grundform Überschall-Staustrahltriebwerk Ramjet
5: Grundform Dualmode-Ramjet
6: Kombinationsantrieb (z.B. Raketen-Staustrahltriebwerk)

Einlaufsysteme

7: Einlaufsysteme - axialsymmetrisch
8: Einlaufsysteme - ebener Einlauf

Regelsysteme

9: mechanisches Regelsystem - Klappen
10: mechanisches Regelsystem - Zwischenkörper
11: mechanisches Regelsystem verschiebbare Brennkammerwände
12: mechanisch-volumetrisches Regelsystem - Einlauf Kissen / Wülste für gleichmäßige Querschnittsverengung
13: mechanisch-volumetrisches Regelsystem - Mischbereich Matten / Kissen / Wülste für gleichmäßige Querschnittsverengung
14: mechanisch-volumetrisches Regelsystem flexible Matte für gleichmäßige Querschnittsverengung
15: volumetrisches Regelsystem - Kissen für gleichmäßige Querschnittsverengung
16: volumetrisches Regelsystem - Kissen für gleichmäßige Querschnittsverengung - symmetrisch
17: Regelsystem - Grenzschichtabsaugung / Bypass
18: Bauarten konvergent divergenter Schubdüsen

Adaptive Strukturen

19: gezielt veränderliche Großstrukturen (Makrostrukturen) - eingliedrig
20: gezielt veränderliche Großstrukturen (Makrostrukturen) - mehrgliedrig

Luftatmende Antriebe - Allgemeine Technische Grenzen
Figur 1: Übersicht spezifischer Puls - Staustrahltriebwerke
Staustrahltriebwerke mit Unterschallverbrennung können für Anströmgeschwindigkeiten mindestens ab Mach 0,75 bis über Mach 5 ausgelegt werden. Im Besonderen sind einzelne Triebwerke jedoch lediglich für einen bestimmten Bereich optimiert.
Im Folgenden werden sowohl Leistungswerte für Unterschall- und Überschall-Staustrahltriebwerke (Ramjets) jeweils mit Unterschallbrennkammern nach Stand der Technik wiedergegeben (100). Als Brennstoff sind jeweils Kohlenwasserstoffe wie Kerosin zu Grunde gelegt. Zur Entlastung sind die Parameter sowohl mit Zahlen, als auch mit gleichlautender textlicher Beschreibung dargestellt.
Im Diagramm wird mit (101) auf der horizontalen Achse die Geschwindigkeit in [Mach] dargestellt. Auf der senkrechten Achse wird mit (102) der spezifische Puls in [s] dargestellt.
Historisch sortiert sind die Leistungswerte aus repräsentativen Quellen mehrerer Jahrzehnte aufgeführt. Angaben von [8] stammen aus dem Jahr 1978 und werden mit (111) dargestellt. Die Werte von [2] aus dem Jahr 1997 werden mit (120) für das Minimum und (121) für das Maximum dargestellt. Angaben aus [7] veröffentlicht im Jahr 2011 werden mit (130) für das Minimum und (131) für das Maximum beschrieben. Angaben aus [9] vom Jahr 2021 werden mit (140) für das Minimum und (141) für das Maximum erfasst. Gegenüber (111) aus 1978 sind die Leistungswerte teilweise stark erhöht und unterschreiten lediglich bei minimalen Leistungswerten neuerer Triebwerken von (140) teilweise die Angaben. (111) unterschreitet jedoch deutlich die Werte von (141). Im Vergleich neuerer Quellen lässt sich keine eindeutige Tendenz zur Leistungssteigerung ableiten. Die Leistungswerte zeigen allgemein einen typischen Maximalwert im mittleren Geschwindigkeitsfeld ca. bei Mach 3 und nehmen mit zunehmender Anströmgeschwindigkeit wieder ab.
Aus 1 geht hervor, dass insbesondere in früheren Jahren mit (111) auch geringere Anströmgeschwindigkeiten für Unterschallstaustrahltriebwerke untersucht und dargestellt wurden. Mit [9] aus dem Jahr 2021 wurden auch Anströmgeschwindigkeiten von ca. 0,5 Mach untersucht. Mit zugehöriger (140) wird deutlich, das nach über 40 Jahren fortschreitender Entwicklung bei Mach 1 ca. das Doppelte des spezifischen Pulses Stand der Technik erreichbar ist. In [9] wird die Maximierung des Ausbrandes fokussiert z.B. durch Beimischung weiterer Treibstoffkomponenten und mehrreihige und verbesserte Flammenhalter. Der Ausbrand kann so, abhängig der Bedingungen, teilweise von ca. 50 % auf nahezu 90 % gesteigert werden. Bei ca. Mach 1,0 können neuere Staustrahltriebwerke bereits deutlich über 1.000 s spezifischen Puls erreichen. Das ist in der Spitze etwa das Dreifache von derzeitigen Raketentriebwerken [9].
Der große Unterschied von Minima und Maxima zeigt weiteres Potential auf.
Unterschallstaustrahltriebwerke erreichen teilweise spezifische Pulse, die das Zwei- bis Dreifache von klassischen Raketentriebwerken erreichen. Ramjets können mit Kohlenwasserstoffen gemäß [1] sogar in der Spitze bei ca. Mach 2-3 maximal mit ca. 2000 s umsetzen. Dies entspricht ca. dem Fünffachen des spezifischen Pulses von konventionellen Raketentriebwerken, jedoch jeweils nur in einem schmalen Auslegungsbereich des zugehörigen Triebwerkes.
Ziel ist durch luftatmende Triebwerke den Treibstoffbedarf zu reduzieren. Die mögliche Massenverschiebung kann für eine Erhöhung des Nutzlastanteils verwendet werden.
Figur 2: Einsatzgrenzen luftatmender Triebwerkssysteme
In diesem Diagramm (200) ist gemäß [9] aus dem Jahr 2021 die technische Einsetzbarkeit von luftatmenden Triebwerken abhängig von Höhe (202) und Geschwindigkeit (201) dargestellt. In 2 sind Kohlenwasserstoffe wie Kerosin Grundlage der Darstellung. Auf der horizontalen Achse ist die Geschwindigkeit nach Mach (201) und auf der senkrechten Achse die Höhe in km dargestellt (202).
Da die Dichte der Luft mit zunehmender Höhe tendenziell abnimmt, sind in größeren Höhen zunehmend höhere Geschwindigkeiten erforderlich um luftatmende Triebwerke mit erforderlichem Oxidator versorgen zu können. Durch fortschreitende Entwicklungen werden die Einsatzgrenzen erweitert.
Das Diagramm unterscheidet allgemein nicht nach Turbinentriebwerken, Unterschallstaustahltriebwerken, Ramjets oder Scramjets. (211) stellt die untere Grenze der Einsetzbarkeit und (212) die obere Grenze der Einsetzbarkeit dar. Mit (213) wird die typische Mindestgeschwindigkeit von Ramjets mit ca. Mach 1,5 dargestellt. Darunter ist der Einsatz von Unterschalltriebwerken oder Ramjets mit Starthilfen, bzw. z.B. der zusätzlichen Speisung durch mitgeführten Oxidator möglich. Mit (214) wird eine obere Geschwindigkeitsgrenze für Ramjets mit Kohlenwasserstoffen von ca. Mach 5 angegeben. Darüber hinaus ist ein Betrieb von Dualmode-Ramjets mit Umschalten auf Überschallverbrennung, oder der Einsatz von Scramjets mit ausschließlicher Überschallverbrennung möglich. Die Geschwindigkeitsgrenzen variieren in der Literatur je nach Veröffentlichungsdatum und Brennstoff.
Mit (221) wird die Kennlinie des „Ram Booster“ Konzeptes der NASA (National Aeronautics and Space Administration") mit dem vorgesehenen Einsatz eines Ramjets als Zweitstufe dargestellt (von 3 Stufen). Vorlaufend ist der Betrieb von 18 Turbinentriebwerken in Erststufe und nachlaufend der Betrieb eines Raketentriebwerkes in der dritten Stufe konzipiert. Hierdurch soll der größtmögliche spezifische Puls genutzt werden. Mit (222) ist ein Teil der Kennlinie der Unterstufe einer Falcon 9 dargestellt, die bis ca. 84 km Höhe noch weiter betrieben wird.
Aus der Darstellung geht hervor, dass mit dem typischen Geschwindigkeitsprofil einer Falcon 9 kein wirksamer Einsatz eines typischen Ramjets möglich wäre, da die zulässigen Einsatzgrenzen fast ausschließlich außerhalb der Schnittmenge von (213) und (222) liegen. Auch ist mit (212) und (214) eine Grenze des Betriebes eines Ramjets bis in eine Höhe von maximal ca. 30 km Höhe technisch noch möglich.
Um eine wiederverwendbare Unterstufe mittels luftatmender Triebwerke zu beschleunigen sind daher zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Eine mögliche Maßnahme ist die Erhöhung des Verhältnisses von Schub zu Masse der Rakete um stärker in den dichteren Luftschichten zu beschleunigen und den Luftsauerstoff frühzeitiger und intensiver nutzen zu können. Eine weitere Maßnahme ist die Anströmung der Triebwerke zu erhöhen um partiell die Anströmgeschwindigkeit am Einlauf der Triebwerke zu steigern (Patentanmeldung DE 10 2020 006 254.7, Heber-Konzept). Mit höherer Anströmgeschwindigkeit steigen gemäß 1 auch die spezifischen Pulse der Triebwerke. Zusätzlich kann auch eine Speisung der luftatmenden Triebwerke durch mitgeführten Sauerstoff betrieben werden. Um den größtmöglichen Anteil und Effekt zu erzielen ist ein gespeister Mischbetrieb aus angeströmten Luftsauerstoff und variablem Anteil des eingespeisten Luftsauerstoffes in größeren Höhen sinnvoll.
Anspruchsvoll ist ein erforderlicher Betrieb luftatmender Triebwerke über den maximal möglichen Geschwindigkeitsbereich, bzw. bei großen Höhenunterschieden.
Allgemeine Triebwerkssysteme
Figur 3: Grundform Unterschall-Staustrahltriebwerk Ramjet / Lorin-Staustrahlrohr
In 3 ist die Grundform von Unterschall-Staustrahltriebwerken dargestellt. Diese Triebwerke sind verhältnismäßig einfach aufgebaut. Da sie gegenüber Turbinentriebwerken nur einen Bruchteil des spezifischen Pulses aufweisen, werden Sie lediglich für einfache Flugkörper eingesetzt.
Der Luftmassenstrom (30) gelangt in den Triebwerkskanal (1001). Im Diffusor, bzw. Einlauf (1002) erfolgt eine Verzögerung der Strömung (30). Das Unterschall-Staustrahltriebwerk, bzw. Lorinstrahlrohr leitet den Luftmassenstrom (30) mit geringem Verdichtungsverhältnis ein. Über die Einspritzung (11) wird Treibstoff (8) im Mischbereich (1003) zugegeben. In der Brennkammer (1004) erfolgt im Bereich der Zünder, bzw. Flammenhalter (20) die Verbrennung (25) mit möglichst hohem Ausbrand von Luftmassenstrom (30) und Treibstoff (8). Es sind unterschiedliche Formen und Anordnungen von Zündern, bzw. Flammenhaltern (20) vorhanden, teilweise mehrreihig. Die Entwicklung ist nicht abgeschlossen und gemäß [9] einer der wesentlichen Einflussfaktoren auf den optimalen Ausbrand. Die Verbrennung (25) kann so gestützt auf beruhigte Strömungszonen an Flammenhaltern (20) erfolgen. Alternativ ist eine kontaktlose Zündung z.B. über elektromagnetische Wellen möglich (Patentanmeldung DE 10 2021 001 272.0). Nach der Brennkammer (1004) wird in der Düse (1005) möglichst die thermische Energie der Verbrennung optimal in nutzbaren Schub gewandelt. Dargestellt ist eine konvergierend - divergierende Düsenform (1005).
Für Unterschallstaustrahltriebwerke wird eine maximale Geschwindigkeit von ca. Mach 2 berücksichtigt, da darüber hinaus durch den zunehmenden Brennkammerdruck (thermischen Gegendruck) der Einlauf (1002) „blockiert“ wird. Durch die resultierende Umspülung des Triebwerkskanals (1001) wird das Triebwerk zunehmend ineffektiv. Über Mach 2 hinaus ist ein höheres Verdichtungsverhältnis erforderlich (4).
Figur 4: Grundform Überschall-Staustrahltriebwerk Ramjet
Ab ca. Mach 1,5 können effektiv Ramjets mit komplexerem Einlauf (1002) im Triebwerkskanal (1001) eingesetzt werden. Der Einlauf, bzw. Diffusor (1002) verzögert die Strömung (30) gegenüber Unterschall-Staustrahltriebwerken, bzw. 3 stärker. Die Verbrennung (25) in der Brennkammer (1004) an den Zündern (20) erfolgt auch in Unterschallgeschwindigkeit. Im typischerweise konzentrischen Einlauf (1002) ist ein Zwischenkörper (22) dargestellt. Gemäß [1] weisen die so resultierenden Ringbrennkammern beste Leistungs-Kennwerte auf. Der Einlauf (1002) mit Zwischenkörper (22) schirmt die Brennkammer (1004) stärker vom Einlauf (1002) ab als bei 3. Stromabwärts vom Einlauf (1002) ist der Mischbereich (1003) vorhanden. Im Mischbereich (1003) wird durch die Einspritzung (11) der Brennstoff (8) zugeführt. Vorteilhafterweise nimmt der Strömungsquerschnitt in der Brennkammer (1004) zu. Der resultierende Brennkammerdruck kann sich so auf eine größere Fläche verteilen. An der Düse (1005) ist unter geeigneten Voraussetzungen ein höherer Schub nutzbar als bei 3. Dies verhindert konstruktiv ein vorzeitiges Blockieren des Einlaufes bei höheren Brennkammerdrücken, bzw. Anströmgeschwindigkeiten. Bei sehr hohen Anströmgeschwindigkeiten kann die verlustbehaftete Verzögerung energetisch nachteilig sein gegenüber einer Überschallverbrennung. Diesbezüglich sind Dualmode Ramjets vorteilhaft, die ab einer definierten Geschwindigkeit eine Überschallverbrennung zulassen.
Figur 5: Grundform Dualmode-Ramjet
Gegenüber 4 ist diese Ausführungsvariante auch für Überschallverbrennung geeignet. Dies kann energetisch für höhere Anströmgeschwindigkeiten vorteilhaft sein, da der Luftmassenstrom (30) im Triebwerkskanal (1001) nicht bis in den Unterschall verzögert und dann wieder beschleunigt werden muss.
Hierzu ist eine Ausführungsvariante dargestellt in der der Zwischenkörper (22) stromabwärts eine zulaufende Kontur (24) aufweist.
Figur 6: Kombinationsantrieb (z.B. Raketen-Staustrahltriebwerk)
Gegenüber 4 besitzt diese Ausführungsvariante zusätzlich ein konventionelles Raketentriebwerk (701) im Zwischenkörper (22). Durch die zusätzliche Anströmung der Brennkammer (1004) kann der Brennkammerdruck weiter gesteigert und die Strömungsgeschwindigkeit in der Brennkammer (1004) des luftatmenden Triebwerkes erhöht werden. Wahlweise ist ein Dauerbetrieb des Raketentriebwerkes (701) oder ein variabler Zusatzbetrieb möglich.
Gemäß [1] ist hiermit eine zusätzliche Komplexität verbunden. Durch die Reibung bei der Mischung unterschiedlicher Fluide im Mischbereich (1003) resultiert eine höhere thermische Beanspruchung der Brennkammer (1004) und zusätzliche nachteilige Energieumwandlungen.
Einlaufsysteme
Figur 7: Einlaufsysteme - axialsymmetrisch
Dieses bekannte Einlaufkonzept wird in [1] dargestellt. Durch die konzentrische Form resultieren allgemein strömungsmechanische Vorteile. Im Besonderen können jedoch energetisch nachteilige Stoßsysteme aus Überschalldruckstößen bei höheren Anströmgeschwindigkeiten resultieren.
Der dargestellte Zwischenkörper (22) ist für höhere Anströmgeschwindigkeiten eines möglichst koaxialen Luftmassenstromes (30) typisch. Der Zwischenkörper (22) ragt deutlich über die Vorderkante des übrigen Triebwerkskanales (91) hinaus.
Charakteristisch für diese Einlaufform, bzw. einen einheitlich nachgeschalteten axialsymmetrischen Triebwerkskanal ist die anspruchsvolle Regelbarkeit der Strömungsgeometrie. Wesentlich für die Regelung sind möglichst gleichmäßige und homogene Strömungssituationen im Triebwerk.
Zur Veranschaulichung ist ein Querschnitt mit A-A abgebildet. Mit (92) ist eine aufpressbare Wulst dargestellt (z.B. aus Metall-/ Keramikfasern). Diese kann z.B. mechanisch mittels Hydraulik aufgefahren und eingezogen werden. Durch Querelastizität und Verformbarkeit wird der Ringspalt (93) gleichmäßig erfasst und umgrenzt. Die Strömung, bzw. der Luftmassenstrom (30) im Ringspalt (93) kann so gleichmäßig beeinflusst werden. An der Innenseite des Ringspaltes (93) sind Stellglieder (94) angedeutet. Diese Andeutung mit wechselndem Muster aus Schwarz und Weiß soll jedoch die erforderliche Komplexität für eine derartige Kinematik darstellen. Die Anforderung bei thermischen (Wärmeausdehnung), stofflichen (Verunreinigungen, Verklebungen) und mechanischen Belastungen der Strömung wären enorm. Wesentlich ist daher eine Verschiebbarkeit des Zwischenkörpers (80) längs der Strömungsachse.
Die Freiheitsgrade der Regelung bei konzentrischem Einlauf sind begrenzt und die Anforderungen hoch. Diese Form der Regelung wird mit dieser Patentanmeldung nicht beansprucht. Die 7 dient der technischen Darstellung.
Figur 8: Einlaufsysteme - ebener Einlauf
Dieses bekannte Einlaufkonzept wird in [1] dargestellt. Im Folgenden sind Regelmöglichkeiten ergänzt. Diese Regelungen werden mit dieser Patentschrift nicht beansprucht.
Ebene Körper sind in ebenen Strukturen freier beweglich. Resultierende Freiheitsgrade der Regelungen sind durch die zahlreichen Bewegungspfeile 1050-1054 dargelegt. Zur Vereinfachung sind die Freiheitsgrade einheitlich bezeichnet. Bewegungen in Bezug auf die Einlaufebene sind mit (1051) zusammengefasst. Bewegung mit Auswirkungen auf Rotationen bzw. Umfangsbewegungen z.B. bei Klappen (1066) sind mit (1052) wesentlich. Bewegungen senkrecht zur Strömung werden mit (1053) gesammelt dargestellt. Bewegungen in Strömungsrichtung sind mit (1054) dargestellt.
In der Ausführungsvariante 8 ist ein ebener Einlauf mit zweiteiliger Rampe (1061) abgebildet. Der Luftmassenstrom (30) die Rampe (1061) und die gegenüberliegende Wand (1062) bzw. Lippe sind angenähert an die isometrische Darstellung und in einem Längsschnitt abgebildet (A-A). Der vordere Bereich ist in Längsachse verschiebbar (90) entsprechend 7.
An der Vorderkante ist eine Klappe (1063) angeordnet um eine Absaugung (1064) zu ermöglichen. Zusätzlich ist ein Sperrschieber (1065) dargestellt für erhöhte Regelung des Bypasses, bzw. des Triebwerkskanals (1001). Im Triebwerksstrom (1001) sind Klappen (1066) angeordnet, die den einströmenden Luftmassenstrom (30) teilen, bzw. verlagern können. Zwei Klappen (1066) im Triebwerksstrom (1001) besitzen die Möglichkeit zur Rotation (1052). Eine weitere Klappe (1068) besitzt die Möglichkeit zur Längsverschiebung (1054) und Querverschiebung (1053) im Triebwerksstrom (1001). Ziel ist die variable Erhöhung der Verdichtung im Einlauf des Triebwerksstromes (1001).
Die Wahl der Klappen ist so gewählt um einen ähnlichen Zwischenkörper wie in 4 durch Bewegungen annähern zu können. Es wird ein beweglicher Querschnitt durch Verschiebung der Außenwand (1062) gebildet. Zur Vereinfachung fehlt in 8 eine gesonderte Außengondel.
Um besser regelbare Systeme zu ermöglichen sind daher ebene Formen nach 8 besser geeignet als axialsymmetrische Formen (z.B. 7). Anzumerken ist jedoch, dass auch Kombinationen möglich sind. So kann eine Kombination aus ebenem Einlauf und nachgeschaltetem axialsymmetrischen Triebwerkskanal verwendet werden. Dieser Kompromiss aus regelfreudigem Zuschnitt des Einlaufes und strömungsgünstigen konzentrischen Triebwerkskanal ist z.B. in der Patentschrift US 6786,040 B2 veranschaulicht.
Die Patentschrift US 6786,040 B2 beinhalt entsprechend ein eigenstartfähiges System mit Zusatzeinspeisung eines Oxidators für geringe Startgeschwindigkeiten, bzw. ungünstige Anströmbedingungen. Dem zusätzlichen Widerstand an der Querschnittsveränderung (eben auf rund) stehen strömungstechnische Vorteile im konzentrischen Bereich der Brennkammer gegenüber.
Figur 9: mechanisches Regelsystem - Klappen
Klappen (1702) können den Luftmassenstrom (30) im Triebwerk (1001) beeinflussen. Dieses Prinzip ist nachrichtlich in dieser Figur dargestellt und hierauf wird kein Schutzanspruch erhoben.
Die Darstellung der 18 ist frei aus einer Darstellung zu einer Ejektorschubdüse gemäß [1] abgeleitet. In dieser Darstellung ist ein Strömungsbild dargestellt, dieses kann abhängig von Geschwindigkeit, Dichte und Turbulenz stark variieren und soll lediglich den komplexen Charakter vereinfacht annähern. So kann unter Umständen neben der Kontur auch der absolute Durchsatz und die Strömungsgeschwindigkeit verändert werden. Neben einer teilweisen Beeinflussung des Luftmassenstromes (30), können auch Triebwerksströme vollständig abgeriegelt oder umgeleitet werden. Zudem können Luftmassenströme (30) bzw. Triebwerksströme zusätzlich eingespeist, oder ausgespeist werden. Zudem sind Klappen (1702) geeignet um eine variable Strömung für definierte Zustände einzusteuern, bzw. Querschnitte zu regeln.
Ziele hierbei können sein:

• Begrenzung bei instabiler Verdichterarbeit
• Begrenzung mechanischer Belastungen,
• Begrenzung thermischer Belastungen
• Begrenzung instabiler Verbrennung

Bei M-Zahl-Vergrößerung kann ggf. die Verdichtung im Einlauf erhöht werden. Die M-Zahl-Vergrößerung führt zur höheren Verdichtung des einströmenden Luftmassenstromes (30). Bei höherer M-Zahl kann die Geometrie der kritischen Fläche der Düse erweitert werden. Dies führt zur thermischen und mechanischen Entlastung der Brennkammer bzw. Anpassung im Triebwerkskanal (1001).
Die Abbildung ist aufgeteilt in einen Strömungsabschnitt vor der Klappe (1701), den Bereich der Klappe (1702) mit der Klappe und Verstelleinrichtungen, und den Strömungsabschnitt hinter der Klappe (1703). Die Querschnittsfläche hinter der Klappe (1703) ist verzögert um möglichst einen großen Regelbereich darstellen zu können.
Durch verringerten Querschnitt wird der Luftmassenstrom (30) auf einen zulässigen Maximalwert (1704) beschleunigt. Der Maximalwert (1704) leitet sich aus den zulässigen mechanischen und thermischen Belastungen der Klappe (1702) und des übrigen Triebwerkskanales (1001) ab. In Abhängigkeit des Triebwerkskanales (1001) stromabwärts kann der Luftmassenstrom (30) ggf. wieder expandieren und verlustbehaftet die ursprüngliche Querschnittfläche einnehmen. In einer angenommenen Neutralstellung (1705) erfolgt keine entscheidende Veränderung des Luftmassenstromes (30). Bei der Minimalstellung (1707) der Klappe (1702) kann ggf. auch eine maximale Verzögerung des Luftmassenstromes (30) angestrebt werden.
Zusammengefasst sind Klappen (1702) grundsätzlich und vielseitig für die mechanische Regelung von Triebwerken, möglich insbesondere bei ebenen Konturen. Bei Verwendung von Klappen (1702) resultieren jedoch Nachteile, bzw. technische Grenzen. So sind bewegliche Teile grundsätzlich eine Fehlerquelle, bzw. störanfällig, was die belastete Mechanik und Dichtung betrifft. Außerdem sind Klappen (1702) aufwändig und besitzen komplexe Abhängigkeiten. Zudem ist die Wirksamkeit von Klappen (1702) unter Umständen begrenzt, was die 9 veranschaulichen soll. Stromabwärts (1703) kann z.B. eine erneute Expansion erfolgen. An Klappen können zudem aerodynamische Widerstände entstehen. Häufig wird angeführt, dass das Triebwerksgewicht durch Regelung unverhältnismäßig ansteigen kann und so unweigerliche Leistungseinbußen für Flugkörper, bzw. Triebwerk entstehen. Für Klappen (1702) ist eine entsprechende Hydraulik, Motoren, Steuerung, Lagerung, ggf. Arretierung, ggf. Kühlung, Werkstofffestigkeit, Versorgungssyteme, ggf. Dichtung, Wartung usw. erforderlich. Hieraus resultieren Kosten und Entwicklungsaufwand. In jedem Fall besteht Veranlassung die geometrische Regelung weiter zu entwickeln und nach Möglichkeit zu flexibilisieren. Idealerweise werden bewegte Teile, wie z.B. Klappen (1702) dabei möglichst nicht direkt im Triebwerksstrom verwendet.
Diesbezüglich ist ein anhaltender Trend in der Erstellung ingenieurtechnischer Bauwerke z.B. die Verwendung von Fasern / Netzen / Textilien aus Stahl, Kohlenstoff bzw. Kunststoffen. Möglicherweise liegt hierin auf Grundlage fortschreitender Entwicklung weiteres ernsthaftes Potential für die Regelung in der Luft- und Raumfahrt. Siehe hierzu 14 und Folgende.
Figur 10: mechanisches Regelsystem - Zwischenkörper
Mit dieser nachrichtlichen Figur werden keine Schutzansprüche beansprucht.
Im Vergleich der 3 und 4 ist für Staustrahltriebwerke bei höherer Anströmgeschwindigkeit (z.B. ca. Mach 2) ein verfeinertes Einlaufsystem mit höherer Verdichtung notwendig. Dies wird nach Stand der Technik mit Zwischenkörper (1826) im Einlauf bewältigt.
In dieser Figur ist eine Kinematik für einen aufschwenkbaren Zwischenkörper (1826) eines ebenen Einlaufes dargestellt. Die Ausführungsvariante ist gewählt um bei größtmöglicher Durchlässigkeit in Minimalstellung die Strömungsverluste zu begrenzen.
Es sind verschiedene Klappen abgebildet, die bei entsprechender Verstellung einen Zwischenkörper (1826) bilden können. Dazu sind die Klappen (1821, 1822, 1825) eingefahren dargestellt um den Strömungswiderstand im eingefahrenen Zustand, z.B. bei geringer Anströmgeschwindigkeit des Luftmassenstromes (30) zu begrenzen. Vor den Klappen (1821) ist ein Abweiser (1820) vorhanden um Turbulenzen, thermische/mechanische Belastungen und Durchströmungen zu verhindern. Dies ist einem Unterschallstaustrahltriebwerk nach 3 möglichst angenähert.
Bei höheren Anströmgeschwindigkeiten des Luftmassenstromes (30) schwenken die vorderen Klappen (1821) auf und werden durch Haltemomente, Stellmechanismen usw. fixiert. Die mittleren Klappen (1822) werden anschließend in die Maximalstellung ausgefahren. Diese Klappen (1822) sind so geformt, dass Sie eine angepasste und gewinkelte Luv-Seite besitzen um den Zwischenkörper bestmöglich abzubilden. Die Abschlussklappe (1825) verhindert eine Umströmung, bzw. instabile Bedingungen z.B. bei höheren Brennkammerdrücken. Zur Entlastung gegen Brennkammerdrücke ist die Abschlussklappe (1825) für eine Haltestange oder Haltepunkte (1824) eingekerbt. Vereinfacht ist mit dieser Form eine Minimal- und eine Maximalstellung möglich.
Zusammenfassend veranschaulicht die derartige Ausführungsvariante die Komplexität eines derartigen Systems. Es besteht analog der Ausführungen in 9 Bedarf für eine brauchbarere Lösung. Insbesondere die Trennung der Mechanik vom Luftmassenstrom (30) bzw. dem Triebwerk ist anzustreben. So kann bei maximalen Parametern (z.B. Geschwindigkeit und Temperatur) auf bewegliche Komponenten im Luftmassenstrom (30) verzichtet werden.
Figur 11: mechanisches Regelsystem verschiebbare Brennkammerwände
Gegenüber der Ausführungsvariante in 3 ist ein Unterschallstahltriebwerk mit ebenem Einlauf und verfahrbarem bzw. flexiblen Querschnitt dargestellt. An zwei starren Seitenwänden (1906) ist eine bewegliche Brennkammerwand (1902) veranschaulicht. Die gegenüberliegende Seite der Brennkammer ist in dieser Ausführungsvariante starr (1903). Alternativ ist eine Verschiebbarkeit auch der gegenüberliegenden Brennkammerwand (1903) möglich. Die verschiebbare Brennkammerwand (1902) ist mittels Hydraulik (1904), Umlenkungen (1905) beweglich. In dieser Ausführungsvariante ist die bewegliche Brennkammerwand (1902) ungeteilt entlang des gesamten Triebwerkkanals (1901) mit einem Freiheitsgrad ausgeführt quer zum Luftmassenstrom (30).
Durch die Verengung des Gesamtquerschnittes auf ein Minimum (1911) kann z.B. der anfänglich geringe und langsame Luftmassenstrom (30) mit erhöhter Geschwindigkeit im flexiblen Triebwerkskanal (1901) umgesetzt werden. Bei höherer Geschwindigkeit ist eine Maximierung des Triebwerksquerschnittes (1912) vorteilhaft um z.B. den Einlauf zu entlasten.
Eine separate Kapselung, bzw. Außengondel ist möglich, jedoch nicht dargestellt. Auch wurde entsprechend Anlehnung auf 3 auf einen Zwischenkörper verzichtet.
Zur Vereinfachung sind die Einbauten im Triebwerkskanal (1901) wie z.B. Einspritzung (11) für Brennstoff (8), Flammenhalter (20) für die Verbrennung (25) als starr konzipiert. Alternativ kann ein Teil der Einbauten auch an der beweglichen Brennkammerwand (1902) befestigt werden.
Figur 12: mechanisch-volumetrisches Regelsystem - Einlauf Kissen / Wülste für gleichmäßige Querschnittsverengung
Diese nachrichtliche Darstellung dient nicht der Beanspruchung von Schutzrechten, sondern soll die Möglichkeiten und Komplexitäten veranschaulichen.
In dieser Ausführungsvariante ist eine Kombination von mechanischen Komponenten, wie z.B. hydraulischen Systemen, Lagern usw. und ggf. randständigen Klappen (2012) mit einem flächenhaften Körper dargestellt. Der flächenhafte Körper (2015) kann das Volumen / den Triebwerkskanal (1001) verformen. Ideal ist ein Einsatz bei ebenen Einläufen, bzw. Triebwerkskanälen (1001). Dieses Prinzip wird im Folgenden als volumetrisches System bezeichnet. In dieser Ausführungsvariante ist im Speziellen eine Kombination aus mechanisch-volumetrischer Regelung abgebildet mit vorteilhafter randständiger Ausprägung.
In der Ausführungsvariante sind Matten (2015) aus Fasern eines duktilen Metalls (z.B. Kupfer/Nickel/Stahl) dargestellt. Diese Matten (2015) können auch als geschlossenes Kissen, bzw. Wulst ausgeführt werden. Alternativ ist eine Ausführung mit anderen Stoffen wie z.B. Keramikfasern möglich. Die Biegesteifigkeit der Matte (2015) kann durch Lagen aus Matten und Netzmatten mit unterschiedlichen Laufrichtungen eingestellt werden. Zudem können die Matten (2015) zusätzlich an beweglichen Haltestangen befestigt werden (z.B. beidseitig der Matten).
Durch Biegung und Druck, bzw. „Aufquetschen“ an Pressen / Hydrauliken (2014) wird der Querschnitt für den Luftmassenstrom (30) verengt. Seitlich an der Matte (2015) ist stromaufwärts eine Klappe (2012) und Schrägzylinder (2013) abgebildet. Durch diese Vorrichtung kann die Form und Spannung der Matte (2015) besser angepasst und vergleich mäßigt werden. Um Spannungen zu begrenzen kann ggf. auch in mehreren Teilsegmenten verschoben werden. Zur Kühlung kann ggf. entspannte Druckluft, oder ein angebrachter Kühlkreislauf dienen. Stromabwärts ist mit (2016) eine weitere Hydraulik angebracht um die Dichtigkeit und Form auch bei unterschiedlichen Lasten / Temperaturen zu regulieren. Vor dem Regelsystem ist ein Wandstück (2011) mit einer zulaufenden Kante vorhanden um das System in den Triebwerkskanal (1001) optimal einzupassen. Nach dem System, stromabwärts, ist die Triebwerkswand (2017) analog auch anschlussfähig und abgerundet gestaltet.
Um eine größtmögliche Belastbarkeit bei gleichzeitig bester Flexibilität und geringstem Gewicht zu ermöglichen ist eine Verbundstruktur aus dichtender Lage, kraftleitender Zwischenlage (z.B. Maschen, Waben, Ringen) und ggf. Gegenlage möglich. Ringstrukturen sind beispielsweise bei historischen Kettenhemden als flexible Schutzkleidung bewährt.
Der guten Ordnung halber sind Zwischenkörper (1826), Einspritzung (11), für Brennstoff (8), Flammenhalter bzw. Zünder (20) für die Verbrennung (25) abgebildet.
Figur 13: mechanisch-volumetrisches Regelsystem - Mischbereich Matten / Kissen / Wülste für gleichmäßige Querschnittsverengung
Diese nachrichtliche Darstellung dient nicht der Beanspruchung von Schutzrechten, sondern soll die Möglichkeiten und Komplexitäten veranschaulichen.
Gegenüber 12 ist bei dieser Ausführvariante die Verstelleinrichtung im Mischbereich an der Außenwand des Triebwerkkanals (1001) vorhanden. Alternativ ist eine gegenüberliegende Anordnung am Zwischenkörper (1826) möglich.
Bei entsprechender Kühlung, bzw. kurzer Verwendung ist ein Einsatz auch im Bereich der Brennkammer möglich.
Figur 14: mechanisch-volumetrisches Regelsystem flexible Matte für gleichmäßige Querschnittsverengung
Diese nachrichtliche Darstellung dient nicht der Beanspruchung von Schutzrechten, sondern soll die Möglichkeiten und Komplexitäten veranschaulichen.
Analog zu den vorhergehenden Ausführungsvarianten ist ein ebener Triebwerkskanal (2201) dargestellt. Die Seitenwände sind fest und um den Triebwerkskanal (2201) angeordnet. Eine äußere Außengondel (2210) ist vorhanden.
Gegenüber der 13 ist bei dieser Ausführungsvariante eine flexible Matte (2015) über den gesamten Bereich des flexiblen Triebwerkkanals (2201) vorhanden.
Um Einlauf (2202), Mischbereich (2203), Brennraum (2204), Düse (2205) entsprechend flexibel anzupassen, kann z.B. eine Matte (2015), faserverstärktes Gitter, Panzerketten (Kettenhemd), Metallstreifen usw. verwendet werden.
Die Matte (2015) besitzt zur Abdichtung Lagen mit feineren Fasern und zum Lastabtrag dickere Fasern, oder alternativ hochfeste, feine und flexible Faserstrukturen. Die Matte (2015) wird an Stangen (2211) beidseitig kraftschlüssig fixiert, oder wie in dieser Ausführungsvariante umläuft die Matte (2015) die Haltestangen (2211). Am Ende ist zur Nachspannung eine spezielle Haltestange (2212) in Längsachse des Triebwerkskanals (2201) verschiebbar. Die Stangen (2211, 2212) sind an den festen Seitenwänden des Triebwerkskanals (2201) beweglich angebracht.
In der Ausführungsvariante ist zudem der Zwischenkörper (2226) verschiebbar ausgeführt.
Diese Anordnung ermöglicht an den Flammenhaltern (20) eine optimale Verbrennung (25).
Entlastend für den Wärmehaushalt des Triebwerkes (2201) wirkt die relativ kurze Zeit bis Brennschluss in ca. max. 30 km Flughöhe von max. 90s. Hierbei kann die thermische Trägheit des Materials mitgenutzt werden. Zusätzlich können flexible Hohlfasern, bzw. flexible Metallschläuche mit Kühlflüssigkeit durchspült, oder z.B. Druckluft zwischen Außengondel (2210) und Matte (2015) entspannt werden.
Der Zwischenkörper (2226) ist mit separater verstärkter Nachspannvorrichtung versehen (2221).
Figur 15: volumetrisches Regelsystem - Kissen für gleichmäßige Querschnittsverengung
Härten und Erschwernisse, die gegen einen Einsatz von umfassender Regelung in Triebwerken sprechen sind vor allem:

• die zusätzliche Komplexität,
• das zusätzliche Gewicht,
• Störanfälligkeit.

In dieser Ausführungsvariante wird ein vereinfachtes Regelsystem auf Grundlage von Elementen aufpumpbarer, aufdrückbarer Kissen (idealerweise pneumatisch) dargestellt. Derartige Kissen können leistungsfähig und belastbar ausgeführt werden. Ein aktueller und prägnanter Anwendungsfall ist der Einsatz von Schwerlastkissen untertägig bei der „Wendekaverne“ Bahnprojekt Stuttgart 21. Im Jahr 2020 wurden in dieser „Wendekaverne“ bis zu ca. 1.000t schwere Segmente einer leistungsfähigen Tunnelvortriebsmaschine (Vollschnitt des Tunnelprofiles) untertägig bewegt und auf kleinstem Raum zuverlässig gewendet. Dichtkissen werden auch in anderen ingenieurtechnischen Bereichen verwendet, z.B. für Kanäle usw..
Die Schwerlastkissen (2302) erlauben den Aufbau eines wirksamen Gegendruckes gegen den flexiblen Triebwerkskanal (2301). Hierdurch ist auch die Ableitung von Spannungen, Biegungen usw. zulässig. Idealerweise kann hierdurch auf den Einsatz von weiteren Haltesystemen, Stangen, Gegenstücken usw. verzichtet werden. Dies reduziert Aufwand, Gewicht und Kosten.
Grundsätzlich sind lediglich eine Außengondel (2210) oder Halterungen, Schwerlastkissen (2302), ggf. Verbundstruktur und eine flexible Deckschicht (2303) erforderlich. Seile und Fasern in der flexiblen Deckschicht (2303) erlauben im gespanten Zustand, bzw. Verbund die Ableitung von Zug- und Querkräften. Für lange Brücken im Leichtbau werden beispielsweise Spanseile verwendet. Gegen Steinschlag und Lawinen werden Fanggitter und Netze verwendet.
Die Schwerlastkissen (2302) werden pneumatisch angefahren. Ggf. kann ein mehrlagiger und paralleler Aufbau gewählt werden.
Im Bereich des flexiblen Zwischenkörpers (2326) ist eine flexible Deckschicht (2323) mit hoher Nachspannung verbaut. Dies gewährleistet für geringe Anströmgeschwindigkeiten des Luftmassenstromes (30) eine Minimierung des Zwischenkörpers (2326) mit den enthaltenen Schwerlastkissen (2322). Wahlweise sind die Schwerlastkissen (2302, 2322) ein- oder mehrlagig, bzw. geteilt entlang des Querschnittes vorhanden. Der Zwischenkörper (2326) kann zur Annäherung an eine hocheffektive Ringraumbrennkammer im Querschnitt auch polygonal, z.B. rhombisch erstellt werden.
Ggf. kann auch eine Wölbung, bzw. Ausrundung aus dem ebenen Einlauf angenähert werden.
Die Schwerlastkissen (2302, 2322) werden aus Gewichts- und Leistungsgründen pneumatisch angefahren. Eine hydraulische Version ist möglich, z.B. mittels Pumpen von Flüssigkeiten, ggf. lagerfähigen Brennstoffen (8) (z.B. Kerosin). Dies ist jedoch z.B. für längere Betriebszeiten thermisch nicht brauchbar. Bei Verwendung pneumatischer Kissen (2302, 2322) kann bei Erhöhung des Innendruckes aufgrund der Erwärmung z.B. über Überdruckventile entspannt werden. Das entspannte Arbeitsmittel hat kühlende Wirkung.
Alternativ ist auch eine Kombination von Kissen (z.B. für den Einlauf) und mechanischen Systemen, bzw. festen Abschnitten möglich (z.B. in der Brennkammer).
Figur 16: volumetrisches Regelsystem - Kissen für gleichmäßige Querschnittsverengung - symmetrisch
Gegenüber der Ausführungsvariante der 15 wird in dieser vereinfachten Version des Triebwerkskanals (2401) auf einen Zwischenkörper verzichtet. Im Einlauf (2402) und dem Mischbereich (2403) wird die flexible Matte (2302) ggf. stärker verformt um geeignete Verdichtungen zu erreichen. Zwischen Mischbereich (2403) und Brennkammer (2404) wird stärker geneigt um durch größeren Querschnitt der Brennkammer (2404) den zulässigen Brennkammerdruck zu maximieren. Die Düse (2405) kann ggf. aufgefahren werden um die Brennkammer (2404) thermisch zu entlasten.
Eine adaptive Aufweitung des Triebwerksquerschnittes im Bereich der Brennkammer (2404) kann den Einlauf thermisch zusätzlich entlasten. Ggf. ist alternativ für niedrige Anströmgeschwindigkeiten eine Kombination mit einem Zwischenkörper vorteilhaft. Dies kann z.B. für große Luftmassenströme (30) mit großer Dichte und niedriger Anströmgeschwindigkeit in einer Startphase zur ausreichenden Verbrennung beitragen. Um die thermodynamische Effizienz von Kreisprozessen zu steigern sind hohe Drücke allgemein von Vorteil. Die Verbrennungsdrücke können ggf. mittels Treiber-Konzept bei katalytischer Verbrennung gesteigert werden (Patentanmeldungen DE 10 2021 000 701.8 und DE 10 2021 001 272.0). Auch ist eine kontaktlose Zündung über elektromagnetische Wellen (z.B. Mikrowellen) für die Verringerung der Druckverluste in der Brennkammer wertvoll (Patentanmeldung DE 10 2021 001 272.0). So können Einbauten wie Flammenhalter reduziert werden.
Figur 17: Regelsystem - Grenzschichtabsaugung / Bypass
In dieser Ausführungsvariante ist ein System zur Grenzschichtabsaugung (2510) dargestellt. Die Grenzschicht kann in ungünstigen Situationen, z.B. bei hohen Brennkammerdrücken zur Verblockung des Einlaufes (2502) beitragen. Die resultierende Umspülung des Einlaufes (2502), bzw. Triebwerkkanales (2501) ist mit einem Schubverlust verbunden.
Die Grenzschicht kann zu einem „Energieverlust“, d.h. Energieübergang über die Systemgrenze des Triebwerkes (2501) führen. Um positive Grenzwerte anzustreben. wird die Grenzschicht unmittelbar nach dem Einlauf abgesaugt mittels Klappen (2511) in einen Bypass (2512) geführt. Um Verluste an Brennstoff (8) zu vermeiden wird der Bereich der Absaugung (2511) stromaufwärts vor den Einflussbereich der Brennstoffeinspritzung (11) gelegt. Alternativ kann auch weiter stromaufwärts abgesaugt werden, bzw. durch weiteres Öffnen der Klappen (2511) abgelassen werden. Über den Bypass (2512) ist eine Zuführung (2513) in den Bereich der Düse (2505) vorgesehen. Hier kann eine Nachverbrennung des mit der Grenzschicht abgesaugten anteiligen Luftmassenstromes (30) angestrebt werden. Technisch vorteilhaft ist auch eine Kühlung der Brennkammerwände und am Einschnitt der Düse (2505) bei Dauerbetrieb, bzw. um Aufwand zu sparen. Auch ist die Kinematik in der Düse (2505) beeinflussbar. Um diesen Effekt zu erhöhen kann der Bypass (2512) zwischenzeitlich aufgeweitet erstellt werden. Dieses Prinzip ist nicht grundsätzlich neu und von früheren Turbinentriebwerken, bzw. Vorläufern von Mantelstromtriebwerken abgeleitet.
Die geometrische Beeinflussung der Grenzschicht wird zudem analog zur Beschleunigung der Grenzschichten in Windkanalprüfständen (mit aufragenden Körpern vor Messbereichen) auch mittels Querschnittsverengung (2514) durchgeführt. Im Querschnitt A-A sind die Seitenwände (2515) im Zwickelbereich (2514) zulaufend, bzw. verjüngend dargestellt. Durch die Querschnittsverengung (2514) tritt bei näherungsweise inkompressiblen Medien gemäß Kontinuitätsgleichung eine Beschleunigung auf. Die energetisch entscheidende Grenzschicht wird verringert.
Der guten Ordnung halber ist alternativ zu oben angeführten Möglichkeiten per Makroebene auch eine Beeinflussung der Grenzschicht auf Mikroebene möglich. Hierzu können Riblets (Haifischhaut) oder z.B. Dellen verwendet werden (siehe z.B. Patentschrift DE 696 20 185 T2 ).
Im Weiteren kann die Grenzschicht auch an den Seitenwänden (2515) abgesaugt werden. Bei Einsatz von beweglichen Matten ist dies die Vorzugsvariante. Auch kann ein Spalt mittels Kissen (2302) aufgefahren, bzw. reguliert werden. Hiermit werden technische Vereinfachungen angestrebt.
Figur 18: Bauarten konvergent divergenter Schubdüsen
Diese nachrichtliche Darstellung dient nicht der Beanspruchung von Schutzrechten, sondern soll die Möglichkeiten und Komplexitäten bei konventionellen Systemen veranschaulichen.
In 18 sind nach [1] verschiedene ausgewählte Ausführungsvarianten nachrichtlich gemäß Stand der Technik für veränderliche Düsen dargestellt. Unerwünschte Energieumwandlungen im Triebwerk und kinematische Strahlverluste durch Über-/ Unterexpansion können zu hohen Strahlverlusten führen [2].
Düsen mit axial verschiebbarem Pilz (2600) werden z.B. in der Patentschrift US 2003 0154720 A1 für regelbare Ramjets berücksichtigt. Diese Düsenform stellt eine verhältnismäßig einfache Struktur für die Regelung zur Verfügung. Durch Längsverschiebung der Düse (2605) kann die kritische Fläche (2604) vergrößert oder verkleinert werden. Bei relativ einfacher Gestaltung können relativ gute Kennwerte erreicht werden. Nachteilig ist allgemein die schlechte Kühlung des Zentralkörpers.
Ejektordüsen mit starrer Außenkontur (2610) sind für frühe Turbinentriebwerke üblich. Der Gasdurchsatz (2611) strömt im Inneren der Düse. Der äußerliche Ejektorstrom (2613) kühlt und wird unter Sogwirkung vom Gasdurchsatz mitgerissen. Die Ejektorklappe (2612) wirkt teilweise selbstregelnd. Hierüber ist eine Verstellung der kritischen Fläche möglich. Zur Verbesserung der Kennwerte (z.B. dem Schubkoeffizienten) wurden weitere Düsen entwickelt.
Die Ejektorbauart mit innerer Laval-Düse (2630) besitzt einige zusätzliche Elemente. Für den inneren Gasstrom (2634) ist eine Lavaldüse (2635) verbaut. So kann beispielsweise die äußere aerodynamische Umströmung mit Vorrichtungen (2631) verbessert werden. Klappen (2632) regulieren die kritische Fläche, bzw. die Verteilung von äußerem Ejektorluftstrom (2632) und innerem Gasstrom (2634).
Eine weitere Bauform stellen Laval-Düsen mit zwei Segmentreihen (2640) dar. Die beiden inneren konischen Strömungsabschnitte (2642) und (2643) bestehen aus beweglichen Segmenten. Durch zwei umgebende Gürtel von Hydraulikzylindern (2641) können unterschiedliche Dehnung oder Kontraktionen ausgeübt werden. Hierdurch können die kritische Fläche und die Düsenaustrittsfläche stufenlos eingestellt werden.
Gemäß [10] kann die Ablösezone in Düsen u.a. durch Anpassung des Druckes der Brennkammer mitbeeinflusst werden. Dies wird in der Patentanmeldung DE 10 2021 004 141.0 verfahrensmäßig z.B. durch Verwendung von katalytischer Verbrennung (mit veränderlichen Frachten) beeinflussbar.
Figur 19: gezielt veränderliche Großstrukturen (Makrostrukturen) - eingliedrig
Im Folgenden ist ein angeströmter Körper entlang eines Luftmassenstromes dargestellt.
Der Aufbau besteht aus einer tragenden Struktur (5000) die fest ist. Alternativ kann diese mechanisch beweglich sein. Die tragende Struktur (5000) ist polygonal konzipiert, kann auch einfach eben sein.
Auf der tragenden Struktur (5000) ist eine volumetrische Grundstruktur (5010) als Schwerlastkissen vorhanden. Zwischen der tragenden Struktur (5000) und der Grundstruktur (5010) sind mittig Halterungen (5001) bzw. Fixierungen vorhanden. Die Grundstruktur (5010) wird pneumatisch angefahren. Entsprechende Ventile, Leitungen, Kompressoren, Druckluftquellen, Überdruckventile sind hierzu zugehörig. Die Grundstruktur (5010) kann vorteilhafterweise gegen Belastung, z.B. gegen vorhandenen Strömungsdruck expandieren und ein maximales Volumen (5011) einnehmen. Mittels Wellprofilen und ggf. schützender Stahlumflechtung sind z.B. flexible Wellschläuche Stand der Technik und hydraulisch dicht. Diese lassen einen breiten Temperaturbereich zu. Die Grundstruktur kann mehrlagig (5012) ausgeführt werden um z.B. die mögliche Verformung zu steigern.
Auf der volumetrischen Grundstruktur (5010) befindet sich eine Deckstruktur (5030) mit Gewebe aus Metallfasern. Diese Deckstruktur (5030) ist auf einen maximalen Zustand (5031) ausfahrbar durch Maximierung des Volumens (5011) des Schwerlastkissens.
Zwischen Grundstruktur (5010) und Deckstruktur (5030) befindet sich eine Verbundeinrichtung aus formschlüssiger Verbindung (5025) und kraftschlüssigen Verbindungen (5020). Die formschlüssige Verbindung kann z.B. als Seilklammer an verstärkten Fasern ausgeführt werden. Die verstärkten Fasern haben dazu freie Schlaufen und sind mit der Deckstruktur kraftschlüssig verbunden. Alternativ sind auch andere Formen und mechanische Führungen möglich wie z.B. seitliche Kappen, Schlaufen, elastische Seile an der Grundstruktur (5010). Die kraftschlüssigen Verbindungen lassen eine maximale Bewegung (5021) der Deckstruktur (5031) zu.
An den freien Enden der Deckstruktur (5030, 5031) können ggf. Spannvorrichtungen (z.B. mechanische Spannrollen, Federn) oder Ähnliches vorhanden sein. An den Enden im Querschnitt, bzw. Anschlüssen an festen Bereichen sind auch Überlappungen, bzw. Spannvorrichtungen, ggf. vereinfacht als bewegliche Stahlseile, ausführbar.
Kühlvorrichtungen sind in die Deckstruktur (5030) integrierbar, z.B. in Form flexibler Leitungen wie Wellschläuchen, hohler aufgelegter Fasern gespeist von Kühlkreisläufen usw. Zur Entlastung können diese ggf. an flexiblen Verbindungen geführt werden, bzw. in einzelnen thermisch beanspruchten Abschnitten eingelegt werden. Für den Wärmehaushalt können auch in der Deckschicht (5030, 5031) isolierende Metallfolien verwendet werden. Überdruckventile an der Grundstruktur (5010, 5011) gewährleisten die Einhaltung des zulässigen Betriebsdruckes bei Betrieb, bzw. höherem Energieeintrag (z.B. maximaler Massenstrom / Verdichtung). Gleichzeitig wird eine ungewollte Expansion vermieden.
Figur 20: gezielt veränderliche Großstrukturen (Makrostrukturen) - mehrgliedrig
Gegenüber der Ausführungsvariante in 19 ist die Grundstruktur (5015, 5016) geteilt, bzw. mehrgliedrig. Hierdurch sind zusätzliche Quemeigungen der Deckstruktur (5030, 5031) möglich. Alternativ kann die Teilung auch unsymmetrisch oder zusätzlich gesteigert durch weitere parallele Elemente erfolgen.
Zur Verbesserung der Lage der Deckstruktur (5031) bei maximaler Ausdehnung sind zusätzliche Verbundeinrichtungen (5020, 5021) vorhanden.
Die Deckstruktur (5030, 5031) kann auch seitlich an der volumetrischen Grundstruktur (5010, 5011) überlappen, um z.B. größere Beweglichkeit zu zulassen oder die Grundstruktur weiter abzudecken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4644746 [0001, 0012]
US 6786040 B2 [0001, 0073, 0074]
US 9254925 B2 [0001, 0005]
US 20030154720 [0001, 0129]
US 20100044504 [0001, 0005]
US 20190390601 [0001]
US 20200339242 [0001]
DE 69620185 T2 [0001, 0125]
EP 0839309 B1 [0001]
US 20190390601 A1 [0005]

Claims

Vorrichtung zur Regelung der Geometrie bei Triebwerkssystemen, wie z.B. luftatmenden Triebwerkssystemen, oder Strukturen wie z.B. Großstrukturen Dadurch gekennzeichnet, dass eine mindestens zeitweise volumetrische Grundstruktur aus pneumatisch oder hydraulisch aufpressbaren Körpern oder Kissen mit flexibler Deckstruktur veränderlich in Lage oder Kontur zu einer Strömung oder tragenden Elementen ausgeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 Dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der folgenden Vorrichtungen ergänzt wird: Verbundvorrichtung, Kühlvorrichtung, thermische Isolationsvorrichtung, Spannvorrichtung, Versorgungsvorrichtung.
Vorrichtung nach Anspruch 1 Dadurch gekennzeichnet, dass die Grundstruktur mindestens eines der folgenden Merkmale zur Strömung aufweist: mehrlagig, mehrreihig, mehrgliedrig in Wirkung zum Vektor der Strömung, Freiheitsgrade geometrischer Beziehung zueinander, veränderliche Steifigkeit.
Vorrichtung nach Anspruch 1 Dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bereich entlang der Strömung fest, oder mit mechanischen Einrichtungen veränderlich in Form oder Kontur ausgeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 Dadurch gekennzeichnet, dass die Deckstruktur mindestens eines der folgenden Merkmale aufweist: geteilte Abschnitte, mehrlagig, verschiebbar, dehnbar, Metallfasern enthaltend, Keramikfasern enthaltend, Metallglieder enthaltend, Schichten aus Metall enthaltend, netzartige Strukturen enthaltend, bündelartige Strukturen enthalten, weiche daunenartige Fasern oder Netze enthaltend, steife Fasern enthaltend, thermische Isolierung enthaltend, elektromagnetische Isolierung enthaltend, durchlässige Bereiche für elektromagnetische Wellen enthaltend, flexible Metallprofile enthaltend.
Vorrichtung nach Anspruch 1 Dadurch gekennzeichnet, dass die Deckstruktur mindestens in einem Bereich an- oder auf der festen Struktur liegt oder befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 Dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung durch mindestens eines der folgenden Einrichtungen verändert werden kann: Durchlässe, Bypässe, Absaugungen, Zwischenkörper, Leiteinrichtungen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 Dadurch gekennzeichnet, dass in der veränderlichen Deckstruktur weitere veränderliche Strukturen eingebettet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 5 oder 7 oder 8 Dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlich veränderliche Grenzschicht der Strömung gezielt beeinflusst wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 Dadurch gekennzeichnet, dass im Anschlussbereich zwischen fester Umgebung und veränderlicher Deckstruktur mindestens eines der folgenden Merkmale vorhanden ist: Anschlussringe aus Metallteilen wie z.B. Fasern enthaltend, flexible Keile aus Metallteilen enthaltend, formschlüssige Verbindungen zur Deckschicht enthaltend, reibschlüssige Verbindungen zur Deckschicht enthaltend, geometrische Überlappungen enthaltend, Abdeckungen für die Deckschicht enthaltend, Zwischenräume für Abdeckungen enthaltend