27.06.19

Fliegen mit Hyperschall: Citius, altius, fortius

Von: Dr. Heinrich Wällermann, Sektionsleiter

Bericht zum Vortrag von Dr. K. W. Naumann am 13. Juni 2019 bei der DWT-Sektion Nünberg

„Citius, altius, fortius“: Schneller, höher, stärker: Das ist nicht nur die Devise der Olympischen Spiele, sondern war auch das Motto des Vortrags von Dr. K. W. Naumann (Direktor Strategy und Geschäftsentwicklung bei der Firma BAYERN-CHEMIE, Aschau am Inn) am 13. Juni 2019 bei der DWT-Sektion Nürnberg. In der internationalen Fachwelt gehört er zu den ausgewiesenen Experten für Antriebe und für den Flug mit Hyperschall.

Hyperschall ist ein buchstäblich „heißes Thema“: Zum einen treten wegen der aerothermischen Aufheizung extrem hohe Temperaturen auf. Zum anderen befeuert es die Entwicklung aus technologischer, verkehrstechnischer und aktuell insbesondere aus sicherheitspolitischer Sicht.

Doch was steckt hinter der Technologie des Fliegens mit Hyperschallgeschwindigkeit? Was sind die physikalischen Zusammenhänge? Was sind die spezifischen Herausforderungen? Wer ist führend bei Forschung und Technologie? Welche Lösungen gibt es? Welche zeichnen sich ab? Wie ist die Situation in Deutschland?

Zu Beginn des Vortrags ging Herr Dr. Naumann auf die gasdynamischen Grundlagen, auf das Verhalten von Gasmolekülen sowie auf die zunehmende Kompressibilität der Luft bei steigenden Fluggeschwindigkeiten bzw. Machzahlen ein. Als (grobe) Definition für Hyperschall gilt eine Flugmachzahl von MACH > 5. Die kennzeichnenden physikalischen Effekte sind dabei starke Stoßwellen und eine signifikante Erwärmung der Luftgase sowohl im Stoß als auch durch die Grenzschichtreibung. Infolgedessen kommt es zu einem erheblichen Wärmestrom in die bespülten Strukturoberflächen hinein, die wiederum hohe Anforderungen an die Formgebung und Strukturbauweise von Hyperschallfluggeräten stellen.

Anhand des aus der griechischen Mythologie stammenden „Prokrustesbetts“ (siehe Fußnote 1) erläuterte Dr. Naumann das Dilemma, dass bei starken Stoßwellen und des dominierenden Wellenwiderstands zwar einerseits schlanke Körper mit scharfen Vorderkanten, wegen der Erwärmung durch die Stoßverdichtung und Grenzschichtreibung aber andererseits stumpfe Körper mit dicken Strukturen erforderlich sind.

Welche Werkstoffe, Bauweisen und insbesondere Antriebe von den Wissenschaftlern und Ingenieuren im Zuge der Entwicklung von Hyperschallfluggeräten in den vergangenen Jahrzehnten analysiert, ausgewählt und in die Tat umgesetzt wurden, füllte den Hauptteil des Vortrags. Neben etlichen Projekten in den USA und der (ehemaligen) UdSSR gab es auch in Deutschland nennenswerte Aktivitäten. Eines davon war der Hochgeschwindigkeitsflugkörper HFK I in den 1990er Jahren. Dieser Flugkörper war als Panzerabwehrflugkörper konzipiert. Ein Hochschubtriebwerk katapultierte das Geschoss innerhalb von 0,7 Sekunden auf eine Machzahl von 5,5. Im Rumpf vor dem Triebwerk waren 36 Querimpulstriebwerke für die seitliche Steuerung untergebracht. Auf den Flugversuchen aufbauend, wurden in den 2000er Jahren mit dem HFK II mit konischer Geometrie die Experimente fortgeführt. Dabei wurden bei 2 Testflügen in 2002 und 2003 Gitterflügel und Planarflügel erprobt. Bei den Testflügen wurde nach 2 Sekunden Beschleunigung eine maximale Machzahl von MACH 6,7 und 7,0 erreicht. Die dabei gewonnen Erkenntnisse sind auch noch heute von nachhaltiger Bedeutung für die Entwicklung von Lenkflugkörpern. In einem Folgeprojekt wurde 2009 in der HFK II–Brennkammer auch ein Doppelpulsmotor im Flug nachgewiesen.

Die Hyperschall-Technologie führt uns an die Grenzen der (zumindest heute) einigermaßen beherrschbaren Physik bzw. bewegt sich dort in nahezu allen Aspekten entlang, seien es der Antrieb, die Werkstoffe, die flugmechanische Kontrolle oder auch die Frage, was passiert, wenn mal etwas schief geht. Dass der Antrieb die für Hyperschallfluggeräte bestimmende Komponente ist, gilt immer, egal, ob es sich dabei um luftatmende Antriebe, Raketenmotoren, Ramjets oder SCRamjets handelt.

Vorsicht ist geboten bei der Interpretation von Veröffentlichungen, seien es Bilder, Broschüren, Videos oder Messemodelle. In einem wettbewerblichen Umfeld wird keine Organisation in ihren Broschüren oder Messemodellen den genauen Aufbau und Details vom Lufteinlauf oder von anderen Komponenten zeigen. Denn ein Fachmann kann auf die Funktionsweisen, die maximal mögliche Machzahl und Manövereigenschaften recht zuverlässig Rückschlüsse ziehen.

Derzeit hält man die USA, Russland und China für die bei Hyperschall führenden Nationen. Aber auch in UK, Frankreich und in Australien gibt es nennenswerte Forschungsaktivitäten. Deutschland hat, so befindet Dr. Naumann, die technischen Voraussetzungen, um Hyperschall-Projekte zu führen oder in entscheidender Weise daran teilzuhaben.

(1) „Prokrustes“ war ein Riese aus der griechischen Mythologie, Beiname des Polypemon oder Damastes, eines attischen Räubers in der Umgegend von Eleusis und Sohn des Poseidon. In seiner Weltgeschichte berichtet der altgriechische Geschichtsschreiber Diodor (1. Jahrhundert v. Chr.) Folgendes über den Unhold und Wegelagerer Prokrustes: Prokrustes bot Reisenden ein Bett an, aber in manchen Sagen zwang er auch Wanderer, sich auf ein Bett zu legen. Wenn sie zu groß für das Bett waren, hackte er ihnen die Füße bzw. überschüssigen Gliedmaßen ab; waren sie zu klein, hämmerte und reckte er ihnen die Glieder auseinander, indem er sie auf einem Amboss streckte. [Quelle: de.wikipedia.org/wiki/Prokrustes]