Hyperschallgeschwindigkeit

Flugkörper mit Geschwindigkeiten oberhalb Mach 5

Hyperschallgeschwindigkeit oder kurz Hyperschall (griechisch ὑπέρ hyper, deutsch ‚über‘, engl.: hypersonic) bezeichnet in der Luft- und Raumfahrt Überschallgeschwindigkeiten oberhalb der fünffachen Schallgeschwindigkeit (über Mach 5, also etwa höher als 6174 km/h).

Computersimulation der Strömung um die X-43 bei Mach 7 und laufendem Triebwerk.

Beispiele für Flugobjekte im Hyperschallbereich sind in die Atmosphäre der Erde stürzende Asteroiden, Raumfahrzeuge und Weltraummüll beim Wiedereintritt in die Atmosphäre, startende Trägerraketen und andere für solche Geschwindigkeiten konstruierte Flugkörper sowie spezielle Projektile – zum Beispiel die einer Railgun und Hyperschallwaffen.

AnwendungsfelderBearbeiten

Grundlegend ist der Wärmeschutz bei hohen Geschwindigkeiten im Zusammenhang mit dem Wiedereintritt von Flugkörpern in die Atmosphäre.

 
Wiedereintritt der Landekapsel des Mars Exploration Rover, künstlerische Darstellung, 2004

Beispiele sind:[1]

  • Das Rückschicken strategischer Aufklärungsfotos aus dem Orbit (Keyhole-Satelliten, ab 1960).
  • Die Gestaltung von Nasenspitzen ballistischer Raketen.
  • Die Rückkehr von Astronauten nach einem Mondflug.
  • Der Abwurf einer Instrumentenplattform über Jupiter.

Kategorien konkreter Planungen und Anwendungen:

  • Hyperschallprojektile einer Railgun, wie sie im Zusammenhang mit dem Rüstungsprojekt SDI vorgeschlagen wurden.
  • Raumtransportsysteme, die im Zusammenhang mit der Entwicklung des Space Shuttles diskutiert wurden, insbesondere die Rückkehrphase.
  • Hyperschall-Gleiter, die von einer Rakete in große Höhe gebracht und von dort mit Hyperschall-Geschwindigkeit ins Ziel gesteuert werden.

Zum Vergleich der Geschwindigkeit:

Bereiche der GeschwindigkeitBearbeiten

In der folgenden Tabelle werden die Geschwindigkeitsbereiche mit Mach-Zahlen, Geschwindigkeiten und Beispielen dargestellt.

Zwischen Unter- und Überschall befindet sich ein zusätzlicher Bereich: die transsonische Strömung. Hier gelten die Navier-Stokes-Gleichungen nicht mehr, da lokal bereits Überschall-Geschwindigkeiten erreicht werden.

Im Überschallbereich reagiert der Luftstrom noch nicht chemisch und der Hitzeaustausch zwischen Luft und Flugkörper kann vernachlässigt werden.

Weiterhin verwendet die NASA die Bereiche "hohe Überschallgeschwindigkeiten" und den Wiedereintritt.

Bereich (Mach) (km/h) (m/s) Anmerkungen, Beispiele für Flugkörper
Unterschall <0,8 <988 <274 Propeller- oder Strahlflugzeug. Beispiele: Ju 52 (1932) oder Airbus A380 (2005)
Transsonische Strömung 0,8–1,2 988–1.482 274–412 Bereiche mit Strömungsgeschwindigkeiten im Unter- und Überschallbereich. Erste Flugzeuge waren Me 262 (1942) und Bell X-1 (1946).
Überschall 1,2–5 1.482–6.174 412–1.715 Scharfkantiges Design für Überschallflug, Kompromisse für Unterschallflug nötig. Beispiele: F-104 Starfighter (1956) und BAC/Aérospatiale Concorde (1969).
Hyperschall 5–10 6.174–12.348 1.715–3.430 Material: Nickel oder Titan, kleine Flügel. Beispiele: Großraketen oder X-51A Waverider (2010).
Hohe Hyperschallgeschwindigkeit 10–25 12.348–30.870 3.430–8.575 Die hohen Temperaturen dominieren. Keine scharfen Kanten, dafür stumpfe Formen. Beispiele: Interkontinentalraketen, der russische Hyperschall-Gleiter Awangard (2018, bis zu Mach 27).
Wiedereintritt >25 >30.870 >8.575 Stumpfe Formen. Beispiel: Das Kommandomodul der Apollo-Kapsel (1966), Space Shuttle (1981)

ForschungBearbeiten

Hyperschall-Forschung untersucht Flüge mit Geschwindigkeiten, bei denen die aerodynamische Erwärmung zum eigentlichen Problem wird; die Grenze liegt bei Mach 5. Eine wichtige Rolle spielen Experimente und hierbei insbesondere entsprechende Windkanäle. Wichtig ist auch das Wissen aus der Strömungsmechanik.

Es gibt zwei Forschungsschwerpunkte:

  • Die Materialien für Hyperschallflugkörper müssen auftretende Temperaturen von über 1000 °C aushalten. Die aerodynamischen Eigenschaften der Luft ändern sich bei diesen Temperaturen und bei hohen Geschwindigkeiten.
  • Antriebe für solche Flugkörper; hierbei kommen (neben Raketen) insbesondere Überschall-Staustrahltriebwerke (engl.: Scramjet) zum Einsatz.[2] Die Luft wird durch die Geschwindigkeit verdichtet, mit der sie in die Brennkammer gepresst wird. Schaufelräder, wie bei anderen Triebwerken, sind hier überflüssig.

Weitere Themen:[3]

  • Untersuchung von Überschalleinläufen: Zuströmung zum Triebwerkseinlauf bei Flugmanövern
  • Thermische Belastung von Komponenten: Entwurf von angepassten Radome
  • Flugstabilität und Steuerbarkeit
  • Strömungsphysikalische Vorgänge bei Querschubsteuerung
  • Störung der Radiokommunikation mit dem Flugkörper durch das entstehende Plasma

WindkanäleBearbeiten

Zur Erforschung werden Hyperschallwindkanäle verwendet. Eine Vorstufe stellte der Überschall-Windkanal in Peenemünde dar.[4] Noch 1944 liefen Vorbereitungen für den Bau eines Hyperschall-Windkanals in Kochel, der nicht mehr begonnen wurde. Die Pläne wurden 1957 als ‘Tunnel A’ in Tullahoma, USA, umgesetzt.[5]

Der aktuell leistungsfähigste deutsche Hyperschall-Windkanal ist der H2K der Abteilung „Über- und Hyperschalltechnologien“ am „Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik“ (AS-HYP) des DLR und steht in Köln.[6]

Militärische Projekte und FlugkörperBearbeiten

Ältere ProjekteBearbeiten

In Deutschland in den späten 1930ern wurde von Eugen Sänger und Irene Sänger-Bredt der Silbervogel vorgestellt, das Konzept eines 28 Meter langen, suborbitalen Bombers, der eine Geschwindigkeit von 22.100 km/h erreichen sollte. Nach dem Krieg wurde versucht, hierfür – unter dem neuen Namen antipodal bomber (Antipoden-Bomber) – Interesse in Amerika zu wecken.

1942 wurde in Deutschland mit der Rakete V2 erstmals mit etwa 5.500 km/h die Hyperschallgeschwindigkeit erreicht. Viele grundlegende Fragen zur Hyperschallgeschwindigkeit wurden – ohne dass dieser Name schon verwendet wurde – bereits in der Heeresversuchsanstalt Peenemünde bearbeitet. Auch der erste Hyperschall-Windkanal wurde konzipiert.

In den 60er-Jahren erreichte in den USA das Versuchsflugzeug North American X-15 die Höchstgeschwindigkeit von 7.274 km/h (Mach 6,72).

In den 1960er Jahren entwickelte die USA die Sprint-Rakete. Diese Rakete diente zum Abfangen von Sprengköpfen von Interkontinentalraketen und erreichte bei einer Flugzeit von rund 15 Sekunden eine Geschwindigkeit von rund Mach 10.

In den 1970er Jahren entwickelte die Sowjetunion die 53T6-Rakete zur Raketenabwehr. Diese Abfangrakete erreichte innerhalb von 3–4 Sekunden eine Fluggeschwindigkeit von rund Mach 16.

 
Zeichnung einer X-30 in hoher Atmosphäre, 1990

Die 1983 von den USA offiziell verkündete Rüstungsinitiative SDI gab den Anstoß zu neuen Entwicklungen:

  • Mit der Rockwell X-30 begannen 1982 in den USA Planungen zu einem luftatmenden Raumtransporter und insbesondere zu seinem Triebwerk.
  • In der Sowjetunion begann 1986 die Planung des Hyperschall-Bombers Tu-2000, die 1992 endete. Im Anschluss wurde in Russland das Nachfolgeprojekt Tupolew PAK-DA verfolgt.
  • Der erste Hyperschallflug mit einem Staustrahltriebwerk gelang mit dem HFL Cholod im November 1991 in Russland.
  • 1996 wurde in den USA das Projekt X-33 vergeben, ein verkleinerter unbemannter Prototyp eines Space-Shuttle-Nachfolgers; es wurde 2001 beendet.
  • Ende der 1990er Jahre entwickelte das Lawrence Livermore National Laboratory das Konzept HyperSoar eines Aufklärungs- und Kampfflugzeugs.
  • 2004 erreichte das unbemannte Experimentalflugzeug Boeing X-43A bis zu 9,6-fache Schallgeschwindigkeit.
  • 2010/11 wurden erfolglos Testflüge mit der Falcon HTV-2 durchgeführt, die sogar Mach 20 erreichen sollte.
 
X-51 vor einer B-52, 2009

Im Mai 2010 absolvierte die United States Air Force erstmals einen erfolgreichen Testflug mit einem Hyperschall-Flugkörper. Die Boeing X-51A flog dabei etwa 200 Sekunden lang und erreichte Mach 5.[7] Sie wurde zuvor von einem B-52-Bomber ausgeklinkt.[8] Bei ihrem vierten Testflug am 1. Mai 2013 erreichte sie, nach zwei erlittenen Fehlschlägen, eine Geschwindigkeit von Mach 5,1 und flog in etwas über sechs Minuten rund 426 Kilometer weit.[9]

Aktuelle ProjekteBearbeiten

Zur Bekämpfung von Zielen auf der Erdoberfläche werden heute insbesondere zwei Konzepte verfolgt:

  • Gleitflugkörper werden von Boosterraketen auf eine Höhe von rund 100 km und die nötige Geschwindigkeit gebracht. Von diesem Punkt an gleitet der pfeilförmige Flugkörper an sein Ziel auf der Erdoberfläche. Solche Systeme können durch den Einsatz von Interkontinentalraketen als Booster jeden Ort an der Erdoberfläche erreichen und große Waffenlasten tragen. Sie können auf der anderen Seite eine gewisse Mindestgröße nicht unterschreiten und sind auf die relativ großen Startvorrichtungen für die Raketen angewiesen.
  • Hyperschall-Marschflugkörper werden von einem Staustrahltriebwerk beschleunigt. Sie sind durch ihre geringere Größe und Masse als Bewaffnung für eine größere Bandbreite von Plattformen, insbesondere Flugzeuge, geeignet, erreichen aber geringere Flugreichweiten und können weniger Waffenlast tragen als Gleitflugkörper. Die niedrigere Flughöhe von rund 30 km macht den Marschflugkörper etwas weniger leicht aufklärbar für Radar.[10]

USABearbeiten

Dem Congressional Research Service zufolge bestanden Anfang Dezember 2020 innerhalb des US-Militärs eine Reihe von Forschungsprojekten für Hyperschallwaffen:[11]

  • United States Navy: Die Marine übernimmt streitkräfteübergreifend die Entwicklung eines Hyperschall-Gleitflugkörpers an den Sandia National Laboratories. Sie nutzt dazu einen Prototyp für Mach 6, der vom Heer entwickelt und letztmals im Jahr 2017 getestet worden war. Unter dem Titel Conventional Prompt Strike soll ergänzend ein Raketensystem für den vertikalen Start von U-Booten aus entwickelt werden. Geplant ist die Einsatzbereitschaft eines ersten Systems im Jahr 2028 auf einem Boot der Virginia-Klasse.
  • United States Army: Das Heer will den gemeinsamen Gleitflugkörper und die Startrakete der Marine unter dem Namen Long-Range Hypersonic Weapon in einem Artilleriesystem mit rund 2250 km Reichweite einsetzen. Von 2021 bis 2023 sind Testflüge angesetzt. Im Jahr 2023 sollen erste Gefechtsgeschosse fertiggestellt werden. Im Jahr 2024 soll die Überführung in ein reguläres Beschaffungsprogramm erfolgen.
  • United States Air Force: Technisch weit vorangeschritten ist das System AGM-183A Air-Launched Rapid Response Weapon (AARW) der Luftstreitkräfte. Im Juni 2018 veröffentlichte die Air Force Aufnahmen eines Testflugs der Waffe. Erfolgreiche Testflüge gelangen aber erst rund ein Jahr später. Dieser vom Langstreckenbomber B-52H gestartete Marschflugkörper soll mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von Mach 6,5 bis 8 eine Flugreichweite von rund 1600 km erzielen. Die Testflüge sollen im Jahr 2022 abgeschlossen sein. Da das AARW-Programm nur zur Erforschung der technischen Möglichkeiten vorgesehen ist, wird das Programm voraussichtlich mit dem Abschluss dieser Testphase beendet. Im Februar 2020 hatte die Air Force das parallel betriebene Programm Hypersonic Conventional Strike Weapon eingestellt, da die Politik lediglich die Finanzierung eines Hyperschallprogramms in der Teilstreitkraft finanzieren wollte. Unabhängig davon befindet sich die Air Force in Gesprächen mit der Rüstungsindustrie über das Hypersonic Air-Breathing Multi-Mission Demonstrator Program, aus dem ein größerer und mit mehreren Gefechtsköpfen bestückbarer Flugkörper als aus AARW hervorgehen soll.
  • Defense Advanced Research Projects Agency: Die Rüstungsforschungsbehörde der Vereinigten Staaten arbeitet an mehreren Hyperschallprojekten. In Zusammenarbeit mit der Air Force und in Abstimmung mit dem Navy-Programm wird das Projekt Tactical Boost Glide (TBG) betrieben. Unter der Bezeichnung Operational Fires ist eine landgestützte Variante von TBG vorgesehen. Unter der Bezeichnung Hypersonic Air-Breathing Weapon Concep ist ein Hyperschall-Marschflugkörper in der Flugerprobung, die Ende des Jahres 2020 abgeschlossen sein und im Verlauf des Jahres ausgewertet werden soll.

Darüber hinaus legte die Missile Defense Agency (MDA) des US-Verteidigungsministeriums im Jahr 2017 ein Forschungsprogramm für Abwehrsysteme gegen Hyperschallwaffen auf. Nach der Einreichung zahlreicher Forschungsarbeiten vergab die MDA am 31. Oktober 2020 Aufträge für die Konzeption zugehöriger Sensoren im Erdorbit an Northrop Grumman, Raytheon, Leidos und L3Harris.

Weitere StaatenBearbeiten

  • In Frankreich lief bis 2015 das LEA-Flugprogramm.[12] Die seit 2009 eingesetzten Überschall-Marschflugkörper ASMPA (Air-Sol Moyenne Portée-Amélioré), die Nuklearsprengsätze tragen und bis Mach 3 erreichen können, sollen ab 2035 durch die Hyperschall-schnellen ASN4G (air-sol nucléaire 4ème génération) ersetzt werden[13]
  • In Indien arbeitet man seit 2005 am HSTDV (Hypersonic Test Demonstration Vehicle HSTDV), das als 2. Stufe auf eine Agni-Rakete montiert werden soll.[14] Die indisch-russische Marschflugkörper-Kooperation BrahMos soll zu einer Hyperschall-Version, BrahMos 2, mit einer Geschwindigkeit um Mach 8 und einer Reichweite von über 400 km weiterentwickelt werden. Im September 2020 absolvierte BrahMos 2 einen erfolgreichen Testflug.
 
Start einer Awangard, Dombarowski, 2018
  • Japan betreibt die Programme Hypersonic Cruise Missile und Hyper Velocity Gliding Projectile (HVGP). Zwischen den Jahren 2024 und 2028 sollen sie einsatzfähig werden und über Gefechtsköpfe zur Bekämpfung von Flugzeugträgern und zum Flächenbombardement verfügen.[15]
  • Anfang 2014 wurde der Test des chinesischen Flugkörpers DF-ZF bekannt, bei dem eine Geschwindigkeit von Mach 10 erreicht worden sein soll – damit handelt es sich um Chinas ersten Hyperschall-Flugkörper.[16][17][18] Zudem wurde im August 2018 das System Xing Kong-2 getestet, das mit einem Staustrahltriebwerk arbeitet.
  • Russland stellte 2018 drei russische Hyperschallwaffen vor:
    • Die schiffsgestützte Anti-Schiffs-Lenkwaffe SS-N-33 Zirkon, die Mach 8 erreichen soll.
    • Die Luft-Boden- bzw. Luft-Schiff-Rakete Ch-47M2 Kinschal, die Mach 10 erreichen soll.
    • Den Hyperschall-Gleiter Awangard, der bis zu Mach 27 (über 33.000 km/h) erreichen soll.

Die Fortschritte in der Hyperschall-Technik könnten weltweite Angriffe ermöglichen, die die meisten aktuellen Raketenabwehrsysteme überfordern, und ein Wettrüsten bei Hyperschall-Fluggeräten auslösen. Grundsätzlich können jedoch Abwehrsysteme, die auf das Abfangen von Mehrfachsprengköpfen ballistischer Raketen ausgerichtet sind, auch Hyperschallflugkörper erfolgreich bekämpfen. Das gilt beispielsweise für einige kampfwertgesteigerte Varianten des S-300 sowie für weite Teile der S-400-Familie.[19]

Projekte schneller (ziviler) InterkontinentalflügeBearbeiten

Nachdem das Konzept der Concorde wegen Lärm, Spritverbrauch und mangelnder Sicherheit gescheitert ist, arbeiten Hersteller an Triebwerken, die mit weniger Treibstoff genügend Schub liefern, und an aerodynamischen Konzepten, die die als Überschallknall bekannten Stoßwellen minimieren.[20]

Die Japanische Weltraumorganisation Jaxa forscht unter der Bezeichnung Hypersonic Passenger Aircraft (dt.: Hyperschall-Passagierflugzeug) an einem Fluggerät, welches Mach 5 erreichen soll und damit von Paris nach Tokio in drei Stunden fliegen würde.[21]

Die Europäische Weltraumorganisation ESA koordinierte das Projekt Long-Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies (LAPCAT) mit dem Ziel eines europäischen Hyperschall-Passagierflugzeugs (Reaction Engines A2).[22] In den Jahren 2013–15 lief das Projekt HIKARI zum gleichen Thema.[23]

Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt wurden im Rahmen der Studie Fast20XX (Future high-Altitude high-Speed Transport) bis 2012 ähnliche Fragen erforscht. Die Ergebnisse flossen in die Konzeption des SpaceLiners des DLR für 50 Passagiere.[24]

Seit 2016 testet eine internationale Forschergruppe in Australien im Rahmen des HiFiRE-Programms die grundlegenden Technologien für Hyperschallflüge.[25]

2018 legte die Chinesische Akademie der Wissenschaften eine Studie zu einem Flugzeug (I) vor, das Mach 7 erreichen soll.[26]

Die US-Firma Boeing stellte 2018 das Konzept eines Flugzeug für 150 Passagiere vor, das mit 6.200 km/h (Mach 5) in 27.000 m Höhe die Strecke von London nach New York in 2 Stunden bewältigen soll.[27]

LiteraturBearbeiten

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. https://history.nasa.gov/sp4232-part1.pdf, abgerufen am 8. Februar 2019
  2. https://history.nasa.gov/sp4232-part1.pdf, abgerufen am 8. Februar 2019
  3. https://www.dlr.de/as/desktopdefault.aspx/tabid-194/407_read-5437/, abgerufen am 14. Februar 2019
  4. http://www.museum-aggregat4.de/home.php?section=windkanal, abgerufen am 7. Februar 2019
  5. http://www.museum-aggregat4.de/pdf/Hyperschall%20am%20Herzogstand%20Vortrag%20Okt.2014.pdf, abgerufen am 7. Februar 2019
  6. https://www.dlr.de/as/desktopdefault.aspx/tabid-194/407_read-576/, abgerufen am 7. Februar 2019
  7. Scramjet stellt neuen Zeitrekord auf. In: Raumfahrer.net. 28. Mai 2010, abgerufen am 22. Dezember 2010.
  8. Spiegel Online
  9. Experimentelles Flugzeug X-51A Waverider stellt Rekord auf. Golem
  10. Stephen Reny: Nuclear-Armed Hypersonic Weapons and Nuclear Deterrence, in: Strategic Studies Quarterly, Winter 2020, Vol. 14, No. 4, S. 47-73. Abgerufen am 8 Januar 2021.
  11. Congressional Research Service: Hypersonic Weapons: Background and Issues for Congress
  12. https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a593055.pdf, abgerufen am 13. Februar 2019
  13. https://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.1080/00963402.2019.1556003?needAccess=true&, abgerufen am 13. Februar 2019
  14. https://web.archive.org/web/20120115172956/http://weapons.technology.youngester.com/2011/12/indias-hypersonic-test-demonstration.html, abgerufen am 13. Februar 2019
  15. Congressional Research Service: Hypersonic Weapons: Background and Issues for Congress
  16. China testet „Hyper-Flugkörper“. diepresse.com
  17. China tested hypersonic missile vehicle. phys.org; abgerufen am 16. Januar 2014
  18. Chinas neue Hyperwaffe. blog.zeit.de
  19. Stephen Reny: Nuclear-Armed Hypersonic Weapons and Nuclear Deterrence, in: Strategic Studies Quarterly, Winter 2020, Vol. 14, No. 4, S. 47-73. Abgerufen am 8 Januar 2021.
  20. Andreas Spaeth: In drei Stunden an jeden Punkt der Erde In: dw.com, 10. April 2021, abgerufen am 12. April 2021
  21. Rainer W. During: Paris - Tokio in drei Stunden. Abschnitt: Nasa-Experten sagen, es dauert noch 15 Jahre, letzter Absatz. Tagesspiegel, 2. Januar 2015, abgerufen am 27. Oktober 2016.
  22. LAPCAT Long-Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies. Europäische Kommission, 20. Februar 2012, abgerufen am 4. Dezember 2012 (englisch).
  23. http://ec.europa.eu/research/infocentre/article_en.cfm?artid=34656, abgerufen am 7. Februar 2019
  24. https://www.dlr.de/dlr/desktopdefault.aspx/tabid-10212/332_read-5898/#/gallery/8509, abgerufen am 12. Februar 2019
  25. In weniger als 2 Stunden von Europa nach Australien. (Memento vom 26. August 2016 im Internet Archive) EB-Monitor.com
  26. https://www.trendsderzukunft.de/ueberschallflugzeug-der-zukunft-in-zwei-stunden-von-europa-nach-australien/, abgerufen am 15. Februar 2019
  27. http://m.spiegel.de/wissenschaft/technik/boeing-mit-hyperschall-in-zwei-stunden-von-london-nach-new-york-a-1215735.html, abgerufen am 12. Februar 2019

Dieser Artikel beruht auf der Teilung des Artikels Hyperschall aus der deutschsprachigen Wikipedia in der Version vom 30. Juni 2007, 10:40. Eine Liste der Hauptautoren (History) gemäß GNU FDL ist hier zu finden.