Youtuber 3D-druckt kleinen propanbetriebenen EDF-Afterburner

Der US-amerikanische Luftfahrt-Ingenieur und Youtuber Michael Rechtin hat einen kleinen Nachbrenner für ein Triebwerk mit elektrischem Pulsventilator (Electric Ducted Fan – EDF) entwickelt, der mittels verbrennendem Propangases für einen höheren Schub sorgt. Die Teile für den Nachbrenner hat Rechtin aus Kunststoff oder Kunstharz mit einem 3D-Drucker erstellt. Sie sind nach den Tests teilweise geschmolzen oder verbrannt. Der von Rechtin konstruierte Nachbrenner erzielt durch das in den Luftstrom des EDF eingeleitete und entzündete Propangas eine deutliche Schubsteigerung.

Im Modellbau werden häufig Impellersysteme benutzt, um Strahltriebwerke zu simulieren. Der in einem Rohr sitzende Rotor des Impellertriebwerks wird dabei von einem Elektromotor angetrieben. Von vorn einströmende Luft wird von dem Rotor angesogen, beschleunigt und schneller nach hinten ausgestoßen, um für den nötigen Schub zu sorgen.

Rechtin reichte das jedoch nicht aus. Er wollte durch einen kleinen Nachbrenner zusätzlichen Schub erzeugen. Dabei musste der Ingenieur jedoch den Aufwand gering halten und eine möglichst einfache, aber effiziente Konstruktion erstellen. Die Idee: Ein herkömmlicher EDF sorgt für den grundsätzlichen Schub. Nachgeschaltet ist eine Brennkammer, in der Propangas eingespritzt und verbrannt wird. Die dem Luftstrom zugeführte thermische Energie soll über einen Kanal und eine Düse in zusätzliche Ausströmgeschwindigkeit umgewandelt werden und so den Schub erhöhen.

In richtigen Strahltriebwerken ist das kein Problem. Die Luft wird vor der Verbrennung stark komprimiert. Erreicht sie dann den Nachbrenner, verfügt sie noch über ausreichend Druck, um sie weiter beschleunigen zu können. Bei einem EDF wird die einströmende Luft dagegen kaum komprimiert. Das kann zu einer unzureichenden Verbrennung des Propangases in der nachgeschalteten Brennkammer führen. Im schlimmsten Fall erlischt der Verbrennvorgang, weil das Propan-Luftgemisch nicht passt oder der Luftstrom zu stark ist. Hinzu kommt, dass Wärme durch zu geringen Druck in der Brennkammer verloren geht und den Schub nicht erhöht.

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Geschmolzene Brennkammer

Rechtin testete zunächst eine dem EDF nachgeschaltete Brennkammer, die er aus PLA 3D-gedruckt hatte. Das Material erwies sich aufgrund des geringen Schmelzgrades jedoch als nicht widerstandsfähig genug. Die hohen Temperaturen brachten das Material innerhalb kurzer Zeit zum Schmelzen. Ein erster Test ergab jedoch, dass der Nachbrenner prinzipiell funktionierte.

Rechtin erstellte daraufhin eine neue Version der Brennkammer und optimierte dabei die Luftströmung, die Einspritzung des Propangases und erstellte mit einem ESP32-Mikrocontroller eine Elektronik zur Regelung der mechanischen Einspritzung über eine Modellfunkfernsteuerung. Die neue Brennkammerkonstruktion wurde in einem 3D-Drucker mit Resin erstellt. Zwar wird das Resin-Harz bei Temperaturen zwischen 50 °C und 90 °C weich und verformbar, aber nicht flüssig. Bei höheren Temperaturen ab ca. 250 °C beginnt es, sich zu zersetzen, zu verkohlen und zu verbrennen. Im Video ist das zu sehen, indem einzelne brennende Fetzen aus dem Nachbrenner fliegen.

Nahezu Schubverdoppelung

Rechtin maß bei dem erneuten Test den erzeugten Schub des Triebwerks und zeichnete die Daten auf einer SD-Karte zur Auswertung auf. Rein elektrisch erzeugte das EDF bei etwa einem Viertel der Gasstellung einen Schub von etwa 2,3 N. Der zugeschaltete Afterburner sorgte für eine Schuberhöhung auf insgesamt 4 N. Bei Vollgas ergab sich ein maximaler Schub von 13,5 N. Der Ingenieur geht davon aus, dass ein noch höherer Schub durch eine bessere Regelung des Elektromotors und eines weniger schleifenden Rotors mit dieser Konstruktion erzielt werden kann.

Nach Ansicht von Rechtin haben die Tests gezeigt, dass der Nachbrenner das Potenzial hat, den Schub des EDF deutlich zu erhöhen, mindestens aber zu verdoppeln. Rechtin will nun eine neue Version aus Metall erstellen, um die Haltbarkeit zu erhöhen. Zudem sollen die Strömung und die Einspritzung des Propangases verbessert werden. Letzteres ist nötig, um den Verbrauch in akzeptablen Grenzen zu halten.