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Reaktion
Hyperschallflugzeuge benötigen neue Triebwerkstechnologie
"Ich habe meine Karriere damit verbracht, Dinge schnell zu fliegen", sagt Adam Dissel, der die US-Aktivitäten von Reaction Engines leitet.
Das britische Unternehmen baut Motoren, die mit schwindelerregenden Geschwindigkeiten betrieben werden könnenunter Bedingungen, die vorhandene Strahltriebwerke zum Schmelzen bringen würden.
Das Unternehmen möchte eine Überschallgeschwindigkeit von mehr als der fünffachen Schallgeschwindigkeit von etwa 6.400 km / h oder Mach 5 erreichen.
Die Idee ist, bis 2030 einen Hochgeschwindigkeits-Personenverkehr zu bauen. "Es muss nicht bei Mach 5 gehen. Es kann Mach 4.5 sein, was die Physik einfacher macht", sagt Dissel.
Bei solchen Geschwindigkeiten können Sie in vier Stunden von London nach Sydney oder in zwei Stunden von Los Angeles nach Tokio fliegen.
Die meisten Forschungen zum Hyperschallflug sind jedoch nicht für die Zivilluftfahrt bestimmt. Es stammt aus dem Militär, wo es in den letzten Jahren einen Aktivitätsschub gegeben hat.
"Zoo der Systeme"
James Acton ist ein britischer Physiker, der für die Carnegie Endowment for International Peace in Washington arbeitet. Er untersucht die Bemühungen der USA, Chinas und Russlands mit Hyperschallwaffen und kommt zu dem Schluss, dass "ein ganzer Zoo von Hyperschallsystemen auf dem Reißbrett steht".
Spezielle Materialien, die der extremen Hitze um Mach 5 und einer Vielzahl anderer Technologien standhalten, ermöglichen einen Hyperschallflug in der Erdatmosphäre.
Mehr Technologie des Geschäfts
Experimente im pilotierten Hyperschallflug gehen auf Amerikas X-15-Raketenflugzeug der 1960er Jahre zurück. Intercontinental Ballistic Missiles (ICBMs) gelangen ebenfalls mit sehr hohen Hyperschallgeschwindigkeiten wieder in die Atmosphäre.
Jetzt bemühen sich rivalisierende Mächte, Waffen zu entwickeln, die in der Atmosphäre bleiben können, ohne die Kühleigenschaften des Weltraums nutzen zu müssen, und die – im Gegensatz zu einem statischen ICBM, das auf eine Stadt gerichtet ist – auf ein Ziel gerichtet werden können, das sich möglicherweise selbst bewegt.
Trägermörder
Die Militärausgaben treiben den Hyperschallschub der drei großen Nationalspieler voran.
In einem kürzlich abgehaltenen Pentagon-Medienbriefing sprach Mike White, stellvertretender Direktor für Hyperschall beim US-Militär, darüber, dass die Entwicklung von "unseren Großmachtkonkurrenten und ihren Versuchen, unsere Domain-Dominanz in Frage zu stellen" angetrieben wird.
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Getty Images
China zeigte seine Hyperschallwaffe bei einer Parade im Jahr 2019
Die Genauigkeit ist eine große Herausforderung für diese Hyperschallraketen.
Der bloße Besitz von Hyperschallraketen, die als "Carrier-Killers" bezeichnet werden, könnte US-Flugzeugträger dazu zwingen, sich weit von der chinesischen Küste im mittleren Pazifik fernzuhalten.
Um jedoch einen Flugzeugträger mit Atomantrieb zu treffen, der mit 30 Knoten oder mehr (35 km / h oder 56 km / h) fährt, müssen Feinabstimmungen des Kurses einer Rakete vorgenommen werden, die bei Mach 5 schwer zu erreichen sind.
Die Wärme, die um die Haut eines Flugkörpers erzeugt wird, erzeugt bei Überschallgeschwindigkeit eine Hülle aus Plasma oder gasförmiger Materie.
Dies kann Signale blockieren, die von externen Quellen wie Kommunikationssatelliten empfangen werden, und interne Zielsysteme blenden, die versuchen, nach außen zu sehen, um ein sich bewegendes Objekt zu lokalisieren.
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Die Nase eines Hyperschallflugzeugs müsste extremen Temperaturen standhalten
Plasma baut sich nur dort auf, wo die höchste Temperatur gefunden wird.
Eine konisch geformte Rakete weist eine gleichmäßige Plasmabeschichtung auf, aber Raketen, die Pfeilen mit glatten Flügeln ähneln, können diesen Plasmabildschirm von Oberflächen wegdrücken, die die empfindlichsten Antennen enthalten.
Haifischbacken
Als ob der Hyperschallflug nicht schwierig genug wäre, trägt die chemische Dissoziation zu den Problemen bei.
Bei extremen Geschwindigkeiten und Temperaturen führt dieses Phänomen dazu, dass die Atome, die Sauerstoffmoleküle zusammenhalten, zusammenbrechen.
Dies verkompliziert wiederum das chemische Modell, auf dem jeder luftatmende Motor basiert.
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Die X-51A flog mit Mach 4.5
Die Fortschritte beim Hyperschall-Wettrüsten waren dramatisch. Im Jahr 2010 flogen die USA fünf Minuten lang mit einem unbemannten Flugzeug mit Haifischbacken mit Überschallgeschwindigkeit über einen Abschnitt des Pazifischen Ozeans.
Das Ziel war mehr als nur Geschwindigkeit. Es war an der Zeit.
Fünf Minuten klingen vielleicht nicht nach einer langen Flugzeit, aber in Bezug auf die Überwindung von Hyperschallbarrieren war es ein Triumph.
Diese Geschwindigkeitsmaschine, die X-51A, wurde von einem hochfliegenden B-52-Bomber abgeworfen und erreichte mit einem Raketenverstärker Mach 4.5, bevor der Hauptmotor ansprang.
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Der X-15 war ein Vorreiter der 1960er Jahre
Dieses als Scramjet bekannte Triebwerk kombinierte den Luftstrom zu einem gezackten Einlass mit Düsentreibstoff – um auf Hyperschallgeschwindigkeit zu beschleunigen.
Das bedeutete, einige Minuten lang mit Lufttemperaturen fertig zu werden, die bei 1.000 ° C in den Einlass eintraten. Vier X-51As unternahmen zwischen 2010 und 2013 eine einfache Fahrt über den Pazifik.
Stoßwellen
Aerojet Rocketdyne ist ein Spezialist für Raumfahrt- und Raketentriebwerke in Kalifornien, der an der X-51A gearbeitet hat. Es ist ein Maß für die Geheimhaltung dieser Technologie, dass die Mitarbeiter auch sieben Jahre nach Projektende nur unter der Bedingung der Anonymität sprechen.
Ein Hyperschall-Experte der Firma sagt über den X-51A: "Der wirklich heiße Teil der Maschine befindet sich vorne, wo sich Stoßwellen bilden, also geht die Investition in Materialien dahin."
Er sagt, dass viel aus dem X-15-Raketenflugzeug der 1960er Jahre und aus dem anschließenden Space-Shuttle-Programm gelernt wurde.
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Reaktion
Reaction Engines hat einen Vorkühler entwickelt, um die in den Motor eintretende Luft zu kühlen
Reaction Engines hat nun einen Prozess demonstriert, der es seinem Flugmotor ermöglichen soll, überhitzte Überschallluft ohne Schluckauf aufzunehmen.
Sein Sabre-Motor enthält einen sogenannten "Vorkühler". Dies ist der erste Teil des Motors, der auf die tobende heiße Hyperschallluft trifft.
Die Herausforderung besteht dann darin, es mit Kraftstoff zu mischen, um Schub zu erzeugen.
So heiß wie Lava
Das Sabre-Triebwerk wurde im Oktober 2019 an einem Standort in Colorado einem intensiven Test unterzogen, bei dem Reaction Engines einen Weg finden mussten, um die Überschallluftgeschwindigkeit zu reproduzieren.
Die Firma nahm einen Überschallmotor, nagelte ihn fest und leitete die Luft, die aus dem Heck strömte, in den Einlass des Sabre-Motors.
Der Sabre-Vorkühler hat seine Aufgabe erfüllt, indem er Kühlmittel mit hohem Druck in das System geleitet und es Sabre ermöglicht hat, diese Luft mit Kraftstoff zu mischen.
Die hier benötigten Materialien sind nicht einfach. Das Space Shuttle stützte sich auf Keramikfliesen aus Verbundwerkstoffen, die als Ablative bekannt sind, um es während des weißglühenden Wiedereintritts in die Erdatmosphäre abzuschirmen.
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Hermeus
Die US Air Force prüft derzeit einen möglichen Hyperschall-Präsidentenjet
Ein alternativer Ansatz für Ablative besteht darin, eine Nickellegierung namens Inconel zu verwenden, die einen Luftstrom bewältigen kann, der auf die gleiche Intensität wie ein Lavastrom erwärmt wird.
Laut Dissel geht Reaction Engines nun diesen Weg der Inconel-Legierung. "Dort sind wir jetzt und betreiben auch Kühlkanäle, um die Wärme abzusaugen", sagt er.
Ein ausgeklügeltes Wärmemanagementsystem in Kombination mit Inconel weist den Weg in die Zukunft.
Hyperschallführer
Wenn diese Kombination funktioniert, könnte die Vision, Passagiere auf einem Hyperschallflug zu bezahlen, innerhalb von 15 Jahren Wirklichkeit werden.
Das Potenzial für Hyperschallreisen, VIPs mit maximaler Wirkung eintreffen zu lassen, wurde von der US Air Force-Einheit entdeckt, die sich mit Präsidentenjets befasst.
Es hat in Auftrag gegeben Das in Atlanta ansässige Hyperschall-Start-up Hermeus Bewertung eines Mach 5-Transportdesigns für bis zu 20 Passagiere.
Dies bedeutet, dass der Präsident der Vereinigten Staaten in Zukunft eines Tages einer sehr ausgewählten Gruppe von Mach 5-Reisenden beitreten könnte.