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Was sind Hyperschallraketen und wie funktioniert die Hyperschallwaffentechnologie?

Diese Raketen sind zu schnell, um entdeckt zu werden.

Start einer ballistischen Rakete Alexyz3d/iStock

Hyperschallwaffentechnologie ist das Herzstück eines neuen Wettrüstens.Derzeit konkurrieren die USA, China und Russland um die Entwicklung der effektivsten Langstrecken-Hyperschallraketen. Ein aktueller Bericht offenbart, dass Nordkorea hat auch hat am 5. Januar 2022 erfolgreich eine Hyperschallrakete getestet, der zweite gemeldete Test einer Hyperschallrakete des Landes.

Der Grund für das große Interesse dieser Länder an der Hyperschall-Raketentechnologie ist, dass diese fortschrittlichen Waffensysteme in der Lage sind, Fernangriffe durchzuführen, ohne von Verteidigungssystemen entdeckt zu werden, wie z. B. Radar- und Raketenschilde. Darüber hinaus können Hyperschallraketen mit einer Geschwindigkeit von mehr als 3.850 Meilen pro Stunde fliegen. Die Technologie sieht auf dem Papier sehr vielversprechend aus, aber ist es einfach, Hyperschallgeschwindigkeit in der Realität zu erreichen?

Was bedeutet Hyperschall?

Die rote Linie bezeichnet die nicht-parabelförmige Flugbahn einer Hyperschallwaffe. Quelle: Wikimedia Commons

Hypersonic wörtlich „überhöhte Geschwindigkeit“, in Bezug auf Raketen, bezieht sich auf Raketen, die mit Geschwindigkeiten von mehr als der fünffachen Schallgeschwindigkeit oder schneller als Mach 5 lange Strecken durch die Atmosphäre fliegen können

In der Aerodynamik wird die Geschwindigkeit von Objekten im Allgemeinen in Bezug auf die Schallgeschwindigkeit berechnet, und für bestimmte Geschwindigkeitsbereiche werden verschiedene Präfixe wie sub, super, hyper verwendet.Die Schallgeschwindigkeit ändert sich je nach Medium, in dem es sich bewegt, und der Temperatur dieses Mediums. Die Temperatur hängt von der Höhe ab; zur Normierung, wenn wir die Höhe auf Meereshöhe, trockene Luft und eine Temperatur von 20° annehmen°C 68 °F, die Schallgeschwindigkeit liegt bei etwa 761 mph. Diese Geschwindigkeit wird als lokale Schallgeschwindigkeit oder Mach 1 bezeichnet.

Eine Mach-Zahl ist das Verhältnis einer Geschwindigkeit zur Schallgeschwindigkeit, also hätte eine Geschwindigkeit von 1522 Meilen pro Stunde eine Mach-Zahl von 2 und wird als Mach-2-Geschwindigkeit bezeichnet.Flugregime sind definiert basierend auf der Machzahl Ma, Unterschall bedeutet also Ma < 1, Transsonisch bedeutet Ma = 1, der Geschwindigkeitsbereich zwischen Mach 1 und Mach 3 ist Überschall, und die Geschwindigkeit über Mach 5 wird als Hyperschall bezeichnet.

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Was macht Hyperschallraketen so schnell?

Quelle: Militärmaterial/Pixabay

Jede Rakete, die sich mit einer Geschwindigkeit von mehr als Mach 5 oder der fünffachen Schallgeschwindigkeit fortbewegen kann, wird als Hyperschallrakete bezeichnet. Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Hyperschallraketen - eine Hyperschall-Marschflugkörper, die durchgängig von Triebwerken angetrieben werdenFlug und eine Hyperschall-Boost-Glide-Rakete, die von Raketen auf Hyperschallgeschwindigkeit beschleunigt wird und dann durch die Atmosphäre gleitet, um ihr Ziel zu erreichen, wobei sie den Auftrieb des Luftstroms zum Manövrieren nutzt.

Die Hypersonic-Marschflugkörper wären angetrieben von einem speziellen Scramjet Überschallverbrennungs-Staustrahltriebwerke, die sich noch in der Entwicklung befinden. Scramjets arbeiten, indem sie Kraftstoff in einem Überschallluftstrom verbrennen, der durch die Vorwärtsgeschwindigkeit des Flugzeugs komprimiert wird, und im Gegensatz zu herkömmlichen Strahltriebwerken. Scramjets haben keine beweglichen Teile. Derzeit sind Länder, die Scramjet-Triebwerke getestet haben, Russland mit dem 3M22 Zircon, die USA mit dem HAWC, Indiens HSTDV , und China.

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Hyperschallgleiter werden platziert auf einem ballistischen Raketenverstärker oder einem Kurzzeitraketensystem und auf Geschwindigkeiten von bis zu Mach 20 beschleunigt. Dann lösen sie sich und reisen mit Überschallgeschwindigkeit, hauptsächlich durch die Atmosphäre, wobei sie den durch den Luftstrom erzeugten Auftrieb nutzen, um in der Luft zu bleiben und zu manövrieren. DiesArt von Hyperschallraketen ist häufiger; die Hyperschall-Schubgleiter DF-ZF von China und Avangard von Russland sind bereits im Einsatz, während die US-Armee es ist funktioniert auch auf seinem Common Hypersonic Glide Body C-HGB.

Eine kurze Geschichte der Hyperschallraketen

Künstliche Objekte, die mit Überschallgeschwindigkeit fliegen, sind keine neue Technologie. In den späten 1930er Jahren entwarfen der österreichische Ingenieur Eugen Sänger und die deutsche Physikerin Irene Bredt einen Hyperschallgleiter namens Silbervogel, der jedoch nie gebaut wurde.

Die zweistufige Stoßfängerrakete, das die Amerikaner 1949 aus einer erbeuteten deutschen V-2 ausgerüstet mit einer WAC-Höhenforschungsrakete zusammengebaut hatten, hatte beim Wiedereintritt für kurze Zeit Hyperschallgeschwindigkeit erreicht, bevor es explodierte.

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1961 war das erste Mal ein Mensch - Yuri Gagarin erreichte Hyperschallgeschwindigkeit während seines historischen Orbitalflugs. Zwei weitere Personen – Alan Shepherd und Robert White – schlossen sich dem Hyperschallclub innerhalb eines Jahres an. Alle reisten jedoch nur für sehr kurze Zeit mit Hyperschallgeschwindigkeit. 1959 erteilten die USA den Designauftrag fürder Hyperschallgleiter Dyna-Soar an Boeing, aber 1963 die Regierung das Projekt abgebrochen aus unbekannten Gründen. Die Forschung zum Hyperschallflug wurde fortgesetzt, war aber technisch herausfordernd.

Am 20. August 1998 erfuhr die US-Marine, dass der Terrorist Osama bin Laden der am 7. August desselben Jahres amerikanische Botschaften in Kenia und Tansania bombardierte sich in einem Al-Qaida-Lager in Afghanistan versteckte. gestartete Marschflugkörper in Richtung Bin Ladens Lager vom Arabischen Meer aus. Obwohl die Raketen das Lager zerstörten, überlebte Laden leider. Ein Grund könnte gewesen sein, dass die Raketen zwei Stunden brauchten, um das 1100 Meilen entfernte Ziel zu erreichen. Später verursachte Bin Laden die schrecklichen Anschläge vom 11. September in den USAdas die ganze Welt erschütterte. Schon bald nach den Anschlägen erwog US-Präsident George W. Bush die Entwicklung einer konventionellen Hyperschallrakete für sein System Prompt Global Strike, verwarf sie aber später.Gleichzeitig zogen sich die USA aus dem Anti-Ballistic-Missile-Vertrag zurück und begannen mit der Entwicklung von Verteidigungsschilden gegen ballistische Raketen. Russland und China, die befürchteten, dass die Schilde ihre Fähigkeit zur Abschreckung eines Angriffs beeinträchtigen würden, begannen, Wege zu entwickeln, um die Schilde zu besiegen, einschließlich der Verwendung von Hyperschallraketen.

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Die beiden Hauptfaktoren, die das Interesse an Hyperschallraketen neu entfacht haben, waren ihre Geschwindigkeit und Manövrierfähigkeit. Laut Bob Strider, dem Hypersonics-Chef beim US Army Space and Missile Defense Command, Hyperschallraketen sollen zielen Sie auf den Zugriffsschutz ab und Gebietsverweigerungsmaßnahmen, die von einem Land eingesetzt werden, glaubt er, „Es ist wirklich dazu gedacht, die Tür aufzustoßen und dann anderen Vermögenswerten den Zugang zu ermöglichen.“

Die herkömmlichen ballistischen Interkontinentalraketen erreichen Hyperschallgeschwindigkeiten, aber sie folgen einer vorhersehbaren parabolischen Flugbahn und sind leichter zu verfolgen und abzufangen. Andererseits Hyperschallraketen nach Angaben des Congressional Research Service nähern sie sich in geringer Höhe sehr schnell und sind daher viel schwieriger zu verfolgen und daher sehr schwer abzubauen.

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Entwicklungsprogramme für Hyperschalltechnologie der USA

Teststart von Common Hypersonic Glide Body C-HGB. Quelle: United States Navy/Wikimedia Commons

Während die US Air Force und die DARPA Defense Advanced Research Projects Agency 2003 über das Prompt Global Strike PGS-Programm nachdachten, starteten sie das FALCON-Projekt, um entwickeln Common Aero Vehicle CAV. Das CAV sollte sowohl als konventionelle ballistische Rakete als auch als Hyperschall-Wiedereintrittsfahrzeug funktionieren, aber nach zwei fehlgeschlagenen Tests in den Jahren 2010 und 2011 wurde dieses Projekt auf Eis gelegt.

Im Jahr 2008 begann DARPA im Rahmen des FALCON-Programms mit der Arbeit an Hyperschalltestfahrzeug HTV-2, ein Nachfolger des CAV. Im Gegensatz zum kugelförmigen CAV war der HTV-2 wie ein Keil geformt. In zwei verschiedenen Tests in den Jahren 2010 und 2011, obwohl erfolgreich beim Start, der Trennung vom Booster und dem Beginn des aerodynamischen Fluges, derDas eigentliche Segelflugzeug selbst konnte seinen Flug nicht beenden. Schließlich gab das DOD 2018 bekannt, dass die Abteilung keine weiteren Tests des HTV-2 durchführen würde.

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Im Jahr 2010 arbeitete DARPA auch an einem neuen Design unter dem ArcLight-Programm, aber das Projekt wurde 2012 beendet. 2010 testeten die USA auch einen Hyperschall-Marschflugkörper, die Boeing X-51, die von einem Düsentriebwerk angetrieben wurde, aber auch dieses Programm endete 2013 ohne vielversprechende Ergebnisse.

Inmitten der Reihe von Rückschlägen, mit denen die USA konfrontiert waren, erwies sich jedoch ein Projekt zur Hyperschalltechnologie als erfolgreich. 2006 hatte die US-Armee mit der Arbeit an einem anderen Hyperschallgleiter begonnen - dem Fortgeschrittene Hyperschallwaffe AHW . Dieses Segelflugzeug hatte ein konisches Design, und die Armee führte 2011 einen erfolgreichen Test mit demselben durch. Obwohl AHW die Erwartungen während des zweiten Tests des US-Verteidigungsministeriums DOD im Jahr 2014 nicht erfüllte, erwies sich der letzte Test, der 2017 mit einer skalierten Version von AHW durchgeführt wurde, als Erfolg. 2018 wurde AHW umbenannt inCommon Hypersonic Glide Body C-HGB. Das Pentagon deutete an, dass dies als gemeinsames Hypersonic-Gleitfahrzeug für die US-Armee, die Marine und die Luftwaffe eingesetzt werden würde.

Warum ist die Entwicklung von Hyperschallwaffen so herausfordernd?

Es ist entscheidend, den atmosphärischen Luftwiderstand während der Entwicklung einer Hyperschallwaffe zu kontrollieren. Wenn die Waffe durch die Luft schiebt, ist sie einem Widerstand ausgesetzt, der proportional zu ihrer Geschwindigkeit ist. Der Luftwiderstand verlangsamt die Waffe und ist bei Segelflugzeugen wie bei allen Motoren besonders problematischMacht sie nicht mit Strom.

Der Luftwiderstand trägt auch dazu bei, die Temperatur des Flugzeugs sowie der Umgebungsluft zu erhöhen. Diese Erwärmung kann bei Überschallgeschwindigkeit so intensiv sein, dass sie umgebende Luft ionisieren und chemisch reaktiv werden. Diese ionisierte Luft kann die Oberfläche der Waffe beschädigen. Außerdem erzeugt ein Objekt, das schneller als die Schallgeschwindigkeit fliegt, eine sich bewegende Schicht aus dichter Luft, die als Stoßwelle bekannt ist. Bei Überschallgeschwindigkeit bildet diese Schockwelle einen sehr engen Winkel zur Bewegungsrichtung der Waffe und umschließt die Waffe fast, wodurch die chemisch instabile Hochtemperaturluft gezwungen wird, in engen Kontakt mit der Oberfläche der Waffe zu kommen. Diese Faktoren bedrohen die Unversehrtheit der Waffeund stellen daher erhebliche Herausforderungen für die Konstruktion von Hyperschallraketen dar.

Obwohl Manövrierfähigkeit eine wichtige Voraussetzung für eine leistungsstarke Hyperschallrakete ist, können ein geringer Auftrieb und ein hoher Luftwiderstand diese Fähigkeit beeinträchtigen. Manöver kann teuer sein, weil Das Ändern der Richtung eines mit Hyperschallgeschwindigkeit fliegenden Objekts verbraucht eine enorme Menge an kinetischer Energie des Objekts, was wiederum das Objekt verlangsamt. Bob Streicher erklärt, „Alle Manöver, die du machst, verbrauchen Energie, weil du den Gleiter nicht antreibst, also musst du vorsichtig sein, wie viele Manöver du machen kannst, damit du die darin enthaltene Energie verwalten kannst, um sicherzustellen, dass du das Ziel erreichstSie wollen."

Herausforderungen bei der Herstellung von Hyperschallraketen bedeuten, dass das Land, das zuerst hochwertige Hyperschallraketen entwickelt, einen Vorsprung in diesem neuen Zeitalter des Wettrüstens für Hyperschallwaffen haben wird. Alle großen Akteure in diesem Waffenrennen hatten einige Erfolge bei der Entwicklung einer Boost-Glide-Rakete sowie beim Testen ihrer Scramjet-Technologien. China, Nordkorea, Russland und die USA sind die einzigen Länder, die erfolgreich einen Hyperschall-Marschflugkörper getestet haben. Es bleibt abzuwarten, wie andere Länder aufholen, und auch, wie die Nichtverbreitung von Hyperschall-Flugkörpern angegangen wird.

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