FLUG REVUE Juni 1980: Propfan-Konzepte vorgestellt

Sparsam, schnell und leise: das Prop- Fan-Konzept

EINE NEUE ÄRA FÜR DEN PROPELLER?

Die „klassische“ Luftschraube, wie sie Jahrzehnte lang das Erscheinungsbild der Luftfahrt prägte, ist heute im Verkehrs- und Militärbereich vom Strahlantrieb abgelöst worden. Aber es ist nicht so, daß ihre Anwendung künftig auf Kleinund Spezialflugzeuge beschränkt bliebe: Die US-Luft- und Raumfahrtbehörde NASA initiiert auf ihrer Suche nach kraftstoffsparenden Flugzeugantrieben bemerkenswerte fortschrittliche Propeller-Konzepte.

Am 17. Dezember 1903 fand es statt, das Ereignis, das eine Revolution im Transportwesen nach sich zog: Die Gebrüder Wright schafften den ersten Luftsprung mit einem motorgetriebenen Flugzeug. Den Vortrieb bewirkten zwei eher holzlattenähnliche Propeller. Dieses Vortriebsmittel sollte für das nächste halbe Jahrhundert - immer weiter verfeinert - den Luftverkehr beherrschen, bis eine Ablösung durch das strahlgetriebene Düsenflugzeug stattfand.

Ist damit die Anwendung des Propellers nur noch auf Klein- und Spezialflugzeuge beschränkt oder kann er einen Teil seiner alten Domäne zurückerobern?

So schlecht stehen die Chancen nicht, denn ein radikal neues, in der Entwicklung befindliches Propeller-Antriebssystem kann die Antwort auf eine der brennendsten Fragen des Luftverkehrs sein - wie spart man Kraftstoff, ohne die bisher üblichen Leistungen und den Komfort einzuschränken? Ein von der US-Firma Hamilton Standard „Prop-Fan“ genanntes, turbinengetriebenes Schubsystem verspricht die Hochgeschwindigkeitsleistung heutiger turbofangetriebener Transportflugzeuge mit dem anerkanntermaßen niedrigen Kraftstoffverbrauch propellergetriebener Flugzeuge zu kombinieren. Obendrein können wesentliche Lärmpegelabsenkungen erwartet werden.

Aufgrund seiner Eigenschaft, die Lücke zwischen Leistungsvermögen und Wirtschaftlichkeit zu überbrücken, hat das Prop-Fan-Konzept das Interesse der NASA geweckt, die im Auftrag des US-Kongresses nach zukünftigen kraftstoffsparenden Flugzeugantrieben sucht.

Auch wenn sich die Entwicklung noch im Vorstadium befindet, lassen Studien hoffen, daß der Prop-Fan, an das Front-Ende eines modernen Turbowellenmotors gekoppelt, nicht nur die Leistungen bisheriger Unterschallflugzeuge erreicht, sondern gleichzeitig 20 bis 40 % weniger Kraftstoff verbraucht. Mit einem Kraftstoff-Kostenanteil von bis zu einem Drittel der direkten Betriebskosten ist es keine Überraschung, daß der Prop-Fan erhebliches Interesse erregt.

Wie der Name besagt, macht der Prop-Fan Anleihen sowohl beim herkömmlichen Propeller als auch beim Fan eines Düsenmotors. Er versucht, die guten Seiten beider Antriebssysteme in sich zu vereinen: Unähnlich einem konventionellen Propeller, der zwei bis vier lange Propellerblätter hat, besitzt der Prop-Fan 8 bis 10 kurze, breite und extrem dünne, neu profilierte Blätter, die - exotisch gekrümmt und sich gegenseitig überlappend - mehr einem Fan als einem Propeller gleichen. Der Prop-Fan hat in etwa den halben Durchmesser bisheriger Propeller und wiegt auch nur die Hälfte.

Versuche in den fünfziger Jahren wiesen einen guten Wirkungsgrad sehr dünner Propellerblätter bei hohen Geschwindigkeiten nach. Die Herstellung scheiterte jedoch an den nicht vorhandenen Materialien und der Strukturauslegungs-Technologie.

Turbofans sind heute die gebräuchlichsten Antriebsquellen moderner Strahlflugzeuge. Es ist primär eine Gasturbine, die einen oder mehrere große Fan-Stufen an ihrem Front-Ende antreibt. mieser Fan wird benötigt, um Luft zu komprimieren und zu beschleunigen, die durch und um die Gasturbine fließt und so den erwünschten Schub erzeugt. Abweichend vom Prop-Fan ist der Fan ein integraler Bestandteil des Gasturbinenanteils.

Die Idee, die Kraft einer Gasturbine auf einen Propeller zu übertragen, ist nicht neu. In den fünfziger Jahren gab es eine Reihe von Transportflugzeugen, die dieses Prinzip verwandten. Turboprops genannt, sind viele heute noch in Betrieb oder werden sogar noch produziert.

Alle diese Flugzeuge benutzen konventionelle Propeller und weisen einen geringen Kraftstoffverbrauch auf, können aber die Reiseflughöhe und -geschwindigkeiten der Jet-Flugzeuge nicht erreichen. Geschwindigkeit ist aber eine unverzichtbare Forderung der Luftverkehrsgesellschaften: NASA-Studien weisen nach, daß die Mehrzahl der Flugreisenden eine Geschwindigkeitsreduktion ohne kräftige Preisnachlässe nicht akzeptiert. Außerdem bedeutet eine niedrigere Geschwindigkeit eine geringere Produktivität und führt so zu höheren Einheitskosten.

Prop-Fan: gleiche Geschwindigkeit wie heutige Jets

Der Prop-Fan verspricht das Geschwindigkeits-Handikap des konventionellen Propellers zu überwinden, da neue Entwurfskonzepte und Materialien in den letzten Jahren verfügbar geworden sind. Der Prop-Fan kann das Geschwindigkeitsspektrum des herkömmlichen Düsenflugzeuges mit 800 bis 950 km/h erreichen, wobei ein höherer Vortriebswirkungsgrad realisiert werden kann. Da der Kraftstoffverbrauch direkt mit dem Vortriebswirkungsgrad zusammenhängt, wird der Prop-Fan weniger Kraftstoff verbrauchen. Dieser hohe Wirkungsgrad bedeutet aber auch, daß der Prop-Fan die gleiche Vortriebsleistung wie ein Turbofan mit einer kleineren Gasturbine erzielen kann.

Eine Anzahl existierender Gasturbinen könnte zum Antrieb eines Prop-Fan modifiziert werden. Aber: Um die Vorteile zu wahren, wäre die Verwendung einer modernen, fortschrittlichen Gasturbine und die sorgfältige Integration der gesamten Antriebseinheit in ein neues Flugzeug notwendig. Obwohl bereits im Hochgeschwindigkeitsbereich konkurrenzfähig, bietet der Prop-Fan im Niedergeschwindigkeitsbereich noch größere Wirtschaftlichkeit. Das Flugzeug, das voraussichtlich am meisten von diesen Vorzügen profitieren würde, wäre ein mittelgroßes Kurzstreckenflugzeug mit bis zu ungefähr 2000 km Reichweite.

Der Grund dafür ist, daß diese Flugzeuge einen großen Teil ihrer Flugzeit im Steig- oder Sinkflug statt im Reiseflug verbringen, und dies bedeutet oft einen Betrieb bei niedrigen Geschwindigkeiten - just jenen Bereich, in dem der Wirkungsgrad des Prop-Fan am besten ist. Jet-Antriebe andererseits sind auf den Hochgeschwindigkeits-Bereich optimiert und brauchen relativ mehr Kraftstoff, wenn sie gezwungen sind, langsamer zu fliegen. Die Studien der NASA zeigen, daß auf Strecken von ca. 1200 km ein mit Prop-Fan ausgerüstetes 200sitziges Flugzeug mindestens 20% weniger Kraftstoff verbraucht als ein vergleichbares Düsenflugzeug. Auf Strecken unter 1000 km betragen die Einsparungen bis zu 30%. Auf diesen Kurz-/Mittelstrekken ist der Beitrag zur Energieeinsparung am größten, da diese Flüge einen hohen Prozentsatz des insgesamt im Luftverkehr benötigten Kraftstoffes bestreiten.

Vor allem im Landeanflug geringer Lärmpegel

Allerdings ist die Kraftstoffersparnis auf Langstreckenflügen, wo ein Großteil des Flugzeuggewichts vom Kraftstoff bestimmt wird, nicht zu unterschätzen. Leichtere und damit preiswertere Flugzeuge können für diese Mission entworfen werden oder aber das Nutzlast/Reichweitenverhältnis verbessert werden.

Ausführliche Windkanal-Versuche mit Prop-Fan-Modellen von 60 cm Durchmesser haben das Potential und die Durchführbarkeit bisher bestätigt. Zusätzlich weisen Prop-Fan-Flugzeuge einen sehr geringen Lärmpegel auf - speziell im Landeanflug, bei dem aufgrund des langgezogenen, niedrigen Anfluges die Lärmbelästigung relativ groß ist.

Im Vergleich zu entsprechend dimensionierten Jets dürfte der Lärmpegel um 3 bis 10 db niedriger liegen. Die Kabinengeräusche und -vibrationen hofft man, auf dem Niveau heutiger Düsenflugzeuge halten zu können - ein wichtiger Punkt für die Luftverkehrgesellschaften. Natürlich sind noch mehrere Jahre des Testens und der Entwicklung notwendig. Der nächste Schritt dürfte der Bau und die Flugerprobung eines Prototyps sein. Vor 1985 bis 1990 ist nicht mit einer Serienproduktion zu rechnen. Text: Dr. Ing. Klaus Nittinger

Letzte Änderung: 1. Juli 2005

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