Wie die Entwicklungen im Bereich der Hyperschalltechnik die Zukunft der Luft- und Raumfahrt prägen

Im Verlauf der letzten Jahrzehnten hat sich das Verständnis und die Anwendung von Hyperschalltechnologie rasant weiterentwickelt. Besonders auffällig ist die Rolle von Ländern wie Australien, China und Indien, die zunehmend zu maßgeblichen Akteuren in diesem Sektor wurden. Während in den 2000er Jahren das Vertrauen in die Fähigkeit von CFD (Computational Fluid Dynamics), reaktive und Überschallströmungen in 2D oder gar 3D zu simulieren, noch begrenzt war, haben sich seither die Möglichkeiten zur Simulation und Vorhersage derartiger Strömungen erheblich erweitert.

Besondere Aufmerksamkeit erregte die Veröffentlichung von Informationen über AYAKS zu Beginn der 2000er Jahre, die die Bedeutung der endothermen Treibstoffkühlung unterstrich. Dieser Aspekt ist eng mit dem Thema Entropie verbunden und spielt eine Schlüsselrolle in Bezug auf den Luftwiderstand und die Triebwerksleistung. Diese Themen werden zwar in wenigen Lehrbüchern behandelt, sind jedoch entscheidend für das Design effizienter Hyperschallfahrzeuge.

Zudem zeigte sich, dass die Auswirkungen der Numerik auf die Vorhersagen in den frühen Jahren entweder ignoriert oder nicht verstanden wurden. Die neueren Fortschritte in der Diagnostik haben es mittlerweile ermöglicht, Messungen in reaktiven und nicht-reaktiven Mischungen, selbst bei sehr hohen Geschwindigkeiten, mit einer Präzision durchzuführen, die früher undenkbar war. Dies hat die Entwicklung und Verfeinerung von Hyperschall-Simulationsmodellen und SCRJ-Triebwerken maßgeblich unterstützt.

Die grundlegenden Probleme der kompressiblen turbulenten Mischung, die in verschiedenen Fachzeitschriften behandelt werden, spiegeln sich in vielen frühen Arbeiten wider, deren Erkenntnisse aus Sicherheitsgründen lange Zeit nicht der breiten Öffentlichkeit zugänglich waren. Heute werden jedoch zunehmend 3D-Simulationen von Hyperschallströmungen veröffentlicht, die es ermöglichen, auch die feinsten Details des Strömungsverhaltens zu analysieren.

Der militärische Aspekt von Hyperschalltechnologien, der in den 90er Jahren noch als spekulativ galt, ist mittlerweile Realität. Die militärische Nutzung von luftatmenden Hyperschallflugzeugen ist nicht mehr nur ein technisches Kuriosum, sondern eine dringende Notwendigkeit. Diese Entwicklungen werfen jedoch auch wichtige sicherheitspolitische Fragen auf, insbesondere in Anbetracht der Spannungen zwischen den USA und Russland, die in der Ära nach dem Kalten Krieg nie so präsent waren.

Diese Entwicklungen und die damit verbundenen Herausforderungen sind nicht nur von technischer Bedeutung, sondern haben auch tiefgreifende geopolitische und sicherheitspolitische Implikationen. Das zunehmende Interesse an Hyperschallwaffen und deren Integration in die militärischen Strategien der Großmächte macht es erforderlich, dass Wissenschaftler und Ingenieure weiterhin sorgfältig abwägen, welche technologischen Durchbrüche tatsächlich notwendig sind und welche potenziellen Risiken mit ihrer Anwendung verbunden sind.

Das Verständnis der physikalischen Prinzipien hinter Hyperschallflugzeugen und deren Triebwerken wird in dieser Zeit entscheidender als je zuvor. Während die Vergangenheit sich vor allem auf die Forschung und theoretische Fundierung konzentrierte, steht die Zukunft der Hyperschalltechnik im Zeichen der praktischen Anwendung und der Weiterentwicklung bestehender Systeme. Die Herausforderungen im Bereich der Energieumwandlung, Entropieminimierung und der Optimierung von Exergie müssen dabei weiterhin im Fokus bleiben.

Zusätzlich zur technischen Perspektive ist es für den Leser wichtig, sich bewusst zu machen, dass die Entwicklung von Hyperschalltechnologie nicht nur auf den Fortschritten in der Aerodynamik und Thermodynamik basiert, sondern auch auf einer engen Zusammenarbeit zwischen Theorie und experimenteller Praxis. Die Fortschritte in der Experimentiertechnik, speziell im Bereich der Messmethoden, haben es ermöglicht, die Eigenschaften von Hyperschallströmungen mit einer Genauigkeit zu erfassen, die vor wenigen Jahrzehnten noch unvorstellbar war. Diese innovativen Techniken sind für den Fortschritt in der Hyperschallforschung von entscheidender Bedeutung und erfordern eine ständige Weiterentwicklung und Anpassung an die sich ändernden Anforderungen.

Wie die Pyrolyse und Reformierung von Kohlenwasserstoffen die Leistung hypersonischer Antriebe verbessert

Ein weiterer vielversprechender Bereich sind teilweise oxidierte Brennstoffe (POF), die als Brennstoffe für hypersonische Anwendungen vorgeschlagen wurden. Sie bieten beim thermischen Cracken eine Kühlfähigkeit und eine geringere Rußbildung im Vergleich zu traditionellen Kohlenwasserstoffen, was sie zu einem wesentlichen Vorteil macht. Beispiele für solche Brennstoffe sind Methanol, Glyme (CH3–O–(C2H4)–O–CH3) und Ethanediol (HO–O–(C2H4)–OH). Diese beiden Letztgenannten können endotherm geknackt oder reformiert werden. Eine jüngste Untersuchung zur Pyrolyse von Alkoholen und LHC-Brennstoffen zur Kühlung des Einlasslufts und zur Steigerung des spezifischen Impulses (Isp) von TBCC ist in der Studie von Cong et al. (2021) zu finden. Hier wurde gezeigt, dass die physikalische Wärmesenke von Methanol durch eine Erhöhung der Verweilzeit auf etwa 6 Sekunden nahezu verdoppelt werden könnte, was bei einer Temperatur von 800 K zu einem Wert von ca. 4 MJ/kg führt.

Der größte Teil der Produkte aus der Pyrolyse von POF besteht aus Wasserstoff, dessen Volumenanteil weniger vom Druck und mehr von der Temperatur abhängt. Ein Beispiel zeigt das Verhalten von Methanol, das durch Pyrolyse zu Wasserstoff führt. Die Bildung von H2 erhöht den spezifischen Impuls, was für Hyperschallflugzeuge, die hohe Machzahlen erreichen müssen, von entscheidender Bedeutung ist (Bruno und Filippi, 2002).

Die Wirkung der Pyrolyse von POF auf die Bildung leichterer Spezies und Wasserstoff trägt zur Erhöhung des Isp bei. Der spezifische Impuls wird jedoch durch den Mach-Wert und damit durch die Flugbahn beeinflusst. Ein hypothetisches Szenario, das auf einem beschleunigten Steigflug bei konstantem q = 1800 psf basiert, zeigt, wie sich der Isp mit der Flugbahn verändert. Dabei wurde ein Wert des spezifischen Impulses als Funktion des idealen Heizwerts des Brennstoffs berechnet, wobei Wasserstoff eine ideale thermische Energie von etwa 140 MJ/kg aufweist.

Die Änderung des spezifischen Impulses wird durch die Dichte des Brennstoffs beeinflusst. Einige flüssige Kohlenwasserstoffe (LHC) und POF, wie etwa MCH (Methylcyclohexan) oder speziell entwickelte Brennstoffmischungen wie das russische T-15, bieten als Wärmequellen bei Pyrolyse eine bessere Kühlleistung als JP-Kraftstoffe, insbesondere bei Temperaturen zwischen 800 und 1200 K. LNG (Flüssiggas), das bei etwa 112 K gelagert wird, hat einen Heizwert von 42 MJ/kg und wirkt als physikalische Wärmesenke bis Mach 6–8.

Die Vaporisation und Pyrolyse von Brennstoffen erhöhen den Gaskonstanten R des Gasgemisches, indem sie LHC in kleinere Moleküle aufbrechen. Diese Eigenschaft ermöglicht es, mechanische Arbeit in Form von RT aus dem pyrolysierenden Brennstoff zu extrahieren, um Bordhilfsysteme wie elektrische Generatoren anzutreiben.

Die Verwendung von regenerativer Kühlung, wie sie durch den Einsatz von Wasser anstelle von Brennstoff zur Kühlung der Vorderkante von Lufteinlässen getestet wurde, zeigt, dass Temperaturen von etwa 440 K in einem Luftstrom mit einer Gesamttemperatur von 3000 K aufrechterhalten werden können. Pyrolyseprodukte, die beim Cracken von Brennstoffen entstehen, können auch als zusätzliche Wärmequelle für die Expansion und Injektion des Gases in die Brennkammer genutzt werden. Dies erhöht den kinetischen Energiegehalt des Treibstoffs und steigert somit den Schub.

In Hyperschallflugzeugen wird die effiziente Nutzung der Kühlkapazitäten von LH2 zunehmend wichtiger, da ab Mach 10 der Schubspielraum, der Unterschied zwischen Schub und Widerstand, nahezu null wird. In diesem Zusammenhang sind auch Arbeiten zur Sauerstoffzusatzbeimischung in SCRJ- oder RJ-Verbrennungssysteme von Bedeutung, da flüssiger Sauerstoff oder sauerstoffreiche Verbindungen dem Brennraum hinzugefügt werden können, um die Verbrennung zu optimieren.