Wie die Hyperschall‑Flugtechnologie vom Labor in den Himmel gelangt

Stellen Sie sich vor, Sie könnten von einem Teil der Welt zum anderen in einer Stunde fliegen, anstatt einen ganzen Tag zu benötigen. Ist das nicht aufregend? 

Während es wie Wunschdenken erscheinen mag, ist es kurz davor, in nicht allzu ferner Zukunft möglich zu werden, da eine neue Studie hyperschallflüge einen weiteren großen Schritt näher an die Realität bringt.

Veröffentlicht in Nature Communications, beschreibt die Studie einen Durchbruch im Verständnis der hyperschall Turbulenz¹ der den Langstreckenverkehr verändern könnte. 

Wenn es um hyperschall Flüge geht, ist das Design des Flugzeugs entscheidend für seinen Erfolg. Um ein solches Hochgeschwindigkeitsfahrzeug zu entwerfen, ist es wichtig, den aerodynamischen Widerstand und die Wärmeübertragung genau vorherzusagen, was ein physikalisches Verständnis der Turbulenz bei diesen extremen Geschwindigkeiten erfordert.

Um dieses Verständnis zu erlangen, haben Forscher der privaten Forschungsuniversität Stevens Institute of Technology dies getestet, wobei ihre laserbasierten Krypton‑Experimente darauf hindeuten, dass Turbulenz bei hyperschall Geschwindigkeiten eher wie langsamere Luftströmungen verhält, als erwartet. 

Da die Ergebnisse zeigen, dass Turbulenz bei extremen Geschwindigkeiten nicht stark von der bei niedrigeren Geschwindigkeiten abweicht, könnte dies die Gestaltung hyperschallfahrzeuge vereinfachen und den Fortschritt beschleunigen, ultra‑schnelles Reisen zur Realität zu machen.

Und wenn es aus dem Reich der Science‑Fiction in die Realität übergeht, können hyperschallflüge den globalen Verkehr völlig verändern. Langstreckenrouten, die derzeit 10 bis 20 Stunden dauern, können zu kurzen Pendelstrecken werden, die nur eine Stunde dauern. 

„Es schrumpft die Erde wirklich“, sagte der Mitautor der Studie Nicholaus Parziale vom Department of Mechanical Engineering, Stevens Institute of Technology, Hoboken, NJ, USA. „Es wird das Reisen schneller, einfacher und angenehmer machen.“

Der Fokus von Parziales Forschung liegt darauf, hyperschallflüge zur Realität zu machen. Was das bedeutet, ist ein Flug durch die Atmosphäre unter einer Höhe von etwa 56 Meilen (ca. 90 km) mit einer Geschwindigkeit von mehr als dem Fünffachen der Schallgeschwindigkeit, was als Mach 5 bezeichnet wird.

Mach 1 ist einfach die Schallgeschwindigkeit, d. h. 761 Meilen pro Stunde. Forscher versuchen, Flugzeuge zu bauen, die bei bis zu Mach 10 fliegen, um die Reisezeit drastisch zu verkürzen, aber natürlich verhält sich die Luft bei solch hohen Geschwindigkeiten nicht wie bei niedrigen Geschwindigkeiten.

Wissenschaftlich betrachtet gibt es bei Geschwindigkeiten unter 1 Mach einen inkompressiblen Fluss. Das bedeutet, dass die Luftdichte fast konstant bleibt, und das Flugzeugdesign ist einfach.

Aber das ändert sich bei höheren Geschwindigkeiten, wo ein kompressibler Fluss auftritt, weil das Gas komprimierbar ist. Was das bedeutet ist, dass aufgrund von Druck‑ und Temperaturvariationen die Luftdichte signifikant ändert, und diese Kompression beeinflusst, wie ein Flugzeug fliegt.

„Kompressibilität beeinflusst, wie der Luftstrom um den Körper herumgeht, und das kann Dinge wie Auftrieb, Widerstand und den zum Starten oder Verweilen in der Luft erforderlichen Schub verändern“, all das ist entscheidend für das Flugzeugdesign.

Bei niedrigen Mach‑Zahlen haben Ingenieure ein gutes Verständnis davon, wie dieser Luftstrom funktioniert und Flugzeuge beeinflusst. Bei höheren Mach‑Zahlen ist das jedoch weniger gut verstanden.

Es gibt jedoch die Morkovin‑Hypothese. Die Hypothese ist grundlegend für unser Verständnis von supersonanter und hyperschallkompressibler Turbulenz. Laut der Hypothese: „Wir können mit Zuversicht erwarten, dass die wesentlichen Dynamiken dieser supersonischen Scherströmungen dem inkompressiblen Muster folgen.“

Vor über einem halben Jahrhundert von Mark Morkovin formuliert, besagt die Hypothese, dass bei Mach 5 oder 6 das Turbulenzverhalten nicht wesentlich anders ist als bei niedrigeren Geschwindigkeiten. Während Luftdichte und Temperatur bei schnelleren Strömungen stärker variieren, sagt die Hypothese, dass die grundlegende „ruckelige“ Bewegung der Turbulenz größtenteils gleich bleibt. 

„Im Grunde bedeutet die Morkovin‑Hypothese, dass die Art und Weise, wie turbulente Luft bei niedrigen und hohen Geschwindigkeiten bewegt, nicht so unterschiedlich ist. Wenn die Hypothese korrekt ist, bedeutet das, dass wir keinen völlig neuen Ansatz benötigen, um Turbulenz bei diesen höheren Geschwindigkeiten zu verstehen. Wir können dieselben Konzepte verwenden, die wir für die langsameren Strömungen nutzen.“ 

– Parziale

Das bedeutet auch, dass keine signifikant anderen Designansätze nötig sind, was hyperschall Flugzeuge vereinfacht.

Bisher gab es jedoch nicht genügend experimentelle Beweise, um die Hypothese zu untermauern. Daher nahmen Parziale und sein Team die Herausforderung an und verbrachten über ein Jahrzehnt mit dem Aufbau des Aufbaus dafür.

In ihrer Studie mit dem Titel „Hypersonic Turbulent Quantities in Support of Morkovin’s Hypothesis“ nutzte sein Team Krypton, ein farbloses, geschmackloses, geruchloses und leichtestes Edelgas, das nur in Spuren in der Atmosphäre vorkommt.

Mit Lasern ionisierte das Team zunächst Krypton. Das Gas wurde in den Luftstrom eines Windkanals eingespritzt, wodurch seine Atome vorübergehend eine leuchtende Linie bildeten. Während die Linie zunächst gerade war, bog und verdrehte sie sich, als sie durch die Luft des Windkanals strömte. Das Team nutzte ultra‑hochauflösende Kameras, um ihre Bewegung aufzuzeichnen.

„Wenn sich diese Linie mit dem Gas bewegt, kann man Falten und Struktur im Strömungsfeld sehen, und daraus können wir viel über Turbulenz lernen“, sagte Parziale. „Und wir fanden heraus, dass bei Mach 6 das Turbulenzverhalten dem inkompressiblen Fluss ziemlich nahe kommt.“

Laut der Studie unterstützen ihre experimentellen Daten die Morkovin‑Hypothese, die grundlegend für unser Verständnis von hyperschall‑ und supersonanter kompressibler Turbulenz ist.

Obwohl die Morkovin‑Hypothese nicht vollständig bestätigt ist, ist es ein Fortschritt. Indem sie suggeriert, dass Flugzeuge keinen völlig neuen Designansatz benötigen, um bei hyperschallgeschwindigkeiten zu fliegen, vereinfacht sie die Dinge und bringt uns einen großen Schritt näher zum hyperschallflug.

„Heute müssen wir Computer einsetzen, um ein Flugzeug zu entwerfen, und die rechnerischen Ressourcen, um ein Flugzeug zu entwerfen, das bei Mach 6 fliegt, alle winzigen Details zu simulieren, wären unmöglich“, sagte Parziale. „Die Morkovin‑Hypothese erlaubt uns, vereinfachende Annahmen zu treffen, sodass die rechnerischen Anforderungen zur Gestaltung hyperschallfahrzeuge machbarer werden.“

Laut Parziale, der den Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers für seine Forschung zu den Strömungsmechaniken, die den Hochgeschwindigkeitsflug beeinflussen, erhalten hat, können die Ergebnisse der Studie die Raumtransportation transformieren. Er sagte:

„Wenn wir Flugzeuge bauen können, die mit hyperschallgeschwindigkeit fliegen, können wir sie auch ins All fliegen, anstatt Raketen zu starten, was den Transport zu und von der niedrigen Erdumlaufbahn erleichtern würde. Es wird ein Wendepunkt für den Transport nicht nur auf der Erde, sondern auch in der niedrigen Umlaufbahn sein.“

Das Rennen, den hyperschall Flug, Mobilität & Verteidigung zu erschließen

Während der hyperschallflug noch nicht da ist, startete das erste Überschall‑Passagierflugzeug 1976 seinen ersten kommerziellen Flug. Concorde, ein Gemeinschaftsprojekt von Großbritannien und Frankreich, war das Überschall‑Passagierflugzeug, das schneller als die Schallgeschwindigkeit fliegen konnte. Es war für seinen Luxus und seine Geschwindigkeit bekannt und bediente transatlantische Strecken, wodurch die Flugzeiten halbiert wurden. 

Nach etwa 50.000 Flügen wurde es 2003 nach einem tödlichen Absturz, niedrigen Passagierzahlen und hohen Wartungskosten außer Dienst gestellt. Dieses frühe Kapitel der Hochgeschwindigkeitsluftfahrt setzte sowohl das Potenzial als auch die Grenzen für zukünftige Bemühungen.

Obwohl Concorde scheiterte, zeigte es, dass es möglich war, den Atlantik in wenigen Stunden zu überqueren, und jetzt konzentrieren sich Organisationen darauf, die Kraftstoffeffizienz zu steigern und Flugzeuge zu entwerfen, die hohe Geschwindigkeiten erreichen können. Eine neue Generation von Jets arbeitet ebenfalls daran, das Versprechen des hyperschallflugs zu erfüllen.

Während kommerzielle Flugzeuge noch nicht extreme Geschwindigkeiten erreichen, fliegen Militärflugzeuge bereits etwa das Dreifache der Schallgeschwindigkeit, also Mach 3. Inzwischen wurden viele hyperschallflüge bei Geschwindigkeiten getestet, die weit über Mach 5 oder sogar Mach 10 liegen.

Diese Meilensteine gehen zurück zu den frühesten Objekten, die hyperschallbewegungen ermöglichen konnten. Das erste für hyperschallflug hergestellte Objekt war die Bumper‑Rakete, die, 1949, eine Geschwindigkeit von etwa Mach 6 erreichte. Sie überlebte jedoch den Wiedereintritt nicht.

Um solche Geschwindigkeiten in Flugzeugen zu halten und zu kontrollieren, wurden neue Antriebslösungen essenziell.

Eine Schlüsseltechnologie für hyperschallflüge ist der Scramjet. Ein Supersonic‑Combustion‑Ramjet, oder Scramjet, ist ein Variante eines Ramjet‑Luftatmungs‑Triebwerks, das die Verbrennung in supersonischer Luft durchführt und damit für hyperschallflüge effizienter ist als ein traditioneller Ramjet.

Ein fortschrittlicher Typ von luftatmendem Jet‑Triebwerk, ein Scramjet arbeitet bei Mach 5 und darüber. Er hat keine beweglichen Teile und nutzt die Vorwärtsbewegung des Flugzeugs, um Luft für die Verbrennung zu komprimieren.  

Vor den Scramjets boten Ramjets den effizientesten Weg zu Mach 3 bis Mach 5, dienten als untere Stufe vieler hyperschall Systeme. Zwischen Ramjet und Scramjet gibt es Dual‑Mode‑Ramjets, die Mach 3 bis Mach 8 Flüge in einem Triebwerk ermöglichen.

Dann gibt es turbo‑basierte kombinierte Zyklus‑Motoren (TBCC), die ein Hybrid aus einem traditionellen Turbojet und einem Ramjet/Scramjet darstellen. Während Turbojets bis etwa Mach 2 bis Mach 3 arbeiten können, wechseln sie für höhere Geschwindigkeiten in den Ramjet/Scramjet‑Modus.

Andere Arten von Motoren umfassen Air‑Turbo‑Rocket (ATR) Motoren, die atmosphärischen Sauerstoff zum Verbrennen des Treibstoffs nutzen, Rotating Detonation Engines (RDEs), die eine kontinuierliche rotierende Detonationswelle für die Verbrennung verwenden, und kombinierte Zyklus‑Motoren von Reaction Engines (SABRE), ein Luft‑ und Raketen‑Hybrid mit einem Vor‑Kühler, der hyperschall Luft auf Umgebungstemperatur abkühlt.
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Diese Innovationen haben den Weg für ambitionierte kommerzielle Konzepte geebnet. Zum Beispiel stellt das A‑HyM Hypersonic Air Master ein kommerzielles Flugzeug vor, das bei Mach 7,3 operieren soll. Dieses futuristische Jet‑Konzept ist für ein Verkehrsflugzeug konzipiert, das eine Strecke von London nach Los Angeles in nur 90 Minuten ermöglichen würde. Es wird auf etwa 170 Passagiere ausgelegt sein.

Sein Triebwerkssystem würde Oblique Detonation Engine (ODE), Ramjet und Turbojet‑Technologien in einer kombinierten Zyklus‑Konfiguration kombinieren. Außerdem würde es von einem Wasserstoff‑Triebwerk angetrieben werden. Darüber hinaus würde A‑HyM eine Titan‑und Kohlefaser‑Struktur besitzen und, um Lärmbedenken zu begegnen, ein Sonic‑Boom‑Minderungssystem integrieren.

Ein Überschallknall ist ein donnerndes Geräusch, das von einem Objekt verursacht wird, das schneller als die Schallgeschwindigkeit reist. Es ist nicht nur ein einzelner „Boom“, sondern ein kontinuierliches Geräusch, das solange ausgesendet wird, solange das Objekt mit Überschallgeschwindigkeit fliegt. 

Dann gibt es das wiederverwendbare hyperschall‑Raumflugzeug‑Konzept Stargazer, vorgeschlagen von Venus Aerospace, das Geschwindigkeiten um Mach 9 anstrebt, eine Reichweite von etwa 5.000 Meilen und Reisekorridore weit über 100.000 Fuß – positioniert als ultra‑schnelle Plattform für globalen Verkehr.

Kürzlich hat Lockheed Martin (LMT ) Ventures einen strategischen Anteil an dem Raketentriebwerks‑Startup erworben, angesichts des wachsenden Wettbewerbs, um die Entwicklung hyperschall‑Raketen zu beschleunigen.

Venus Aerospace hat ein Antriebssystem entwickelt, einen rotierenden Detonations‑Raketen‑Motor (RDRE), der eine kontinuierlich rotierende Detonations‑Stoßwelle nutzt, um Schub zu erzeugen, und hat Anfang dieses Jahres einen Flugtest eines 2.000‑Pfund‑Schub‑RDRE abgeschlossen. Die nicht offengelegte Finanzierung wird dem Unternehmen helfen, seine „Fähigkeiten zu skalieren und den Motor einzusetzen.“

Also beschleunigen private Luft‑ und Raumfahrtunternehmen die Entwicklung wiederverwendbarer hyperschall Plattformen, aber sie sind nicht allein; Regierungsbehörden weltweit investieren ebenfalls in fortschrittliche hyperschallforschung.

Ingenieure bei NASA arbeiten mit dem Air Force Research Laboratory (AFRL) und der Australian Defence Science and Technology Organisation (DSTO) an einem Hypersonic International Flight Research Experimentation Program (HIFiRE) Programm, das einen Dual‑Mode‑Ramjet/Scramjet für eine Zielgeschwindigkeit von Mach 8 testen würde. 

Die australische Regierung hat kürzlich eine Eigenkapitalinvestition von 10 Millionen $ in das lokale Luft‑ und Raumfahrtunternehmen Hypersonix Launch Systems (HLS) getätigt, das ein Flugzeug entwickelt, das über Mach 12 fliegen und mit Wasserstoff betrieben werden soll. Ihr proprietärer Scramjet‑Motor heißt „SPARTAN“, und ist wiederverwendbar und 3‑D‑gedruckt.

Letzten Monat testete GE Aerospace (GE ) den Demonstrator ATLAS, der von dem neuen feststoff‑befeuerten Ramjet des Unternehmens angetrieben wird, im Rahmen des US‑Verteidigungsministeriums Defense Production Act Title III‑Programms.

Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) hat ebenfalls ein Forschungsprogramm namens INVICTUS gestartet, um eigene hyperschall‑Flugtechnologien zu entwickeln. Es wird Schlüsseltechnologien für nachhaltigen hyperschallflug demonstrieren und ein vollständig wiederverwendbares Fahrzeug sein, das bei Mach 5 fliegen kann.

Investitionen in hyperschall‑Flugtechnologie

Lockheed Martin Corporation ist ein Luft‑ und Raumfahrt‑ und Sicherheitsunternehmen, das fortschrittliche Technologiesysteme entwirft, herstellt, integriert und unterstützt. Es operiert durch:

• Aeronautik
• Raketen und Feuerkontrolle (MFC)
• Rotary und Missionssysteme (RMS)
• Raumsegmente

Das Unternehmen beschäftigt sich hauptsächlich mit der Entwicklung von militärischen Flugzeugen, luft-, see- und bodengestützten Raketenabwehrsystemen, militärischen und kommerziellen Hubschraubern, bemannten und unbemannten Bodenkraftfahrzeugen, Satelliten, Raumtransportssystemen und Energiemanagementlösungen.

In Partnerschaft mit der NASA hat Lockheed Martin das X‑59 entwickelt, um speziell das Problem des Überschallknalls anzugehen.

Mit einem verlängerten Rumpf zielt das Design des X‑59 darauf ab, die Stoßwelle beim Durchbrechen der Schallmauer neu zu verteilen. Es hat den wahrgenommenen Lärm am Boden auf etwa 75 Dezibel reduziert und erzeugt nur ein „Donnerrumpeln“, das „etwa so laut ist wie das Schließen einer Autotür“.

Ende letzten Monats flog das X‑59 zum allerersten Mal von seiner Skunk‑Works‑Einrichtung in Palmdale zum NASA Armstrong Flight Research Center, was Lockheed Martin als „Momentum“ bezeichnet, das beweist, dass „die Zukunft des Flugs schneller und leiser sein kann als je zuvor.“

Es ist weniger als 100 Fuß lang, hat eine Spannweite von etwa 30 Fuß und ist etwa 14 Fuß hoch. Es fliegt in etwa 55.000 Fuß Höhe und kann Mach 1,4 erreichen, also 925 mph.

„Das X‑59 wird verwendet, um Daten zur Akzeptanz eines leisen Überschallknalls zu sammeln, die durch das einzigartige Design des Flugzeugs erzeugt werden. Die Daten werden der NASA helfen, Regulierungsbehörden die Informationen zu geben, die nötig sind, um einen akzeptablen kommerziellen Überschall‑Lärmstandard zu etablieren, um das Verbot des kommerziellen Überschallflugs über Land aufzuheben,“ sagt das Unternehmen. „Dieser Durchbruch würde die Tür zu einem völlig neuen globalen Markt für Flugzeughersteller öffnen und Passagieren ermöglichen, überall auf der Welt in der halben Zeit zu reisen, die heute nötig ist.“

Nicht nur hat es das X‑59 mit der NASA entwickelt, sondern es arbeitet auch am SR‑72, mit einem operativen Ziel von etwa Mach 6. Während wenig über diesen konzeptionellen Nachfolger der SR‑71 Blackbird bekannt ist, ist der SR‑72 für Aufklärung, Überwachung und Aufklärung vorgesehen und wird häufig als „Son of Blackbird“ bezeichnet.

Dieses ist als hyperschall‑Flugzeug positioniert, das in den 2030er Jahren in den Dienst treten könnte.

Mit einer Marktkapitalisierung von 109 Milliarden $ werden die Lockheed‑Martin‑Aktien derzeit zu 470,78 $ gehandelt, mit einer 52‑Wochen‑Spanne von 410,11 $ bis 546,00 $. Es hat ein EPS (TTM) von 17,95 und ein KGV (TTM) von 26,22.

Lockheed zahlt eine Dividendenrendite von 2,93%. Anfang letzten Monats autorisierte es eine Dividendenzahlung für das vierte Quartal von 3,45 $ pro Aktie, ein Anstieg von 5 % gegenüber der vorherigen Quartalsdividende. Das Unternehmen hat außerdem 1,8 Milliarden $ an Barmitteln an seine Aktionäre im dritten Quartal 2024 zurückgezahlt, durch Dividenden und Aktienrückkäufe, die um 2 Milliarden $ auf insgesamt 9 Milliarden $ erhöht wurden.

In diesem Zeitraum verzeichnete es einen Umsatz von 18,6 Milliarden $ und einen Nettogewinn von 1,6 Milliarden $, bzw. 6,95 $ pro Aktie. Der operative Cashflow betrug 3,7 Milliarden $, während der freie Cashflow 3,3 Milliarden $ betrug. 

Lockheed meldete zudem einen Rekord‑Backlog von 179 Milliarden $, was CEO Jim Taiclet sagte, „unterstreicht das Vertrauen, das unsere Kunden in uns setzen, und bildet die Grundlage für die langfristigen Wachstumsperspektiven unseres Unternehmens.“ Er bemerkte außerdem, dass infolge der „beispiellosen Nachfrage“ die Produktionskapazität in einem breiten Spektrum unserer Geschäftsbereiche deutlich erhöht wird.

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Fazit

Der hyperschallflug ist kein ferner Grenzbereich mehr, sondern eine prüfbare ingenieurtechnische Herausforderung, die mit Durchbrüchen in Antriebssystemen, globalen Investitionen in wiederverwendbare Hochgeschwindigkeitsfahrzeuge und neuen Experimenten, die jahrzehntealte Hypothesen validieren, näher an die Realität rückt.

Referenzen

1. Segall, B. A., Keenoy, T. C., Kokinakos, J. C., Langhorn, J. D., Hameed, A., Shekhtman, D., & Parziale, N. J. “Hypersonic turbulent quantities in support of Morkovin’s hypothesis.” Nature Communications 16, Artikel 9584 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65398-4