Die Geschichte und Entwicklung von Ramjet-Triebwerken vom Zweiten Weltkrieg bis heute

Die Entwicklung von Staustrahltriebwerken stellt einen Eckpfeiler des Hochgeschwindigkeits-Luft- und Raumfahrtantriebs dar. Im Gegensatz zu Turbojets oder Raketen haben Staustrahltriebwerke keine beweglichen Teile – keine Kompressoren, keine Turbinen. Stattdessen verlassen sie sich vollständig auf die Vorwärtsgeschwindigkeit des Fahrzeugs, um die ankommende Luft zu komprimieren, bevor sie mit Kraftstoff vermischt und entzündet werden. Diese grundlegende Einfachheit macht sie ideal für nachhaltige Überschall- und Hyperschallflüge. Ihre Geschichte ist eine Geschichte von ehrgeiziger Technik, Kriegsdringlichkeit und fortlaufender Innovation, die sich vom Anfang des 20. Jahrhunderts bis zur heutigen Spitzenforschung erstreckt Hyperschall.

Ursprünge und frühe Konzepte

Die theoretische Grundlage für den Ramjet wurde lange vor dem Einfliegen eines praktischen Triebwerks gelegt. 1913 patentierte der französische Erfinder René Lorin ein Design für einen "Antriebskanal", der die Bewegung des Fahrzeugs zur Druckluftverdichtung nutzte. Lorins Konzept konnte jedoch zu diesem Zeitpunkt nicht realisiert werden, da es kein Flugzeug gab, das die erforderlichen Geschwindigkeiten - typischerweise über Mach 0,5 - erreichen konnte, damit der Motor funktionieren konnte. Die Idee blieb jahrelang schlummern.

Die ersten ernsthaften Versuche, einen funktionierenden Staustrahl zu bauen, kamen in den 1930er Jahren. In der Sowjetunion entwickelte der Ingenieur Mikhail Bondaryuk den GIRD-08, einen Flüssigstaustrahl, der 1939 auf einem Raketenschlitten getestet wurde. Etwa zur gleichen Zeit begannen deutsche Forscher am DVL (Deutsches Luftfahrtforschungsinstitut) mit der Erforschung von Staustrahldesigns unter dem Codenamen Eisenhans (Eisenhans). Diese frühen Prototypen zeigten, dass das Konzept funktionieren könnte, aber Materialien, Kraftstoffeinspritzung und Verbrennungsstabilität blieben große Herausforderungen.

Es war der Zweite Weltkrieg, der die Entwicklung von Ramjets wirklich beschleunigte. Die Notwendigkeit von Hochgeschwindigkeits- und Langstreckenwaffen drängte Ingenieure in Deutschland, Großbritannien und den Vereinigten Staaten, theoretische Entwürfe in praktische Hardware umzuwandeln. Die deutsche FLT:0 Die deutsche FLT:1 verwendete einen Pulsstrahl, keinen echten Ramjet, aber die operative Erfahrung, die mit einfacheren gedrängten Jets gewonnen wurde, informierte später die Ramjet-Arbeit. Die Alliierten verfolgten unterdessen Ramjet-betriebene Raketen und Zieldrohnen als Teil ihrer eigenen geheimen Projekte.

Entwicklung während und nach dem Zweiten Weltkrieg

Britische Beiträge

Das Vereinigte Königreich machte einige der bedeutendsten frühen Fortschritte. Die Royal Aircraft Establishment (RAE) und Metropolitan-Vickers arbeiteten an der Metropolitan-Vickers F.2/40, einem Ramjet, der dazu bestimmt war, Kampfflugzeuge in extreme Höhen zu bringen. Obwohl der Motor nie in ein Serienflugzeug eingebaut wurde, lieferte er umfangreiche Daten über Überschallverbrennungs- und Einlassdesign. Die Briten entwickelten auch die Projekt-, Luft- und Einatemungs- (PABR)--Familie, einschließlich der Pferdeschuh--Rakete, die eines der ersten Ramjet-angetriebenen Fahrzeuge war, die einen kontrollierten Flug erreichten. Diese Designs etablierten die grundlegende Architektur - ein langer zylindrischer Körper mit einem zentralen Nasenkegel, einem Einlass, einer Brennkammer und einer Auspuffdüse -, die heute noch Standard ist.

Amerikanischer Fortschritt

Die Vereinigten Staaten traten in den späten Kriegsjahren ins Feld. Die Marine-Luftwaffenstation in China Lake begann 1944 mit dem Testen des KAN (Kaiser-Nordamerikaner) Ramjets. Nach dem Krieg gaben die erfassten deutschen Dokumente und Wissenschaftler, insbesondere Dr. Adolf Busemann, der an Überschalleinlässen am DVL gearbeitet hatte, der amerikanischen Forschung einen großen Schub. Die Wright Aeronautical Division von Curtiss-Wright entwickelte den RJ47 Ramjet, der später den Bomarc Überschall-Oberflächen-Luft-Rakete antreibte. Der RJ47 war eine wegweisende Errungenschaft: Er zeigte, dass ein Ramjet zuverlässig für längere Zeit mit Geschwindigkeiten über Mach 2,5 arbeiten konnte.

Die Nachkriegszeit: Ramjets betreten den Dienst

In den 1950er Jahren war die Ramjet-Technologie reif genug für den Einsatz. Die britische Rakete Blue Steel , eine nuklear bewaffnete Standoff-Waffe, die von V-Bombern getragen wurde, benutzte ein Bristol Siddeley BS.605 ] Ramjet-Tertainer-Triebwerk nach dem Auftrieb auf Mach 2,5. Blue Steel blieb bis Anfang der 1970er Jahre im Dienst. In den Vereinigten Staaten trat der Bomarc 1959 in den Air Force-Service ein, bewaffnet mit konventionellen oder nuklearen Sprengköpfen und geführt von einem fortschrittlichen Radarsystem. Bomarcs Marquardt RJ43-MA-7 Motoren gaben ihm eine Reichweite von über 400 Meilen und eine Geschwindigkeit von Mach 2,8. Diese Systeme bewiesen, dass Ramjets nicht nur Laborkuriositäten waren, sondern zuverlässige Antriebseinheiten für reale militärische Anwendungen.

Technologische Fortschritte: Von Ramjets zu Scramjets

Herausforderungen bei der Verbrennung

Die technische Herausforderung des Staustrahls besteht darin, die Verbrennung bei hohen Überschallgeschwindigkeiten stabil zu halten. Bei einem Unterschall-Verbrennungsstaustrahl muss die in den Einlass eintretende Luft vor dem Eintritt in die Brennkammer auf Unterschallgeschwindigkeiten verlangsamt werden. Diese Verzögerung erzeugt Stoßwellen und Druckverluste, die die Effizienz begrenzen. Ingenieure verbrachten Jahrzehnte damit, Ansauggeometrien zu verfeinern - mit Kompressionsrampen, scharflippigen Einlässen und variabler Geometrie - um diese Verluste zu minimieren. Die Arbeit von Dr. Antonio Ferri am Polytechnic Institute of Brooklyn war besonders einflussreich; seine "Ferri-Typ" -Einlass wurde für viele amerikanische Staustrahler zum Standarddesign.

Kraftstoffsysteme und Wärmemanagement

Kraftstoffe entwickelten sich auch signifikant. Frühe Ramjets verwendeten Standard-Kerosin (JP-4 oder JP-5), aber Hochgeschwindigkeitsflüge erzeugen intensive Hitze. Bei Mach 3 und höher werden die Zelle und der Motor so heiß, dass herkömmlicher Kraftstoff sich zersetzen oder Verkokungen in Kraftstoffleitungen verursachen kann. Dies führte zur Entwicklung von FLT: 0 endothermischen Kraftstoffen FLT: 1 , die Wärme durch chemische Rissreaktionen absorbieren, bevor sie verbrannt werden. Der FLT: 2 JP-7 FLT: 3 Kraftstoff, der in den FLT: 5 SR-71 Blackbird FLT: 5 verwendet wird ist ein berühmtes Beispiel. Neuere Arbeiten haben sich auf FLT: 6 RJ-8 FLT: 7 und andere spezialisierte Mischungen konzentriert Langstrecken-Hyperschallflug.

Der Scramjet-Breakthrough

Der nächste große Sprung kam mit dem Scramjet (Überschallverbrennungsstaustrahl). In einem Scramjet bleibt der Luftstrom im gesamten Motor überschallend, wodurch die Notwendigkeit eines Unterschalldiffusors entfällt und der Luftwiderstand reduziert wird. Das Konzept wurde erstmals in den 1960er Jahren vorgeschlagen, aber die praktische Realisierung erwies sich als außerordentlich schwierig. Die Verbrennung bei Mach 5 oder höher erfolgt in Millisekunden, was präzise Kraftstoffeinspritz- und Zündsysteme erfordert.

Die NASA X-43A, geflogen 2004, war das erste Flugzeug, um anhaltenden Flug mit einem Scramjet zu erreichen, Erreichen Mach 9,6 auf seinem dritten und letzten Flug. Dieser Meilenstein wurde von der Air Force-NASA-Projekt gefolgt, die Scramjet-Betrieb für mehr als 200 Sekunden bei Mach 5.1 im Jahr 2013 demonstriert.

Werkstoffe und thermischer Schutz

Der Betrieb mit anhaltenden Hyperschallgeschwindigkeiten erfordert Materialien, die extreme thermische Belastungen überstehen können. Frühe Ramjets verwendeten Nickel-basierte Superlegierungen wie Inconel X-750 Moderne Scramjets, wie sie in den HyShot und HIFiRE Programmen getestet wurden, verwenden fortschrittliche Keramik, Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe und aktive Kühlkanäle. Wärmeschutzsysteme, die von Wiedereintrittsfahrzeugen übernommen wurden - wie der PICA (Phenolic Imprägnated Carbon Ablator) verwendet auf X-43A's Vorkörper - wurden für Ramjet- und Scramjet-Anwendungen angepasst. Diese Materialien müssen nicht nur extremer Hitze, sondern auch schweren mechanischen Belastungen durch Stoßwellen und Vibrationen standhalten.

Aktuelle Anwendungen

Militärraketensysteme

Ramjet-Triebwerke fahren fort, einige der weltweit fortschrittlichsten Raketensysteme anzutreiben. Der MBDA Meteor, eine Luft-Luft-Rakete jenseits der Sichtweite, die von mehreren NATO-Luftstreitkräften verwendet wird, integriert eine variable Strömungskanalrakete (eine Art Ramjet), die es ihm ermöglicht, den Schub bei High-G-Manövern aufrechtzuerhalten, bei denen herkömmliche Raketen ausbrennen würden. Die von Indien und Russland gemeinsam entwickelte BrahmaMos Rakete verwendet einen flüssigkeitsbetriebenen Ramjet-Tertainer, um Mach 2,8-3,0 während seiner Endphase zu erreichen. BrahMos wurde auf Schiffen, U-Booten, Flugzeugen und landgestützten Trägerraketen eingesetzt, was sie zu einer der vielseitigsten Ramjet-angetriebenen Waffen macht, die es gibt.

Das Raketenabwehrsystem verwendet die FLT:2 RIM-161 Standard Missile 3 (SM-3) mit einem Zweipuls-Raketenmotor, aber sein Nachfolger, die FLT:4] SM-6 , enthält einen Ramjet-Sustainer für erweiterte Reichweite und kinematische Leistung. Die US Navy entwickelt auch die FLT:6 ]Offensive Anti-Surface Warfare (OASuW) Waffe, die wahrscheinlich einen Ramjet für die schnelle Penetration feindlicher Abwehrkräfte verwendet. Diese Anwendungen verlassen sich auf die Fähigkeit des Ramjets, hohe Geschwindigkeit über große Entfernungen zu erhalten und gleichzeitig die Manövrierfähigkeit zu erhalten.

Hyperschall-Forschungsfahrzeuge

Experimentelle Programme schieben weiterhin Grenzen. Das 1963 abgesagte Boeing X-20 Dyna-Soar war ein früher Kandidat für Ramjet-Antriebe in einem Raumflugzeug. Heute sollen das DARPA Falcon-Programm und der Lockheed Martin SR-72-Demonstrator Scramjet-basierte Motoren für Aufklärungs- und Streikmissionen verwenden. Das US Air Force Research Laboratory (AFRL) hat mehrere Testfahrzeuge unter dem Hypersonisches Luftatmungswaffenkonzept (HAWC)-Programm geflogen, die alle auf Scramjet-Antrieb angewiesen sind.

Im zivilen Sektor verfolgt die australische-britische Zusammenarbeit am SABRE-Motor einen anderen Ansatz, indem sie einen Vorkühler mit einem Ramjet-ähnlichen Zyklus kombiniert, um von Null bis Mach 5,4 zu arbeiten, bevor sie zum Raketenmodus für den Weltraumzugang übergeht.

Zukunftsperspektiven

Hyperschalltransport

Die ehrgeizigste zukünftige Anwendung für Ramjet- und Scramjet-Technologie ist Punkt-zu-Punkt-Hyperschalltransport. Unternehmen wie Hermeus und Venus Aerospace entwickeln Flugzeugkonzepte, die Turbo-Ramjet-Hybride verwenden würden, um Passagiere in weniger als zwei Stunden über den Atlantik zu befördern. Hermeus Quarterhorse - ein turbinenbasiertes Kombiflugzeug - ist so konzipiert, dass es Mach 5,5 mit einem modifizierten Pratt & Whitney F100 Turbofan erreicht, der mit hoher Geschwindigkeit in einen Ramjet-Modus übergeht. Wenn es erfolgreich ist, könnten solche Fahrzeuge die Langstreckenfahrt revolutionieren und die Flugzeiten um 75% oder mehr reduzieren.

Weltraumzugang

Ramjet- und Scramjet-Fahrzeuge könnten auch die Kosten für den Start von Nutzlasten in den Orbit senken. Durch die Verwendung von atmosphärischem Sauerstoff während des frühen Aufstiegs könnte eine erste Hyperschallstufe das Tragen schwerer Oxidationstanks vermeiden und möglicherweise die Nutzlastkapazität verdoppeln. Das Konzept von Reaction Engines Skylon (unter Verwendung des SABRE-Motors) ist das bekannteste Beispiel, aber ähnliche Studien wurden von NASA unter dem Hypersonic Airplane Space Tether Orbital Launch (HASTOL) durchgeführt Konzept. Es wurde noch kein solches Fahrzeug gebaut, aber Fortschritte in Materialien, Kühlung und Steuerung bringen dieses Ziel jedes Jahr näher.

Verteidigung und Abschreckung

Militärische Forderungen werden mit ziemlicher Sicherheit kurzfristige Investitionen antreiben. Gegner wie China und Russland entwickeln Hyperschall-Gleitfahrzeuge und Marschflugkörper, die auf Ramjet- oder Scramjet-Antrieb angewiesen sind. Das US-Verteidigungsministerium hat in seinem Budget hypersonische Waffen priorisiert, Finanzierungsprogramme wie die und die Hyperschall-Angriffs-Kreuzfahrt-Rakete (HACM) Gegen diese Bedrohungen erfordern ebenso schnelle Abfangjäger, von denen viele selbst Ramjet-angetrieben werden. Die Northrop Grumman X-47C und ähnliche unbemannte Plattformen werden oft als potenzielle Hyperschall-Schlag- oder Aufklärungsplattformen diskutiert.

Verbleibende technische Hürden

Trotz jahrzehntelanger Fortschritte bleiben erhebliche Herausforderungen bestehen. Anhaltender Hyperschallflug erzeugt Temperaturen über 2,500°C (4,500°F) an den Vorderkanten, die aktive Kühlung oder Ablation erfordern. Kraftstoffeinspritzung und -mischung müssen genau kontrolliert werden, um einen Flammenausbruch oder einen Start zu vermeiden (ein Zustand, bei dem das Schocksystem verdrängt und der Motor die Druckluft nicht mehr komprimiert). Die Integration mit Turbojets für den Start und die Landung mit niedriger Geschwindigkeit erhöht die Komplexität, das Gewicht und die Kosten. Das TBCC-Konzept ist zwar vielversprechend, muss jedoch noch in einem vollwertigen Flugfahrzeug demonstriert werden. Und der Übergang von Unterschall- zu Überschallverbrennung - die so genannte thermische Drosselung - bleibt ein anspruchsvolles technisches Problem.

Der Weg nach vorn

Die Geschichte des Ramjets ist ein Beweis dafür, wie eine einfache Idee – Druckluft durch schnelle Bewegung – sich zu einer Technologie mit tiefgreifenden Auswirkungen auf Kriegsführung, Transport und Weltraumforschung entwickeln kann. Von den rohen, auf Schlitten montierten Prototypen der 1930er Jahre bis zum Mach 9,6-Flug der X-43A hat jede Generation Effizienz, Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit verbessert. In den kommenden Jahrzehnten werden wahrscheinlich operative Hyperschallraketen, experimentelle Passagier-Shuttles und möglicherweise sogar wiederverwendbare Erststufen-Booster, die die Atmosphäre als ihren Oxidationsmittel verwenden, zu sehen sein. Der Ramjet wird in seinen verschiedenen Formen das Herzstück dieser Fortschritte sein.

Für weitere Informationen zu den Ramjet-Grundlagen bietet die Smithsonian Institution einen hervorragenden historischen Überblick über die Entwicklung von gebündelten Raketen und Ramjets. Das American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) veröffentlicht detaillierte technische Arbeiten über Scramjet-Verbrennung und Wärmemanagement. Und das NASA Armstrong Flight Research Center unterhält ein öffentlich zugängliches Archiv von X-43A- und X-51A-Flugdaten.

Der Ramjet mag eines der einfachsten luftatmenden Motorenkonzepte sein, die jemals entwickelt wurden, aber seine Realisierung erforderte einige der ausgeklügeltsten technischen Maßnahmen, die jemals unternommen wurden.