Schub

Dieser Artikel behandelt den luftfahrttechnischen Begriff. Die sowjetische Dokumentarfilmerin steht unter Esfir Schub und die Langform Schublade dort. Für die mechanische Wirkung einer Querkraft siehe unter Schubmodul. Für den krankheitsbezogenen Aspekt siehe Exazerbation.

Schub bezeichnet die Vortriebskraft und dient als Kenngröße für die Leistungsfähigkeit von Strahltriebwerken. Die Einheit ist das Kilonewton (kN). Teilweise wird auch die veraltete Einheit Kilopond benutzt. Speziell im englischsprachigen Raum findet sich häufig die Einheit lbs bzw. lbf als Abkürzung für pounds oder pounds force (Pfund bzw. Pfund Kraftwirkung). Der Schub beschleunigt das Flugzeug und dient der Überwindung des Luftwiderstandes.

Bei Strahlantrieben ist der Schub die bevorzugte Kenngröße, da bei reinen Strahltriebwerken im Unterschied zu Kolbenmotortriebwerken und Propellerturbinen keine direkte Leistungsmessung an einer Antriebswelle möglich ist

Die Triebwerke einer Boeing 747-400 erzeugen je Triebwerk einen Maximalschub von ca. 62.100 lbf bzw. 276 kN während des Starts. Um diese Schubkraft zu erreichen, werden in jedem Triebwerk ca. drei Liter Kerosin pro Sekunde verbrannt. Den Nachweis, dass ein Triebwerk diesen Schub auch tatsächlich erzeugt, wird nach Produktion oder Reparatur auf einem Teststand demonstriert und zertifiziert.

Ein Senkrechtstarter kann nur dann senkrecht abheben, wenn der Schub größer als das Gewicht des Flugzeugs ist. Bei einem 17 Tonnen schweren Hawker Siddeley Harrier z.B. reichen die 200 kN aus seinem Triebwerk aus, um ihn einfach hochzudrücken. Bei Starrflügelflugzeugen muss der Schub nur einen Bruchteil des Eigengewichts betragen. Dieser Bruchteil wird charakterisiert durch die Gleitzahl.

Das zur Zeit (2006) leistungsstärkste zivile Triebwerk ist das General Electric GE90-115B mit 519 kN. Bei Testläufen erreichte es eine max. Schubkraft von 569 kN. Es wird für die Boeing 777-300ER verwendet.

Inhaltsverzeichnis

1 Physikalische Grundlagen für den Schub am Strahltriebwerk
2 Schub und Leistung
- 2.1 Beispiel 1
- 2.2 Beispiel 2

Physikalische Grundlagen für den Schub am Strahltriebwerk

Der Schub entsteht dadurch, dass dem eingesaugten Luftstrahl kinetische Energie zugeführt wird. Wenn der Druckverlust, der durch die Schubdüse entsteht, vernachlässigt werden kann, nennt man die Düse angepasst. Für den Netto-Schub eines Triebwerkes gilt dann:

$F_\mathrm{N} = \dot m_\mathrm{raus}\cdot v_\mathrm{raus}- \dot m_\mathrm{rein} \cdot v_\mathrm{rein}$

F_N - Schubkraft
m_raus - Masse der ausgestoßenen Luft
m_rein - Masse der angesaugten Luft
v_raus - Geschwindigkeit der ausgestoßenen Luft
v_rein - Geschwindigkeit der angesaugten Luft

Da sich durch die Verbrennung des Treibstoffs und die damit verbundene Temperaturerhöhung das Gas ausdehnt und das vergrößerte Volumen durch den verengten Querschnitt der Düse austreten muss, erhöht sich die Geschwindigkeit c des Luftstroms (Genaueres siehe: Strahltriebwerk). Bei Propellermaschinen erfolgt die Luftstrombeschleunigung durch einen angetriebenen Propeller.

Da die Triebwerksgondel einen Luftwiderstand D erzeugt (der Luftwiderstand des Flugzeugs kann vernachlässigt werden), muss dieser vom Nettoschub abgezogen werden. Das bedeutet, dass zwei Flugzeuge unterschiedlichen Schub haben können, obwohl sie mit den gleichen Triebwerken ausgestattet sind (z.B. A350 und Boeing 787). Es gilt also

$F = F N - D$

Da Luft aber dünner wird, je höher man fliegt, nimmt auch der Massenstrom mit zunehmender Höhe ab. Man definiert also einen Triebwerksschub bei ISA-Bedingungen und sagt dann

$F = F_\mathrm{ISA} \cdot \left( \frac{\rho}{\rho_\mathrm{ISA}} \right)^{0{,}85}$

wobei die Luftdichte (ρ - rho) beispielsweise durch die Barometrische Höhenformel abgeschätzt werden kann.

Schub und Leistung

Schub ist eine Kraft. Die Nutzleistung ergibt über die Multiplikation mit der Fortbewegungs-Geschwindigkeit:

$P = F \cdot v$

P – Leistung (Power)
F – Kraft (Force)
v – Geschwindigkeit (velocity)

Eine Düse an einem stehenden Flugzeug (z. B. beim Warten auf die Startfreigabe) bewegt sich nicht, ihre Nutzleistung und damit ihr Wirkungsgrad sind null. Trotzdem ist für jeglichen Schub immer eine Leistung erforderlich. Dieser ergibt sich über die den Luftmassen zugeführten Energien pro Zeiteineinheit, wenn von ruhenden Anfangsluftmassen ausgegangen wird.

$P = \frac \dot m 2 \cdot v^2$

Da in die Schubkraft die Geschwindigkeit nur linear eingeht, kann bei einem größeren Triebwerksquerschnitt und somit größeren Luftmassen mit weniger Leistung mehr Schub erzeugt werden. Dieses erklärt auch den Trend zu Triebwerken mit immer größeren Bypassverhältnissen und größeren Rotoren.

Die Leistung P ist mit der Kraft F und Fortbewegungs-Geschwindigkeit v verknüpft:

$P = F \cdot v$

Der Umrechnungsfaktor v ist also keineswegs konstant. Nur wenn die Geschwindigkeit v gegeben ist, kann Schub in Leistung umgerechnet werden.

Beispiel 1

Bei einer Reisegeschwindigkeit von 950 km/h (≈ 264 m/s) arbeiten die Triebwerke eines Verkehrsflugzeugs mit etwa 30 % des Maximalschubs. Er liegt bei einer Boeing in der Größenordnung von 250 kN. Dann liefert das Triebwerk eine Leistung von etwa

$P = (264\, \mathrm{m}/\mathrm{s} \cdot 250\, \mathrm{kN}) \approx 66\, \mathrm{MW}$

Umgerechnet sind das etwa 90.000 PS.

Beispiel 2

Der Eurofighter bringt unter vollem Einsatz der beiden Nachbrenner etwa 180 kN Schub. Um die Höchstgeschwindigkeit von etwa Mach 2 (etwa 2.300 km/h ≈ 639 m/s) zu erreichen ist Vollschub erforderlich. Dann liefert das Triebwerk eine Leistung von etwa

$P = (639\, \mathrm{m}/\mathrm{s} \cdot 180\, \mathrm{kN}) \approx 115\, \mathrm{MW}$