Open-Rotor-Triebwerke: Fliegen wir in zehn Jahren ohne Gondel?

Einführung: Abschied von der Triebwerksgondel und die Rückkehr eines visionären Konzepts

Seit mehr als einem halben Jahrhundert folgt die Silhouette moderner Verkehrsflugzeuge einem vertrauten Muster: ein schlanker Rumpf, gepfeilte Tragflächen und darunter montierte zylindrische Gondeln, in denen Turbofantriebwerke arbeiten. Passagiere haben sich an die geschlossenen Triebwerksverkleidungen gewöhnt, deren Einlassdurchmesser bei Großraumjets mittlerweile über drei Meter erreicht. In den Entwicklungszentren der Aerothermodynamik und auf den Prüfständen führender Triebwerkshersteller zeichnet sich jedoch ein grundlegender Wandel ab. Stellen Sie sich ein künftiges Standardrumpfflugzeug vor, unter dessen Tragflächen freiliegende, unverkapselte Schaufelblätter aus Kohlenstofffaserverbundwerkstoff rotieren – gänzlich ohne äußere Triebwerksgondel. Dabei handelt es sich keineswegs um einen Rückschritt ins Turboprop-Zeitalter, sondern um das Open-Rotor-Triebwerk, in der Fachterminologie auch als Unducted Fan (UDF) oder Propfan bezeichnet.

Die Grundidee entstand bereits während der Ölkrisen der 1970er-Jahre, wurde damals jedoch infolge sinkender Rohölpreise sowie zweier zentraler Hürden auf Eis gelegt: extremer Lärm und die metallurgischen Grenzen jener Zeit. Angesichts strenger Klimavorgaben, des Ziels von Netto-Null-Emissionen bis 2050 und der Notwendigkeit, den spezifischen Treibstoffverbrauch gegenüber modernen Triebwerken wie CFM LEAP oder Pratt & Whitney PW1000G um mindestens 20 Prozent zu senken, haben Ingenieure die Entwürfe grundlegend überarbeitet. Gestützt auf numerische Strömungssimulationen, 3D-Verbundwerkstoffe und Hochleistungs-Untersetzungsgetriebe treiben Partner wie Safran und GE Aerospace das Vorhaben im Rahmen des Technologieprogramms CFM RISE (Revolutionary Innovation for Sustainable Engines) voran. Werden Passagiere in zehn Jahren in Flugzeugen reisen, die von unverkleideten Rotoren angetrieben werden?

Schubmechanik und Effizienz: Warum die Triebwerksgondel zum Hindernis wird

Um zu verstehen, weshalb Triebwerkskonstrukteure auf die schützende Gondel verzichten wollen, hilft ein Blick auf die Gesetzmäßigkeiten der Strömungsmechanik. Die zentrale Kenngröße für die Effizienz eines Flugzeugtriebwerks ist der Vortriebswirkungsgrad ($\eta_p$). Nach den aerodynamischen Grundgleichungen von Froude erreicht ein Antrieb seinen höchsten Wirkungsgrad, wenn er eine sehr große Luftmasse um einen vergleichsweise geringen Geschwindigkeitsbetrag beschleunigt – anstatt eine kleine Luftmasse auf extreme Geschwindigkeiten zu bringen.

Dieses physikalische Prinzip prägte die Entwicklung vom reinen Strahltriebwerk hin zum Turbofan mit stetig wachsendem Nebenstromverhältnis (Bypass Ratio – BPR). Bei frühen zivilen Strahltriebwerken lag das Verhältnis von Mantelstrom zu Kernstrom bei 1:1 oder 2:1. Moderne Triebwerke für Schmalrumpfflugzeuge – wie das CFM LEAP-1A – erzielen ein Bypass-Verhältnis von etwa 11:1, während Getriebefans von Pratt & Whitney Werte um 12,5:1 erreichen. Um diesen Wert auf 50:1, 70:1 oder gar 80:1 zu steigern, muss der Fandurchmesser auf 3,5 bis 4 Meter anwachsen.

Bei diesen Dimensionen stößt die klassische Bauweise mit geschlossener Triebwerksgondel an physikalische Grenzen:

• Aerodynamischer Widerstand der Gondel: Die umströmte Außenfläche einer Vier-Meter-Gondel erzeugt bei transsonischen Reisegeschwindigkeiten (Mach 0,78–0,80) einen so hohen Reibungs- und Formwiderstand, dass dieser die thermodynamischen Effizienzgewinne des größeren Fandurchmessers weitgehend aufzehrt.
• Strukturgewicht: Der Einlaufkanal, die Triebwerksverkleidungen, Schubumkehrsysteme, akustischen Dämmmatten und Enteisungssysteme würden ein erhebliches Mehrgewicht verursachen, das die Tragflächenstruktur stark belastet und strukturelle Verstärkungen an der Zelle erfordert.
• Bodenfreiheit unter den Tragflächen: Tiefdecker verfügen über einen begrenzten Abstand zwischen Flügelunterseite und Rollbahn. Die Unterbringung einer Gondel mit vier Metern Durchmesser würde übermäßig lange, schwere und komplexe Fahrwerksbeine erfordern.

Der Verzicht auf die äußere Gondel umgeht diesen Zielkonflikt: Er erschließt eine beispiellos große Kreisfläche für den Luftdurchsatz bei minimalem Zusatzwiderstand und reduziertem Triebwerksgewicht.

Historischer Kontext: Die Lehren aus dem GE36-UDF-Programm

Das Konzept des offenen Rotors ist keine Neuentwicklung der Gegenwart. Nach den Ölschocks der 1970er-Jahre initiierte die NASA das Advanced Turboprop Project (ATP). In den 1980er-Jahren baute und erprobte General Electric das Versuchstriebwerk GE36 UDF auf Flugtestträgern – zunächst an einer modifizierten Boeing 727, später an einer McDonnell Douglas MD-80.

Aus technischer Sicht war das GE36 richtungweisend: Zwei gegenläufig rotierende Rotorkränze wurden direkt von gegenläufigen Stufen einer Niederdruckturbine angetrieben, ganz ohne zwischengeschaltetes mechanisches Getriebe. Die Flugerprobung bestätigte eine Treibstoffersparnis von über 30 Prozent gegenüber zeitgenössischen JT8D-Triebwerken. Dennoch ging das System nie in Serie.

Drei Faktoren führten damals zum Abbruch: Zu Beginn der 1990er-Jahre fiel der Ölpreis spürbar, sodass Fluggesellschaften die hohen Investitionskosten scheuten. Zudem erlaubten damalige Fertigungsmethoden und Werkstoffe noch keine strömungsmechanisch optimierten, dreidimensional geschwungenen Schaufelblätter. Der entscheidende Schwachpunkt war jedoch die hohe Lärmbelastung.

Da die beiden Schaufelkränze dicht hintereinander lagen, trafen die Wirbelschleppen und Stoßwellen der vorderen Blätter mit Überschallgeschwindigkeit auf die Vorderkanten der hinteren Schaufeln. Dies erzeugte ein schrilles, hochfrequentes Brummen, das am Boden deutlich zu hören war und in der Kabine spürbare Vibrationen hervorrief. Unter diesen Voraussetzungen war eine Zulassung nach den Lärmschutzrichtlinien der ICAO nicht zu erreichen.

Das CFM-RISE-Konzept: Moderne Lösungen für bekannte Herausforderungen

Als das Gemeinschaftsunternehmen CFM International (GE Aerospace und Safran Aircraft Engines) im Jahr 2021 das RISE-Programm (Revolutionary Innovation for Sustainable Engines) vorstellte, markierte dies die Rückkehr des Open-Rotor-Ansatzes – jedoch mit grundlegend überarbeiteter Architektur.

1. Einzelrotor mit verstellbaren Leitschaufeln (Rotor-Stator-Konfiguration)

Der wesentliche konstruktive Unterschied zum historischen GE36 besteht im Verzicht auf gegenläufige Rotorkränze. Das RISE-Konzept setzt stattdessen auf eine asymmetrische Anordnung:

• Vordere Stufe: Ein einzelner aktiver Rotorkranz mit dreidimensional profilierten, verstellbaren Schaufelblättern aus Verbundwerkstoff.
• Hintere Stufe: Ein feststehender Kranz verstellbarer Leitschaufeln (Stator), die nicht rotieren, deren Anstellwinkel sich jedoch während des Fluges kontinuierlich anpassen lässt.

Die Leitschaufeln richten den drallbehafteten Abwind des vorderen Rotors gerade und wandeln Rotationsenergie in axialen Schub um. Dadurch entfallen die aerodynamischen Interferenzen zwischen zwei bewegten Rotorkränzen, die früher die Hauptursache der extremen Geräuschentwicklung waren.

2. Faserverbundwerkstoffe: 3D-Woven-RTM-Technologie

Die Schaufelblätter eines Open Rotors arbeiten ohne den Schutz einer Gondelwand direkt in der anströmenden Luft. Sie müssen Vogelschlag, Hagel, aufgewirbelten Fremdkörpern auf der Piste (FOD) und aeroelastischem Flattern widerstehen.

Die Hersteller nutzen hierfür im 3D-Webverfahren hergestellte Kohlenstofffaserstrukturen mit Harzinjektion (3D Woven RTM – Resin Transfer Molding), ergänzt durch Schutzkanten aus einer Titanlegierung. Die Fasern werden nicht schichtweise verklebt, sondern auf rechnergesteuerten Webmaschinen dreidimensional verwoben. Das Ergebnis sind leichte, hochfeste Bauteile mit hoher Schwingungsdämpfung. Numerische Strömungsanalysen ermöglichten zudem sichelförmig geschwungene Schaufelprofile (Scimitar Blades), die das Entstehen lokaler Schockwellen an den Blattspitzen bei hohen Reisegeschwindigkeiten verzögern.

3. Mechanisches Reduktionsgetriebe (Power Gearbox)

Ein unverkleideter Rotor mit rund vier Metern Durchmesser kann nicht mit derselben Drehzahl betrieben werden wie die antreibende Turbine. Bei zu hohen Drehzahlen würden die Blattspitzen weit in den Überschallbereich vordringen ($M > 1,0$), was drastische Wirkungsgradverluste und unzulässigen Lärm zur Folge hätte. Die Niederdruckturbine im Triebwerkskern arbeitet thermodynamisch hingegen erst bei sehr hohen Drehzahlen von über 10.000 Umdrehungen pro Minute optimal.

Das Herzstück des Systems bildet daher ein Planeten-Untersetzungsgetriebe (Power Gearbox – PGB). Es entkoppelt die Wellen und ermöglicht es der Kernturbine, im optimalen thermischen Wirkungsgradbereich zu laufen, während der Fan auf wenige hundert Umdrehungen pro Minute heruntergeregelt wird. Das Getriebe muss Leistungen im zweistelligen Megawattbereich übertragen und dabei einen mechanischen Wirkungsgrad von über 99 Prozent gewährleisten, was ein leistungsfähiges Schmier- und Kühlsystem verlangt.

Akustik: Einhaltung strenger Lärmgrenzwerte

Für Zulassungsbehörden wie EASA und FAA sowie Flughafenanwohner ist entscheidend, ob ein gondelloses Triebwerk die bestehenden Schallschutzvorgaben erfüllen kann.

Die ICAO-Vorgaben nach Anhang 16, Kapitel 14 setzen strenge Obergrenzen für den Lärmteppich bei Start, Vorbeiflug und Landeanflug. Die Entwickler des RISE-Programms streben an, die Anforderungen von Kapitel 14 nicht nur einzuhalten, sondern um 3 bis 5 EPNdB (Effective Perceived Noise in Decibels) zu unterbieten. Damit würde das System das akustische Niveau moderner, gekapselter Turbofans erreichen.

Diese Lärmminderung basiert auf konstruktiven Maßnahmen:

• Begrenzung der Blattspitzen-Machzahl ($M_{\text{tip}}$): Durch die Getriebeuntersetzung bleibt die Umfangsgeschwindigkeit der Schaufelenden in Steig- und Anflugphasen deutlich im Unterschallbereich, was das Abreißen von Stoßwellen verhindert.
• Variable Blattverstellung (Variable Pitch): Die Anpassung des Schaufelanstellwinkels an jede Flugphase sorgt für eine anliegende Strömung und verhindert Strömungsabrisse bei Schubwechseln.
• Psychoakustische Statorabstimmung: Der axiale Abstand zwischen rotierenden Blättern und feststehenden Leitschaufeln ist so abgestimmt, dass sich entstehende Schallfrequenzen gegenseitig dämpfen.

Zellenintegration: Wo wird das Triebwerk platziert?

Die Montage eines Rotors mit vier Metern Durchmesser stellt Flugzeugbauer vor geometrische Aufgaben, die eine Anpassung bewährter Flugzeugzellen erfordern.

1. Unterflügelmontage (Under-Wing Mounting)

Die traditionelle Unterflügelanordnung ist aus statischen Gründen und zwecks einfacher Wartung bei Fluggesellschaften bewährt. Bei einem Vier-Meter-Rotor verlangt dies jedoch konstruktive Anpassungen:

• Den Wechsel zu einer Schulterdecker-Konfiguration (ähnlich militärischen Transportflugzeugen wie dem A400M), was Rumpfstruktur und Kabinenlayout verändert, oder...
• Den Einsatz deutlich verlängerter Fahrwerksbeine, um den nötigen Bodenabstand zu gewährleisten – was jedoch Mehrgewicht mit sich bringt und Abfertigungsprozesse am Flugsteig erschwert.

2. Heckmontage am Rumpf (Rear-Fuselage Mounting)

Eine realistische Option ist die Anordnung der Triebwerke an Pylonen am Rumpfheck, kombiniert mit einem T- oder U-Leitwerk – vergleichbar mit Mustern wie der MD-80 oder der Boeing 717.

Diese Konfiguration hält die Tragflächen aerodynamisch frei und umgeht das Problem der Bodenfreiheit. Zudem schirmen Rumpf und Leitwerk den Triebwerkslärm teilweise nach unten hin ab. Allerdings erfordert dieser Aufbau eine verstärkte hintere Druckkalotte und verschiebt den Schwerpunkt des leeren Flugzeugs nach hinten, was die Trimmung bei unterschiedlichen Beladungszuständen anspruchsvoller macht.

3. Schutz bei Schaufelbruch (Uncontained Blade Failure)

Klassische Turbofangondeln enthalten einen ballistischen Schutzring aus Kevlar und Titan. Bricht eine Schaufel infolge von Materialermüdung oder Fremdkörpereinwirkung, fängt dieser Ring die Trümmerteile im Gehäuse ab, um den Rumpf vor Beschädigungen und Druckverlust zu schützen.

Ein Open-Rotor-Antrieb besitzt keinen äußeren Fangring. Löst sich ein Schaufelblatt unter hoher Zentrifugalkraft, wird es ungedämpft nach außen geschleudert. Für eine Musterzulassung müssen Hersteller daher gepanzerte Verbundwerkstoffzonen im Rumpf in Höhe der Rotationsebene vorsehen oder die Triebwerke so weit hinten anordnen, dass wegfliegende Trümmer weder die Passagierkabine noch primäre Steuerleitungen treffen können.

Zukunftskraftstoffe: Auslegung auf SAF und Wasserstoff

Das Open-Rotor-Konzept des RISE-Programms ist von Beginn an als multifunktionale Antriebsplattform ausgelegt. Die Brennkammern sind für den Einsatz von 100 Prozent nachhaltigen Flugkraftstoffen (Sustainable Aviation Fuels – SAF) konstruiert, seien es biogene Treibstoffe oder synthetische Power-to-Liquid-Kraftstoffe.

Darüber hinaus gilt die offene Bauweise als geeignete Grundlage für die direkte Verbrennung von flüssigem Wasserstoff ($H_2$), wie sie im Airbus-Forschungsprojekt ZEROe untersucht wird. Die Verbrennung von Wasserstoff erzeugt Wasserdampf und verlangt angepasste thermodynamische Bedingungen im Kern. Das große Luftvolumen des Außenstroms bietet hier günstige Voraussetzungen zur Kühlung von Wärmetauschern bei niedrigen Stickoxidemissionen ($NO_x$).

Zeitplan für Entwicklung und Erprobung

Der Weg vom Technologieprogramm zum zugelassenen Passagierflugzeug folgt festen Entwicklungsstufen:

• 2026–2027: Umfassende Prüfstandläufe von Triebwerkskomponenten und Demonstratoren im Maßstab 1:1 in den Werken von Safran und GE Aerospace.
• Um 2028: Beginn der Flugerprobung auf dem Flugtestträger Airbus A380 MSN001. Das Triebwerk wird an einem Pylon am vorderen Oberdeck des A380 installiert, um Strömungsverhalten, Akustik und Schwingungsverhalten unter realen Reiseflugbedingungen zu testen.
• Ab Mitte der 2030er-Jahre: Angestrebte Indienststellung im Linienverkehr. Verläuft das Erprobungsprogramm erfolgreich, könnte die Technologie als primäre Antriebsoption für die Nachfolgegeneration heutiger Schmalrumpfflugzeuge bereitstehen.

Fazit: Neues Erscheinungsbild am Himmel

Das Open-Rotor-Konzept zeigt, wie bewährte Ideen durch moderne Werkstoffe, Fertigungsmethoden und Regelungstechnik neu bewertet werden können. Was vor vier Jahrzehnten an technischen Grenzen scheiterte, gilt heute als vielversprechender Weg zur Steigerung der Treibstoffeffizienz im gewerblichen Luftverkehr.

Für Fluggäste wird der Anblick frei rotierender Schaufeln außerhalb der Kabine zunächst ungewohnt sein. Doch die zivile Luftfahrt zeichnet sich durch stetige technische Anpassungen aus. Bestätigen sich die Verbrauchs- und Lärmziele in den anstehenden Flugtests, dürften künftige Flugzeuge auf konventionelle Triebwerksgondeln verzichten, um den Treibstoffverbrauch spürbar zu senken.