Hyperschallgeschwindigkeit

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

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).

Beispiele für Flugobjekte im Hyperschallbereich sind in die Atmosphäre der Erde stürzende Asteroiden, Raumfahrzeuge beim Wiedereintritt in die Atmosphäre, viele Raketen, für solche Geschwindigkeiten konstruierte Flugkörper sowie spezielle Projektile – zum Beispiel die einer Railgun und Hypersonic Weapons.

Anwendungsfelder

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  :

• 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:

• Hyperschallbomber, wie sie bereits Ende der 1930er-Jahre vorgeschlagen wurden.
• 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-Flugkörper mit Antrieb, gegen die die meisten Raketenabwehrsysteme wirkungslos sind.
• Hyperschall-Gleiter, die von einer Rakete in große Höhe gebracht und von dort mit Hyperschall-Geschwindigkeit ins Ziel gesteuert werden.
• Schnelle Flugreisen von Europa nach Australien oder Japan.

Zum Vergleich der Geschwindigkeit:

• Die Projektile von Schusswaffen erreichen meist keine Hyperschallgeschwindigkeit.
• die Mündungsgeschwindigkeit des Hochleistungs-Geschosses DM53, das im Leopard 2 verwendet wird, beträgt bis zu 1.750 m/s, also mehr als fünffache Schallgeschwindigkeit.
• Die Orbitalgeschwindigkeit beispielsweise eines Space Shuttles liegt bei circa 7.700 m/s.

Bereiche der Geschwindigkeit

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 A 380 (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) and BAC/Aérospatiale Concorde (1969).
Hyperschall	5–10	6.174–12.348	1.715–3.430	Material: Nickel oder Titanium, 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)

Forschung

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. 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 :

• Untersuchung von Überschalleinläufen: Zuströmung zum Triebwerkseinlauf bei Flugmanövern
• Thermische Belastung von Komponenten: Entwurf von angepassten Radome
• Flugstabilität und Steuerbarkeit
• Strömungsphysikalische Vorgänge bei Querschubsteuerung

Windkanäle

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

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.

Militärische Projekte und Flugkörper

Zeichnung eines Silbervogels

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 (Amerikabomber), 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 die Hyperschallgrenze überschritten. 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).

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 Überschallflug 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 US-Luftwaffe erstmals einen erfolgreichen Testflug mit einem Hyperschall-Flugkörper. Die Boeing X-51A flog dabei etwa 200 Sekunden lang und erreichte Mach 5. Sie wurde zuvor von einem B-52-Bomber ausgeklinkt. 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.

Auch in anderen Ländern wird geforscht:

• In Frankreich lief bis 2015 das LEA-Flugprogramm. 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 4èmegénération) ersetzt werden
• In Indien arbeitet man seit 2005 am HSTDV (Hypersonic Test Demonstration Vehicle HSTDV), das als 2. Stufe auf eine Agni-Rakete montiert werden soll. 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.

Start einer Awangard, Dombarowski, 2018

• 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.
• 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 demnächst weltweite Angriffe innerhalb weniger Minuten ermöglichen. Das würde die Reaktionszeit drastisch verkürzen, die meisten aktuellen Raketenabwehrsysteme überfordern und könnte ein Wettrüsten bei Hyperschall-Raketen und -Fluggeräten auslösen. Zu den führenden Staaten werden China, Russland und die USA gezählt.

Projekte schneller (ziviler) Interkontinentalflüge

Nachdem das Konzept der Concorde wegen Lärm, Spritverbrauch und mangelnder Sicherheit gescheitert ist, gibt es weiterhin Bedarf an schnellen Interkontinentalreisen. Hersteller arbeiten an Triebwerken, die mit weniger Treibstoff genügend Schub liefern und gleichzeitig die als Überschallknall bekannten Stoßwellen minimieren. Zumeist werden Überschallflugzeuge vorgeschlagen. Es gibt aber auch Konzepte für Hyperschallflugzeuge. Aufgrund der geringen Erfahrungen mit Hyperschallflugzeugen wird bei diesen jedoch von einem weit längeren theoretischen Entwicklungszeitraum (mindestens 20 Jahre) ausgegangen.

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.

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

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.

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

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

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.

Literatur

• T. A. Heppenheimer: Facing the Heat Barrier: A History of Hypersonics, Part 1 (PDF; 1,0 MB) und Part 2 (PDF; 496 kB) und Part 3 (PDF; 876 kB) NASA History Series, 2006

Einzelnachweise

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.