Scramjets

runner02, es hängt nicht so sehr von der Höhe ab. Da das Grundkonzept das gleiche ist (Verbrennen von Treibstoff mit Luftsauerstoff) kann man grundsätzlich auch mit Turbinentriebwerken hoch fliegen.

Der Hauptunterschied ist die Geschwindigkeit, bei der man ein Triebwerk betreibt. Turbinentriebwerke sind nur bei geringen Geschwindigkeiten sinnvoll einsetzbar. Bei großen Geschwindigkeiten (ich glaube ab etwa Mach 4) wird  der Luftwiderstand der Turbinenschaufeln so groß, dass der Schub den Triebwerksluftwiderstand nicht ausgleichen kann, so dass kein Vortrieb mehr entsteht.

Bei Staustrahltriebwerken gibt es keine Teile, die senkrecht zur Flugrichtung verbaut sind, so dass die einen deutlich geringeren Widerstand erzeugen und so höhere Geschwindigkeiten erzeugen können, bevor Widerstand und Schub sich ausgleichen.

Der Grund, warum man Scramjets oft mit großen Flughöhen verbindet, ist diese höhere Geschwindigkeit. Es ist nämlich leichter, durch Geschwindigkeit in großen Höhen Auftrieb zu erzeugen, als mit großen Flügeln.

Eine Kombination von Turbo und Ramjet gibt es übrigens schon: Das Pratt&Whitney J58 für den Aufklärer Lockheed SR-71. Dieses Triebwerk hat ein Klappensystem, dass die Luft zum Teil an der Turbine vorbei leitet. Dieses Triebwerk arbeitet ab Mach 0,5 teilweise als Staustrahltriebwerk, bei Höchstgeschwindigkeit Mach 3,2 werden 80% des Schubs als Ramjet erzeugt.

mfg websquid

Hallo,

Turbinen werden bei höheren Geschwindigkeiten einfach zu heiß. Eine Alternative wäre die Kühlung der eintretenden Luft. Das wurde schon in den 70ern bei der AirForce gemacht und tauchte dann wieder bei Hotol und Nachfolgern auf. So will man die Turbos bis Mach 5.5 laufen lassen. Ob das höhere Gewicht der zusätzlichen Pumpen und Kompressoren aber durch den besseren Wirkungsgrad der Turbos wettgemacht wird, ist fraglich.

Der erste Turbo-Ramjet war das Rekordflugzeug GRIFFON dessen Vorkonfiguration übrigens noch von Eugen Sänger stammt.

Turbinen werden bei höheren Geschwindigkeiten einfach zu heiß.

Und für eine luftatmende Raketenstufe? (Dass man nur Höhe gewinnt, aber kaum vertikales delta-V.) Ohne große Beschleunigung müsste das doch gehen, im Prinzip kann man damit ja langsam hochfliegen und trotzdem große Massen Treibstoff sparen...

Naja, Kreisbahngeschwindigkeit ist Kreisbahngeschwindigkeit. Die 28.500 km/h müssen erreicht werden. Dass dies in 300 km Höhe stattfinden muss liegt ja nur daran, dass etwa ab dort der Luftwiderstand vernachlässigbar ist. In absehbarer Zeit wird es wohl keinen Einstufer geben. Sinnvollerweise ist dann die Unterstufe luftatmend und der Orbiter hat ein oder mehrere Raketentriebwerke. Das eigentliche Thema ist die Geschwindigkeit für die Stufentrennung. Bei MAKS fliegt die Antonow vielleicht 800 km/h, mit einem Wasserstoffgetriebenen Scramjet könnte man vielleicht auf 15.000 km/h kommen. Das müsste man dann aber aktiv kühlen oder mit einer MHD Vorrichtung schützen. Das alles bringt wieder unerwünschtes Gewicht. Abgesehen von Kosten und Entwicklungszeiten bringt alleine die Physik genügend Parameter ins Spiel. Mit Computersimulationen alleine wird man aber nicht weiter kommen.

Am 25. Mai sollen die Testflüge der X-51 beginnen. Mit den vier Flügen dieser Demonstratoren sollen erstmals längere Scramjetflüge (mehrere Minuten) nachgewiesen werden. Bei den Flügen steigt die X-51 mit einer Feststoffrakete nach dem Abwurf von einer B-52 auf 18000m und Mach 4. Danach zündet der Scramjet (mit normalem JP-7 Kerosin betrieben) für 300s und steigt weiter auf 30000m und Mach 6.5. Anscheinend zündet man in einer "heads down position" und rollt am Ende in eine normale Fluglage.

Neben der Perspektive diese Technologie im Raumflug zu nutzen, geht es hier v.a. um Technologien für das Prompt Global Strike Programm der USA, welches aber wahrscheinlich zuerst mit konventionellen ICBMs in Einsatz gehen wird und später auch globale Scramjet-Marschflugkörper einführen soll/kann.

Quelle: http://spaceflightnow.com/news/n1005/16waverider/

Australien gründet Screamjet-Konsortium

Die Universität von Queensland wird ein internationales Konsortium leiten, das auf dem Scramjet basierende Systeme entwickeln soll. Es geht um ein autonomes Scramjet-Fahrzeug mit einer Geschwindigkeit von Mach 8, oder 8600 km/h, für einen sicheren, zuverlässigen und wirtschaftlichen Zugang zum Raum.
Parallel dazu werden Scramjet-Konzepte mit noch größeren Geschwindigkeiten, bis zum Mach 14, geprüft. Scramjets sind luftatmende Motoren, die zum Reisen mit Hyperschallgeschwindigkeiten fähig sind, die größer sind als Mach 5.
Das  Projekt ist 14 Millionen $ schwer, 5 Millionen $ wurden im Rahmen eines des australischen Raumforschungsprogramms bewilligt, die restlichen 9 Millionen $ kommen von dem internationalen Partnerschaft-Konsortium.
Hier der ganze Bericht:
http://www.space-travel.com/reports/Australia_Launches_Scramjet_Consortium_999.html

Meine Uni ist auch daran beteiligt. In Adelaide will man vor Allem an an der Steuerung eines solchen Vehikels arbeiten.

"We don't really yet understand how to control scramjet-powered vehicles in flight - how to keep them stable and how to execute a manoeuvre," said Dr Doolan. "We'll be leading the research on that aspect."

Taking steps towards cheaper space flight - The University of Adelaide

Hier gibt es ein Problem ähnlich dem der Entwicklung ballistischer Verlustträger. Diese Entwicklung wird stark von strategischen Wünschen beeinflusst. In den USA wird jetzt endlich darüber diskutiert, dass Feststoffbooster giftig, nicht billiger und nicht so Leistungsfähig sind. Für das Militär hatten diese Booster aber immer Priorität auf Grund ihrer besseren Handhabbarkeit. Also hat die zivile Raumfahrt diese Entwicklung mittragen müssen und da hier ja auch regelmäßig Träger gebraucht werden, diese bei den Herstellern in Auftrag gegeben. Wie oft werden schon ICBMs erneuert. Da wollen die Hersteller brücken und ob der logischerweise guten Lobby bei den jeweiligen Verteidigungsministerien konnte dies auch immer auf Raumfahrtkosten geschehen.

Wie sieht es aber bei den Luftatmern aus? Hat eine Unterstufe für die Raumfahrt nicht auch andere Prioritäten als ein langstreckentauglicher Hyperschallflugkörper? Eine quasi Überschallverbrennung ist von vielen Parametern abhängig. Europäische luftatmende Feststoffflugkörper arbeiten schon seit vielen Jahren mit quasi Überschallverbrennung. Braucht man das aber wirklich in der Raumfahrt? Wo macht man die Stufentrennung? Mit welchen Treibstoffen will man fliegen? Was bestimmt diese Parameter? Wirtschaftlichkeit? Zuverlässigkeit? Scramjet ist kein Allheilmittel und ob es für die Raumfahrt wirklich der beste Kompromiss ist, scheint bisher noch nirgends bewiesen worden zu sein.

Hat eine Unterstufe für die Raumfahrt nicht auch andere Prioritäten als ein langstreckentauglicher Hyperschallflugkörper?

Zum Teil sicherlich, aber das wichtigste und im Moment schwierigste Ziel ist bei beiden gleich: Extrem hohe Fluggeschwindigkeiten erzielen. Marschflugkörper brauchen das, um möglichst schnell eingesetzt werden zu können, Raumfahrtträger sollten einen möglichst großen Anteil der nötigen Orbitalgeschwindigkeit aufbauen.

Wenn man erstmal in der Lage ist, hohe Geschwindigkeiten zu erreichen, kann man sicherlich diversifizieren in unterschiedliche Systeme, aber soweit sind wir ja noch nicht.

Kritisch ist eventuell die Verwendung von Kerosin statt Wasserstoff. Kerosin ist leichter handhabbar (also wie Feststoffbooster), Wasserstoff ermöglicht höhere Leistungen. Ich hoffe nicht, dass man sich nur noch auf Kerosin konzentriert und die wirklich hohen Geschwindigkeiten > Mach 10 nicht mehr erreicht.

mfg websquid

Es ist ja noch ein bisschen komplexer. Es geht nicht nur um die maximal mögliche Geschwindigkeit der Unterstufe. In einem System muss alles zusammenpassen. Wenn man beispielsweise die Unterstufe mit allen Möglichkeiten auf Mach 15 auslegt, braucht es sehr viel Triebwerk, eine aktive Kühlung und aufwendigste Bauweisen. Damit wird die Unterstufe schwer und dieses zusätzliche Gewicht geht wieder von der Nutzlast ab – irgendwann mehr als die zusätzliche Geschwindigkeit bringt. Der „Trick“ ist, die optimale Stufentrenngeschwindigkeit für eine maximale Nutzlast herauszufinden. Hat dafür schon je jemand ein Diagramm gesehen? Dazu tummeln sich ja selbst in den dafür ausgewiesenen Rechenprogrammen zu viele Fehler herum! Meine subjektive Meinung ist, dass im Augenblick eher „Modetendenzen“ vorherrschen als dass solide Grundlagenarbeit gemacht wird. Wenn man beispielsweise ein Oberstufentriebwerk auf höchste Drücke auslegen will, nimmt man heute immer noch Gordon McBride oder meinetwegen die Bemessungstafeln meiner Mutter und interpoliert den Rest. Hat das dann noch etwas mit Physik zu tun? Wenn man beispielsweise für die Oberstufe das verfügbare RD-701 annimmt, wie schnell muss die Unterstufe dann noch werden für vielleicht 20T in LEO? Es geht langsam auch darum etwas zu bauen. Also nicht nur auf irgendeine künftige Technologie zu hoffen. Solange man nämlich nur simuliert und extrapoliert bleibt auch die Nutzlast hypothetisch.

Eine Frage: Was ist das RD 701? Da hab ich noch nie von gehört

Um wirklich die ideale Auslegung abschätzen zu können, muss man doch erstmal die Grundlagen erforschen - das tut man ja gerade mit der X51 oder anderen Projekten. Erst wenn das erledigt ist, kann man konkrete Anwendungskonzepte erstellen, die deine Anforderungen erfüllen

mfg websquid

Hallo,

das RD-701 ist ein international recht bekanntes, inzwischen auch schon 20 Jahre altes russisches Dreistofftriebwerk mit vielleicht 300 bar Brennkammerdruck.

Mit X-43A, HyFly DCR, X-51A, FASTT, HyShot, HIFiRE, HyV etc. werden jeweils einzelne Fragen untersucht. Leider gibt es hier derzeit keinen wirklichen Anspruch das in einem System zu integrieren.

Das hat aber nicht wirklich etwas mit meiner These zu tun. Wenn es wirklich um ein zweistufiges, wieder verwendbares, horizontal startendes Raumtransportsystem ginge, könnte man auf Basis der absehbaren Technologien eine optimale Stufentrenngeschwindigkeit berechnen und damit die Forschung besser fokussieren. Das wurde so auch im deutschen Hyperschalltechnologieprogramm gemacht. Dass man das nicht tut, heißt tatsächlich nur, dass man für einen solchen Raumtransporter derzeit weder das Geld noch das Interesse hat. Die derzeitige allgemeine Technologieforschung an Bauweisen und Antrieben ist für ein Raumtransportprojekt der nächsten 30 Jahre nicht wirklich zielführend, für Industrie und Agenturen aber durchaus reizvoll.

P.S.  ein Washingtoner Freund schreibt gerade für RC einen Artikel über die Arbeiten der DARPA und warum das nichts mit Raumfahrt zu tun hat.

Noch kurz zum "Buchhalten", da wir es schon im Portal haben:

X-51 ist geflogen. Beim Flug hat das Triebwerk mit JP-7 ca. 150s gebrannt und den Flugkörper ca. auf Mach 5 beschleunigt. Geplant waren eine längere Flugzeit und höhere Geschwindigkeit (300s-500s und Mach 6,5). Anscheinend wurde das Vehikel abgebremst und wieder beschleunigt. Die Ursache für das vorzeitige Abschalten und die niedrigere Spitzenleistung wird gesucht.

Quellen:
http://www.spaceflightnow.com/news/n1005/27waverider/
http://www.raumfahrer.net/news/raumfahrt/28052010201335.shtml


Und hier ein Video von Abwurf und Brennphase des Boosters:






Beschleunigen ... Abbremsen ... Beschleunigen ...
Ein Problem in der Verbrennung bei Erreichen einer bestimmten Geschwindigkeit?

http://www.flightglobal.com/articles/2010/05/27/342468/pictures.html

Offensichtlich hatte man bei ca. 140 Sekunden Aussetzer der Telemetrie-Verbindung, während das Triebwerk weiterlief. Aus Sicherheitsgründen aktivierte man dann die Selbstzerstörung des Vehikels. Es ist aber trotz der kürzeren Flugzeit ein Erfolg.

Gruß 

Hi!

Wir werden ja in ein paar Monaten erfahren, was das Problem war. Derzeit wird der Motor untersucht.
Die nächsten Flüge sind für Ende dieses Jahres geplant.

lg

Die Technik dieses Prototypes ist schon erstaunlich. Hightech vom feinsten.

Was mich aber massiv stört, ist, daß die Militärs das Ding als Marschflugkörper benutzen wollen. Letztendlich ist das Ding dann nichts anderes als eine gewöhnliche "fliegende" Bombe. Die würde zur Sicherheit in der Welt überhaupt nichts beitragen. Einen zivilen Einsatz, zB. um Satelliten in einen Orbit zu schießen, würde ich befürworten. Dafür eignet sich der Antrieb aber nicht. Dazu müßte der Oxidator für den Weltraumflug wieder mitgenommen werden. Und damit hätte man wieder eine gewönliche Rakete.

Sollte so ein Ding mal wirklich Serienreif sein, gibt es dafür eigentlich zivile Nutzungsmöglichkeiten ?

Hallo,

In der Meldung stand ja schon:

In späteren Jahren sollen Scramjets wiederverwendbar werden.

Natürlich hast du recht, dass vom Militär sehr viel für nicht-zivile Zwecke verwendet wird. Aber ich würde ein Projekt nicht von vornherein als militärisch abstempeln.

Sämtliche Navigationssysteme wurden auch fürs Militär entwickelt und kaum eine Privatperson fährt heute ohne Navi.

lg

Sollte so ein Ding mal wirklich Serienreif sein, gibt es dafür eigentlich zivile Nutzungsmöglichkeiten ?

-Überschallflugzeuge (vgl Concorde, übrigens soll die 2012 wieder fliegen, was man in den News liest)

Dafür eignet sich der Antrieb aber nicht. Dazu müßte der Oxidator für den Weltraumflug wieder mitgenommen werden.

Aber für den ersten Teil des Aufstiegs spart man sich eben den Oxidator...

Dass die Concorde jemals nochmal abhebt, halte ich eher für ausgeschlossen. Soviel Geld wird niemand investieren wollen.

Mal sehen, was man noch von dem Projekt hören wird. Derzeit ist man ja erstmal mit der Auswertung der Daten vom ersten Testflug beschäftigt. 2011 soll dan der nächste Testflug stattfinden.

Gruß 

Kein Testflug ... ein Testlauf der Triebwerke am Boden hat stattgefunden. Ich denke auch, dass eine Concorde als "Warbird" ... oder besser "Oldtimer" ... sich nicht wird halten können. Auch andere alte "heritage"-Jets kämpfen mit dem Überleben in Stiftungen.

Bei dem Ganzen geht es ja nicht um einen erneuten Betrieb der Concorde als Passagierliner ...

Ich bezog mich nur kurz oben auf die Concorde. Mit dem Testflug meinte ich natürlich die X-51.

Kam wohl etwas falsch rüber.

Gruß  

Die Technik dieses Prototypes ist schon erstaunlich. Hightech vom feinsten.

Was mich aber massiv stört, ist, daß die Militärs das Ding als Marschflugkörper benutzen wollen. Letztendlich ist das Ding dann nichts anderes als eine gewöhnliche "fliegende" Bombe. Die würde zur Sicherheit in der Welt überhaupt nichts beitragen. Einen zivilen Einsatz, zB. um Satelliten in einen Orbit zu schießen, würde ich befürworten. Dafür eignet sich der Antrieb aber nicht. Dazu müßte der Oxidator für den Weltraumflug wieder mitgenommen werden. Und damit hätte man wieder eine gewönliche Rakete.

Sollte so ein Ding mal wirklich Serienreif sein, gibt es dafür eigentlich zivile Nutzungsmöglichkeiten ?

Ein paar Stichworte zum möglichen Nutzen des X51 Antriebs. Das besondere Thema des Flugkörpers ist das JP7 (Jet propellant 7, ein spezielles Kerosin das seinerzeit für das Blackbird entwickelt wurde) mit quasi Überschallverbrennung (quasi, weil eine Flamme nie wirklich schneller als der Schall läuft). Vor allem das Militär mag Kerosin lieber als Wasserstoff, da es einfacher zu handhaben ist. Das Problem der quasi Überschallverbrennung ist aber, dass sie im unteren Geschwindigkeitsbereich weniger effizient ist. Bis Mach 7.5 ist ein Wasserstoff Ramjet besser. Mit Kerosin geht es mit Unterschallverbrennung allerdings nur bis vielleicht Mach 5.5.

Daher steht ein solcher Antrieb hauptsächlich auf der Wunschliste der Militärs. Das Problem eines teilweise luftatmenden Raumfahrzeugs ist der riesige Geschwindigkeitsbereich. Man kann viele einzelne Bereiche optimieren. Da diese Optimierungen aber immer Gewicht kosten, ist es dann eine Frage der Gesamtbilanz und ob es überhaupt noch Sinn macht. Natürlich könnte es auch ein spin off einer militärischen Entwicklung für die Raumfahrt geben. Das müsste aber schon sehr gut passen, da das eigentliche Problem der Raumfahrt, der winzige Nutzlastanteil, bei der Entwicklung Priorität hat. Die zweite Priorität ist das Geld. Da könnte ich mir dann noch allenfalls etwas wie MAKS vorstellen.   Aber immer noch besser als ballistisch! 

http://www.pm-magazin.de/de/heftartikel/artikel_id4677.htm

Ein Artikel hat mich zum Nachdenken angeregt:


In der Zivilen Luftfahrt wird es in den nächsten zwei Jahrzehnten wahrscheinlich Überschallflugzeuge mit Wasserstoff geben.
Das würde Reisezeiten enorm verkürzen.

Die Entwicklung trägt somit der Flugkunde, nicht die NASA. Doch für die NASA wäre ein bewährter Scramjet doch eine gute Basis für eine luftatmende Rakete?

Als wäre das eine verlässliche Quelle für so eine absolute Wertung ...

Es gibt gute Gründe, warum sich Concorde und Tu-144 nicht durchgesetzt haben, und warum der Luftverkehr "bei 950km/h stagniert". Luftverkehr ist in einer globalisierten Welt Massentransport. Da ist die Höchstgeschwindigkeit nur eine von vielen Anforderungen. In einer Welt der instananen Kommunikation werden Reisen vielleicht (eher sogar wahrscheinlich) immer unwichtiger.

Außerdem, die NASA trägt die Entwicklung ... aber eben auf Niveau der Grundlagenforschung und der Reifung der Technologie. Wieviel scramjets sind denn schon im einsatzreif, dass wir schon Menschenmassentransport damit planen können?

pm ist ... pm ...

Ich denke vor allem wegen der dichten Besiedelung der typischen Kundenländer und der steigenden Umweltansprüchen wird der Betrieb solcher Flugzeuge alleine schon wegen dem Überschalknall genau so problematisch sein wie bei Concorde und Konkordskij

wird der Betrieb solcher Flugzeuge alleine schon wegen dem Überschalknall genau so problematisch sein wie bei Concorde und Konkordskij

In dem vollständigen Artikel steht, dass der Überschallknall aufgrund von besserer Aerodynamik  bereits auf 65 dB gesenkt werden konnte...

Allerdings 'nur' bei einem 30-Sitzer Prototyp.

Der Überschallknall stellt kein Problem dar wenn er über unbesiedeltem Gebiet statt findet, etwa der hohen See. Aus Umweltperspektive sind Scramjets "klassischen" Düsenflugzeugen vorzuziehen, da erstere praktisch wirkungslose Abgase ausgeben. Aber ich denke Anwendung dieser Technologie in ziviler Luftfahrt ist eine eigene Diskussion.