Was ist Antrieb?

Antrieb ist die Aktion oder der Prozess, mit dem eine Kraft so angewendet wird, dass ein Objekt seine Translationsbewegung ändert. Abgeleitet vom lateinischen propellere, wo pro „vorher“ und pellere „in Bewegung setzen“ bedeutet, nutzen wir den Antrieb, um durch einen Raum zu gehen, ein Auto zu fahren, ein Flugzeug zu fliegen und eine Rakete in den Weltraum zu starten.

Ein guter Weg, den Antrieb zu verstehen, ist Newtons drittes Gesetz der Bewegung, das besagt, dass „jede Aktion eine entgegengesetzte und gleichwertige Reaktion hat". Also, wenn Sie gehen, drückt Ihr Fuß gegen den Boden und der Boden drückt gegen Sie. Wie in Newtons 2. Gesetz beschrieben, bewegen Sie sich vorwärts, da der Boden deutlich mehr Masse hat als Sie. In ähnlicher Weise wird bei einem Raketenmotor Gas durch Verbrennung ausgeweitet und auf Überschallgeschwindigkeiten beschleunigt, wodurch eine Reaktion gegen die Rakete in gleicher und entgegengesetzter Richtung ausgelöst wird. 

Komponenten eines Antriebssystems

Antriebssysteme bestehen aus zwei Teilen. Der erste ist eine mechanische Energiequelle, und die zweite ist ein Propulsor, der diese Energie in eine Antriebskraft umwandelt. 

Bei einem gasbetriebenen Automobil ist die Benzinverbrennung die Energiequelle, und das Antriebssystem besteht aus Motor, Antriebsstrang und Rädern. In einem Elektroauto ist die Energiequelle das in Batterien gespeicherte elektrische Potential, und der Propulsor ist der Elektromotor, der Antriebsstrang und die Räder. Die Energiequelle wird oft als Kraftstoff bezeichnet, und der Propulsor, bei dem die Energie in eine Kraft umgewandelt wird, wird normalerweise als Triebwerk oder Motor bezeichnet. 

Ingenieur*innen verwenden diese Grundprinzipien des Antriebs, um Transportsysteme zu entwickeln, die Fahrzeuge über den Boden, über und unter Wasser, durch die Luft, in den und durch den Raum bewegen. Die Größe und Masse des Fahrzeugs sowie das Medium, durch das das Fahrzeug fährt, bestimmen häufig die Art des verwendeten Antriebs. 

Antriebssysteme umfassen Teilsysteme zur Gewinnung oder Speicherung der mechanischen Energiequelle, einen Propulsor und ein Steuerungssystem zur Einstellung der erzeugten Kräfte. In der Vergangenheit verwendeten die meisten Antriebssysteme eine einzige Energiequelle und eine Möglichkeit, diese Energie in eine Kraft umzuwandeln. Um jedoch eine höhere Effizienz zu erreichen, ermöglichen neue Technologien Hybridantriebe, die chemische Verbrennungs- und Verbrennungsmotoren mit elektrischem Potenzial kombinieren, das in Batterien und Elektromotoren gespeichert ist.

Die meisten Antriebssysteme erzeugen eine Antriebskraft durch einen von vier Propulsoren: Gliedmaßen, Räder, Propeller oder Schub. 

Räder

Ein Rad, das eine feste Oberfläche berührt, wandelt eine Drehkraft in eine lineare Kraft um und schiebt das Objekt, in dem sich das Rad befindet, vorwärts. Die als Drehmoment bezeichnete Rotationskraft kann von verschiedenen Motoren erzeugt werden.

Propeller

Ein Propeller ist eine Vorrichtung, die an einer Rotationswelle befestigt ist und aus mehreren dünnen Klingen besteht, die eine spiralförmige Spirale bilden, die eine Kraft auf Luft oder Wasser ausübt. Die resultierende Kraft auf die Klingen erzeugt eine Vorwärtsbewegung. Ein Propeller kann so groß sein wie der Rotor eines Hubschraubers oder so klein wie die Rotorblätter einer Drohne. Die in Schiffsanwendungen verwendeten Propeller werden manchmal als Schrauben bezeichnet. 

Strahlruder

Wenn der Impuls einer Arbeitsflüssigkeit – Gas oder Flüssigkeit – beschleunigt wird, übt sie eine lineare Kraft aus, die als Schub bezeichnet wird. Die meisten Anwendungen verwenden Wärme aus der Verbrennung, um Schub zu erzeugen. In Schiffsanwendungen kann der Schub mit Wasser über ein Flügelrad erfolgen, das das Drehmoment in eine Zentrifugalbeschleunigung umwandelt, die in einen axialen Fluss geleitet wird. Ein elektrisches Feld kann mit einem ionisierten Gas oder einem Plasma einen Schub erzeugen. 

Im Folgenden finden Sie eine Liste der häufigsten Arten von Antriebssystemen:

Verbrennungsmotoren

Die vorherrschende Antriebsform ist nach wie vor die Verbrennungsmotoren in Automobil-, See- und Luftfahrzeugen. Die Energiequelle ist die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen. Bei der Verbrennung von Benzin, Diesel oder Erdgas entsteht unter Druck stehendes Gas, das gegen die Kolben drück und eine lineare Kraft erzeugt. Eine Kurbelwelle wandelt die Linearkraft in eine Drehkraft um, um ein Rad oder einen Propeller anzutreiben. 

Turbinen oder Gasturbinenmotoren

Eine Turbine, auch Gasturbine genannt, nutzt die sich ausdehnenden Gase aus der Verbrennung als Energiequelle, um einen oder mehrere Turbinenrotoren anzutreiben, wodurch Drehkräfte erzeugt werden, die einen Propeller oder ein Rad antreiben. Gasturbinenmotoren werden mit Propellern in Turboprop-Flugzeugen, Rotoren für Hubschrauber und Propellern oder Schrauben in Schiffen und Booten kombiniert. Gasturbinenmotoren können auch schwere Radfahrzeuge wie Lokomotiven oder Tanks antreiben. 

Elektrische Motoren

Elektromotoren ersetzen zunehmend die Rotationskräfte, die von Kolben- und Turbinenmotoren erzeugt werden. Die Energiequelle eines Elektromotors ist eine Form von elektrischem Potenzial. In der Regel handelt es sich dabei um einen Batteriepack, eine Wasserstoffbrennstoffzelle oder eine Übertragungsleitung. Wenn ein elektrischer Strom durch einen Elektromagneten geleitet wird, entsteht eine attraktive Kraft für einen anderen Elektromagneten oder Permanentmagneten, um ein Drehmoment zu erzeugen. Eine Welle überträgt das Drehmoment auf Räder oder Propeller. 

Luftdurchlässige Düsenmotoren

Die effizienteste und häufigste Form des Flugzeugantriebs ist der Jet-Antrieb. Jede Art von Düsenmotor besteht aus einem Kompressor, der Luft under hohem Druck erzeugt, und einer Brennkammer, die Kraftstoff mit der Luft vermischt und verbrennt, wodurch Schub erzeugt wird. Die meisten Düsenmotoren verfügen auch über einen Turbinenteil, der Energie aus den sich ausdehnenden Gasen extrahiert, um ein Drehmoment zu erzeugen, das zur Verdichtung der einströmenden Luft oder zum Antrieb eines Propellers mit Luftkanal, einem sogenannten Ventilator, verwendet wird.

Hier sind die gängigsten Typen von luftdurchlässigen Düsenmotoren:

Turbojet: Die ersten Formen des Jet-Antriebs bestanden lediglich aus einer Kompressorstufe, einer Brennkammer und einer Turbine zum Antrieb der Kompressoren. Sie verwenden Schub als Propulsor. 

Turbofan: Um die Effizienz eines Düsenmotors zu erhöhen, treibt ein zusätzlicher Turbinenteil an der Rückseite des Motors einen Propeller an der Vorderseite des Motors mit vielen Schaufeln an, der als Bypass-Turbofan bezeichnet wird. Die meisten modernen Flugzeuge verwenden Flugzeugtriebwerke mit hohem Bypass, bei denen ein Ventilator, der als Propeller fungiert, den größten Teil der Antriebskraft erzeugt, anstatt durch die Verbrennung Schub zu erzeugen. 

Ramjet: Ramjets ersetzen die rotierenden Kompressoren in einem Standard-Düsenmotor durch einen Einlass, der die Querschnittsfläche wie ein Trichter verringert und die in den vorderen Teil des Motors gedrängte Luft staucht und komprimiert. Die Hauptanwendungen von Ramjets sind Luft- und Raumfahrtfahrzeuge, die Überschallgeschwindigkeiten benötigen. Die durch einen Standard-Ramjet strömende Luft wird vor dem Brenner auf Unterschallgeschwindigkeiten reduziert. In einem Scramjet oder Ramjet mit Überschallverbrennung ermöglicht der Überschallstrom in die Brennkammer den Betrieb des Motors mit höheren Geschwindigkeiten. 

Nachverbrennungsmotoren: Ein Nachbrenner ist eine zusätzliche Brennkammer, die an der Rückseite des Turbinenteils eines herkömmlichen Düsentriebwerks angebracht wird. Kraftstoff wird in den Abgasstrom gesprüht und entzündet, wodurch ein erheblicher Druck und zusätzlicher Schub entsteht. Nachbrenner ermöglichen es Flugzeugen, Überschallgeschwindigkeiten zu erreichen, zusätzlichen Schub für den Start bereitzustellen oder Notschub für Notmanöver in Flugzeugen während des Kampfes zu erzeugen. 

Raketenantrieb

Beim Raketenantrieb werden durch eine chemische Reaktion extrem Hochdruckgase erzeugt, die dann in Schub umgewandelt werden. Raketentriebwerke bestehen aus einem Kraftstoffsystem zur Bereitstellung von Kraftstoff und Oxidationsmittel, einer Brennkammer zur Entzündung des Kraftstoffs und Oxidationsmittels zur Erzeugung der sich schnell ausdehnenden Gase und einer Düse zur Umwandlung des Drucks in Schub oder Impuls in eine Richtung. 

Raketentriebwerke können nach ihrer Verwendung von festem oder flüssigem Kraftstoff kategorisiert werden: 

Raketentriebwerke mit Flüssigtreibstoff: Ein Raketentriebwerk mit Flüssigtreibstoff verbrennt ein flüssiges Oxidationsmittel, meist flüssigen Sauerstoff, mit einem Kraftstoff aus flüssigem Wasserstoff, Kerosin oder Methan. Der Kraftstoff wird über Schwerkraft, Beschleunigung, Druck oder Turbopumpen in den Brennraum geleitet. Düsen sind an Öffnungen im Brennraum angebracht, um das sich ausdehnende Gas in gerichteten Schub umzuwandeln. Durch die Steuerung von Kraftstoff und Oxidationsmittel wird der erzeugte Schub eingestellt oder der Motor ein- oder ausgeschaltet. Die Fähigkeit zur Feinabstimmung der erzeugten Kraft macht Raketentriebwerke mit Flüssigtreibstoff zur bevorzugten Wahl für Triebwerke, die Manövrierfähigkeit auf Raumfahrzeugen oder Raketen bieten. 

Feststoffraketentriebwerke: Feststoffraketentriebwerke verwenden eine Mischung aus festem Oxidationsmittel und festem Brennstoff, dem sogenannten Treibmittel. Der Brennstoff wird in einem zylindrischen Gehäuse gegossen, dessen Länge nach unten verläuft, die sogenannte Brennkammer. Die ersten Feststoffraketen verwendeten Schießpulver. Jetzt verwendet das Treibstoffkorn eine Vielzahl komplexer Chemikalien. Die beiden Feststoffbooster des Space Shuttle der NASA sind die bekanntesten Feststoffraketentriebwerke. Viele Waffensysteme verwenden Feststoffraketenantriebe wegen der langen Haltbarkeit des Treibstoffs. Feste Raketentriebwerke lassen sich jedoch nur schwer ausschalten und neu starten, und die Düsengeometrie ist die einzige Möglichkeit, den erzeugten Schub anzupassen. 

Hybridraketentriebwerke: Hybridraketentriebwerke verwenden einen festen Brennstoff und ein flüssiges oder gasförmiges Oxidationsmittel. Das Oxidationsmittel, meist flüssiger Sauerstoff oder Wasserstoffperoxid, wird in die zylindrische Brennkammer eingespritzt, die sich über die gesamte Länge des Zylinders erstreckt. Da die Durchflussmenge des Oxidationsmittels während des Betriebs gestartet, gestoppt und variiert werden kann, bieten Hybridraketentriebwerke mehr Flexibilität als Feststoffraketentriebwerke. 

Dampfmaschinen

Die erste vom Menschen entwickelte Form des mechanischen Antriebs waren Dampfmaschinen. Die Verbrennung wird als Wärmequelle zum Kochen von Wasser verwendet, wodurch Hochdruckdampf entsteht. Der unter Druck stehende Dampf drückt gegen einen oder mehrere Kolben, um eine lineare Kraft zu erzeugen. Eine Kurbel wandelt die Linearkraft in Drehkraft um, das sogenannte Drehmoment, das ein Rad oder einen Propeller als Propulsor antreibt. 

Dampfturbinen

Eine effizientere Möglichkeit, Energie aus Dampf zu gewinnen, besteht darin, diese durch eine Turbine zu erweitern, anstatt einen Kolben zu drücken. Die unter Druck stehende Turbine drückt gegen die aerodynamischen Rotorblätter eines oder mehrerer Rotoren und wandelt den Druck in Rotationskraft um, die über eine Welle mit Rädern oder einem Propeller verbunden ist. Derzeit werden Dampfmaschinen nur in Schiffsanwendungen eingesetzt, bei denen die Wärmequelle ein Kernspaltreaktor ist. 

SWaP-C

Ingenieur*innen möchten Größe und Gewicht von Antriebssystemen reduzieren und gleichzeitig die erforderliche Leistung liefern. Sie müssen auch die Kosten auf ein Minimum beschränken. Diese Kombination aus häufig widersprüchlichen Zielen wird als SWaP-C bezeichnet und steht für Größe, Gewicht, Leistung und Kosten. 

Erfahrung, Simulation und Tests sind die wichtigsten Tools, die Ingenieur*innen verwenden, um diese Kompromisse zu bewältigen. Insbesondere die Simulation eignet sich gut zum Testen verschiedener Materialien, zur Optimierung der Geometrie und zur Vorhersage und Maximierung der von einem System erzeugten Leistung. So verwenden Konstruktionsteams für Turbinenmotoren beispielsweise ein Tool wie die Ansys Mechanical™ Software, um die Form statischer und rotierender Strukturen zu optimieren. Anschließend nutzen sie die Ansys Fluent® Software, um die durch Verbrennung erzeugte Energie und die aerodynamische Form des Einlasses, der rotierenden und statischen Rotorblätter und Düsen zu optimieren. 

Ein wichtiges Tool zur Unterstützung dieses Prozesses bei gleichzeitiger Einbeziehung des Kostenfaktors in Studien ist ein robustes Tool zur Konstruktionsoptimierung (RDO) wie die Ansys optiSLang® Software, das die Systemoptimierung aus einer physikalisch-neutralen Perspektive betrachtet und die Simulation mit dem CAD-Tool (Computer-Aided Design) verbindet, mit dem Geometrie parametrisch definiert wird. 

Haltbarkeit

Sobald die Ingenieur*innen die SWaP-C-Anforderungen erfüllen, müssen sie sicherstellen, dass ihre Konstruktionen die für ihre Anwendungen erforderliche Haltbarkeit aufweisen. Die Betreiber des Antriebssystems wollen nicht nur Wartungskosten und Ausfallzeiten minimieren, sondern müssen auch Ausfälle vermeiden. Nehmen wir den Elektromotorantrieb, der in den heutigen Hochgeschwindigkeitslokomotivenzum Einsatz kommt. Wenn das elektrische Antriebssystem eines Zuges ausfällt, kann der Betreiber erhebliche Einnahmen einbüßen und Pendler können erhebliche Verzögerungen erleben. Und wenn sie das Antriebssystem häufig reparieren müssen, werden ihre ohnehin geringen Margen schrumpfen. Die Haltbarkeit kann sogar noch wichtiger werden, da die Zulieferer ihre Antriebssysteme auf einen Abonnementservice umstellen, wie Rolls-Royce seinen Flugzeugkunden anbietet. 

Der Ausfall von Antriebssystemen in der Luft- und Raumfahrt kann katastrophale und sogar lebensbedrohliche Folgen haben. Aus diesem Grund sind einige der größten Anwender von Simulationstools Unternehmen, die Antriebssysteme für die Luft- und Raumfahrt konstruieren und herstellen. Sie verbringen viel Zeit mit der Betrachtung struktureller und thermischer Lasten sowie Vibrationen, um sicherzustellen, dass die Spannungen unter den zulässigen Standards liegen und dass die Komponenten im System eine akzeptable Ermüdungslebensdauer aufweisen.

Effizienz und Emissionen

Bei der Entwicklung der ersten Antriebssysteme bestand das einzige Ziel darin, das Fahrzeug, das sie antrieben, und die Passagiere, Fracht oder Nutzlast, die sie transportierten, dorthin zu bringen, wo sie hinwollten. Doch jetzt legen die Betreiber Wert auf die Effizienz ihrer Motoren und die erzeugten Emissionen. Viele Unternehmen setzen Netto-Null-Ziele ein, um ihren CO2-Fußabdruck zu reduzieren. Die Effizienz von Motoren und Turbinen im Zeitverlauf zeigt diesen Trend. Die ersten Benzin-ICEs hatten einen Wirkungsgrad von weniger als 4 % und sind nun an ihre theoretische Grenze von rund 40 % herangekommen. 

Da die meisten Antriebssysteme Verbrennung zur Wärmeerzeugung verwenden, sind auch Emissionen ein Problem. Durch effizientere Systeme wird weniger Kraftstoff verbrannt. Verdichtungsverhältnisse, Verbrennungstemperaturen und Kraftstoffauswahl tragen ebenfalls zu den Emissionen bei, und Ingenieur*innen müssen jeden Aspekt ihrer Konstruktion sorgfältig optimieren, um CO2-Emissionen und andere Schadstoffe zu reduzieren. 

Der Antrieb entwickelt sich in allen seinen verschiedenen Arten und Anwendungen immer noch schnell weiter. Die Ingenieur*innen konzentrieren sich hauptsächlich auf die Verbesserung bestehender, bewährter Ansätze zur Täuschung der Antriebskräfte für ein Fahrzeug. Einige neue Antriebstechnologien sind jedoch in der Entwicklung. 

Hybridantriebssysteme

Die Kombination von zwei oder mehr Antriebssystemen in einer Anwendung, die als hybride Antriebssysteme bezeichnet wird, ist ein wichtiger Schwerpunkt der aktuellen Forschung, und es werden praktische Anwendungen hergestellt. Das offensichtlichste Beispiel dafür ist die Verbreitung von Plug-in-Hybridfahrzeugen. Die kommerzielle Luftfahrt prüft aktiv den Einsatz hybrider elektrischer und hybrider Wasserstoffantriebe für Flugzeuge. Hybride Raketenantriebe werden auch für Start, Verteidigungsanwendungen und Manövriertriebwerke in der Umlaufbahn immer beliebter.

Atomraketenantrieb

Der Atomraketenantrieb ersetzt die Erwärmung des Arbeitsmittels durch chemische Verbrennung durch einen Kernreaktor. Diese Technologie wurde ursprünglich in den 1960er Jahren entwickelt, und das ursprüngliche Ansys Finite-Elemente-Programm hat seine Wurzeln in diesem Programm. Die NASA überprüft die Technologie, um Antrieb für Hochschubmissionen zwischen Erde und Mars zu liefern. 

Raketenbasierter kombinierter Zyklus (RBCC) und Turbinenbasierter kombinierter Zyklus (TBCC) Antriebsystem

Forscher*innen untersuchen die Kombination eines Scramjet mit einem Turbinenmotor oder einer Rakete. Der Raketen- oder Turbojet-Motor beschleunigt das Fahrzeug auf eine Geschwindigkeit, die für den Betrieb des Strahls ausreicht. TBCCs werden für niedrigere Überschallgeschwindigkeiten bevorzugt, und RBCCs werden untersucht, um eine höhere Leistung zu erzielen. 

Zugehörige Ressourcen