Der Motor mit hohem Nebenstromverhältnis wird eingesetzt, und die Kampffähigkeit der Y-20 hat eine qualitative Veränderung erfahren

Im April 2023 stellten viele Leute fest, dass mit unserem Y-20 etwas nicht stimmte. Was war los? Der Motor ist dicker und viele Freunde wissen, dass dies ein Turbofan-Triebwerk mit hohem Nebenstromverhältnis genannt wird. Lassen Sie uns heute über den Unterschied zwischen einem Turbofan-Triebwerk mit hohem Nebenstromverhältnis und einem Triebwerk mit niedrigem Nebenstromverhältnis sprechen. Welche Leistungsverbesserungen können durch den Austausch des Y-20 erzielt werden?

Zunächst einmal: Was ist das Bypass-Verhältnis? Dies ist ein Parameter speziell für Turbofan-Triebwerke (abgekürzt „Turbofan-Triebwerke“). Der Luftstrom von Turbofan-Triebwerken hat zwei Wege. Einer davon ist der innere Kanal, der in der Mitte durch das Kerntriebwerk verläuft. Tatsächlich basiert es auf dem gleichen Prinzip wie das Turbojet-Triebwerk. Der andere ist der zwischen dem Kerntriebwerk und der Außenhülle, der sogenannte Außenkanal. Das Verhältnis der Luftströmungsrate durch den äußeren Kanal zur Luftströmungsrate durch den inneren Kanal wird als Bypass-Verhältnis bezeichnet. Je größer also das Bypass-Verhältnis, desto dicker die Außenhülle und damit auch der Motor.

Ein Triebwerk mit einem hohen Nebenstromverhältnis hat einen größeren Schub und ist kraftstoffeffizienter als ein Triebwerk mit einem niedrigen Nebenstromverhältnis. Warum ist das so? Einfach ausgedrückt kann pro Zeiteinheit mehr Luft zurückgeworfen werden. Wir können es zunächst aus sensorischer Sicht verstehen. Wenn ich auf einem Boot sitze und darauf angewiesen bin, Dinge nach hinten zu werfen, um Kraft zum Vorwärtslaufen zu erzeugen, bitte ich Sie, einige Gegenstände auszuwählen, die nach hinten geworfen werden können: Tischtennisbälle, Tennisbälle und Kugelstoßbälle. Welchen würden Sie wählen? Auf jeden Fall das Kugelstoßen, da kann er besser Schub erzeugen. Wir können es auch theoretisch analysieren. Wenn man sich zur Erzeugung von Schub darauf verlässt, Dinge nach hinten zu werfen, nutzt man in Wirklichkeit den sogenannten Rückstoß. Der Impuls des Objekts, das ich herauswerfe, ist der Impuls, den ich erhalten kann, und wenn dieser Impuls in der Zeiteinheit verteilt wird, handelt es sich um Schub. Der Impuls ist gleich Masse mal Geschwindigkeit, also werfe ich entweder etwas Schwereres oder ich werfe es schneller.

Schematische Darstellung eines Turbofan-Triebwerks, von TuChong.com

Warum also spare ich Energie, wenn ich schwerere Gegenstände werfe, gewinne aber Energie, wenn ich schneller werfe? Auch der Energieverbrauch muss berücksichtigt werden. Wie viel Energie sollten wir in das Ding stecken, das wir wegwerfen? In der Schule haben wir gelernt, dass die Hälfte der Masse mit dem Quadrat der Geschwindigkeit multipliziert wird. Sehen Sie, die Geschwindigkeit ist hier ein Quadrat, aber die Masse ist kein Quadrat. Eine Erhöhung der Geschwindigkeit verbraucht mehr Energie als eine Erhöhung der Masse. Wenn ein Flugzeugtriebwerk also treibstoffeffizienter sein und mehr Schub haben soll, muss es mehr Luft nach hinten blasen. Bei einem Turbofan-Triebwerk mit hohem Nebenstromverhältnis ist das vom inneren Kerntriebwerk nach hinten gesprühte Gas nicht die Hauptenergiequelle. Das Kerntriebwerk treibt die Turbine an und die Turbine treibt den Fan an. Der Ventilator dreht sich und drückt die Luft nach hinten, um Strom zu erzeugen, der die Hauptkraft darstellt. Wie wichtig ist es? Bei den Triebwerken mit hohem Nebenstromverhältnis ziviler Verkehrsflugzeuge beträgt der durch den äußeren Bypass bzw. den Fan erzeugte Schub mehr als 80 % des Gesamtschubs.

Turbofan-Triebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis sind zwar treibstoffsparender und verfügen über einen höheren Schub, sind jedoch auch groß, erzeugen also einen höheren Widerstand und sind daher für Hochgeschwindigkeitsflüge nicht geeignet. Daher sind Kampfjets immer noch mit Turbofan-Triebwerken mit niedrigem Nebenstromverhältnis ausgestattet. Darüber hinaus sind die oben erwähnte Kraftstoffeffizienz und der hohe Schub nur in geringer Höhe und bei niedriger Geschwindigkeit gegeben. In großen Höhen und bei hoher Geschwindigkeit sind sie sogar noch schlechter als Turbojets. Daher eignen sich Unterschall-Transportflugzeuge und Passagierflugzeuge am besten für Triebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis.

Welche Leistungsverbesserungen kann die Y-20 also bringen, wenn sie mit einem Turbofan-Triebwerk mit hohem Nebenstromverhältnis ausgestattet wird? Natürlich wissen wir nicht, um welches Modell es sich handelt oder welche Parameter es hat. Gemäß den zuvor genannten allgemeinen Regeln sollte sein Schub erhöht werden. Der Schub des zuvor eingebauten russischen D30kp2-Triebwerks betrug etwa 12 Tonnen. Später, nachdem es durch das WS-18 ersetzt wurde, das eine Kopie des D30 war und eine verbesserte Leistung aufwies, erhöhte sich der Schub ein wenig, wahrscheinlich weniger als 13 Tonnen. Der Schub des Triebwerks des US-Transportflugzeugs C17 kann 18,6 Tonnen erreichen. Wir sind hinsichtlich dieses neuen Triebwerks mit großem Nebenstromverhältnis zurückhaltend und sollten es nicht schaffen, es auf einmal so groß zu machen, aber selbst wenn es nur auf etwa 15 Tonnen vergrößert wird, wird es die Kampffähigkeit erheblich steigern.

Warum? Bei der Flugzeugkonstruktion wird auf das Schub-Gewichts-Verhältnis geachtet, also das Verhältnis des Gesamtschubs zum Flugzeuggewicht. Nur wenn dieses Verhältnis groß genug ist, kann das Flugzeug fliegen. Den Daten zufolge betrug das maximale Startgewicht der Y-20 zuvor 220 Tonnen, und der Schub der vorherigen vier Triebwerke betrug etwa 48 Tonnen, was etwa 0,22 entspricht. Für ein Transportflugzeug ist dies im Grunde das maximale Schub-Gewichts-Verhältnis, das fliegen kann. Dann verwenden wir dieses Schub-Gewichts-Verhältnis für die Rückwärtsberechnung. Wenn der Schub eines einzelnen Triebwerks 15 Tonnen erreicht, dann sind es bei vier Triebwerken 60 Tonnen. Dividiert durch 0,22 sind das mehr als 270 Tonnen. Dies bedeutet, dass die Y-20 nach dem Triebwerksaustausch 50 Tonnen mehr Gepäck zum Abheben transportieren kann. Diese 50 Tonnen können Fracht oder Treibstoff sein. Mit anderen Worten: Es kann entweder mehr tragen oder weiter fliegen. In Kombination mit den treibstoffeffizienteren Eigenschaften des Turbofan-Triebwerks mit großem Nebenstromverhältnis kann man ohne Übertreibung sagen, dass diese umfassende Stärke eine qualitative Verbesserung darstellt. Wenn wir konservativer vorgehen, weil unsere Technologie beispielsweise noch nicht ausgereift genug ist und der Schub dieses Triebwerks im Vergleich zum Original nicht signifikant verbessert wurde, dann kann man zumindest treibstoffeffizienter vorgehen, sodass zumindest die Y-20 weiter fliegen kann, was auch für Transportflugzeuge eine große Verbesserung darstellt.

Auch wenn sich die Leistung dieses Turbofan-Triebwerks mit hohem Nebenstromverhältnis im Vergleich zum Original nicht wesentlich verbessert, ist dies meiner Meinung nach dennoch ein sehr sinnvoller Ersatz, da unser vorheriges Triebwerk mit hohem Nebenstromverhältnis leer war. Die Fähigkeit, es zu bauen, ist bereits der erste Schritt. Nur wenn jemand es verwendet, wird jemand danach forschen, es entwerfen und herstellen. Nur dann werden sich unsere Erfahrungen auf diesem Gebiet weiter verbessern. Nicht nur Designer und Hersteller, sondern auch diejenigen, die ihn verwenden, warten und überholen – wir alle müssen diesen Motor besser verstehen und uns immer besser mit ihm vertraut machen, damit er immer fortschrittlicher werden kann. Ich hoffe aufrichtig, dass wir in Zukunft immer mehr Flugzeuge sehen werden, die mit unserem „chinesischen Herzen“ ausgestattet sind, und dass unser „chinesisches Herz“ immer stärker schlagen wird.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: Gou Sheng

Gutachter: Shen Haijun (Professor der Fakultät für Luftfahrt und Mechanik, Tongji-Universität)

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.