Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: NASA.

Die Untersuchungskommission der NASA zum Verlust des experimentellen Testvehikels X-43A am 2. Juni 2001 legte nun ihren Bericht vor, wie die NASA am vergangenen Mittwoch berichtete. Der Bericht geht davon aus, dass kein einzelner Faktor für den Absturz des Testfahrzeugs verantwortlich war. Viel mehr sei das komplette Konzept des Kontrollsystems in unterschiedlichen Bereichen fehlerhaft. Dies führte zu einer Überbewertung der Grenzen des Systems.
Das Hyper-X-Programm der NASA entwickelt ein „Luft-atmendes“ Triebwerk, das bessere Leistungen für zukünftige Luft- und wiederverwendbare Raumfahrzeuge bieten soll. Innerhalb des X-43A-Testprogramms sollten drei, etwa vier Meter lange, unbemannte Flugzeuge jeweils etwa mit der zehnfachen Schallgeschwindigkeit fliegen, um die sogenannte scramjet-Technologie zu demonstrieren. Der Absturz passierte bereits während des ersten von drei geplanten Flügen.
Zum Start wurde das X-43A an die Spitze einer modifizierten Pegasus Rakete montiert, die von einem modifizierten B52-Bomber der NASA gestartet wurde. 27 Minuten nach dem Abheben, in einer Höhe von 7.300 Metern, wurde die Pegasus abgesetzt. Der Feststoffantrieb wurde nach 5,2 Sekunden gezündet. Acht Sekunden später begann das Vehikel sein geplantes Manöver, in einer Höhe von etwa 29 Kilometern.

Einige Sekunden später registrierte X-43A eine Kontrollanomalie in Form einer Schwingung. Genau 13,5 Sekunden nach dem Ausklinken in einer Höhe von etwa 6.700 Metern wurde der Steuerbordflügel strukturell überlastet. Der Verlust der Kontrolle brachte das Flugzeug von seiner geplanten Bahn ab und wurde 48,6 Sekunden nach dem Ausklinken zerstört.
„Ich möchte der Untersuchungskommission für ihre ausführliche Einschätzung danken“, sagte Dr. Victor Lebacqz, Associate Administrator des Büros für Luftfahrttechnologie der NASA. „Die Erkenntnisse und Empfehlungen der Kommission werden unsere Aussichten auf einen zweiten erfolgreichen Start sehr vergrößern.“

Neun Kapitel des elf Kapitel starken Untersuchungsberichts sind der Öffentlichkeit zugänglich. Kapitel neun und zehn enthalten Daten, die aufgrund von Bestimmungen der US Exportkontrolle und dem Schutz von Industrie-eigenen Informationen zurückgehalten werden bzw. die für weitere Entscheidungen bedeutend sein könnten. Der Bericht findet sich hier.
Mehr über die Geschichte und Technologie der Scramjet-Triebwerke können Sie in unserem Artikel über Hyperschall-Triebwerke erfahren.

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Autor: Michael Stein.

Hyperschall-Triebwerke sollen in Geschwindigkeitsbereichen arbeiten, die mit heute üblichen Düsentriebwerken nicht mehr zu erreichen sind: Die Konstrukteure dieser zur Zeit noch am Anfang der praktischen Erprobung stehenden Technologie wollen mit ihnen Geschwindigkeiten zwischen Mach 3 und Mach 20 erreichen (ein Mach entspricht einfacher Schallgeschwindigkeit).

Die grundlegenden Ideen für die Konstruktion von Staustrahltriebwerken sind nicht neu. Bereits im Jahr 1928 wurde dem Ungarn Albert Forno ein (deutsches) Patent für ein Triebwerk erteilt, das alle wesentlichen Elemente und Konzepte des so genannten Ramjet-Triebwerks enthielt. Warum es dann nicht schon lange Flugzeuge gibt, die mit zehn- oder zwanzigfacher Schallgeschwindigkeit zwischen den Kontinenten hin- und herfliegen? Einer der wichtigsten Gründe ist sicherlich das Problem des Tests eines solchen Antriebs. Prinzipbedingt funktionieren die nachfolgend näher vorgestellten Hyperschall-Triebwerke erst ab etwa Mach 3 aufwärts. Solange die Flugzeug- und Triebwerkstechnologie also nicht weit genug ist, um Testflugzeuge auf diese extremen Geschwindigkeiten zu bringen, damit ein Hyperschall-Triebwerk getestet werden kann, können die besten theoretischen Konzepte auch nicht umgesetzt werden.

Aufbau und Arten von Staustrahltriebwerken

Zwei wesentliche Elemente zeichnen ein Staustrahl-Triebwerk aus: Es ist ein luftatmendes Strahltriebwerk, und es verfügt (im Gegensatz zu konventionellen Düsentriebwerken) nicht über eine Turbine.

Wie jedes andere Düsentriebwerk auch wird in einem Staustrahltriebwerk komprimierter Luftsauerstoff mit Treibstoff vermengt. Dieses Gemisch wird anschließend verbrannt, expandiert dadurch und erzeugt beim Austritt aus dem Triebwerk einen in entgegengesetzter Richtung wirkenden Schub. Bei konventionellen Strahltriebwerken, wie sie heutzutage in der zivilen und militärischen Luftfahrt verwendet werden, wird die einströmende Luft mit Hilfe von Turbinenschaufeln im Inneren des Triebwerks zunächst komprimiert, bevor der Treibstoff zugegeben und das Gemisch verbrannt wird. Diese Verdichtung durch eine Turbine ist bei Staustrahltriebwerken nicht notwendig: Durch die extrem hohe Geschwindigkeit, mit der die Luft in das Triebwerk einströmt, reicht bereits eine speziell geformte Düse aus (der so genannte Überschalldiffusor), um die notwendige Verlangsamung und damit Kompression der Luft für den Verbrennungsvorgang zu erreichen.

Ramjet-Triebwerke (= Staustrahl-Triebwerke) sind für Geschwindigkeiten von etwa Mach 3 bis Mach 6 geeignet. Bei geringeren Geschwindigkeiten ist die Kompression der einströmenden Luft für den Betrieb nicht groß genug, und bei höheren Geschwindigkeiten wird die Brennkammer zu heiß. Ab etwa Mach 5 kommen dann die so genannten Scramjet-Triebwerke (= Supersonic-Combustion Ramjets [Überschallverbrennungs-Staustrahltriebwerke]) ins Spiel, bei denen die einströmende Luft aufgrund eines anders geformten Überschalldiffusors weniger stark komprimiert wird und die Temperatur im Triebwerk auch weniger stark ansteigt; im Gegensatz zum Ramjet-Triebwerk bleibt die Luft bei ihrem Weg durch das Triebwerk überschallschnell. Als theoretisches Limit für Hyperschall-Triebwerke dieser Bauart gelten Geschwindigkeiten von etwa Mach 25.

Gegenüber einem Raketenantrieb haben die eben beschriebenen Antriebsarten den entscheidenden Vorteil, dass sie keinen Oxidator wie Sauerstoff mit sich führen müssen – diese Funktion übernimmt der Luftsauerstoff. Dadurch kann die Größe und das Gewicht des Flugzeugs verringert werden, was natürlich eine erhebliche Kostenersparnis bedeutet. Als Treibstoff wird bei den derzeit laufenden Versuchen flüssiger Wasserstoff verwendet. Aufgrund der niedrigen Temperatur dieses Treibstoffs kann er vor dem Verbrennungsvorgang auch zur Kühlung des Triebwerks beitragen. Alleine mit Staustrahltriebwerken kann ein Flugkörper allerdings nicht betrieben werden. Für niedrige Geschwindigkeitsbereiche werden immer konventionelle Triebwerke benötigt, die ihn auf die erforderliche „Betriebsgeschwindigkeit“ für Staustrahltriebwerke bringen.

Praktische Versuche
Wie zu Beginn bereits erwähnt kann das Prinzip des Staustrahltriebwerks bereits auf eine lange Geschichte zurückblicken, und auch erste Flugtests fanden schon vor rund 40 Jahren statt. Im Februar 1959 flog das französische Flugzeug Griffon II mit einem so genannten „Turboramjet-Triebwerk“ mit einer Geschwindigkeit von 1.640 km/h. Zu dieser Zeit begannen auch amerikanische, russische und britische Tests mit Staustrahltriebwerken, die aber aufgrund des unzureichenden Stands der Technik allesamt erfolglos blieben. Zuletzt stellte die amerikanische Raumfahrtbehörde NASA im Jahr 1993 das National Aerospace Plane-Programm aufgrund von Kostenüberschreitungen ein, dessen Ziel die Entwicklung eines mit Staustrahltriebwerken angetriebenen Flugzeugs war.

In den letzten Jahren ist jedoch wieder mehr Schwung in die Entwicklung von Ramjet– und Scramjet-Triebwerken gekommen. Die NASA baut im Rahmen ihres X-43A-Programms drei rund 3,5 Meter lange Flugmodelle, mit denen Scramjet-Antriebe getestet werden sollen. Hierzu werden die Testflugkörper durch eine Rakete beschleunigt und sollen nach Erreichen einer Flughöhe von etwa 30 Kilometern mit Hilfe des eigenen Staustrahltriebwerks Geschwindigkeiten bis Mach 10 erreichen. Der erste derartige Versuch schlug jedoch am 2. Juni 2001 fehl, da die „Starthilfe-Rakete“ während des Flugs versagte.

Ein anderes Zentrum für die Entwicklung solcher Triebwerke ist die University of Queensland in Australien, wo erst vor einigen Tagen ein anscheinend erfolgreicher Test eines Scramjet-Triebwerks stattgefunden hat. Seit rund 20 Jahren wird dort theoretische Grundlagenforschung zu diesem Thema betrieben, und seit 1987 steht den Forschern dort ein Windkanal zur Verfügung, der speziell für die Arbeit an Scramjet-Triebwerken entworfen ist. Im Rahmen des so genannten HyShot-Forschungsprogramms wurde gemeinsam mit internationalen Partnern – darunter auch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt – im letzten Jahr erstmalig ein experimentelles Scramjet-Triebwerk an der Spitze einer Höhenforschungsrakete getestet. Aufgrund eines Fehlers in der Trägerrakete schlug dieser erste Test jedoch fehl.

Beim nun anscheinend geglückten zweiten Anlauf wurde erneut ein solches Triebwerk mit Hilfe einer Höhenforschungsrakete vom australischen Startplatz Woomera aus bis auf eine Höhe von etwa 330 Kilometer geschossen. Nach Erreichen des Gipfelpunktes der parabelförmigen Flugbahn stürzte die Rakete antriebslos zur Erde zurück. Nach dem Erreichen einer Geschwindigkeit von Mach 7,6 in rund 35 Kilometern Höhe wurde für etwa fünf Sekunden das Scramjet-Triebwerk zu Testzwecken gezündet, bevor es samt Trägerrakete kurze Zeit später auf der Erdoberfläche zerschellte.

Ausblick
Man braucht kein Pessimist zu sein, um zu prognostizieren, dass es wohl noch viele Jahre dauern wird, bis das erste nicht-experimentelle Flugzeug (oder Raumfahrzeug?) mit einem Scramjet-Triebwerk abhebt. Angesichts der enormen technischen Probleme und der damit verbundenen hohen Entwicklungskosten ist im Moment noch nicht absehbar, wann – wenn überhaupt – diese Triebwerke neue, kostengünstige Transportmittel für den Weg in den Erdorbit wie auch Flugzeuge für ultraschnelle Interkontinentalflüge möglich machen werden.

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Ein Beitrag von Michael Stein. Quelle: University of Queensland.

Um 11:35 Uhr (Ortszeit) begann das so genannte HyShot-Experiment mit dem Start einer Forschungsrakete des Typs Terrier Orion Mk70 vom Raketenstartplatz Woomera. Mit Hilfe dieser Höhenforschungsrakete wurde ein experimentelles Scramjet-Triebwerk auf einer parabelförmigen Bahn bis in eine Höhe von ca. 330 km transportiert, um anschließend annähernd senkrecht zurück zur Erde zu fallen. Zwischen 35 und 23 km Höhe wurde dann nach Erreichen einer Geschwindigkeit von Mach 7,6 (= 7,6-fache Schallgeschwindigkeit) das Sramjet-Triebwerk für ca. 5 Sekunden gezündet. Während dieser Zeit wurden verschiedene Messwerte von drei Bodenstationen aufgezeichnet, bevor das Triebwerk seinen Betrieb wieder einstellte und die Rakete samt Sramjet-Triebwerk schließlich am Boden zerschellte.
„Bisher ist alles nach Plan verlaufen. Der Start war ein Erfolg, und wir haben während des Fluges Daten empfangen“, so Dr. Allan Paull, Leiter des HyShot-Programms der University of Queensland in Australien. Obwohl alle Zeichen auf einen Erfolg hindeuteten, so Dr. Paull weiter, sei es noch zu früh um sagen zu können, dass das Scramjet-Experiment erfolgreich verlaufen sei.
Mit dem heutigen Versuch – so er denn erfolgreich verlaufen sein sollte – wäre erstmalig ein so genanntes Supersonic Ramjet– oder auch Scramjet-Triebwerk im Flug in Betrieb gewesen. Frühere Versuche unter anderem der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA wie auch im Rahmen des HyShot-Programms produzierten bisher nur Fehlschläge. Diese Staustrahltriebwerke sind für extreme Geschwindigkeiten oberhalb von etwa Mach 6 konzipiert. Im Gegensatz zu üblichen Flugzeugtriebwerken, bei denen Turbinenschaufeln die einströmende Luft erst komprimieren, bevor sie mit Treibstoff versetzt und anschließend das Luft-Treibstoff-Gemisch gezündet wird, haben Scramjet-Triebwerke keinerlei Turbinen, da die erforderliche Kompression der einströmenden Luft bei diesen hohen Geschwindigkeiten alleine durch eine entsprechend geformte Düse erreicht werden kann. Im Umkehrschluss bedeutet dies natürlich auch, dass solche Triebwerke bei geringen Geschwindigkeiten nicht arbeiten können.
Wenn in Zukunft Scramjet-Triebwerke einsatzbereit sein sollten, sind Geschwindigkeiten bis über Mach 20 möglich, was beispielsweise Interkontinentalflüge extrem verkürzen würde und auch für den Transport von kleineren Nutzlasten in niedrige Umlaufbahnen von Nutzen sein könnte. An dem HyShot-Programm ist eine Vielzahl von australischen, europäischen und asiatischen Partnern beteiligt, unter ihnen auch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt.

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