Erklärung: Warum Wissenschaftler an der Hyperschall-Reise scheitern

Die berühmten Concorde-Flugzeuge, die Transatlantische Flüge in unter 3, durchführen konnten, flogen mit Überschallgeschwindigkeit. Concorde-Flugzeuge konnten mit Mach 2 oder dem Doppelten der Schallgeschwindigkeit fliegen, was heutige Kampfflugzeuge problemlos erreichen.

Für einen Flug als hypersonisch zu gelten, muss er jedoch eine Geschwindigkeit 5 erreichen, also mindestens fünfmal der Schallgeschwindigkeit. Bei diesen unglaublichen Geschwindigkeiten verhält sich die Luft anders als bei anderen Flügen.

Wenn ein Objekt mit hypersonischer Geschwindigkeit fliegt, stößt es nicht nur auf Widerstand durch die Luft vor sich, sondern komprimiert diese auch. Die Kompression erzeugt Hitze, die 3.500 Grad Fahrenheit (~1.900 Grad Celsius) überschreiten kann.

Was die Studie zeigt

Bei diesen extremen Temperaturen versagen die Materialien, aus denen das Flugzeug, sein Triebwerk, seine Aerodynamik und seine Antriebssysteme bestehen. Wissenschaftler müssen daher neu überlegen, wie alle diese Komponenten bei hypersonischen Geschwindigkeiten funktionieren können.

Lösung aller Probleme auf einmal Herkömmliche Triebwerke verlangsamen die Luft vor der Verbrennung. Bei hypersonischen Geschwindigkeiten ist dies jedoch nicht möglich.

Wissenschaftler haben Scramjet-Triebwerke entwickelt, die es der Luft ermöglichen, sich innerhalb des Triebwerks weiterhin Überschallgeschwindigkeit zu halten; dennoch müssen Triebwerke mit instabiler Strömung umgehen.

Was die Studie zeigt

Um die Kontrolle zu gewährleisten, arbeiten Wissenschaftler an hypersonischen Detonationstriebwerken und streben nach stabilen, kontrollierbaren Reaktionen an. Die Herausforderung bei hypersonischen Systemen besteht nicht in der Energieerzeugung, sondern darin, auch bei hohen Geschwindigkeiten Stabilität zu gewährleisten.

Höhere hypersonische Fluggeschwindigkeiten erzeugen zudem zusätzliche Belastungen für die Materialien der Flugzeugstruktur, die sich im gesamten System ansammeln und kaskadenartig ausbreiten können. Wissenschaftler, die Materialien für solche Flüge entwickeln, müssen sicherstellen, dass diese sowohl stark als auch leicht sind.

Denn stärkere Materialien sind in der Regel schwerer, was das zu tragende Gewicht erhöht und die Flugleistung verlangsamt. Die größte Herausforderung für die Wissenschaftler besteht jedoch im Testen dieser Systeme.

Technik, Energie und Einsatz

Während Windkanäle für konventionelle Flugtests wirksam sind, können sie die Temperaturen, Drücke und Geschwindigkeiten eines hypersonischen Flugs nicht nachbilden.

Zwar existieren Einrichtungen wie das High-Hypersonic Enthalpy Facility (HiHYPER) an der University of Central Florida (UCF), doch können diese nur Momentaufnahmen der Auswirkungen hypersonischer Reise auf Materialien und Luftströmungen liefern.

Wissenschaftler müssen sich auf computergestützte Simulationen verlassen, um Szenarien zu testen, die in physischen Systemen nicht nachgebildet werden können; die Kombination beider Ansätze kann die Entwicklung der Hyperschallflugfahrt vorantreiben.

Was die Studie zeigt

Hyperschallreise bedeutet nicht nur Geschwindigkeit; es geht darum, sicherzustellen, dass die Materialien den Belastungen der Reise standhalten. Es gibt keine sequenzielle Problemlösung. Wissenschaftler müssen alle Probleme gleichzeitig lösen, denn nur im Überschneidungsbereich findet Fortschritt statt.

Um das Problem der Hyperschallreise zu lösen, dürfen sich Wissenschaftler nicht ausschließlich auf die Geschwindigkeit konzentrieren, sondern müssen auch klären, was bei einer gegebenen Geschwindigkeit erreichbar ist. Sobald man die Grenzen verschiebt, treten neue Probleme auf, und erst dann kann das heilige Gral der NY-zu-LA-Flüge mit einer Dauer.

Sobald dies gelingen wird, wird die Welt nicht mehr dieselbe sein.