X-43A. Die umgebaute Pegasus-Rakete trägt an ihrer Spitze den Hyperschall-Testflugkörper X-43A und beschleunigt nach der Abtrennung vom B-52B-Mutterflugzeug über dem Pazifik. Nach der Trennung von der Raketenspitze in 30 km Höhe bei einer Geschwindigkeit von 7500 km/h fliegt der X-43A mit eigenem Antrieb einige Manöver. Mit dem X-43A wird von der Nasa ein dualer Ramjet/Scramjet getestet, der als luftatmendendes Triebwerk Geschwindigkeiten zwischen Mach 7 und 10 erreicht (7- bis 10-fache Schallgeschwindigkeit, die mit der Höhe und Temperatur variiert). Foto: 27.03.2004, NASA Dryden Flight Research Center (NASA-DFRC), Jim Ross
16.11.2004 - Erneuter Rekord des X-43A Testflugkörpers der Nasa - Testflug mit 9,8-facher Schallgeschwindigkeit über dem Pazifik - Flughöhe 30 km.
X-43A. Der etwa 3,5 Meter lange Hyperschall-Flugkörper bei einem Test am Boden. Foto: 12.01.1999, NASA Dryden Flight Research Center (NASA-DFRC)
Die heutigen Triebwerke der Trägerraketen verbrennen ihren Treibstoff mithilfe eines Oxidators, beispielsweise flüssiger Sauerstoff. Wenn die Trägerraketen den Sauerstoff der Erdatmosphäre zumindest für die erste Stufe nutzen könnten, würde dies eine erhebliche Gewichtsersparnis bedeuten, da sie den Sauerstoff nicht mitschleppen müssten. Weniger Gewicht bedeutet geringerer Treibstoffbedarf oder größere Nutzlast.
Beispiel Spaceshuttle. Der Treibstoff einer konventionellen Trägerrakete mit Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung besteht zu 85 Prozent aus flüssigem Sauerstoff und macht den wesentlichen Gewichtsanteil aus. Der Haupttank des Spaceshuttles enthält über 600 Tonnen Sauerstoff.
Allerdings müssen Trägerraketen mit einem Mehrfachen der Schallgeschwindigkeit fliegen, um eine Erdumlaufbahn zu erreichen. Daher können herkömmliche Turbinentriebwerke nicht verwendet werden; oberhalb von etwa Mach 3,5 (3,5-fache Schallgeschwindigkeit) ist die Belastungen für die Turbinenschaufeln zu groß. In diesem Geschwindigkeitsbereich werden Staustrahlantriebe eingesetzt, so genannte Ramjets mit Unterschallverbrennung. Oberhalb von Mach 6 nimmt schließlich auch ihre Leistungsfähigkeit rapide ab, da dann der Treibstoff mit Überschallgeschwindigkeit verbrannt werden muss. In diesem Hyperschallbereich muss daher der so genannte Scramjet mit seiner speziellen Aerodynamik eingesetzt werden.
Prinzipieller Aufbau
Ein Staustrahltriebwerk ist prinzipiell einfach und ohne bewegliche Teile aufgebaut: In der Einströmöffnung staut sich die Luft; sie wird dabei abgebremst und verdichtet. In der sich anschließenden Brennkammer wird Wasserstoff als Brennstoff zugeführt und mithilfe eines Flammenhalters verbrannt. Dabei dehnen sich die heißen Gase in der Düse aus und erzeugen den Schub.
Typische Formen der Staustrahltriebwerke. Oben: Unterschallflug. Mitte: Überschallflug. Unten: Hyperschallflug. Ab etwa Schallgeschwindigkeit ändert sich die Aerodynamik dramatisch. Die Strömung variiert nicht mehr stetig, sondern erzeugt Druckwellen an Kanten. Diese Druckwellen werden zur Luftverdichtung ausgenutzt. Wenn die Strömung in der Brennkammer überschallschnell ist, wird der Ramjet zum Scramjet.
Da die Luft ausreichend verdichtet werden muss, funktioniert ein Staustrahltriebwerk erst ab einer gewissen Geschwindigkeit. Daher bietet sich prinzipiell folgendes Konzept an: Bei Geschwindigkeiten bis zu etwa 3-facher Schallgeschwindigkeit wird das Luftfahrzeug von Turbostrahltriebwerken angetrieben, wie sie heutige Düsenflugzeuge benutzen. Sie verdichten die eintretende Luft in Kompressorturbinen und leiten sie in die Brennkammer. Bei höheren Geschwindigkeiten wird durch verstellbare Klappen auf Staustrahlantrieb umgeschaltet, indem die verdichtete Luft direkt in die Brennkammer geleitet wird. Alternativ wird der Ramjet oder Scramjet durch eine Rakete auf seine Arbeitsgeschwindigkeit beschleunigt. Es werden zudem Feststoff-Staustrahltriebwerke erprobt. Sie nutzen feste Brennstoffe die beispielsweise die Brennkammerwand bedecken und während des Betriebs abbrennen.
Technologische Probleme
Bei der Entwicklung von Staustrahltriebwerken müssen weitreichende technologische Probleme gelöst werden. Beispielsweise soll der Luftwiderstand möglichst klein sein. Gleichzeitig muss dem Antrieb bei extremer Geschwindigkeit durch Einströmöffnungen ausreichend verdichtete Luft zugeführt werden. Ein anderes Problem ist die Verbrennung des Wasserstoff: Wegen der hohen Geschwindigkeit der Luftströmung bleibt nur ein Sekundenbruchteil, um den eingespritzten Brennstoff mit der Luft gut zu vermischen und vollständig zu verbrennen. Die Flamme muss praktisch in einem Orkan stabil gehalten werden.
Das Sänger-Konzept
Bereits vor einigen Jahrzehnten entwickelte der Raketenforscher Eugen Sänger (1905-1964) das Konzept einer wieder verwendbaren Raumfähre: Ein kleineres Raketenflugzeug (Oberstufe) wird auf dem Rücken eines größeren Mutterflugzeugs (Unterstufe) getragen. Das Mutterflugzeug wird von einem kombinierten Turbojet- Staustrahl-Triebwerk in 30 bis 40 Kilometer Höhe gebracht. Darüber enthält die Luft nicht mehr genügend Sauerstoff für den Staustrahlantrieb. Hier wird die Oberstufe bei etwa 7-facher Schallgeschwindigkeit mit ihrer Nutzlast abgetrennt. Die Oberstufe zündet ihre Raketentriebwerke, und die Unterstufe kann als Flugzeug landen. Nach ihrer Mission landet die Oberstufe ebenfalls wie ein Flugzeug.
