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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Staustrahltriebwerk für Über- und
Hyperschallflugzeuge, das dazu bestimmt ist, innerhalb eines großen Geschwindigkeitsbereichs
zu arbeiten, insbesondere zwischen Mach 2 und Mach 8.
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Die
Bauweise eines solchen Staustrahltriebwerks, das im Allgemeinen
Kombinations-Staustrahltriebwerk genannt wird, da es aufgrund der
beiden nacheinander ablaufenden Phasen im Unterschallverbrennungsmodus
und Überschallverbrennungsmodus über einen
erweiterten Funktionsbereich verfügt, wirft zahlreiche Probleme
auf, sowohl was die Definition der aerodynamischen Strömung anbelangt als
die der Ausführung
der Struktur, die diese Strömung
begrenzt.
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Beim
Versuch, diese Probleme zu beseitigen, wurden die unterschiedlichsten
Techniken angewandt. Eine der interessantesten unter ihnen ist die Technik,
die im Dokument US-5 727 382 beschrieben wird.
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Dieses
Dokument beschreibt ein Staustrahltriebwerk mit einem langgestreckten
Staustrahltriebwerkskörper,
der von vier Wänden
gebildet wird, von denen sich jeweils zwei gegenüberliegen, die zwischen sich
Folgendes einschließen:
- – einen
Einlauf für
eine Sauerstoffträger-Strömung,
- – eine
Brennkammer mit variabler Geometrie, die mit mindestens einem Treibstoff-Injektor
versehen ist und in der die Vermischung von Sauerstoffträger und
Treibstoff sowie die Verbrennung dieses Gemisches stattfinden, und
- – eine
Schubdüse,
die die aus der Brennkammer austretenden Gase kanalisiert, wobei
zwei der einander gegenüberliegenden
Wände eben
und zueinander parallel sind.
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Bei
diesem bekannten Staustrahltriebwerk ist eine der beiden anderen
gegenüberliegenden Wände mit
Hilfe von aufeinanderfolgend aneinander angelenkten Platten ausgeführt, wodurch
sie verformbar ist. Ein Stellantriebssystem erlaubt es, die Aufstellung
der verformbaren Wand sicherzustellen und ihre je nach den Flugbedingungen
gewünschte Geometrie
beizubehalten. Der Vorteil solch einer gesteuerten verformbaren
Wand besteht in der Fähigkeit,
den Querschnittsverlauf der Brennkammer über ihre gesamte Länge exakt
an die jeweiligen Flugbedingungen anzupassen, und in der Möglichkeit,
eine Düsenverengung
einzusetzen, die an die Verbrennung im Unterschallmodus angepasst
ist. Die praktische Ausführung
solch eines Staustrahltriebwerks ist dagegen komplex und kostenaufwändig, insbesondere aufgrund
der Scharniere zwischen den beweglichen Platten. Um eine zufriedenstellende
Unterschall-Brennkammer anbringen zu können, muss dieses Staustrahltriebwerk
außerdem
eine etwas zu lange Überschall-Brennkammer
aufweisen, die die Leistungen des Staustrahltriebwerks bei hoher
Geschwindigkeit etwas begrenzt und seine Kühlung erschwert.
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Außerdem beschreibt
das Dokument GB-2 222 635 ein Staustrahltriebwerk für Über- und
Hyperschallflugzeuge mit einem langgestreckten Körper bestehend aus:
- – zwei
ebenen und zueinander parallelen Seitenwänden;
- – einer
unbeweglichen oberen Wand, die einstückig mit den Seitenwänden ausgebildet
ist und im Profil die allgemeine starre Form eines zu einem stumpfen
Winkel geöffneten
V aufweist, so dass die obere Wand eine vordere Flanke und eine
hintere Flanke aufweist, die schräg zueinander stehen und durch
eine Kante miteinander verbunden sind, die zumindest annähernd orthogonal
zu den Seitenwänden
ist; und
- – einer
unteren Wand, die als Ganzes beweglich zwischen den Seitenwänden angebracht
ist, um sich durch Verschiebung verstellen zu lassen, wobei die
untere Wand ebenfalls im Profil die allgemeine starre Form eines
V aufweist, das jedoch in entgegengesetzter Richtung zu einem stumpfen Winkel
geöffnet
ist wie die obere Wand, und wobei die untere Wand somit eine vordere
Flanke und eine hintere Flanke aufweist, die schräg zueinander
stehen und durch eine Kante miteinander verbunden sind, die zumindest
annähernd
orthogonal zu den Seitenwänden
ist, wobei die vordere Flanke der unteren Wand Folgendes aufweist:
- • mindestens
eine erste Fläche,
deren allgemeine Richtung zumindest im Wesentlichen parallel zur hinteren
Flanke der oberen Wand ist; und
- • mindestens
eine zweite Fläche,
die längs
einer Verbindungslinie, die zumindest annähernd orthogonal zu den Seitenwänden ist,
einstückig
mit der ersten Fläche
verbunden ist, wobei die zweite Fläche schräg zur ersten Fläche steht,
so dass die Einheit aus der ersten Fläche und der zweiten Fläche in Bezug
zur oberen Wand konkav ist;
wobei die Wände des
Körpers
zwischen sich Folgendes einschließen: - – einen
Einlauf für
eine Sauerstoffträger-Strömung, wobei
der Einlauf für
den Sauerstoffträger zwischen
der vorderen Flanke der oberen Wand und dem entsprechenden Teil
der zweiten Fläche der
vorderen Flanke der unteren Wand ausgebildet ist;
- – eine
Brennkammer, die mit mindestens einem Treibstoff-Injektor versehen
ist und in der die Vermischung von Sauerstoffträger und Treibstoff sowie die
Verbrennung dieses Gemisches stattfinden, und
- – eine
Schubdüse,
die die aus der Brennkammer austretenden Gase kanalisiert und zwischen
der hinteren Flanke der oberen Wand und der hinteren Flanke der
unteren Wand ausgebildet ist.
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In
diesem zuletzt genannten Dokument dient die untere, verschiebbare
Wand als Diffusor für
die Stoßwellen.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist solch ein Staustrahltriebwerk
mit einer unteren, verschiebbaren Wand, die es erlaubt, eine Brennkammer
zu erhalten, die sowohl bei Verbrennung im Unterschallmodus als
auch bei Verbrennung im Überschallmodus optimal
funktioniert.
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Zu
diesem Zweck zeichnet sich das Staustrahltriebwerk mit einer unteren,
verschiebbaren Wand des vorstehend genannten Typs durch Folgendes
aus:
- – der
Treibstoff-Injektor ist in der Nähe
der Kante der oberen Wand angeordnet;
- – die
erste Fläche
der vorderen Flanke der unteren Wand ist gegenüber der hinteren Flanke der oberen
Wand angeordnet;
- – die
Kante der oberen Wand befindet sich gegenüber der zweiten Fläche der
unteren Wand, während
sich die Verbindungslinie zwischen der ersten und der zweiten Fläche gegenüber der
hinteren Flanke der oberen Wand befindet, so dass die zweite Fläche gegenüber dem
Treibstoff-Injektor angeordnet ist, wobei sich ein Teil gegenüber der hinteren
Flanke der oberen Wand und ein Teil gegenüber der vorderen Flanke der
oberen Wand befindet;
- – die
Brennkammer ist zwischen der hinteren Flanke der oberen Wand einerseits
und der ersten Fläche
und dem entsprechenden Teil der zweiten Fläche der unteren Wand andererseits
ausgebildet; und
- – durch
das Verschieben der unteren Wand nähert sich die Verbindungslinie
zwischen der ersten und der zweiten Fläche dem Treibstoff-Injektor,
so dass sich die Geometrie des Einlaufs für den Sauerstoffträger und
der Brennkammer progressiv ändert,
wobei die Geometrie progressiv von einem ersten Zustand, in dem
bei einer Mach-Zahl zwischen 1,5 und 3 der Einlauf für den Sauerstoffträger den
Querschnitt der Sauerstoffträger- Strömung nur
geringfügig
verkleinert und die Brennkammer lang und divergent ist, in einen
zweiten Zustand übergeht,
in dem der Einlauf für
den Sauerstoffträger
bei einer Mach-Zahl zwischen 8 und 12 den Querschnitt der Sauerstoffträger-Strömung stark
verkleinert und die Brennkammer kurz ist und einen gleichbleibenden
Querschnitt aufweist.
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Dank
der vorliegenden Erfindung erhält
man also durch eine einfache Verschiebung (linear oder bogenförmig) einer
der Wände
des Staustrahltriebwerks eine progressive Änderung des Querschnitts der
Brennkammer und der Geometrie des Einlaufs für den Sauerstoffträger und
der Schubdüse,
was es erlaubt, das Staustrahltriebwerk an die Flugbedingungen des
Flugzeugs anzupassen, um die maximale Leistung des Flugzeugs sowohl
in Bezug auf die Schubkraft als auch den spezifischen Impuls zu
erhalten. Dazu sind die beiden Wände
des Staustrahltriebwerks, die nicht eben und zueinander parallel sind,
profiliert, so dass die Verschiebung dazu führt, dass in Bezug auf den
Querschnitt sehr unterschiedliche Gesetzmäßigkeiten zur Anwendung kommen: ein
Einlauf für
den Sauerstoffträger
(Luft) mit einem kleinen Verengungsgrad verbunden mit einer langen und
divergenten Brennkammer mit einer Düsenverengung für schwache
Mach-Zahlen, und ein Lufteinlass mit einem großen Verengungsgrad verbunden mit
einer kürzeren
Brennkammer mit gleichbleibendem Querschnitt für hohe Mach-Zahlen.
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Die
Ausführung
der vorliegenden Erfindung erlaubt es also, die Wand mit variabler
Geometrie des Staustrahltriebwerks aus dem Dokument US-5 727 382
zu umgehen, das die Nachteile aufweist, dass die angelenkten Platten
Scharniere aufweisen, dass diese Platten mehrere Stellglieder haben,
usw. Bei dem Staustrahltriebwerk der Erfindung hingegen wird nur
ein einziger Stellantrieb benötigt,
um die Verschiebung auszuführen.
Außerdem
ist es akzeptabel, wenn die verschiebbare Wand nicht perfekt mit
den ebenen und parallelen Wänden
abdichtet.
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Vorzugsweise
ist die zweite bewegliche Wand kürzer
als die erste obere Wand. Außerdem hat
die Kante der ersten Wand die Form einer gebrochenen Kante, um mit
der zweiten Fläche
einen deutlich verengten Einlauf (minimaler Querschnitt) für die Sauerstoffträger-Strömung zu
bilden.
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Aus
den Figuren der Zeichnungen im Anhang ist ersichtlich, wie die Erfindung
ausgeführt
sein kann. Ähnliche
Elemente sind in diesen Figuren mit gleichen Bezugszeichen beschriftet.
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1 zeigt
in schematischer perspektivischer Ansicht einen Ausschnitt eines
Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Staustrahltriebwerks.
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2 ist
ein schematischer Querschnitt entlang der Linie II-II von 1.
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3 ist
ein Ausschnitt in schematischer Seitenansicht entlang der Linie
III-III von 2.
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4 ist
ein Diagramm, das als schematischer Längsschnitt die Hauptbauteile
des erfindungsgemäßen Staustrahltriebwerks
veranschaulicht.
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5 und 6 veranschaulichen
die relativen Positionen der Hauptbauteile des Staustrahltriebwerks
von seiner Vorderseite beziehungsweise von seiner Rückseite
bei Betrieb mit Mach 3.
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7 und 8 entsprechen
der 5 beziehungsweise 6 bei einem
Betrieb des Staustrahltriebwerks mit Mach 6.
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9 und 10 entsprechen
der 5 beziehungsweise 6 bei einem
Betrieb des Staustrahltriebwerks mit Mach 8.
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11 ist
ein Diagramm, das ein höhenbezogenes
Beispiel einer Flugbahn in Abhängigkeit
von der Flugmachzahl für
das erfindungsgemäße Staustrahltriebwerk
zeigt.
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12 ist
ein Diagramm, das den spezifischen Impuls in Abhängigkeit von der Flugmachzahl für das Staustrahltriebwerk
angibt.
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Das
erfindungsgemäße Staustrahltriebwerk für Luftfahrzeuge,
das in den 1 bis 4 dargestellt
ist, weist einen langgezogenen Staustrahltriebwerkskörper 1 auf,
der von vier Wänden 2 bis 5 gebildet
wird, von denen sich jeweils zwei gegenüberliegen. Die beiden sich
gegenüberliegenden
Seitenwände 2 und 3 sind
eben und zueinander parallel.
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Die
obere Wand 4 ist einstückig
mit den beiden Seitenwänden 2 und 3 ausgebildet
und hat im Profil die allgemeine, unveränderliche Form eines zu einem
stumpfen Winkel geöffneten
V. Sie weist eine vordere Flanke 6 und eine hintere Flanke 7 auf,
die schräg
zueinander stehen und durch eine gebrochene Kante 8 miteinander
verbunden sind. Wie in den Figuren veranschaulicht können die
vordere Flanke 6 und die hintere Flanke 7 in der
Praxis jeweils leicht zueinander schräg stehende Flächenelemente
aufweisen.
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In
der Nähe
der Kante 8 sind Treibstoff-Injektoren 9 angeordnet.
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Die
untere Wand 5, deren Länge λ kleiner
ist als die Länge
L der oberen Wand 4, hat ebenfalls die allgemeine, unveränderliche
Form eines zu einem stumpfen Winkel geöffneten V. Sie ist umgekehrt
geformt wie die obere Wand 4. Sie weist eine vordere Flanke 11 und
eine hintere Flanke 12 auf, die schräg zueinander stehen und durch
eine Kante 13 miteinander verbunden sind.
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Die
vordere Flanke 11 der unteren Wand 5 weist eine
erste Fläche 11A auf,
deren allgemeine Richtung zumindest im Wesentlichen parallel zur
hinteren Flanke 7 der oberen Wand 4 ist und die
gegenüber
dieser zuletzt genannten Flanke 7 angeordnet ist. Des Weiteren
weist die Flanke 11 eine zweite Fläche 11B auf, die einstückig mit
der ersten Fläche 11A längs einer
orthogonal zu den Seitenwänden 2 und 3 verlaufenden
Verbindungslinie 14 verbunden ist. Die zweite Fläche 11B steht
schräg
zur ersten Fläche 11A und
bildet dadurch gegenüber
der oberen Wand 4 eine Konkavität.
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In 4 (gezeichnet
in einem Bezugssystem mit den rechtwinkligen Achsen ox, oy und oz,
das in 1 definiert wird und in dem die Achsen ox und oz
parallel zur Länge
beziehungsweise zur Höhe
des Staustrahltriebwerks sind), ist deutlich zu erkennen, dass:
- – die
Kante 8 der oberen Wand 4 gegenüber der zweiten
Fläche 11B der
unteren Wand 5 angeordnet ist;
- – die
Verbindungslinie 14 und die Kante 13 der unteren
Wand 5 gegenüber
der hinteren Flanke 7 der oberen Wand 4 angeordnet
sind;
- – sich
die erste Fläche 11A der
unteren Wand 5 vollständig
gegenüber
der hinteren Flanke 7 der oberen Wand 4 befindet;
und
- – sich
die zweite Fläche 11B der
unteren Wand 5 gegenüber
den Injektoren 9 befindet, wobei der vordere Teil der zweiten
Fläche 11B gegenüber der
vorderen Flanke 6 der oberen Wand 4 ist, während sich
die hintere Wand dieser Fläche 11B gegenüber der
hinteren Flanke 7 der oberen Wand 4 befindet.
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Im
Staustrahltriebwerk der 1 bis 4 ist also:
- – die
Brennkammer 15 zwischen der hinteren Flanke 7 der
oberen Wand 4 einerseits und der ersten Fläche 11A und
dem Teil der zweiten Fläche 11B der
unteren Wand 5, gegenüber
der hinteren Flanke 7 andererseits ausgebildet;
- – der
Einlauf 16 für
den Sauerstoffträger
(Luft) zwischen der vorderen Flanke 6 der oberen Wand 4 und
dem Teil der zweiten Fläche 11B der
unteren Wand 5, gegenüber
der vorderen Flanke 6 ausgebildet; und
- – die
Schubdüse 17 zwischen
der hinteren Flanke 7 der oberen Wand 4 und der
hinteren Flanke 12 der unteren Wand 5 ausgebildet.
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Außerdem ist
die untere Wand 5 des Staustrahltriebwerks 2 als
Ganzes beweglich zwischen den Seitenwänden 2 und 3 angebracht,
so dass sie sich in Längsrichtung
verschieben lässt.
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In 1,
die nur eine schematische Darstellung ist, ist Folgendes dargestellt:
- – Gleit-
und Führungsmittel
in Form von externen Zylindern 18, 19 und Achsen 20, 21,
die in Rampen 22 gleiten, die in den Seitenwänden 2 und 3 ausgeschnitten
sind. Dadurch können
die Zylinder 18, 19 gegen die Achsen 20, 21 drücken, die
in den Rampen 22 gleiten und somit die untere Wand 5 in
Bezug zur oberen Wand 4 und den Seitenwänden 2 und 3 verstellen.
Natürlich
sind derartige Gleit- und Führungsmittel
nur schematisch und könnten
vorteilhafterweise durch Antriebsmittel ersetzt werden, die sich
zumindest teilweise im Inneren der unteren Wand 5 befinden;
- – die
in 3 in Volllinie dargestellte Rampe 22 ist geradlinig,
aber sie könnte
natürlich
auch bogenförmig
sein, wie dies durch die gepunktete Linie veranschaulicht wird;
und
- – weder
die Verbindungsstellen zwischen der unteren Wand 5 und
den Seitenwänden 2 und 3 noch
das Dichtsystem in Höhe
der Rampe 22 sind hier dargestellt.
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Unabhängig von
der praktischen Ausführungsweise
der Gleit- und Führungsmittel
ist leicht zu erkennen, dass sie das Verstellen der unteren Wand 5 erlauben,
um die Verbindungslinie 14 progressiv durch Verschieben
den Injektoren 9 anzunähern
und somit progressiv die Geometrie des Einlaufs 16 für den Sauerstoffträger und
der Brennkammer 15 zu ändern.
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In 4 hat
man drei aufeinanderfolgende Positionen der unteren Wand 5 in
Bezug zu den anderen Wänden 2, 3 und 4 skizziert,
wobei diese aufeinanderfolgenden Positionen mit den Bezugszeichen
I, II beziehungsweise III bezeichnet sind und beispielsweise jeweils
unterschiedlichen Werten von Flugmachzahlen Mf entsprechen.
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In
Position I, die in den 5 und 6 detaillierter
abgebildet ist (wobei die 5 im doppelten Maßstab von 6 ist)
und einer relativ niedrigen Flugmachzahl Mf gleich 3 entspricht,
kann man sehen (5), dass der Einlauf 16 für den Sauerstoffträger relativ
schwach konvergent ist und die Sauerstoffträger-Strömung nur eine geringfügige Verengung
erfährt,
während
die Brennkammer 15 (6) in diesem
Fall lang und divergent ist.
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In
Position II (siehe 7 und 8, wobei die 7 im
doppelten Maßstab
von 8 ist), die einer mittelgroßen Flugmachzahl Mf von 6 entspricht, kann
man sehen, dass der Einlauf 16 für den Sauerstoffträger im Vergleich
zu Position I stärker
konvergent ist und die Sauerstoffträger-Strömung (7) stärker verengt,
während
die Brennkammer 15 (6) nicht
so lang und nicht so divergent ist.
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In
Position III schließlich
(siehe 9 und 10, wobei die 9 im
doppelten Maßstab
von 10 ist), die einer hohen Flugmachzahl Mf gleich 8
entspricht, ist der Einlauf für
den Sauerstoffträger stark
konvergent und unterwirft die Sauerstoffträger-Strömung einer starken Verengung,
während
die Brennkammer kurz ist und auf ihrer gesamten Länge einen
gleichbleibenden Querschnitt aufweist.
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Es
ist also ersichtlich, dass man dank der vorliegenden Erfindung die
Geometrie des Einlaufs 16 für den Sauerstoffträger und
der Brennkammer 15 progressiv in dem Maße ändern kann, wie man den Wert
der Flugmachzahl Mf erhöht,
um die Geometrie progressiv von einem ersten Zustand, der sich für eine niedrige
Flugmachzahl im Überschallmodus (Mach
1,5 bis 3) eignet und in dem der Einlauf für den Sauerstoffträger die
Sauerstoffträger-Strömung nur geringfügig verengt
und die Brennkammer lang und divergent ist, in einen zweiten Zustand übergehen
zu lassen, der sich für
eine hohe Flugmachzahl im Überschallmodus
(Mach 8 bis 12) eignet und in dem der Einlauf für den Sauerstoffträger die
Sauerstoffträger-Strömung stark
verengt und die Brennkammer kurz, mit einem gleichbleibenden Querschnitt
ist.
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Die
Kurve 23 von 11 zeigt eine Variante der Höhe H (in
km) des Staustrahltriebwerks in Abhängigkeit von der Flugmachzahl
Mf. Auf dieser Kurve 23 sind die Betriebspunkte angegeben,
die den vorstehend beschriebenen Zuständen I, II und III entsprechen.
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Gleichermaßen hat
man auf der Kurve 24 von 12, die
eine Variante des spezifischen Impulses Isp (in m/s) in Abhängigkeit
von der Flugmachzahl Mf veranschaulicht, die Punkte gesetzt, die den
Zuständen
I, II und III entsprechen.