Why were the SR-71 engines mounted so far away from each other?
Der Grundgedanke der SR-71 besteht darin, dass sie bei zunehmender Geschwindigkeit vom Turbostrahlbetrieb in einen weitgehend staustrahlartigen Betrieb übergeht. Damit dieser staustrahlähnliche Betrieb funktioniert, muss der Einlass am Triebwerk sehr effizient sein. Das heißt, dass er die Luft nicht einfach vom Überschall- auf den Unterschallbetrieb abbremst. Ein normaler Stoß (der entsteht, wenn die Luft durch ein kreisrundes Loch strömt) könnte dies tun.
Stattdessen versucht der SR-71-Einlass, so wenig Entropie wie möglich zu erzeugen, was bedeutet, dass die Luft bei Mach 3,4 auf das 38,8-fache ihres Umgebungsdrucks komprimiert wird. Bei der daraus resultierenden Temperatur kann das Turbotriebwerk nicht viel Treibstoff verbrennen und erzeugt eher einen geringen Luftwiderstand als Schub. Der größte Teil des Drucks verbleibt jedoch am Ende des Nachbrenners und reicht aus, um die Abgase durch die Düse stark auszudehnen und effizient viel Schub zu erzeugen.
Kelly Johnson war ein konservativer Ingenieur. Er hatte bereits den F-104 Starfighter entworfen, einen Abfangjäger mit Mach 2. Dieses Flugzeug hat einen fast radialsymmetrischen Einlass mit fester Geometrie. Dieser war bei den meisten Geschwindigkeiten ineffizient und würde bei einem Flugzeug mit Mach 3,4 überhaupt nicht funktionieren. Insbesondere die schrägen Stoßwellen der Einlassspitze verhalten sich an der Oberfläche nicht gut gegen den Rumpf.
Das nächste Flugzeug würde eine variable Einlassgeometrie haben. Die Einlassspitze, die die schrägen Stöße erzeugt, die für eine effiziente Kompression sorgen, müsste sich nach vorne und nach hinten bewegen. Die Stöße müssten sich gut verhalten, und deshalb müsste der Einlass völlig radialsymmetrisch sein und nur wenig mit dem Rumpf interagieren.
Der Stoß an der Nase des Flugzeugs ist jedoch bei niedrigen Machzahlen nicht stark abgewinkelt. Eine Möglichkeit, die Wechselwirkung des Triebwerks mit diesem Stoß zu vermeiden, besteht darin, den Triebwerkseinlass wie bei der MiG-21 an der Nase anzubringen. Für die Hochgeschwindigkeits-Blackbird benötigte Kelly jedoch einen Einlass, der größer war als der Rumpf. Die Nase konnte nicht groß genug sein. Und wenn er den Einlass dort anbringen würde, wäre der Rumpf hauptsächlich ein Kanal ohne Platz für Treibstoff.
Der Kompromiss besteht also darin, dass die Triebwerkseinlässe der SR-71 hinter der Schockwelle sitzen, die von der Nase des Flugzeugs erzeugt wird, aber in keiner anderen Weise mit dem Rumpf interagieren. Wenn man genau hinschaut, kann man sehen, dass die Kegel tatsächlich ein wenig zusammenlaufen, weil die schräge Stoßwelle der Nase den Luftstrom ein wenig nach außen umleitet. Die Kegel zeigen auch nach unten, weil der Rumpf im Reiseflug als Auftriebskörper wirkt und einen kleinen Anstellwinkel hat.
Die Platzierung der Triebwerkseinlässe unterliegt also doppelten Zwängen. Sie müssen weit genug vom Rumpf entfernt sein, um nicht mit der durch den Rumpf gestörten Luftströmung zu interagieren, aber sie müssen nahe genug am Rumpf sein, um bei voller Geschwindigkeit hinter dem Nasenstoß zu bleiben. Wären sie noch weiter entfernt, würde der Nasenstoß den Einlass mit einer gewissen Geschwindigkeit kreuzen, was zu einem Abheben des Einlasses und einem anschließenden Flammabriss des Motors führen würde.
(Dieses Bild zeigt eine Simulation des Stresses bei Mach 1,25. Ich konnte kein Bild des Stresses bei schnellerem Flug finden. Mit zunehmender Machzahl zieht der Stresswinkel weiter nach hinten, so dass bei Mach 3,4 der vordere Stoßdämpfer gerade noch vor den Triebwerkseinlasskegeln liegt).
So sieht ein nicht gestarteter Einlass aus. Der nominale Betriebsfall ist ein gestarteter Einlass, der eine Reihe von internen schrägen Stoßwellen hat, die die Luft abbremsen. Wenn etwas schief geht (und das ist häufig der Fall), rast der normale Stoß auf der Rückseite dieser schrägen Stöße durch den internen Luftkanal nach vorne und wird vorne aus dem Einlass herausgeblasen. Auf dem Bild links sehen Sie ihn auf halber Strecke des Einlasskonus. Der normale Stoßdämpfer ist nicht effizient, die Luft wird durch ihn nicht so stark komprimiert, so dass nicht alles in den Einlass passt und das meiste umherfliegt. Der Motor bekommt dann keine Luft mehr.
Nur eine Randbemerkung zu diesen Triebwerkseinlässen: Sie sind natürlich riesig, und bei niedriger Geschwindigkeit, z. B. beim Start, würden sie mehr Luft ansaugen, als der Kompressor einlassen kann. Daher bewegt sich der Kegel bei niedriger Geschwindigkeit nach vorne und leitet die meiste Luft um das Triebwerk herum und nicht in das Triebwerk hinein.
Bei steigender Geschwindigkeit, insbesondere bei Geschwindigkeiten über Mach 1, bewegen sich die Kegel nach hinten und lassen mehr (unkomprimiertes) Volumen in das Triebwerk. Durch den zurückgeschobenen Kegel wird der hintere Teil des Luftwegs um die Einlassspitze kleiner, so dass die Luft stärker abgebremst wird und das Druckverhältnis steigt.
Im Reiseflug befindet sich der Nasenstoß nicht in der Nähe des Einlasskegels. Vielmehr liegt er nahe an der äußeren Lippe der Gondel.