Wie wirkt sich Niederschlag auf Strahltriebwerke aus?

Die Wintersaison bringt einige Herausforderungen für den Flugbetrieb mit sich. Niederschläge in Form von Schnee, Hagel und Eisregen können die Rampenaktivitäten beeinträchtigen. Dank moderner Technik sind moderne Verkehrsflugzeuge jedoch robust und können auch unter suboptimalen Bedingungen eingesetzt werden.

Ein wesentlicher Teil davon ist auf Fortschritte in der Motorentechnologie zurückzuführen, die den Betrieb von Kraftwerken unter nahezu allen Bedingungen ermöglicht haben. In diesem Artikel untersuchen wir, wie sich Niederschlag auf heutige Turbofan-Triebwerke auswirkt.

Moderne Düsentriebwerke

• Hochfeste Materialien
• Die Fähigkeit von Motoren, extremen Temperaturen standzuhalten
• Getestet, um große Mengen Wasser problemlos aufzunehmen
• Ausgestattet mit redundanten Eisunterdrückungsmechanismen
• Redundanz kritischer Sensoren und Systeme

Flugzeuge sind so konzipiert, dass sie regelmäßig Unwettern standhalten und gleichzeitig die Sicherheit der Passagiere gewährleisten. Die häufigsten Jetliner am Himmel, wie die Boeing 737 und der Airbus A320, fliegen häufig durch Stürme und schlechte Bedingungen, ohne dass es zu einem Leistungsverlust der Triebwerke kommt. Auch wenn es den Anschein hat, dass der plötzliche oder ständige Wassereinstrom die Fähigkeit eines Triebwerks, Schub zu erzeugen, verringern würde, ist dies selten der Fall.

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Wie Simple Flying zuvor analysiert hat, arbeiten die heutigen Turbofan-Triebwerke mit innerer Verbrennung. Niederdruck- (LP) und Hochdruckkompressorschaufeln (HP) saugen Luft in den Motor und in Richtung der Brennkammer, wo die Luft mit Kraftstoff vermischt wird und als Abgas austritt, um das Flugzeug vorwärts zu treiben.

Ein Großteil dieser Luft umgeht den zentralen Triebwerkskern und strömt zwischen der Triebwerksverkleidung und dem Verbrennungskern. Die umgeleitete Luft bleibt beim Austritt komprimiert und erzeugt mehr als die Hälfte des Gesamtschubs des Triebwerks, während gleichzeitig der zentrale Kern gekühlt wird.

Extremer Wasserzufluss

Bei Verkehrsflugzeugen ist im Allgemeinen zu erwarten, dass sie am Boden und im Flug Regen und anderen Niederschlägen ausgesetzt sind. Jetliner fliegen regelmäßig durch Gewitter, wobei die Triebwerke schnell große Mengen Wasser einatmen und gleichzeitig sichere Schubniveaus aufrechterhalten.

Die Wasserflut dringt jedoch nicht vollständig durch den zentralen Kern des Motors. Die Schaufeln des Kompressors fangen das zunächst einströmende Wasser auf und schleudern es durch Zentrifugalkraft in Richtung der Außenwände des Motors. Dadurch kann das Wasser das Luftsystem umgehen und den Kontakt mit der Brennkammer im Motorkern vermeiden.

Es ist unwahrscheinlich, dass der Regen den Verbrennungsprozess stört, selbst bei Strahltriebwerken, die nicht über Bypass-Systeme verfügen. Die außergewöhnlich hohe Temperatur der Brennkammer des Motors, die manchmal 900 °C (1.650 °F) erreicht, wandelt das einströmende Wasser in Dampf um, ohne dass dies die Leistungsabgabe des Motors beeinträchtigt.

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Manchmal wurde vor dem Aufkommen der Nachbrenner absichtlich Wasser in Strahltriebwerke eingespeist. Die erhöhte vom Motor abgegebene Masse erhöht den Schub bei niedrigen Geschwindigkeiten und unterstützt die Motorkühlung.

Unter bestimmten extremen Umständen können jedoch starke Regenfälle und Hagel den Flugbetrieb beeinträchtigen, wie von berichtetSicherheit von Flugtriebwerken. Daher werden Flugzeuge stets angewiesen, schwerwiegende Bedingungen zu vermeiden.

Eisregen und Eis

Gefrierender Regen und Schnee können problematischer sein, da sie zur Bildung von Eis am Motoreinlass führen können. Wenn sich rund um die Motoreinlässe Eis bildet, können Eisbrocken abbrechen und auf den Motorlüfter treffen. Dies könnte die Lüfterflügel beschädigen und zum Abwürgen des Kompressors führen. Die Einlässe sind beheizt, um die Bildung von Eis um sie herum zu verhindern, so dass keine Gefahr besteht, dass sich gelöstes Eis auf den Ventilator trifft.

Hagel kann auch ein Problem darstellen, wenn man in der Nähe schwerer Gewitter fliegt. Die Eiskügelchen können neben dem Triebwerk auch die Außenseite des Flugzeugs beschädigen, und Piloten wird empfohlen, Gewitter mindestens zwanzig Meilen weit zu meiden. Eine Boeing 777-300ER der Emirates geriet 2021 beim Abflug vom Flughafen Mailand-Malpensa in heftigen Hagel. Nach schweren Schäden und zersplitterten Windschutzscheiben kehrte sie zurück.

Laut derNationaler WetterdienstBei gefrierendem Regen, gefrierendem Nebel oder starkem Schneefall können Flugzeugbesatzungen eventuelle Eisansammlungen abwerfen, indem sie die Triebwerke zeitweise laufen lassen. Im Falle eines Leistungsverlusts aufgrund von Eis oder großen Wassermengen, die in die Brennkammer eindringen, könnte der Pilot dann versuchen, die Triebwerke wieder zu zünden oder die automatischen Zünder sicher einzuschalten, heißt esLuft- und Raumfahrt-Web.

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Blitze sind noch weniger besorgniserregend. Der Nationale Wetterdienst schätzt, dass ein Verkehrsflugzeug durchschnittlich einmal im Jahr von einem Blitz getroffen wird. Flugzeuge sind ausdrücklich darauf ausgelegt, Blitzeinschlägen standzuhalten, und Störungen sind selten.

Während Regen allein wahrscheinlich keine großen Auswirkungen auf den Betrieb haben wird, gilt dies nicht für Eis und Gewitter. Flugsicherung, Wartungsteams und Luft- und Raumfahrtaufsichtsbehörden werden Triebwerkseis und starke Sturmzellen sorgfältig überwachen, um einen sicheren Flugbetrieb zu gewährleisten.

Strahltriebwerke werden umfassend getestet

• Windkanaltests
• Computational Fluid Dynamics (CFD)-Simulationen
• Bodentests (stationär).
• Rampen- und Taxitests
• Flugtests

Strahltriebwerke werden gründlich getestet, um schweren Stürmen sicher standzuhalten. Einer der vielen Schritte für die Flugzeugzertifizierung ist der Flug bei schlechtem Wetter, dessen Vorbereitung am Boden erfolgt. Motorenhersteller wie General Electric und Pratt & Whitney verfügen über hochmoderne Testeinrichtungen, um sicherzustellen, dass die Motoren starken Niederschlägen standhalten, bevor sie den Boden verlassen.

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Die Motoren werden unter verschiedenen Bedingungen getestet, einschließlich der Einführung von Fremdkörpern, um einen Vogelschlag zu simulieren. Im Fall der GEnx-Motoren von General Electric sprühten riesige Schläuche pro Minute drei Tonnen Wasser auf den Motor, um ihn vor der Produktion auf etwaige Schwachstellen zu prüfen, gefolgt von einer Tonne künstlichem Hagel.

Technologische Fortschritte beim Wetterradar an Bord können der Flugbesatzung helfen, Unwetterzellen zu vermeiden. Die Systeme können große Partikelansammlungen wie Hagel, Regen und Eiskristalle wie Schneeflocken erkennen.

Insgesamt kommt es im Vergleich zu Treibstoffmangel bei Flugzeugtriebwerken nach wie vor seltener zu Flammenausfällen aufgrund von Niederschlägen. Eine Kombination aus Zentrifugalkraft, der Geschwindigkeit, mit der die Luft durch die Kammer strömt, und der Motorwärme wirken zusammen, um zu verhindern, dass Niederschläge die Motoren überfluten.