AK-9

Einführung

Strahltriebwerke verfügen, im Vergleich zu Kolbentriebwerken, über ein außerordentlich gutes Leistungsgewicht und sind auf Grund ihrer geringen Abmessungen einfacher als ein Kolbentriebwerk im Rumpf eines Segelflugzeuges zu integrieren. Ein Segelflugzeug lässt sich deswegen bei geringem Mehrgewicht mit einer Heimkehrhilfe ausstatten, die auch bei hohen Geschwindigkeiten einen guten Wirkungsgrad besitzt und im Falle einer Außenlandung sehr viel einfacher zu bedienen ist, prinzipiell zuverlässiger anspringt und weit weniger Widerstand erzeugt als ein stehender Propeller mit Motor. Ziel des Projektes war es, eine DG 1000 mit einem Strahltriebwerk auszurüsten und dieses Antriebssystem zu optimieren.

Umsetzung

Die Projektidee bestand schon einige Jahre bei der Akaflieg Karlsruhe, allerdings war der Fortschritt in den ersten Jahren aufgrund fehlender finanzieller Mittel eher bescheiden. Aufgrund der großzügigen Unterstützung von Prof. Dr. Wittig und dem Institut für Thermische Strömungsmaschinen machte das Projekt aber ab 2008 starke Fortschritte. Beim Bau der DG-1000 wurde diese bereits mit einem Tank und einem Motorkasten ausgerüstet, um auf den Einbau vorbereitet zu sein. Es wurde eine entsprechende Konstruktion auf Basis des Motorträgers der DG-1000T entwickelt, um die Turbine bei Nichtgebrauch in den Rumpf einfahren zu können. Im Jahre 2010 entschied man sich aufgrund mehrerer Faktoren für ein anderes Triebwerk als das, welches eigentlich für den Einbau vorgesehen war (PBS TJ100). Die Wahl fiel auf ein Triebwerk aus dem Modellbaubereich, Typ „AMT Titan“ mit 400N Schub. Die Firma PSR Jet System, welche Strahltriebwerke als Antriebssystem in Segelflugzeugen etablieren wollte, ergänzte dieses Triebwerk für unsere Zwecke mit der nötigen Hardware, um im Segelflugzeug eingesetzt zu werden. Dies sind in erster Linie eine modifizierte Triebwerkssteuerung und -überwachung inkl. Cockpitinstrument, ein geändertes Kraftstoffsystem und ein Containment, welches im Falle eines Verdichter- oder Turbinenbruchs verhindert, dass Teile das Triebwerksgehäuse verlassen können und somit Schaden am Flugzeug anrichten könnten. Dabei konnte PSR Jet System auf die Hardware und die Erfahrungen der PSR T01 zurückgreifen, welche sich zu diesem Zeitpunkt bereits in der Musterzulassung befand. 2010 wurden die wichtigen Weichen für das Projekt gestellt und die Konzeptions- und Entwicklungsphase beendet. Kurz vor Weihnachten 2010 haben wir dann das System mit Turbine und allen seinen Komponenten aus Holland erhalten. Nun begann man damit, das Triebwerk in die DG-1000 einzubauen, die Elektrik anzupassen und zu erweitern, so dass mit dem Cockpitinstrument das Ausfahren gesteuert werden kann. Des Weiteren wollte man Daten über die Leitwerkstemperatur an 8 Messstellen während des Fluges erhalten, weshalb zu diesem Zweck eine Datenerfassungsanlage mit Anzeige der jeweils höchsten Temperatur im Cockpit entwickelt und installiert wurde. Zeitgleich zum Einbau erfolgten Versuche und Testreihen zur Erlangung der vorläufigen Verkehrszulassung. Auf dem Sommertreffen 2011 erfolgte dann der erfolgreiche Erstflug. Mit dem Handling und der erreichbaren Horizontalgeschwindigkeit konnten wir zufrieden sein, die Steigwerte blieben jedoch hinter den Erwartungen zurück.

Optimierung

Von vorneherein war ein Teilziel des Projektes, das Antriebssystem Turbine im Segelflugzeug für diesen Anwendungsfall zu optimieren. Kleingasturbinen in einsitzigen Segelflugzeugen gab es bereits ein paar, die Effizienz und die Lärmemissionen des Antriebssystems waren definitiv verbesserungswürdig. Grundproblem der Kleingasturbinen ist neben des geringen thermischen Wirkungsgrades (von knapp 18% beim verwendeten Triebwerk) die für die Fluggeschwindigkeit eines Segelflugzeuges ungünstige Austrittsgeschwindigkeit von ca. 500 m/s, welche in einem sehr schlechten Vortriebswirkungsgrad von ungefähr 13% bei 100 km/h resultiert. Der Gesamtwirkungsgrad bewegt sich dadurch in einem Bereich von ca. 2%. Somit war die Herausforderung klar: Reduzierung der Austrittsgeschwindigkeit bei Vergrößerung des Volumenstroms. An dieser Stelle wäre ein kleines Fantriebwerk die eleganteste, aber auch eine sehr komplexe Lösung gewesen, weshalb man sich dazu entschied, die Forschungen in Richtung eines geeigneten Ejektors gehen zu lassen. Ein Ejektor ist ein geeignetes Rohr, in welchem durch Impulsaustausch zugeführte Luft beschleunigt wird, während der Kernstrahl dadurch entschleunigt wird. Gleichzeitig war die Vorgabe, dadurch die Lärmemissionen zu reduzieren. Durch theoretische Vorarbeiten, viele Versuchsreihen auf einem eigens dafür eingerichteten Prüfstand des Instituts für Thermische Strömungsmaschinen und den darauffolgenden Flugversuchen konnte zumindest in Bezug auf den Vortriebswirkungsgrad eine spürbare Verbesserung des Wirkungsgrads und der Flugleistung erzielt und nachgewiesen werden. Der Vortriebswirkungsgrad bei 100 km/h konnte um 10% auf 23% gesteigert werden, was einer Erhöhung der Steigwerte um ca. 0,2 m/s entspricht. Das beste Steigen stellte sich allerdings bei ca. 130 km/h ein. In Bezug auf die Lärmemissionen wurde der Ansatz gewählt, den Ejektor mit einem Metalllaminat („SilentMetal“) auszukleiden, welches rohrförmig koaxial und in einen definierten Abstand zur Ejektoraußenwand liegt. Dadurch sollte der Schall durch das SilentMetal hindurchdringen und sich zwischen diesem und der Ejektoraußenwand totlaufen. Punktuell trug dies letztendlich tatsächlich zu einer Lärmreduktion bei, allerdings war die Länge des Ejektors für die erwartete Gesamtreduktion zu kurz. Insbesondere im Bereich seitlich der Turbine konnte die Lärmemission um 3 dB (SPL) reduziert werden.

Projektabschluss

2021 und 2022 wurden weitere Flugversuche durchgeführt, bei denen sich allerdings zeigte, dass die für eine Einzelstückzulassung notwendigen Lärmvorgaben lediglich mit einer Reduzierung der Leistung einzuhalten waren. Da eine Zulassung mit der aktuellen Turbine nicht möglich war, wurde sich schweren Herzens dazu entschlossen das Triebwerk auszubauen und sich auf das aktuelle Projekt, die AK-X zu konzentrieren.

Technische Daten

Spannweite	18 / 20 m
Flügelfläche	16,72 / 17,51 m²
Flügelstreckung	19,38 / 22,84
Rumpflänge	8,66 m
Leergewicht	465 kg
Max. Fluggewicht	750 kg
Max. Flächenbelastung	44,9 / 42,8 kg/m²
V_NE in ruhiger Luft	270 km/h
Geringstes Sinken (einsitzig)	0,51 m/s
Gleitzahl bei MTOW	45
Turbinenspezifisch:
Bestes Steigen (MSL)	0,8 m/s
Geschwindigkeit des besten Steigens	130 km/h
Maximale Horizontalfluggeschwindigkeit	170 km/h
Systemgewicht Turbine + Peripherie	12 kg
Kraftstoffvorrat	30 l
Reichweite (Sägezahn)	ca. 100 km