Bereits Kunde? Jetzt einloggen.
Lesezeit ca. 8 Min.

TEIL4: ÜBERSCHALLFLUG: ÜBERSCHALL OHNE KNALL


Aero International - epaper ⋅ Ausgabe 90/2018 vom 10.08.2018

15 Jahre ist es her, dass die Concorde ihren letzten Flug absolvierte. Der Traum vom Reisen mit Mach 1+ schien tot. Doch mittlerweile hat sich das geändert


Artikelbild für den Artikel "TEIL4: ÜBERSCHALLFLUG: ÜBERSCHALL OHNE KNALL" aus der Ausgabe 90/2018 von Aero International. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

So soll er aussehen, der Boom-Jet, der ab 2023 Passagiere mit Überschallgeschwindigkeit befördern soll


Unter dem Spitznamen „Baby Boom“ wird die XB-1 gebaut. Mit dem Flugzeug sollen grundsätzliche Fragen der Konstruktion geklärt werden. Es hat ein Drittel der Größe des geplanen Boom-Überschallflugzeugs


FOTOS: BOOM (2), FANGXIANUO/BOOM, NATHAN LEACH-PROFFER/BOOM

So stellt sich Boom in einer Computergrafik den Bau der Überschallflugzeuge vor. Aufträge ...

Weiterlesen
epaper-Einzelheft 4,49€
NEWS 14 Tage gratis testen
Bereits gekauft?Anmelden & Lesen
Leseprobe: Abdruck mit freundlicher Genehmigung von Aero International. Alle Rechte vorbehalten.

Mehr aus dieser Ausgabe

Titelbild der Ausgabe 90/2018 von BILD DES MONATS: DAS KANADISCHE KIND. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
BILD DES MONATS: DAS KANADISCHE KIND
Titelbild der Ausgabe 90/2018 von NEWS DEUTSCHLAND: BREMEN: AMTSANTRITT MIT RÜCKENWIND. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
NEWS DEUTSCHLAND: BREMEN: AMTSANTRITT MIT RÜCKENWIND
Titelbild der Ausgabe 90/2018 von NEWS ÖSTERREICH: LAUDAMOTION: FREUDE UND FRUST. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
NEWS ÖSTERREICH: LAUDAMOTION: FREUDE UND FRUST
Titelbild der Ausgabe 90/2018 von NEWS SCHWEIZ: SR TECHNICS: WACHSTUM IN MALTA. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
NEWS SCHWEIZ: SR TECHNICS: WACHSTUM IN MALTA
Titelbild der Ausgabe 90/2018 von ICELANDAIR: MIT DER MAX AUF DEM WEG ZU NEUEN ZIELEN. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
ICELANDAIR: MIT DER MAX AUF DEM WEG ZU NEUEN ZIELEN
Titelbild der Ausgabe 90/2018 von MIT DREHKREUZ IN MAILAND. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
MIT DREHKREUZ IN MAILAND
Vorheriger Artikel
PHU QUOC: 99 BERGE MIT LANDEBAHN
aus dieser Ausgabe
Nächster Artikel DER EUROPÄISCHE RIESE FLIEGT
aus dieser Ausgabe

... liegen bereis vor


Hinter der Concorde und ihren Schwesterprojekten Boeing SST und Tupolew Tu 144 standen der unbeirrbare Glaube an das technisch Machbare und Ölpreise, die für uns heute unvorstellbar niedrig sind. Überschall wurde als Zukunft des Luftverkehrs gesehen. Heute wissen wir, dass es anders gekommen ist. Der Reiz des schnellen Reisens aber besteht weiter. Und weltweit wird an Möglichkeiten der Realisierung gearbeitet. Dabei ist klar: Überschall wird im Massenmarkt Luftverkehr, wo die Passagiere auf den Cent schauen, kein Produkt für jedermann sein. Aber natürlich gibt es Menschen, die bereit sind, einen kräftigen Expresszuschlag zu zahlen, um wegen eines übervollen Terminkalenders ein paar Stunden einzusparen. Das Marktforschungsunternehmen Boyd Group International bezifferte den Markt vor zwei Jahren auf rund 1300 Flugzeuge im Wert von 260 Milliarden US-Dollar. Angesichts dieser Zahlen kann man schon von einem Boom sprechen. Und so ist es durchaus passend, dass der Nachfolger der Concorde genau so heißt.

JAPAN AIRLINES STEIGT EIN

Einen massiven Glaubwürdigkeitsschub haben dieses Projekt und der Markt im vorigen Jahr durch die Partnerschaft von Boom Supersonic mit Japan Airlines erhalten. Die Airline investiert zehn Millionen US-Dollar in das US-Unternehmen, verbunden mit der Option auf den Kauf von bis zu 20 Überschall-Flugzeugen, die einen Preis von 200 Millionen US-Dollar haben werden. Auch Richard Branson ist mit der Virgin Group mit an Bord. Insgesamt hat das Unternehmen inzwischen 76 Optionen für den Mach 2,2 schnellen Jet erhalten. Nach Listenpreis ist das ein Bestellwert von 15 Milliarden US-Dollar. Angeblich ist Boom mit 20 Fluggesellschaften im Gespräch.
Die Marktforscher von Boyd erwarten, dass große Netzwerkairlines über kurz oder lang nicht umhinkommen werden, Überschalljets in ihrer Flotte zu haben, um Premiumkunden an sich zu binden. Da das Boom-Ticket nach Aussagen des Herstellers nicht teurer werden soll als ein Flug in der Business Class, hätte dies erhebliche Auswirkungen auf die etablierten Erlösmodelle. Ab 2023 soll der zweistrahlige Jet 55 Passa-giere über eine Entfernung von bis zu 8100 Kilometer transportieren. Den Flug von London nach New York wird er in dreieinviertel Stunden bewältigen. Die Flugzeit von Sydney nach Los Angeles soll von derzeit 15 Stunden trotz des notwendigen Tankstopps auf weniger als sieben Stunden schrumpfen.

Damit Überschallflüge in den Alltag der zivilen Luftfahrt Einzug halten können, muss man den Überschallknall in den Griff bekommen. Durch die Formgebung des Flugzeugs will Boom diese starke Schockwelle in mehrere schwächere aufspalten, sodass sich statt eines Druckverlaufs, der mit seinen extremen Spitzen einem N ähnelt, eine Druckkurve ergibt, die eher aussieht wie ein liegendes S. Aus dem Knall soll ein schwaches Rumpeln werden, das kaum lauter ist als ein vorbeifahrendes Auto.

Im April hat die NASA an Lockheed Martin den 247,5-Millionen-US-Dollar-Auftrag zum Bau eines sogenannten X-Plane vergeben, eines Forschungsflugzeugs, mit dem nachgewiesen werden soll, dass dieser Ansatz tatsächlich funktioniert. Dies würde den Weg für die Aufhebung des weltweiten Verbots ziviler Überschallflüge über Land eröffnen. Dass es grundsätzlich möglich ist, die Schockwelle abzuschwächen, hatten Northrop Grumman und die amerikanische DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) bereits 2003 im Rahmen des Projekts Quiet Supersonic nachgewiesen.
Zur Validierung des technischen Konzepts baut Boom Supersonic gerade einen XB-1 „Baby Boom“ genannten Demonstrator. Er ist ein Drittel so groß wie das geplante Serienflugzeug und besteht wie dieses aus Kohlefaser. Der moderne Werkstoff enthebt Boom eines gravierenden Problems, mit dem die Konstrukteure der Concorde zu kämpfen hatten. Durch die Reibung der Luft erhitzt sich die Außenhaut auf bis zu 130 Grad Celsius. Die Concorde war wegen der damit verbundenen Ausdehnung des Aluminiumrumpfs unterwegs um 15 Zentimeter länger als am Boden.

Die Kabine des Boom-Jets soll dieser Computergrafik zufolge eine 1-1-Bestuhlung haben


PROBLEM SIND DIE MOTOREN

Wärmeausdehnung und Alterung von Kohlefaser sind dagegen zu vernachlässigen. Das ist bei einem anderen Thema nicht der Fall: der Triebwerksfrage. Moderne Turbofans mit einem hohen Nebenstromverhältnis sind für Überschall nicht geeignet. Ältere Motoren, wie das aus Boeing 737-200 und 727 sowie der Douglas DC-9 bekannte Pratt & Whitney JT8D oder das für Militärflugzeuge entwickelte General Electric J79 sind von ihrer Charakteristik zwar geeignet, brauchen aber eine Überarbeitung im Innern, um heutigen Anforderungen in Bezug auf Treibstoffverbrauch, Abgaswerte und Lärm einzuhalten.

Auch der Firma Aerion haben die Triebwerke lange Zeit Kopfzerbrechen bereitet und dazu geführt, dass die Konfiguration des zwölfsitzigen Businessjets mehrfach geändert werden musste. Nach aktuellem Stand werden drei Triebwerke von General Electric den Flieger auf seine Reisegeschwindigkeit von Mach 1,4 beschleunigen. Entwickelt werden sollen diese um den Kern des CFM-56. Wegen der ungelösten Antriebsfrage hatte Aerion den Zeitplan um zwei Jahre auf 2023 schieben müssen.

Das Flugzeug verfügt als technische Besonderheit über einen Flügel mit natürlicher Laminarität, was ihm einen besonders niedrigen Widerstand verleiht. Bereits 2015 bestellte die Charterfluggesellschaft Flexjet 20 Exemplare des 130 Millionen Dollar teuren Flugzeugs.

Am 8. Oktober vorigen Jahres hat Spike Aerospace ein maßstabgetreues Modell des geplanten überschallschnellen Businessjets S-512 geflogen, um die aerodynamische Auslegung des Flugzeugs zu validieren. Auch Spike will durch die spezielle Formgebung von Rumpf und Flügeln den Überschallknall besiegen. Erst Anfang Mai hat CEO Vik Kachoria in einem Interview bestätigt, dass auch dieser Jet 2023 in Dienst gestellt werden soll. Bei einem Startgewicht von 52 Tonnen wird Platz für bis zu 18 Passagiere sein. Die Reichweite soll 11500 Kilometer betragen und die Reisegeschwindigkeit Mach 1,6 in 15000 Metern. Über die Triebwerke schweigt Spike Aerospace.

Der Entwurf eines Hyperschall-Flugzeugs, wie er von der Forschungsagentur JAXA publiziert wurde


Die X-43 war ein unbemanntes Versuchsflugzeug der NASA für die Erforschung des Hyperschallflugs – ausgelegt für Geschwindigkeiten bis Mach 10


Noch ambitionierter ist Boeing unterwegs und denkt an den Bau eines Hyperschallflugzeugs. Auf der Konferenz des American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) hat der Flugzeugbauer Ende Juni in Atlanta das Konzept für ein Passagierflugzeug vorgestellt, das sogar mit Mach 5 unterwegs sein soll.

BOEING DENKT AN HYPERSCHALL

Bisher gibt es wenig Fakten. Irgendwo zwischen 70 und 120 Sitzen, so lässt sich aus ersten Andeutungen schließen, dürfte die Kapazität dieses Flugzeugs liegen. Die Reiseflughöhe wird mit 29000 Metern angegeben. Bereits in fünf oder sechs Jahren soll ein Demonstrator abheben, irgendwann nach 2030 könnte das Projekt dann Realität werden.

Aber die Hürden sind hoch. Zum Beispiel gibt es derzeit im Flugzeugbau keinen Werkstoff für die Flugzeugstruktur, der über Stunden so hohen Temperaturen widerstehen könnte, wie sie beim Hyperschallflug zu erwarten sind. Ein Kandidat sind Nanoröhren aus Bornitrit. Sie sind chemisch beständig, unbrennbar und werden auch bei 900 Grad Celsius noch nicht weich. Allerdings kostet das Wundermaterial derzeit noch rund 1000 US-Dollar pro Gramm.

Ein zweites grundsätzliches Problem ist auch hier der Antrieb. Turbofans funktionieren nur bis etwa dreifacher Schallgeschwindigkeit. Wer schneller fliegen will, der muss sich etwas anderes einfallen lassen, wie zum Beispiel Staustrahltriebwerke, die allerdings erst bei höheren Geschwindigkeiten anfangen zu arbeiten und damit für Start und Landung ungeeignet sind.

Eine erste Computergrafik zeigt den Hyperschalljet von Boeing, der nach 2030 mit Mach 5 unterwegs sein könnte


Aerion plant einen Businessjet, der im Überschallbereich fliegen soll – und zwar bereits 2023


Beim Entwurf des Hyperschall-Jets von Spike sind weder für das Cockpit noch für die Kabine Fenster vorgesehen


FOTO: JAXA, NASA, SPIKE, AERION, BOEING

Boeing hatte in den sechziger Jahren an einem Überschallflugzeug gearbeitet. Das Projekt wurde 1971 eingestellt


Die Concorde bot Passagieren viele Jahre den schnellsten Flug zwischen Europa und USA


Boeing und Rolls Royce haben sich an der britische Firma Reaction Engines beteiligt, die seit über 20 Jahren an der Entwicklung eines Triebwerks mit der Bezeichnung Synergetic Air-Breathing Rocket Engine (SABRE) arbeitet. Ein technisches Schlüsselelement ist der Vorkühler für die einströmende Luft. Er besteht im Prinzip aus einem Bündel dünner, mit Helium gefüllter Röhren und schafft es, die Temperatur der Luft in nur einer zwanzigstel Sekunde um sagenhafte 727 Grad Celsius zu senken.

FOTO: ARCHIV (2), NASA

Boeing hat im Bereich der Hyperschallforschung bereits einiges vorzuweisen: Die unbemannte X-43A erzielte am 16. November 2004 mit 10617 Stundenkilometern in einer Höhe von 34 Kilometern die höchste jemals von einem Fluggerät erreichte Geschwindigkeit. Und der Nachfolger X-51 legte neun Jahre später den bisher längsten Hyperschallflug hin – 480 Kilometer in sechs Minuten. Beide Fluggeräte waren sogenannte Waverider: Die unter dem Rumpf angebrachten Triebwerkseinläufe erzeugen eine starke Schockwelle, auf der das Flugzeug sozusagen reitet, sodass sich der Gesamtwiderstand verringert.

Boeing ist nicht allein im Rennen um den ersten Hyperschalljet für den Luftverkehr. Vor drei Jahren hat das aus europäischen und japanischen Luft- und Raumfahrtunternehmen bestehende Hikari-Konsortium, dem auch Airbus und das DLR angehören, für die Mitte der dreißiger Jahre einen Bedarf von 200 Hyperschallflugzeugen vorhergesagt. Auch die von der japanischen Forschungsagentur JAXA in diesem Zusammenhang publizierte Konzeptskizze zeigt einen Wellenreiter.

Im Februar stellten chinesische Forscher eine grundsätzlich andere Auslegung vor. Über einem Rumpf mit nach vorne gepfeilten Tragflächen befindet sich ein riesiger Deltaflügel mit geschwungener Kontur. Mit dieser seltsam anmutenden Doppeldecker-Auslegung wollen sie die Stoßwellen unterdrücken. Im Windkanal war diese I Plane genannte Konstruktion nach Angaben der Chinesischen Akademie der Wissenschaften bis 8600 Stundenkilometer, also Mach 7, vollkommen stabil.

ZAHLREICHE PROJEKTE AM START

Technologisch besonders ambitioniert ist auch das Projekt HyperStar. Rein äußerlich sieht das Flugzeug mit seiner langen Nase, Canard-Flügeln und einem Deltaflügel aus, wie man sich eben einen überschallschnellen Jet vorstellt. Knapp 80 Meter Länge, 36 Sitzplätze und eine Reichweite von 19600 Kilometern, was theoretisch ausreicht, um jeden Flughafen der Welt nonstop zu erreichen, sind die Eckdaten.

Auffällig sind die beiden riesigen Triebwerke über dem Heck. Sie sollen nach einem Prinzip funktionieren, das in der Tat eine Revolution wäre. Sie kommen nämlich ohne eine durchgehende Welle aus, welche die Leistung von der Turbine auf Fan und Kompressor überträgt. Vielmehr soll das ganze elektrisch funktionieren. Supraleitende Generatoren im Abgasstrahl sollen Strom erzeugen, der über supraleitende Linearmotoren den Fan und den mehrstufigen Kompressor in Rotation versetzen soll. Mit einem Teil der so erzeugten 65 Megawatt soll ein Plasma aus ionisiertem Gas zur Beeinflussung der Grenzschicht erzeugt werden.

Symbol für Geschwindigkeit: Bis heute ist die Lockheed SR-71A das schnellste und am höchsten (im Horizontalflug) fliegende bemannte Flugzeug der Welt


Bedacht werden müssen auch mögliche Folgen für die Umwelt. Hyperschalljets würden den größten Teil ihres Flugs innerhalb der Ozonschicht zurücklegen, und zwar im Bereich der höchsten Konzentration zwischen 20 und 30 Kilometern. Welche Folgen der Eintrag von Wasserdampf und Stickoxiden hier hätte, ist ungeklärt.

RISIKO: DER MOTOR KÖNNTE SCHMELZEN

Da dem Verdichter von Turbofantriebwerken jenseits von Mach 3 die Puste ausgeht, muss bei Hyperschallgeschwindigkeit, also Mach 5 und mehr, ein ganz anderer Motorentyp zum Einsatz kommen: ein Staustrahltriebwerk, auch Ramjet genannt. Dieses ist einfacher aufgebaut als ein Turbofan, denn es kommt ohne rotierendes Innenleben aus. Trickreich ist allerdings die Steuerung der Verbrennung.

Wie der Name schon sagt, übernimmt bei diesem Triebwerk der Staudruck die Verdichtung. Ein Konus im Triebwerkseinlass bremst die Luft auf Schallgeschwindigkeit ab, bevor sie in die Brennkammer ein- und durch die Verbrennung beschleunigt durch die Schubdüse wieder austritt. Das Ganze funktioniert aber erst ab rund 1000 Stundenkilometer. Starten kann man mit einem Ramjet also nicht. Mit Kerosin als Brennstoff reicht der Geschwindigkeitsbereich bis etwa Mach 5, mit Wasserstoff bis Mach 7.

Bei seinen beiden Rekordfliegern X-43A und X-51 setzte Boeing einen Scramjet als Antrieb ein, einen Supersonic Ramjet. Bei diesem läuft auch die Verbrennung mit Überschallgeschwindigkeit ab – bezogen auf die Temperatur der durchströmenden Luft. Die Verbrennung zu steuern, wird dadurch natürlich nicht leichter. Hinzu kommen Temperaturen von über 4000 Grad. Damit der Motor nicht schmilzt, muss er im Innern mit Keramik ausgekleidet sein und von außen mit dem Treibstoff gekühlt werden.