LUchtvaart Nationaal Antwerpen Kempen
LUNAK
VLIEGTUIGMOTOREN - DEEL 6
In deel 5 beschreven we de turboprop en turboshaft.
Hierna beschrijven we de straalaandrijving en andere varianten hierop.
Straalaandrijving - specifieke varianten
Zoals we reeds eerder beschreven zijn straalmotoren tegenwoordig een dagdagelijkse realiteit in de commerciële en militaire luchtvaart. Behalve de eerder aangehaalde turbojets en turbofans bestaan er echter nog enkele andere vormen van straalaandrijving, al dan niet van experimentele aard. Wat hieronder volgt is een beknopte beschrijving van 3 dergelijke aandrijvingssystemen.
Raketmotor
Als we het over “raketten” of “raketmotoren” hebben denken we spontaan aan de verovering van de ruimte, hetgeen evenwel slechts ten dele correct is. Laat ons daarom beginnen met de 2 begrippen te definiëren. Een “raket” is een willekeurig voertuig dat zich voortbeweegt door middel van een motor die geen omgevingslucht gebruikt. Een “raketmotor” is het aandrijvingsmechanisme, dat stuwkracht voor de raket levert door de krachtige uitstroom van gassen, opgewekt door bv. de reactie of verbranding van 2 stoffen die allebei in de raket aanwezig zijn. Een raketmotor gebruikt dus geen omgevingslucht zodat hij in het luchtledige van de ruimte kan werken. Over het algemeen bevat een raketmotor slechts een minimum aan bewegende delen waardoor hij uiterst eenvoudig van constructie is, weliswaar gebruikmakend van speciale (dure) materialen die aan hoge temperaturen en drukken moeten kunnen weerstaan.
De eerste raketten, gebruikt als wapen (vuurpijl), worden in het China van de 13e eeuw gesitueerd. Hierop gebaseerde technologie is nog steeds van toepassing, denken we maar aan het rond de jaarwisseling zo populaire vuurwerk. Ook binnen de luchtvaart zijn raketmotoren, weliswaar van iets meer gesofisticeerde aard, nog steeds actueel, getuige het grote aanbod aan lucht-lucht of lucht-grond raketten (missiles). In enkele gevallen werden of worden vliegtuigen van raketmotoren voorzien.
Fritz von Opel, kleinzoon van autobouwer Adam Opel, geraakte na de 1e Wereldoorlog in de ban van raketaandrijving, o.a. voor het vestigen van snelheidsrecords met (aangepaste) racewagens. Hiertoe werkte hij samen met raketmotor-pionier Friedrich Sander. In april 1928 bewezen succesvolle demonstraties met de Opel RAK.1, een omgebouwde Opel racewagen, dat het concept goed zat en reeds in mei 1928 werd een snelheidsrecord gevestigd met de gelijkaardige Opel RAK.2. Eveneens in 1928 kocht von Opel de door Alexander Lippisch ontworpen Ente, een zweefvliegtuig van het “canard” type (kleine voorvleugel en grote hoofdvleugel achteraan). Piloot Fritz Stamer maakte 2 vluchten met het tot Raketen-Ente omgedoopte toestel dat inmiddels over 2 Sander raketmotoren beschikte. Tijdens de 2e vlucht ontplofte echter één van de raketmotoren waarbij het vliegtuig onherroepelijk verloren ging. Fritz von Opel contacteerde prompt Julius Hatry, een zweefvliegpiloot die tevens enige ervaring had in het ontwerpen van zweefvliegtuigen. Hatry ontwierp een op de toenmalige zweefvliegtuigtechnologie gebaseerd vliegtuig met een eenvoudige rechte vleugel met daaronder de cabine voor de piloot en de 16 Sander raketmotoren. De staartvlakken werden door een open draagstructuur met romp en vleugel verbonden. De eerste publieke vlucht vond plaats op 30 september 1929, waarbij een snelheid van ongeveer 150 km/u werd gehaald. Hiermee werd deze Opel-Hatry RAK.1 (soms ook Opel-Sander RAK.1 of Opel RAK.3 genoemd) het eerste bemande raketvliegtuig ooit.
Hoewel de raketexploten van Fritz von Opel niet veel meer waren dan een op zich staand experiment wekte de gebruikte technologie toch de nodige interesse op. Zo testte Junkers in augustus 1929 een Junkers Ju33 drijvervliegtuig dat uitgerust was met een aantal raketmotoren als starthulp. Gelijkaardige experimenten vonden ook in andere landen plaats in de aanloop naar de 2e Wereldoorlog maar het was vooral vanaf circa 1940 dat deze starthulp meer en meer toepassing vond. Het systeem werd bekend onder de benamingen JATO (Jet-Assisted Take-Off), RATO (Rocket-Assisted Take-Off) en RATOG (Rocket-Assisted Take Off Gear, de term zoals gebruikt door de RAF).
Het gebruik van een starthulp was inderdaad een efficiënte methode om zwaarbeladen vliegtuigen vanaf korte startbanen in de lucht te krijgen. Een typische toepassing was bijvoorbeeld de grote transportzwever Messerschmitt Me321 die via JATO over een essentiële ondersteuning beschikte voor de onvoldoende krachtige sleepvliegtuigen (gewoonlijk 3 Messerschmitt Bf110). Ook de Arado Ar234B (een bommenwerpervariant van de Ar234 verkenner) wiens Junkers Jumo 004 turbojets bij het opstijgen van een met bommen beladen toestel enige ondersteuning konden gebruiken werd van een starthulp middels 2 raketmotoren voorzien.
JATO werd zelfs heel populair na de 2e Wereldoorlog, vooral dan bij zwaarbeladen bommenwerpers (bv. Boeing B-47 of B-52) of transportvliegtuigen (o.a. Lockheed C-130 Hercules onder bepaalde omstandigheden). De huidige generatie vliegtuigmotoren (turbofans en turboprops) is meestal dermate krachtig dat het gebruik van JATO nog slechts uitzonderlijk wordt toegepast.
Minder bekend is het feit dat ook enkele passagiersvliegtuigen soms met een JATO-systeem konden uitgerust worden. Zo gebruikte Ethiopian Airlines JATO-bottles, gemonteerd onder de vleugels van haar Convair CV-240’s bij starts vanaf het oude (hooggelegen) vliegveld van Addis Abeba (periode 1950-1952). Ook de De Havilland Comet I en de Boeing 727 waren voorzien op het gebruik van JATO. De Comet voerde een 30-tal succesvolle testvluchten uit met JATO-ondersteuning maar tot een operationeel gebruik ervan kwam het niet. De Boeing 727 kon optioneel met voorzieningen voor JATO geleverd worden, waarbij het JATO systeem slechts bedoeld was als starthulp onder “hot and high conditions” (hoge omgevingstemperaturen en/of vertrek vanaf hooggelegen vliegvelden) op het moment dat één van de 3 straalmotoren het tijdens de start zou begeven. Of het systeem daadwerkelijk gebruikt werd is niet duidelijk.
Het hoogtepunt van JATO technologie, weliswaar beperkt tot experimenteel gebruik zonder verdere operationele inzet, waren extra grote raketmotoren die toegepast werden bij het zogenaamde Zero Length Launch System (ook ZELL, ZLL, ZLTO of ZEL genaamd). Bij deze experimenten werd een gevechtsvliegtuig (USAF Republic F-84G in 1955, USAF North American F-100 in 1958, Luftwaffe Lockheed F-104G Starfighter in 1966) op een speciaal platform geplaatst en onderaan de romp voorzien van een flink uit de kluiten gewassen (afwerpbare) raketmotor. De gigantische stuwkracht van de raketmotor slingerde als het ware het vliegtuig de lucht in met letterlijk nul meter (Zero Length) aanloop. Na het leegbranden van de raketmotor werd deze gedropt en kon het vliegtuig zijn vlucht op een normale manier verder zetten. Het idee was om van ZELL raketmotoren voorziene vliegtuigen dicht bij de frontlijn te brengen en ze daar, zonder gebruik te maken van een kwetsbaar vliegveld, te lanceren voor hun oorlogsmissie. Terugvliegen kon dan gebeuren naar een van de frontlijn verwijderd veilig vliegveld. Hoewel de experimenten op zich bevredigend waren vond het ZELL systeem geen operationeel vervolg. Op logistiek vlak (vliegtuigen en raketmotoren ongezien vervoeren tot vlakbij de frontlijn) bood het systeem zeker geen voordelen, bovendien was de ontwikkeling van vliegveldonafhankelijke VTOL-vliegtuigen (Vertical Take-Off and Landing) volop bezig.
De Opel-Hatry RAK.1 wordt dan wel beschouwd als het eerste bemande raketvliegtuig, maar in feite gebruikte het geen echte raket-”motor”. De Sander-raketmotoren waren net als de zogenaamde JATO-bottles patronen die vrijwel ongecontroleerd leegbrandden. “Motoren” in de ware zin van het woord zijn in principe controleerbaar voor wat het geleverde vermogen betreft en beschikken bovendien over hervulbare brandstofreservoirs.
In de jaren 1930 werd dan ook duchtig geëxperimenteerd met raketaandrijving die door de piloot beheersbaar was, zoals bij elk ander motor aangedreven vliegtuig. Duitsland experimenteerde bijvoorbeeld met de Heinkel He176 (1e vlucht op 20 juni 1936). Tegenvallende resultaten op het vlak van prestaties deden het RLM (ReichsLuftfahrtMinisterium) ertoe besluiten het testprogramma van de He176 te stoppen (12 september 1939).
Ook in de Soviet Unie vonden gelijkaardige testen plaats, waarbij de experimentele raketmotor aangedreven Korolyov RP-318 de spits afbeet met een eerste vlucht op 28 februari 1940. Door het uitbreken van de 2e Wereldoorlog enkele maanden later waren er meer dringende noden binnen de Sovjetstrijdkrachten zodat het RP-318 project gestopt werd. De ontwikkeling van raketmotoren ging evenwel op de achtergrond door en in 1941 werd beslist een nieuw vliegtuig te ontwikkelen dat de basis zou vormen van een raketmotor aangedreven “close range fighter” (jachtvliegtuig met beperkte actieradius als verdedigingsmiddel nabij strategisch belangrijke locaties). Het ontwerp werd ter hand genomen door de ingenieurs Bereznyak en Isaev,het door hen ontworpen vliegtuig werd BI gedoopt (1e vlucht op 15 mei 1942). Of alle 9 prototypes (genummerd BI-1 t/m BI-9) daadwerkelijk gevlogen hebben is onduidelijk, maar feit is dat er veel testwerk werd verricht met diverse raketmotoren (en tevens met 2 ramjets). Uiteindelijk werd het testprogramma van de BI in maart 1945 gestopt zonder dat de geplande close range fighter er kwam.
Terwijl de 2e Wereldoorlog volop woedde werd in Nazi-Duitsland de raketmotor weer opgerakeld. De aanhoudende bombardementen op Duitse steden en industriegebieden vereisten een gepaste verdediging, bijvoorbeeld door vliegtuigen die bij het detecteren van een naderende vijand snel zouden kunnen tussenkomen. Raketaandrijving kon daarbij het verschil maken, aangezien vliegtuigen met klassieke motoren teveel tijd nodig hadden om naar de vereiste hoogte te klimmen. Meerdere ontwerpen werden op papier gezet, enkelen werden in prototypevorm gebouwd (o.a. Bachem Ba349 Natter), maar slechts één vliegtuig bracht het tot een echte operationele carrière : de door Alexander Lippisch ontworpen Messerschmitt Me163B Komet, ingezet vanaf de zomer van 1944. De bewapende Me163B was bedoeld als “point-defence interceptor”, gestationeerd op een vliegveld nabij een voor vijandelijke bommenwerpers interessant doel (een belangrijke stad of industriezone) - van zodra bommenwerpers in de buurt gesignaleerd werden stegen de Me163B’s op tot boven de bommenwerpers, die vervolgens al duikend werden aangevallen. De voor de raketmotor van de Me163 vereiste brandstof was na maximum 7.5 minuten verbruikt (voldoende om tot op hoogte te klimmen), waarna het toestel als zweefvliegtuig de rest van zijn vlucht voltooide. In tegenstelling tot eerdere raket-”motoren” kon het vermogen (stuwkracht) van de in de Me163 ingebouwde Walter HWK 509 in 4 stappen geregeld worden.
Precieze productiecijfers voor de Me163 zijn niet bekend, schattingen variëren tussen 370 en 430 gebouwde exemplaren, al dan niet inclusief prototypes en eerdere Me163A varianten. Feit is dat tussen eind juli 1944 en mei 1945 Me163B’s regelmatig ingezet werden en dat ze enkele vijandelijke bommenwerpers konden neerhalen (afhankelijk van de bron 9, 16 of 18 - ook hier ontbreken exacte cijfers). Veel Me163’s gingen evenwel verloren, dikwijls door ontploffingen tijdens het tanken, bij take-off of bij een harde landing. De uit twee componenten bestaande brandstof, respectievelijk C-Stoff (een mengsel van 30% hydrazinehydraat, 57% methanol, en 13% water) en T-Stoff (hoofdzakelijk waterstofperoxide), waren extreem explosiegevoelig van zodra ze met elkaar in contact kwamen. Bovendien traden lekken in dichtingen en brandstofleidingen frequent op vanwege de corrosieve werking van C-Stoff en (vooral) T-Stoff, zodat deze meestal dodelijke ontploffingen bijna onvermijdelijk waren.
Volledigheidshalve vermelden we hier ook nog het gebruik door de Japanse zeemacht van de Yokosuka MXY-7 Model 11 Ohka. Het toestel, bestemd voor zelfmoordmissies, was eigenlijk weinig meer dan een van raketaandrijving voorziene bemande vliegende bom die door een moedervliegtuig (meestal van het type Mitsubishi G4M2e “Betty”) tot in de buurt van het doel moest gebracht worden.
In de jaren 1930-1940 was de USA niet meteen toonaangevend op het vlak van hoog performante vliegtuigen. Onder impuls van het NACA (National Advisory Committee for Aeronautics, het latere NASA) en met input van de USAAF werd een researchproject opgezet met als doel het doorbreken van de geluidsmuur, waardoor de USA meteen weer aan de top van de vliegtuigontwikkeling zou komen. Dit project resulteerde in de Bell Model 44, beter bekend onder zijn USAAF typebenaming XS-1 (later hernoemd naar X-1). Het toestel dat over een karakteristieke kogelvormige romp en dunne rechte vleugels beschikte werd aangedreven door een Reaction Motors XLR11 raketmotor met 4 verbrandingskamers. Vanwege het gigantische brandstofverbruik van de raketmotor en de beperkte hoeveelheid meegevoerde brandstof was het noodzakelijk de X-1 met een moedervliegtuig (een aangepaste Boeing B-29) in de lucht te brengen, een principe dat ook bij latere testvliegtuigen in de X-reeks werd toegepast.
De X-1 werd natuurlijk wereldbekend door de eerste geregistreerde vlucht waarbij de geluidsmuur doorbroken werd (Mach 1.06 met de Bell X-1 “Glamorous Glennis”, USAF serial 46-062, gevlogen door Charles “Chuck” Yeager op 14 oktober 1947). Op basis van de oorspronkelijke X-1 werden enkele varianten ontwikkeld (X-1A tot en met X-1E), gevolgd door de Bell X-2 die Mach 3 overschreed (Mach 3.2, gevlogen door Captain Milburn “Mel” Apt op 27 september 1957 - deze vlucht eindigde helaas in een dodelijke crash). Andere experimentele raket aangedreven vliegtuigen volgden elkaar nu in snel tempo op, waarbij de grenzen tussen “luchtvaart” en “ruimtevaart” steeds vager werden. Hierbij kunnen we niet anders dan de North American X-15 te vermelden : dit iconische raketvliegtuig, bestaande uit een lange romp en piepkleine trapeziumvormige vleugeltjes vestigde zowel snelheids- als hoogterecords in de jaren 1960 (Mach 6.7 op 3 oktober 1967, 108km vlieghoogte op 22 augustus 1963).
In het Frankrijk van de jaren 1950-1960 vinden we diverse experimenten met raketaandrijving. Zo was er de SNCASO Trident waarvan 2 prototypes als SO.9000 Trident I (1e vlucht 2 maart 1953) en 3 prototypes + 6 pre-productietoestellen (slechts 3 hiervan afgewerkt) als SO.9050 Trident II (1e vlucht 19 juli 1955) gebouwd werden. Het bijzondere aan dit als interceptor bedoelde vliegtuig was de aandrijving : een in de romp ingebouwde SEPR (Société d'Etudes pour la Propulsion par Réaction) raketmotor vormde de hoofdaandrijving, terwijl de aan de vleugeltippen gemonteerde turbojets de raketmotor zouden ondersteunen bij het klimmen en als enige krachtbronnen zouden dienen tijdens de landing. Gedurende het testprogramma van de Trident was de Dassault Mirage reeds in volle ontwikkeling en het viel te voorzien dat de Mirage III de Trident op alle vlakken zou overklassen. Het Trident-programma werd dan ook afgebroken ondanks een succesvol doorlopen testcyclus.
Behalve als hoofdmotor of starthulp werden raketmotoren soms op gevechtsvliegtuigen gebruikt als “booster”. Deze boosters zorgden bij het vliegtuig in kwestie voor een kortstondige duw in de rug, hetzij tijdens het klimmen, hetzij om sneller te accelereren bij bv. het onderscheppen van een vijandelijk toestel. Een goed voorbeeld hiervan was de Mirage III, die in bepaalde versies onderin de romp nabij de (aangepaste) buikvin kon beschikken over een SEPR raketmotor.
Pulsejet
In de periode 1944-1945 werd o.a. de heel ruime omgeving van de Antwerpse haven geteisterd door inslagen van V-1’s, de zogenaamde vliegende bommen die een karakteristiek brommend geluid maakten en bij het stilvallen van de motor vrijwel onmiddellijk neerstortten. Hoewel “straalmotoren” in de breedste zin van het woord eerder met een hoogfrequent fluitend geluid worden geassocieerd beschikt de V-1 ondanks zijn laagfrequent geluid wel degelijk over een soort straalmotor : de pulsejet, bestaande uit een holle buis waarin met korte tussenpozen brandstof wordt ontbrand. Aan de inlaatzijde zijn kleppen voorzien, die sluiten op het moment van brandstofinspuiting, zodat de door de verbranding ontstane druk uitsluitend langs de uitlaat kan ontsnappen : straalaandrijving.
Eigenaardig genoeg werd dit principe reeds in 1867 gepatenteerd door de Rus Nikolaj A. Teleshov, terwijl een werkende versie van de motor in 1907 gebouwd werd door de Rus Karavodin. Tot de late jaren 1930 dook de pulsejet regelmatig op als experiment door één of andere wetenschapper, maar tot een praktische toepassing kwam het niet… tot Nazi-Duitsland via het Heeresversuchsanstalt Peenemünde (Onderzoekscentrum voor het leger in Peenemünde, noorden van Duitsland) met de ontwikkeling van een vliegende bom startte (1939). Hoewel een pulsejetmotor misschien niet de meest efficiënte manier van aandrijving vormde was het vooral de eenvoud van de motor (vrijwel geen bewegende delen) die de doorslag gaf. Het ontwikkelingsprogramma kreeg de misleidende codenaam FZG-76 (FlakZielGerät 76 - “doelvliegtuig voor luchtafweer”). De uiteindelijke serieproductie van de vliegende bom werd ter hand genomen door de Gerhard Fieseler Werke onder de typebenaming Fieseler Fi103 terwijl de motor door Argus Motoren gebouwd werd als Argus As109-014. De vliegende bom werd voor het eerst ingezet voor een bombardement van Londen op 13 juni 1944. De benaming “V-1” (Vergeltungswaffe 1) kwam er als gevolg van de aanhoudende bombardementen op Duitse steden, waar Duitsland een gepaste vergelding (Vergeltung) tegenover wilde zetten.
Hoewel de V-1 niet het enige vliegende tuig was met een pulsejet bleef het gebruik toch vrij beperkt. Er zijn enkele (experimentele) toepassingen bekend van kleine pulsejets die aan de uiteinden van de rotor van een helikopter gemonteerd werden als alternatief voor aandrijving door een in de helikopter gemonteerde zuigermotor of turboshaft (o.a. Hiller XH-26). Tegenwoordig vinden we pulsejets nog terug in enkele drones die als luchtdoel gebruikt worden.
Ramjet - Statoreactor
Bij de motorjet van de Caproni-Campini C.C.2 werd voor het eerst een vorm van naverbranding toegepast : brandstof werd in de gecomprimeerde lucht ontstoken en zorgde daarbij voor een behoorlijke stuwkracht. Later werd naverbranding vrij universeel toegepast als tijdelijke stuwkrachtverhoging bij straalmotoren van (hoofdzakelijk) jachtvliegtuigen.
Reeds in 1913 bekwam de Fransman René Lorin een patent voor een ramjet. Een zich door de lucht snel voortbewegende buis zou instromende lucht comprimeren (door de interne vorm van die buis) en door de hierin ingespoten brandstof te laten verbranden zouden de uitstromende gassen voor stuwkracht zorgen. Lorin’s idee mag dan wel knap bedacht zijn geweest maar het bleef een puur theoretische gedachtegang aangezien de toenmalige stand der techniek geen proefnemingen mogelijk maakte.
In de jaren 1930 werden in Rusland testen uitgevoerd met kanonskogels die over een kleine ramjet beschikten, geactiveerd na het afvuren. Eveneens in Rusland ontwierp de Rus Ivan Merkulov enkele kleine experimentele ramjets die op vliegtuigen konden gemonteerd worden. 2 exemplaren van zijn DM-2 werden getest op een Polikarpov I-15 tweedekker jager die daardoor het allereerste vliegtuig werd dat met ramjets vloog, weliswaar enkel als ondersteuning van de stermotor van de I-15. Behalve het aantonen van de werkzaamheid van het ramjet concept hadden de testvluchten met de (te) langzame I-15 geen echt praktisch nut. Wel werden er in Rusland enkele vliegtuigontwerpen voor pure ramjet-aangedreven jagers opgezet, maar geen enkele hiervan werd ook echt verwezenlijkt. Ook de proefnemingen op één van de prototypes van de Bereznyak-Isaev BI (zie hoger) bleven zonder gevolg.
Het was pas op 21 oktober 1947 dat de door de Fransman René Leduc ontworpen Leduc 0.10 de lucht koos (ontwerp gestart vanaf 1935 !), een experimenteel vliegtuig waarin het patent van Lorin in de praktijk gebracht werd. Dit toestel beschikte voor zijn aandrijving uitsluitend over een ramjet, maar aangezien zo’n ramjet (in Frankrijk ook “statoréacteur” genoemd) pas werkt bij een voldoende hoge instroomsnelheid van de inlaatlucht was het noodzakelijk de Leduc 0.10 met een moedervliegtuig in de lucht te lanceren, zelfstandig opstijgen was onmogelijk. Het ramjet concept werkte feilloos maar had 2 belangrijke nadelen : een bijzonder hoog brandstofverbruik (wat trouwens eigen is aan alle systemen van naverbranding) en de afhankelijkheid van een moedervliegtuig bij het opstijgen. Om dit laatste tegen te gaan werd de Leduc 0.22 op punt gezet (1e vlucht op 26 december 1956), een extrapolatie van de eerdere 0.10 testvliegtuigen waaraan een Snecma Atar 101 turbojet was toegevoegd. De Atar zou de “normale” vluchtregimes voor zich nemen (opstijgen, vliegen op kruissnelheid, landing) terwijl de ramjet voor de piekprestaties (vooral zeer snel klimmen) zou zorgen.
Ondertussen liepen de kosten voor de verdere ontwikkeling van een operationele 0.22 uitvoering bovenmatig op en in februari 1958 stopte de Armée de l’Air het programma ten voordele van de Dassault Mirage III die nagenoeg productierijp was.
Tegenwoordig worden ramjets nog vrijwel uitsluitend gebruikt bij een aantal missiles. Hierbij wordt het hoge brandstofverbruik ruimschoots gecompenseerd door de eenvoudige en dus goedkope motor zonder bewegende onderdelen !
(Gebruikte bronnen : diverse websites, boek “Van Zeilvlucht tot Reactiemotor” (W.Kühner, uitgeverij Het Gouden Spoor), “Jane’s All The World’s Aircraft” (diverse jaargangen), “Straaljager Me163” (Mano Ziegler), Air Enthusiast (diverse nummers), eigen documentatie)
In deel 7 komt de lichtere luchtvaart aan bod, met motoren van beperkt vermogen.
(Tekst : Guido Van Roy - Foto’s : Marc Van Ryssel, Jef Pets, Guido Van Roy)
Klik op onderstaande foto voor een overzichtje van de verscheidenheid aan motoren en de vliegtuigen waarop ze gemonteerd werden.
In deel 5 beschreven we de turboprop en turboshaft.
Hierna beschrijven we de straalaandrijving en andere varianten hierop.
Straalaandrijving - specifieke varianten
Zoals we reeds eerder beschreven zijn straalmotoren tegenwoordig een dagdagelijkse realiteit in de commerciële en militaire luchtvaart. Behalve de eerder aangehaalde turbojets en turbofans bestaan er echter nog enkele andere vormen van straalaandrijving, al dan niet van experimentele aard. Wat hieronder volgt is een beknopte beschrijving van 3 dergelijke aandrijvingssystemen.
Raketmotor
Als we het over “raketten” of “raketmotoren” hebben denken we spontaan aan de verovering van de ruimte, hetgeen evenwel slechts ten dele correct is. Laat ons daarom beginnen met de 2 begrippen te definiëren. Een “raket” is een willekeurig voertuig dat zich voortbeweegt door middel van een motor die geen omgevingslucht gebruikt. Een “raketmotor” is het aandrijvingsmechanisme, dat stuwkracht voor de raket levert door de krachtige uitstroom van gassen, opgewekt door bv. de reactie of verbranding van 2 stoffen die allebei in de raket aanwezig zijn. Een raketmotor gebruikt dus geen omgevingslucht zodat hij in het luchtledige van de ruimte kan werken. Over het algemeen bevat een raketmotor slechts een minimum aan bewegende delen waardoor hij uiterst eenvoudig van constructie is, weliswaar gebruikmakend van speciale (dure) materialen die aan hoge temperaturen en drukken moeten kunnen weerstaan.
De eerste raketten, gebruikt als wapen (vuurpijl), worden in het China van de 13e eeuw gesitueerd. Hierop gebaseerde technologie is nog steeds van toepassing, denken we maar aan het rond de jaarwisseling zo populaire vuurwerk. Ook binnen de luchtvaart zijn raketmotoren, weliswaar van iets meer gesofisticeerde aard, nog steeds actueel, getuige het grote aanbod aan lucht-lucht of lucht-grond raketten (missiles). In enkele gevallen werden of worden vliegtuigen van raketmotoren voorzien.
Fritz von Opel, kleinzoon van autobouwer Adam Opel, geraakte na de 1e Wereldoorlog in de ban van raketaandrijving, o.a. voor het vestigen van snelheidsrecords met (aangepaste) racewagens. Hiertoe werkte hij samen met raketmotor-pionier Friedrich Sander. In april 1928 bewezen succesvolle demonstraties met de Opel RAK.1, een omgebouwde Opel racewagen, dat het concept goed zat en reeds in mei 1928 werd een snelheidsrecord gevestigd met de gelijkaardige Opel RAK.2. Eveneens in 1928 kocht von Opel de door Alexander Lippisch ontworpen Ente, een zweefvliegtuig van het “canard” type (kleine voorvleugel en grote hoofdvleugel achteraan). Piloot Fritz Stamer maakte 2 vluchten met het tot Raketen-Ente omgedoopte toestel dat inmiddels over 2 Sander raketmotoren beschikte. Tijdens de 2e vlucht ontplofte echter één van de raketmotoren waarbij het vliegtuig onherroepelijk verloren ging. Fritz von Opel contacteerde prompt Julius Hatry, een zweefvliegpiloot die tevens enige ervaring had in het ontwerpen van zweefvliegtuigen. Hatry ontwierp een op de toenmalige zweefvliegtuigtechnologie gebaseerd vliegtuig met een eenvoudige rechte vleugel met daaronder de cabine voor de piloot en de 16 Sander raketmotoren. De staartvlakken werden door een open draagstructuur met romp en vleugel verbonden. De eerste publieke vlucht vond plaats op 30 september 1929, waarbij een snelheid van ongeveer 150 km/u werd gehaald. Hiermee werd deze Opel-Hatry RAK.1 (soms ook Opel-Sander RAK.1 of Opel RAK.3 genoemd) het eerste bemande raketvliegtuig ooit.
Hoewel de raketexploten van Fritz von Opel niet veel meer waren dan een op zich staand experiment wekte de gebruikte technologie toch de nodige interesse op. Zo testte Junkers in augustus 1929 een Junkers Ju33 drijvervliegtuig dat uitgerust was met een aantal raketmotoren als starthulp. Gelijkaardige experimenten vonden ook in andere landen plaats in de aanloop naar de 2e Wereldoorlog maar het was vooral vanaf circa 1940 dat deze starthulp meer en meer toepassing vond. Het systeem werd bekend onder de benamingen JATO (Jet-Assisted Take-Off), RATO (Rocket-Assisted Take-Off) en RATOG (Rocket-Assisted Take Off Gear, de term zoals gebruikt door de RAF).
Het gebruik van een starthulp was inderdaad een efficiënte methode om zwaarbeladen vliegtuigen vanaf korte startbanen in de lucht te krijgen. Een typische toepassing was bijvoorbeeld de grote transportzwever Messerschmitt Me321 die via JATO over een essentiële ondersteuning beschikte voor de onvoldoende krachtige sleepvliegtuigen (gewoonlijk 3 Messerschmitt Bf110). Ook de Arado Ar234B (een bommenwerpervariant van de Ar234 verkenner) wiens Junkers Jumo 004 turbojets bij het opstijgen van een met bommen beladen toestel enige ondersteuning konden gebruiken werd van een starthulp middels 2 raketmotoren voorzien.
JATO werd zelfs heel populair na de 2e Wereldoorlog, vooral dan bij zwaarbeladen bommenwerpers (bv. Boeing B-47 of B-52) of transportvliegtuigen (o.a. Lockheed C-130 Hercules onder bepaalde omstandigheden). De huidige generatie vliegtuigmotoren (turbofans en turboprops) is meestal dermate krachtig dat het gebruik van JATO nog slechts uitzonderlijk wordt toegepast.
Minder bekend is het feit dat ook enkele passagiersvliegtuigen soms met een JATO-systeem konden uitgerust worden. Zo gebruikte Ethiopian Airlines JATO-bottles, gemonteerd onder de vleugels van haar Convair CV-240’s bij starts vanaf het oude (hooggelegen) vliegveld van Addis Abeba (periode 1950-1952). Ook de De Havilland Comet I en de Boeing 727 waren voorzien op het gebruik van JATO. De Comet voerde een 30-tal succesvolle testvluchten uit met JATO-ondersteuning maar tot een operationeel gebruik ervan kwam het niet. De Boeing 727 kon optioneel met voorzieningen voor JATO geleverd worden, waarbij het JATO systeem slechts bedoeld was als starthulp onder “hot and high conditions” (hoge omgevingstemperaturen en/of vertrek vanaf hooggelegen vliegvelden) op het moment dat één van de 3 straalmotoren het tijdens de start zou begeven. Of het systeem daadwerkelijk gebruikt werd is niet duidelijk.
Het hoogtepunt van JATO technologie, weliswaar beperkt tot experimenteel gebruik zonder verdere operationele inzet, waren extra grote raketmotoren die toegepast werden bij het zogenaamde Zero Length Launch System (ook ZELL, ZLL, ZLTO of ZEL genaamd). Bij deze experimenten werd een gevechtsvliegtuig (USAF Republic F-84G in 1955, USAF North American F-100 in 1958, Luftwaffe Lockheed F-104G Starfighter in 1966) op een speciaal platform geplaatst en onderaan de romp voorzien van een flink uit de kluiten gewassen (afwerpbare) raketmotor. De gigantische stuwkracht van de raketmotor slingerde als het ware het vliegtuig de lucht in met letterlijk nul meter (Zero Length) aanloop. Na het leegbranden van de raketmotor werd deze gedropt en kon het vliegtuig zijn vlucht op een normale manier verder zetten. Het idee was om van ZELL raketmotoren voorziene vliegtuigen dicht bij de frontlijn te brengen en ze daar, zonder gebruik te maken van een kwetsbaar vliegveld, te lanceren voor hun oorlogsmissie. Terugvliegen kon dan gebeuren naar een van de frontlijn verwijderd veilig vliegveld. Hoewel de experimenten op zich bevredigend waren vond het ZELL systeem geen operationeel vervolg. Op logistiek vlak (vliegtuigen en raketmotoren ongezien vervoeren tot vlakbij de frontlijn) bood het systeem zeker geen voordelen, bovendien was de ontwikkeling van vliegveldonafhankelijke VTOL-vliegtuigen (Vertical Take-Off and Landing) volop bezig.
De Opel-Hatry RAK.1 wordt dan wel beschouwd als het eerste bemande raketvliegtuig, maar in feite gebruikte het geen echte raket-”motor”. De Sander-raketmotoren waren net als de zogenaamde JATO-bottles patronen die vrijwel ongecontroleerd leegbrandden. “Motoren” in de ware zin van het woord zijn in principe controleerbaar voor wat het geleverde vermogen betreft en beschikken bovendien over hervulbare brandstofreservoirs.
In de jaren 1930 werd dan ook duchtig geëxperimenteerd met raketaandrijving die door de piloot beheersbaar was, zoals bij elk ander motor aangedreven vliegtuig. Duitsland experimenteerde bijvoorbeeld met de Heinkel He176 (1e vlucht op 20 juni 1936). Tegenvallende resultaten op het vlak van prestaties deden het RLM (ReichsLuftfahrtMinisterium) ertoe besluiten het testprogramma van de He176 te stoppen (12 september 1939).
Ook in de Soviet Unie vonden gelijkaardige testen plaats, waarbij de experimentele raketmotor aangedreven Korolyov RP-318 de spits afbeet met een eerste vlucht op 28 februari 1940. Door het uitbreken van de 2e Wereldoorlog enkele maanden later waren er meer dringende noden binnen de Sovjetstrijdkrachten zodat het RP-318 project gestopt werd. De ontwikkeling van raketmotoren ging evenwel op de achtergrond door en in 1941 werd beslist een nieuw vliegtuig te ontwikkelen dat de basis zou vormen van een raketmotor aangedreven “close range fighter” (jachtvliegtuig met beperkte actieradius als verdedigingsmiddel nabij strategisch belangrijke locaties). Het ontwerp werd ter hand genomen door de ingenieurs Bereznyak en Isaev,het door hen ontworpen vliegtuig werd BI gedoopt (1e vlucht op 15 mei 1942). Of alle 9 prototypes (genummerd BI-1 t/m BI-9) daadwerkelijk gevlogen hebben is onduidelijk, maar feit is dat er veel testwerk werd verricht met diverse raketmotoren (en tevens met 2 ramjets). Uiteindelijk werd het testprogramma van de BI in maart 1945 gestopt zonder dat de geplande close range fighter er kwam.
Terwijl de 2e Wereldoorlog volop woedde werd in Nazi-Duitsland de raketmotor weer opgerakeld. De aanhoudende bombardementen op Duitse steden en industriegebieden vereisten een gepaste verdediging, bijvoorbeeld door vliegtuigen die bij het detecteren van een naderende vijand snel zouden kunnen tussenkomen. Raketaandrijving kon daarbij het verschil maken, aangezien vliegtuigen met klassieke motoren teveel tijd nodig hadden om naar de vereiste hoogte te klimmen. Meerdere ontwerpen werden op papier gezet, enkelen werden in prototypevorm gebouwd (o.a. Bachem Ba349 Natter), maar slechts één vliegtuig bracht het tot een echte operationele carrière : de door Alexander Lippisch ontworpen Messerschmitt Me163B Komet, ingezet vanaf de zomer van 1944. De bewapende Me163B was bedoeld als “point-defence interceptor”, gestationeerd op een vliegveld nabij een voor vijandelijke bommenwerpers interessant doel (een belangrijke stad of industriezone) - van zodra bommenwerpers in de buurt gesignaleerd werden stegen de Me163B’s op tot boven de bommenwerpers, die vervolgens al duikend werden aangevallen. De voor de raketmotor van de Me163 vereiste brandstof was na maximum 7.5 minuten verbruikt (voldoende om tot op hoogte te klimmen), waarna het toestel als zweefvliegtuig de rest van zijn vlucht voltooide. In tegenstelling tot eerdere raket-”motoren” kon het vermogen (stuwkracht) van de in de Me163 ingebouwde Walter HWK 509 in 4 stappen geregeld worden.
Precieze productiecijfers voor de Me163 zijn niet bekend, schattingen variëren tussen 370 en 430 gebouwde exemplaren, al dan niet inclusief prototypes en eerdere Me163A varianten. Feit is dat tussen eind juli 1944 en mei 1945 Me163B’s regelmatig ingezet werden en dat ze enkele vijandelijke bommenwerpers konden neerhalen (afhankelijk van de bron 9, 16 of 18 - ook hier ontbreken exacte cijfers). Veel Me163’s gingen evenwel verloren, dikwijls door ontploffingen tijdens het tanken, bij take-off of bij een harde landing. De uit twee componenten bestaande brandstof, respectievelijk C-Stoff (een mengsel van 30% hydrazinehydraat, 57% methanol, en 13% water) en T-Stoff (hoofdzakelijk waterstofperoxide), waren extreem explosiegevoelig van zodra ze met elkaar in contact kwamen. Bovendien traden lekken in dichtingen en brandstofleidingen frequent op vanwege de corrosieve werking van C-Stoff en (vooral) T-Stoff, zodat deze meestal dodelijke ontploffingen bijna onvermijdelijk waren.
Volledigheidshalve vermelden we hier ook nog het gebruik door de Japanse zeemacht van de Yokosuka MXY-7 Model 11 Ohka. Het toestel, bestemd voor zelfmoordmissies, was eigenlijk weinig meer dan een van raketaandrijving voorziene bemande vliegende bom die door een moedervliegtuig (meestal van het type Mitsubishi G4M2e “Betty”) tot in de buurt van het doel moest gebracht worden.
In de jaren 1930-1940 was de USA niet meteen toonaangevend op het vlak van hoog performante vliegtuigen. Onder impuls van het NACA (National Advisory Committee for Aeronautics, het latere NASA) en met input van de USAAF werd een researchproject opgezet met als doel het doorbreken van de geluidsmuur, waardoor de USA meteen weer aan de top van de vliegtuigontwikkeling zou komen. Dit project resulteerde in de Bell Model 44, beter bekend onder zijn USAAF typebenaming XS-1 (later hernoemd naar X-1). Het toestel dat over een karakteristieke kogelvormige romp en dunne rechte vleugels beschikte werd aangedreven door een Reaction Motors XLR11 raketmotor met 4 verbrandingskamers. Vanwege het gigantische brandstofverbruik van de raketmotor en de beperkte hoeveelheid meegevoerde brandstof was het noodzakelijk de X-1 met een moedervliegtuig (een aangepaste Boeing B-29) in de lucht te brengen, een principe dat ook bij latere testvliegtuigen in de X-reeks werd toegepast.
De X-1 werd natuurlijk wereldbekend door de eerste geregistreerde vlucht waarbij de geluidsmuur doorbroken werd (Mach 1.06 met de Bell X-1 “Glamorous Glennis”, USAF serial 46-062, gevlogen door Charles “Chuck” Yeager op 14 oktober 1947). Op basis van de oorspronkelijke X-1 werden enkele varianten ontwikkeld (X-1A tot en met X-1E), gevolgd door de Bell X-2 die Mach 3 overschreed (Mach 3.2, gevlogen door Captain Milburn “Mel” Apt op 27 september 1957 - deze vlucht eindigde helaas in een dodelijke crash). Andere experimentele raket aangedreven vliegtuigen volgden elkaar nu in snel tempo op, waarbij de grenzen tussen “luchtvaart” en “ruimtevaart” steeds vager werden. Hierbij kunnen we niet anders dan de North American X-15 te vermelden : dit iconische raketvliegtuig, bestaande uit een lange romp en piepkleine trapeziumvormige vleugeltjes vestigde zowel snelheids- als hoogterecords in de jaren 1960 (Mach 6.7 op 3 oktober 1967, 108km vlieghoogte op 22 augustus 1963).
In het Frankrijk van de jaren 1950-1960 vinden we diverse experimenten met raketaandrijving. Zo was er de SNCASO Trident waarvan 2 prototypes als SO.9000 Trident I (1e vlucht 2 maart 1953) en 3 prototypes + 6 pre-productietoestellen (slechts 3 hiervan afgewerkt) als SO.9050 Trident II (1e vlucht 19 juli 1955) gebouwd werden. Het bijzondere aan dit als interceptor bedoelde vliegtuig was de aandrijving : een in de romp ingebouwde SEPR (Société d'Etudes pour la Propulsion par Réaction) raketmotor vormde de hoofdaandrijving, terwijl de aan de vleugeltippen gemonteerde turbojets de raketmotor zouden ondersteunen bij het klimmen en als enige krachtbronnen zouden dienen tijdens de landing. Gedurende het testprogramma van de Trident was de Dassault Mirage reeds in volle ontwikkeling en het viel te voorzien dat de Mirage III de Trident op alle vlakken zou overklassen. Het Trident-programma werd dan ook afgebroken ondanks een succesvol doorlopen testcyclus.
Behalve als hoofdmotor of starthulp werden raketmotoren soms op gevechtsvliegtuigen gebruikt als “booster”. Deze boosters zorgden bij het vliegtuig in kwestie voor een kortstondige duw in de rug, hetzij tijdens het klimmen, hetzij om sneller te accelereren bij bv. het onderscheppen van een vijandelijk toestel. Een goed voorbeeld hiervan was de Mirage III, die in bepaalde versies onderin de romp nabij de (aangepaste) buikvin kon beschikken over een SEPR raketmotor.
Pulsejet
In de periode 1944-1945 werd o.a. de heel ruime omgeving van de Antwerpse haven geteisterd door inslagen van V-1’s, de zogenaamde vliegende bommen die een karakteristiek brommend geluid maakten en bij het stilvallen van de motor vrijwel onmiddellijk neerstortten. Hoewel “straalmotoren” in de breedste zin van het woord eerder met een hoogfrequent fluitend geluid worden geassocieerd beschikt de V-1 ondanks zijn laagfrequent geluid wel degelijk over een soort straalmotor : de pulsejet, bestaande uit een holle buis waarin met korte tussenpozen brandstof wordt ontbrand. Aan de inlaatzijde zijn kleppen voorzien, die sluiten op het moment van brandstofinspuiting, zodat de door de verbranding ontstane druk uitsluitend langs de uitlaat kan ontsnappen : straalaandrijving.
Eigenaardig genoeg werd dit principe reeds in 1867 gepatenteerd door de Rus Nikolaj A. Teleshov, terwijl een werkende versie van de motor in 1907 gebouwd werd door de Rus Karavodin. Tot de late jaren 1930 dook de pulsejet regelmatig op als experiment door één of andere wetenschapper, maar tot een praktische toepassing kwam het niet… tot Nazi-Duitsland via het Heeresversuchsanstalt Peenemünde (Onderzoekscentrum voor het leger in Peenemünde, noorden van Duitsland) met de ontwikkeling van een vliegende bom startte (1939). Hoewel een pulsejetmotor misschien niet de meest efficiënte manier van aandrijving vormde was het vooral de eenvoud van de motor (vrijwel geen bewegende delen) die de doorslag gaf. Het ontwikkelingsprogramma kreeg de misleidende codenaam FZG-76 (FlakZielGerät 76 - “doelvliegtuig voor luchtafweer”). De uiteindelijke serieproductie van de vliegende bom werd ter hand genomen door de Gerhard Fieseler Werke onder de typebenaming Fieseler Fi103 terwijl de motor door Argus Motoren gebouwd werd als Argus As109-014. De vliegende bom werd voor het eerst ingezet voor een bombardement van Londen op 13 juni 1944. De benaming “V-1” (Vergeltungswaffe 1) kwam er als gevolg van de aanhoudende bombardementen op Duitse steden, waar Duitsland een gepaste vergelding (Vergeltung) tegenover wilde zetten.
Hoewel de V-1 niet het enige vliegende tuig was met een pulsejet bleef het gebruik toch vrij beperkt. Er zijn enkele (experimentele) toepassingen bekend van kleine pulsejets die aan de uiteinden van de rotor van een helikopter gemonteerd werden als alternatief voor aandrijving door een in de helikopter gemonteerde zuigermotor of turboshaft (o.a. Hiller XH-26). Tegenwoordig vinden we pulsejets nog terug in enkele drones die als luchtdoel gebruikt worden.
Ramjet - Statoreactor
Bij de motorjet van de Caproni-Campini C.C.2 werd voor het eerst een vorm van naverbranding toegepast : brandstof werd in de gecomprimeerde lucht ontstoken en zorgde daarbij voor een behoorlijke stuwkracht. Later werd naverbranding vrij universeel toegepast als tijdelijke stuwkrachtverhoging bij straalmotoren van (hoofdzakelijk) jachtvliegtuigen.
Reeds in 1913 bekwam de Fransman René Lorin een patent voor een ramjet. Een zich door de lucht snel voortbewegende buis zou instromende lucht comprimeren (door de interne vorm van die buis) en door de hierin ingespoten brandstof te laten verbranden zouden de uitstromende gassen voor stuwkracht zorgen. Lorin’s idee mag dan wel knap bedacht zijn geweest maar het bleef een puur theoretische gedachtegang aangezien de toenmalige stand der techniek geen proefnemingen mogelijk maakte.
In de jaren 1930 werden in Rusland testen uitgevoerd met kanonskogels die over een kleine ramjet beschikten, geactiveerd na het afvuren. Eveneens in Rusland ontwierp de Rus Ivan Merkulov enkele kleine experimentele ramjets die op vliegtuigen konden gemonteerd worden. 2 exemplaren van zijn DM-2 werden getest op een Polikarpov I-15 tweedekker jager die daardoor het allereerste vliegtuig werd dat met ramjets vloog, weliswaar enkel als ondersteuning van de stermotor van de I-15. Behalve het aantonen van de werkzaamheid van het ramjet concept hadden de testvluchten met de (te) langzame I-15 geen echt praktisch nut. Wel werden er in Rusland enkele vliegtuigontwerpen voor pure ramjet-aangedreven jagers opgezet, maar geen enkele hiervan werd ook echt verwezenlijkt. Ook de proefnemingen op één van de prototypes van de Bereznyak-Isaev BI (zie hoger) bleven zonder gevolg.
Het was pas op 21 oktober 1947 dat de door de Fransman René Leduc ontworpen Leduc 0.10 de lucht koos (ontwerp gestart vanaf 1935 !), een experimenteel vliegtuig waarin het patent van Lorin in de praktijk gebracht werd. Dit toestel beschikte voor zijn aandrijving uitsluitend over een ramjet, maar aangezien zo’n ramjet (in Frankrijk ook “statoréacteur” genoemd) pas werkt bij een voldoende hoge instroomsnelheid van de inlaatlucht was het noodzakelijk de Leduc 0.10 met een moedervliegtuig in de lucht te lanceren, zelfstandig opstijgen was onmogelijk. Het ramjet concept werkte feilloos maar had 2 belangrijke nadelen : een bijzonder hoog brandstofverbruik (wat trouwens eigen is aan alle systemen van naverbranding) en de afhankelijkheid van een moedervliegtuig bij het opstijgen. Om dit laatste tegen te gaan werd de Leduc 0.22 op punt gezet (1e vlucht op 26 december 1956), een extrapolatie van de eerdere 0.10 testvliegtuigen waaraan een Snecma Atar 101 turbojet was toegevoegd. De Atar zou de “normale” vluchtregimes voor zich nemen (opstijgen, vliegen op kruissnelheid, landing) terwijl de ramjet voor de piekprestaties (vooral zeer snel klimmen) zou zorgen.
Ondertussen liepen de kosten voor de verdere ontwikkeling van een operationele 0.22 uitvoering bovenmatig op en in februari 1958 stopte de Armée de l’Air het programma ten voordele van de Dassault Mirage III die nagenoeg productierijp was.
Tegenwoordig worden ramjets nog vrijwel uitsluitend gebruikt bij een aantal missiles. Hierbij wordt het hoge brandstofverbruik ruimschoots gecompenseerd door de eenvoudige en dus goedkope motor zonder bewegende onderdelen !
(Gebruikte bronnen : diverse websites, boek “Van Zeilvlucht tot Reactiemotor” (W.Kühner, uitgeverij Het Gouden Spoor), “Jane’s All The World’s Aircraft” (diverse jaargangen), “Straaljager Me163” (Mano Ziegler), Air Enthusiast (diverse nummers), eigen documentatie)
In deel 7 komt de lichtere luchtvaart aan bod, met motoren van beperkt vermogen.
(Tekst : Guido Van Roy - Foto’s : Marc Van Ryssel, Jef Pets, Guido Van Roy)
Klik op onderstaande foto voor een overzichtje van de verscheidenheid aan motoren en de vliegtuigen waarop ze gemonteerd werden.
