Ramjets verstehen

Ramjets sind eine Klasse von Luft-Atemstrahltriebwerken, die keinen bewegten Kompressor oder Turbine haben, wobei sie sich vollständig auf die Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs zur Kompression der ankommenden Luft verlassen. Diese Konstruktion macht sie von Natur aus einfach und leicht im Vergleich zu Turbojets oder Turbofan-Triebwerken. Bei Unterschallgeschwindigkeiten sind Ramjets unwirksam, weil kein ausreichender dynamischer Druck zur Kompression der Luft vorhanden ist, aber bei Überschall- und Hyperschallgeschwindigkeiten werden sie hocheffizient. Der Mangel an rotierenden Maschinen ermöglicht es Ramjets, mit sehr hohen Machzahlen zu arbeiten, typischerweise von Mach 2,5 bis Mach 6 oder darüber hinaus, je nach Kraftstoff und Konstruktion.

Bei einem Staustrahl dringt Luft in den Einlass ein und wird durch eine Reihe von Stoßwellen verlangsamt (komprimiert), bevor sie in die Brennkammer eintritt. Kraftstoff wird eingespritzt und verbrannt, und das resultierende heiße Gas dehnt sich durch eine Düse aus, um Schub zu erzeugen. Da der Motor atmosphärischen Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet, braucht das Fahrzeug keine schweren Oxidationstanks zu tragen, ein großer Vorteil gegenüber herkömmlichen Raketentriebwerken. Der spezifische Impuls eines Staustrahls kann 1200-2000 Sekunden bei hohen Überschallgeschwindigkeiten erreichen, weit über die 300-450 Sekunden einer typischen chemischen Rakete hinaus. Diese Kraftstoffeffizienz macht Staustrahle attraktiv für die frühen Phasen eines Weltraumstarts, insbesondere für wiederverwendbare Erststufenverstärker oder luftatmende Hyperschallflugzeuge, die zum Rand des Weltraums aufsteigen können.

Der thermodynamische Zyklus eines Staustrahls ist ähnlich wie ein Brayton-Zyklus, aber ohne Kompressor. Stattdessen sorgt die Verzögerung der einströmenden Hochgeschwindigkeitsluft für die erforderliche Kompression. Dieser Prozess erzeugt eine erhebliche Erwärmung, und Staustrahlstrukturen müssen extremen Temperaturen standhalten, was oft fortschrittliche Materialien wie Keramik, Nickel-Superlegierungen und aktive Kühlsysteme erfordert. Ramjet-Triebwerke können eine Vielzahl von Brennstoffen verbrennen, wobei Wasserstoff aufgrund seiner hohen Verbrennungsenergie und hervorragenden Kühleigenschaften die höchste Leistung bietet.

Scramjets – Die Überschall-Variante

Bei Geschwindigkeiten oberhalb von Mach 5 wird der Temperaturanstieg von der Kompression der Luft zu Unterschallgeschwindigkeiten so stark, dass die konventionellen Stampjet-Verbrennungen aufgrund von Materialgrenzen und chemischer Kinetik unpraktisch werden. Ein Überschall-Verbrennungsstampfer oder Scramjet überwindet dies, indem er den Luftstrom im gesamten Motor überschallt. Die Luft tritt mit Hyperschallgeschwindigkeiten ein, wird durch die Einlassgeometrie komprimiert, Kraftstoff wird eingespritzt und vermischt sich in Überschallströmung und Verbrennung erfolgt ohne einen normalen Schock. Dies ermöglicht Scramjets, effizient bis Mach 15 und möglicherweise höher zu arbeiten, obwohl ein anhaltender Betrieb bei solchen Geschwindigkeiten eine große technische Herausforderung bleibt.

Scramjets gelten als Schlüsselfaktor für den hypersonischen Ferntransport und als Luftatmungsstufe eines zweistufigen TSTO-Startsystems. Der X-43A (NASA) und der X-51 Waverider (US Air Force) haben im Flug die Scramjet-Technologie demonstriert und erreichen Mach 9,6 bzw. Mach 5.1. Diese Tests haben bewiesen, dass Überschallverbrennung machbar ist und einen positiven Nettoschub liefern kann, aber sie haben auch Schwierigkeiten mit Zündung, Flammenhalterung und Wärmemanagement unter extremen Bedingungen hervorgehoben.

Vorteile von Ramjets und Scramjets für den Weltraumstart

  • Massenreduktion: Durch die Verwendung von Luftsauerstoff kann das Fahrzeug deutlich weniger Treibladungsmasse tragen. Für ein Trägerraketenfahrzeug macht der Oxidator typischerweise etwa 60-70% der Treibladungsmasse aus.
  • Höherer spezifischer Impuls: Wie bereits erwähnt, bieten Luftatmungsmotoren einen spezifischen Impuls, der um ein Vielfaches höher ist als der von Raketen. Dies bedeutet, dass das Fahrzeug mehr Schub pro verbrauchter Treibstoffeinheit erzeugen kann, was den Gesamtimpuls erhöht, der für die Beschleunigung und die Bahnformung verfügbar ist.
  • Wiederverwendbarkeitspotenzial: Ramjet-betriebene erste Stufen könnten horizontal wie ein Flugzeug landen, was eine schnelle Wende ermöglicht und die Kosten pro Start reduziert. Konzepte wie die Reaktionsmotoren Skylon haben vollständig wiederverwendbare Einzelstufen-zu-Orbit-Fahrzeuge vorgeschlagen, die einen vorgekühlten Hybrid-Luftatmungsmotor verwenden, obwohl solche Designs mit extremen technischen Hürden konfrontiert sind.
  • Niedergehende Aufstiegslasten: Luftatmungsaufstiegsprofile beinhalten typischerweise einen allmählichen Anstieg durch die Atmosphäre und nicht einen vertikalen Start mit hohem Schub. Dies reduziert die aerodynamischen Spitzenkräfte und Heizlasten, was leichtere strukturelle Designs ermöglicht und den Verschleiß wiederverwendbarer Fahrzeuge potenziell reduziert.
  • Flexible Operationen: Hyperschall-Luftatmungsfahrzeuge können während des Aufstiegs manövrieren und bieten eine Flexibilität der Flugbahn, um verschiedene Umlaufbahnen zu erreichen oder sicher abzubrechen.

Herausforderungen zu meistern

Trotz ihres Versprechens stehen Ramjet- und Scramjet-Antriebssysteme vor mehreren grundlegenden Herausforderungen, die angegangen werden müssen, bevor sie routinemäßig für den Weltraumstart verwendet werden können.

Wärmemanagement

Der Hochgeschwindigkeits-Luftstrom erzeugt eine intensive konvektive und strahlungstechnische Erwärmung. Die Stagnationstemperaturen bei Mach 8 können 3000 K überschreiten, was eine aktive Kühlung der Motorwände, der Eintrittsvorderkanten und der Düsenverengung erfordert. Die Regenerative Kühlung, bei der der Kraftstoff vor der Einspritzung durch Kühlkanäle umgewälzt wird, ist der primäre Ansatz. Wasserstoff ist ein ausgezeichnetes Kühlmittel aufgrund seiner hohen spezifischen Wärmekapazität und niedrigen Viskosität, aber der Umgang mit kryogenem Wasserstoff auf einer Trägerrakete erhöht die Komplexität. Endotherme Kohlenwasserstoff-Brennstoffe können auch Wärme durch Rissreaktionen aufnehmen, haben aber eine geringere Kühlkapazität.

Integration mit Rocket Propulsion

Ein Luftatmungsmotor kann nicht außerhalb der Atmosphäre betrieben werden. Jedes Trägerraketenfahrzeug, das Ramjets verwendet, muss zur endgültigen Beschleunigung auf Umlaufgeschwindigkeit zu einem Raketentriebwerk übergehen. Dies erfordert einen Kombimotor, wie einen Turbinen- oder einen Raketen-Kombizyklus. Der Übergang zwischen Luft- und Raketenbetrieb muss glatt und schnell sein, und der Motor muss in einem breiten Bereich von Machzahlen und Höhen effizient arbeiten. Der SABRE-Motor von Reaction Engines ist eine der fortschrittlichsten Konstruktionen, bei denen ein Helium-gekühlter Vorkühler verwendet wird, um einen Turbokompressor mit Hyperschallgeschwindigkeiten betreiben zu können, bevor er in einen Raketenbetrieb übergeht. SABRE ist jedoch noch nicht in einem vollständigen Fahrzeug geflogen.

Inlet Performance und Startbarkeit

Ramjet-Eintrittsstutzen müssen die richtige Luftmenge einfangen und das gewünschte Verdichtungsverhältnis über einen weiten Geschwindigkeitsbereich erzeugen. Bei niedrigen Überschallgeschwindigkeiten kann der Einlass schlecht starten, was zu einem Verschüttungswiderstand oder einem Start führt. Das Fahrzeug muss mit anderen Mitteln (Raketenverstärker, Turbojet oder Katapult) auf eine Mach-Zahl beschleunigt werden, bei der der Ramjet die Kontrolle übernehmen kann. Diese anfängliche Beschleunigungsphase erhöht die Komplexität und das Gewicht. Die Konstruktion eines Einlasses mit fester Geometrie, der von Mach 2 bis Mach 6 arbeitet, ist äußerst schwierig; Einlassöffnungen mit variabler Geometrie fügen bewegliche Teile und Gewicht hinzu.

Brennstabilität und Flammenhaltung

Bei einem Scramjet liegt die Strömungsverweilzeit in der Brennkammer in der Größenordnung von Millisekunden. Kraftstoff muss eingespritzt werden, sich mit dem Überschallluftstrom vermischen und sich innerhalb dieses Fensters entzünden. Flammhalter, Federbeine und Wandeinspritzschemata wurden getestet, aber die Aufrechterhaltung einer stabilen Verbrennung unter unterschiedlichen Flugbedingungen bleibt ein Forschungsschwerpunkt. Flammenaustritt oder Instabilität können zu Schubverlusten und Fahrzeugverlusten führen.

Werkstoffe und Herstellung

Die extremen Temperaturen in Kombination mit oxidierenden Atmosphären und hohen dynamischen Drücken erfordern Materialien, die ihre Festigkeit beibehalten und der Oxidation widerstehen. Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe (CMC), Ultrahochtemperatur-Keramik (UHTC) und feuerfeste Metalle sind Kandidaten, aber sie sind teuer und schwierig in großen, komplexen Formen herzustellen. Die Verbindung verschiedener Materialien zur Bewältigung thermischer Ausdehnungsfehlanpassungen ist ein weiteres großes technisches Problem.

Aktuelle Forschungs- und Demonstrationsprojekte

Mehrere Nationen haben aktive Programme zur Entwicklung von Hyperschall-Luftatmungsantrieben für militärische und zivile Anwendungen. Diese Projekte erzeugen kritische Daten, die zukünftige Weltraumstarts beeinflussen könnten.

DARPA Hypersonisches Luftatmungswaffenkonzept (HAWC)

Das HAWC-Programm, das von der DARPA in Zusammenarbeit mit der US Air Force durchgeführt wird, hat Scramjet-angetriebene Marschflugkörper getestet, die in der Lage sind, bei Mach 5+ nachhaltig zu fliegen. Im Jahr 2022 erreichte ein Raytheon / Northrop Grumman-Test einen 9-minütigen Flug mit Geschwindigkeiten über Mach 5, was die Scramjet-Leistung und -Ausdauer demonstriert. Während das unmittelbare Ziel eine Waffe ist, gelten die entwickelten Technologien - fortschrittliche Eingänge, thermischer Schutz und Flugsteuerungen - direkt auf wiederverwendbare Beschleunigungsstufen für den Weltraumstart. Das DARPA HAWC-Programm bietet weitere Details.

Reaktionsmotoren SABRE und Skylon

Reaction Engines Ltd. mit Sitz in Großbritannien entwickelt seit den 1980er Jahren den Synergistic Air-Breathing Rocket Engine (SABRE). SABRE verwendet einen Vorkühler, der Hyperschalleinlassluft von über 1000°C auf -150°C in Millisekunden kühlt, so dass ein leichter Turbokompressor die Luft unter Druck setzen kann, bevor sie in eine Brennkammer eintritt. Bei hohen Geschwindigkeiten und großer Höhe schließt der Motor den Lufteinlass ab und schaltet mit an Bord flüssigem Sauerstoff in einen Raketenmodus. Das Skylon-Raumflugzeug-Konzept wurde entwickelt, um 15 Tonnen Nutzlast mit SABRE-Motoren in eine niedrige Erdumlaufbahn zu transportieren. Während die vollständige Entwicklung von Skylon gestoppt wurde, hat Reaction Engines den Vorkühler und den vollen Motorkern erfolgreich getestet. Die Reaction Engines-Technologieseite bietet technische Übersichten.

NASA X-43 und X-51 Legacy

Das Hyper-X-Programm der NASA flog 2004 mit dem X-43A und erreichte einen Scramjet-betriebenen Flug bei Mach 6,8 und später Mach 9,6. Der X-43A demonstrierte die Lebensfähigkeit des Scramjet-Antriebs und validierte Computermodelle. Der X-51 Waverider, finanziert von der US Air Force, erweiterte die Scramjet-Ausdauer mit einem 200-Sekunden-Antriebsflug im Jahr 2013. Diese Aufzeichnungen bleiben Meilensteine, und die gewonnenen Lektionen werden in die Designs der nächsten Generation integriert. NASA setzt die Forschung über Luftatmungsantrieb für den Weltraumzugang fort; siehe NASAs Hyperschallprogramm.

Chinesische und russische Bemühungen

China hat den Waverider Starry Sky-2 getestet und entwickelt derzeit das Hyperschall-Gleitfahrzeug DF-ZF, das möglicherweise durch eine Scramjet-Stufe verstärkt wird. Russlands Hyperschall-Antischiffrakete (FLT:3) (Zircon) verwendet Berichten zufolge Scramjet-Antrieb und wurde eingesetzt. Während militärische Anwendungen dominieren, könnte die zugrunde liegende Antriebstechnologie für Starthilfe angepasst werden. Die internationale Zusammenarbeit bei Hyperschall ist aufgrund von Bedenken hinsichtlich des doppelten Verwendungszwecks nach wie vor begrenzt.

Integration in Future Launch Systeme

Die vielversprechendste kurzfristige Anwendung der Ramjet- und Scramjet-Technologie beim Start in den Weltraum ist Teil eines zweistufigen TSTO-Systems (Term-to-Orbit). Bei einem typischen TSTO-Konzept ist die erste Stufe ein luftatmendes Hyperschallflugzeug, das eine raketenbetriebene zweite Stufe in große Höhen und Mach 5+ befördert. Die erste Stufe kehrt dann zur Basis für die Wiederverwendung zurück, während die zweite Stufe die Nutzlast in den Orbit beschleunigt. Dieser Ansatz nutzt den hohen spezifischen Impuls der Luftatmungsstufe für den anfänglichen Aufstieg, wodurch die erforderliche Treibmasse im Vergleich zu einem reinen TSTO mit Raketen erheblich reduziert wird.

Ein solches System könnte die Startkosten um den Faktor 2 bis 5 im Vergleich zu entbehrlichen Raketen reduzieren, je nach Wiederverwendungsgrad. Zum Beispiel verwendet der Stratolaunch Trägerflugzeugansatz ein großes Turbofan-angetriebenes Flugzeug, aber eine ramjetbetriebene erste Stufe könnte viel schneller und höher gehen, was die Leistung weiter verbessert. Konzepte wie die Reaktionsmaschinen Skylon zielten auf SSTO ab, aber TSTO ist mit aktuellen Materialien und Testreife machbarer.

Ein weiterer Integrationspfad ist die Verwendung von Ramjets als Verstärker für die erste Stufe einer Rakete. Der Ramjet würde einen erhöhten Schub während des anfänglichen Aufstiegs liefern, so dass die Raketentriebwerke kleiner oder die Nutzlast größer sein können. Die zusätzliche Masse des Ramjetsystems und die Notwendigkeit, seinen eigenen Treibstoff zu tragen (da es atmosphärische Luft verwendet), müssen gegen die Vorteile abgewogen werden. Zweistufige Ramjet-/Raketentriebwerke, wie RBCC-Designs, können im Ejektor-Staustrahlbetrieb bei niedrigen Geschwindigkeiten betrieben werden, können bei hohen Geschwindigkeiten in den Ramjet-/Scramjet-Betrieb übergehen und schließlich den Einlass schließen, um eine reine Rakete zu werden. Mehrere RBCC-Triebwerkskonzepte wurden am Boden getestet, aber Flugdemonstrationen sind immer noch begrenzt.

Der Weg nach vorn

Der Weg zu betriebsbereiten ramjetbasierten Raumstartsystemen erfordert kontinuierliche Investitionen in Materialien, Verbrennungswissenschaften und Flugtests.

  • Flugtests von TBCC- oder RBCC-Triebwerken an Fahrzeugen im Untermaßstab, Übergang von der Luftatmung zum Raketenmodus im Flug.
  • Demonstration der wiederverwendbaren Hyperschall-Kreuzfahrt für 10+ Minuten, die die Motorhaltbarkeit und das Wärmemanagement beweist.
  • Validierte Leistungsmodelle für das integrierte Fahrzeugdesign, die zuverlässige Vorhersagen von Flugbahn und Gewicht ermöglichen.
  • Reduzierte Kosten von Hochtemperaturmaterialien durch additive Fertigung und neue Verbundwerkstoffe.

Wenn diese Herausforderungen überwunden werden, könnten Ramjets eine neue Generation von Trägerraketen ermöglichen, die eher wie Flugzeuge als wie Raketen funktionieren, mit schnellen Turnarounds und niedrigen Betriebskosten. Solche Fahrzeuge würden Schwerlastraketen nicht vollständig ersetzen - einige Nutzlasten sind einfach zu groß für Luftatmungsstufen -, aber sie könnten eine entscheidende Nische im Mittelklasse-Start und Punkt-zu-Punkt-Hyperschalltransport füllen.

Ramjets und Scramjets bieten einen überzeugenden Weg zu effizienteren, wiederverwendbaren Weltraumstartsystemen. Durch die Nutzung von atmosphärischem Sauerstoff in der frühen Phase des Fluges reduzieren sie die Treibstoffmasse, erhöhen den Nutzlastanteil und ermöglichen horizontalen Start und Landung. Während viele technologische Hürden bestehen bleiben, treibt die laufende Forschung bei NASA, DARPA, Reaktionsmaschinen und anderen Organisationen die Reife des luftatmenden Hyperschallantriebs stetig voran. Das Versprechen von niedrigeren Kosten, höherer Flugrate und größerer Flexibilität macht Ramjets zu einem unverzichtbaren Teil der Diskussion über die Zukunft des Weltraumzugangs.