X-43A Hyper-X-Projekt



Die X-43A bei einem Testflug (NASA Simulation) (Picture by NASA Dryden Flight Research Center)

Ein experimentelles Hyperschallforschungsprojekt, Hyper-X genannt, wird die meisten bedeutsamen NASA-Projekte im NASA Dryden Flight Research Center, Edwards, Kalifornien in den nächsten Jahren begleiten. 
Das auf mehrere Jahre ausgelegte Hyper-X Programm der NASA versucht einen im Flugkörper integrierten Staustrahlantrieb (Scramjet) zu entwickeln, der die Nutzlast zukünftiger Überschallflugzeuge (> Mach 5) und wiederverwendbarer Raketenantriebe erhöht.


Scramjets ermöglichen Hyperschallflüge mit Geschwindigkeiten zwischen Mach 5-20. Bereits in den 50er und frühen 60er Jahren wurde in Großbritannien an diesem neuartigen Antrieb gearbeitet. 1957 flog erstmals die Nord GriffonII (französisches Experimentalflugzeug) mit einem kombinierten Turbinen- und Staustrahlantrieb. Jedoch konnten mit dieser Lösung nicht die optimalen Rahmenbedingungen geschaffen werden, da ein Scramjet erst ab etwa Mach5 zuverlässig arbeitet, trotzdem setzte die NGII damals einen neuen Geschwindigkeitsrekord (Mach 2,19).
Der Hauptunterschied zu Ramjets besteht darin, dass die Sauerstoffströmung in der Brennkammer mit Überschallgeschwindigkeit fließt. Zwar ist dies relativ uneffektiv, jedoch entstehen so geringere Verluste durch Verdichterstöße. Ein solcher Stauantrieb ist vom Prinzip her ein sehr einfaches Antriebssystem ohne bewegte Teile. Allein durch den Aufstau in den Einläufen wird die Luft verzögert und dabei komprimiert, so dass kein Verdichter wie in Turbojet-Triebwerken notwendig ist. In der sich anschließenden Brennkammer wird der Brennstoff mit der Luft, meist unter Zuhilfenahme eines Flammenhalters, verbrannt. Hiernach werden die heißen Gase zur Schuberzeugung in der Düse expandiert. Da bei einer Verbrennung im Überschall die Strömungsgeschwindigkeit sinkt und der Druck steigt, muss bei einem Scramjet ein Isolator zwischen Diffusor und Brennkammer eingebaut werden.


Die Scramjettechnologie ist sehr herausfordernd, da man zum einen nur sehr limitiert Bodentests durchführen kann, und weiter vor großen Technologie-Problemen steht. Treibstoff der Scramjets ist Wasserstoff, da Wasserstoff eine sehr viel höhere Energiedichte als Kerosin hat. Aufgrund der sehr hohen Differenz der Geschwindigkeiten (Eintritt: M 2-3; Austritt: M 1,2-1,6) am Brennkammer Ein- und Ausgang ist die Luft-Wasserstoff-Durchmischung äußerst schlecht, weshalb die Brennkammer länger gebaut werden muss als bei einem konventionellen Turbojet-Antrieb. Da der Luftstau erst ab ca. Mach 3 auftritt, können Scramjets nicht alleine starten und müssen auf andere Weise beschleunigt werden: Entweder werden sie wie die X-43 durch ein Trägersystem auf Höhe und Geschwindigkeit gebracht oder sie besitzen zusätzlich ein konventionelles Turbinenluftstrahltriebwerk. Die Wahl der Lösung hängt von der Verwendung des Flugkörpers ab, so wird für den Raumtransport die zweistufige Variante mit einer Rakete als Startstufe (RBCC = Rocket-based Combined Cycle Engines) favorisiert.


Herkömmliche Raketenantriebe werden durch ein Gemisch aus Treibstoff und Sauerstoff versorgt, wobei die expandierenden Gase des verbrennenden Gemischs für den Antriebsschub sorgen. Allerdings müssen bei diesem Antrieb sowohl der Treibstoff als auch der Oxidator (meist Flüssigsauerstoff) an Bord mitgeführt werden. Die Hyper-X Fahrzeuge, bezeichnend die X-43A, werden nur Treibstoff (Wasserstoff) mitführen, während der notwendige Sauerstoff aus der Atmosphäre angesaugt wird. Indem man den Sauerstofftank einspart, werden zukünftige Überschallflugzeuge mehr Gewichtskapazität für eine Nutzlast haben. Ein weiterer einzigartiger Aspekt der X-43A ist, dass der Flugkörper selbst entscheidende Elemente des Antriebs formt, mit dem vorderen Rumpf, der als Lufteinlass dient und dem hinteren Teil, der als Nase dient. Diese Technologien werden in einem harten Flugtestprogramm unter Beweis gestellt werden.


Die NASA Dryden Flight Research Center spielt, zusammen mit dem NASA Langley Research Center, in der ersten Phase des Hyper-X Programms, die von der NASA Aeronautics und der Space Transportation Technology Enterprise geleitet wird, eine große Rolle. Dryden ist hauptsächlich dafür verantwortlich 3 unbemannte X-43A zu fliegen, um einerseits die Antriebstechnologie, als auch das neuartige Design, zu testen. Die bei den Flügen aufgezeichneten Flugdaten werden ebenfalls in Edwards ausgewertet und sollen die Ergebnisse der Windkanaltests bestätigen. Die NASA Langley Werke (Hampton, Virginia) übernehmen das zentrale Programmmanagement und überwachen den Entwicklungsaufwand. Durch diese Zusammenarbeit realisiert das Hyper-X Programm eine Anzahl wichtiger Ziele/Ergebnisse, die für die nächste Generation von Flugkörpern grundlegend sein werden.


Im Gegensatz zu gewöhnlichen Flugzeugen wird die X-43A nicht mit eigenem Antrieb starten, und muss daher von einer B-52 der NASA auf Starthöhe getragen werden. Ein Pegasus-Trägersystem beschleunigt die X-43A dann auf die notwendige Geschwindigkeit bis der Srcamjetantrieb einsetzt. Somit ist der Flug der X-43A insgesamt dreistufig ausgelegt.



(Picture by NASA Dryden Flight Research Center)

Bezeichnung des X-Flugzeugs: X-43A
Typ: Experimentalträger mit Scramjet-Antrieb
Hersteller: NASA
Baujahr: 1996 bis heute
Antrieb:
Höchstgeschwindigkeit:
Gewicht (kg):
Länge (m):
Produktionszahlen:

Eine X-43A montiert auf einem Pegasus-Trägersystem (unter B-52). (Picture by NASA Dryden Flight Research Center)


 

Text by Tschixel. Letztes Update:  7. September 2007