Weltraum
Hyperschallreisen neu denken mit dem Ram‑Rotor‑Detonationsmotor (RRDE)
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Die dritte Generation der Flugzeugantriebe
Seit dem ersten Flug der Gebrüder Wright ist das zentrale Konzept des mechanisierten Fliegens die Kompression von Luft zur Erzeugung von Schub. Dies wurde zunächst mit immer größeren Propellern in den Flugzeugen des Ersten und Zweiten Weltkriegs umgesetzt.
Der nächste Schritt war der Düsentriebwerk, mit dem ersten jet‑betriebenen Flugzeug, der Heinkel He 178, die 1939 gestartet wurde. In einem Düsentriebwerk komprimieren bewegliche Teile die Luft und spritzen Kraftstoff ein, um einen kraftvollen Verbrennungseffekt zu erzeugen, der dann zur Turbine und zur Düsenauslassöffnung geleitet wird, um Schub zu erzeugen.
Quelle: Wikipedia
Später wurde das Ramjet‑Konzept verbessert, bei dem die Bewegung des Flugzeugs die Luftkompression erzeugt und so noch höhere Geschwindigkeiten ermöglicht. Über einer bestimmten Geschwindigkeit würden die beweglichen Teile in einem Turbojet zu schnell werden und brechen. Das erste Flugzeug, das ein Ramjet nutzte, war die Leduc 0.10 im Jahr 1949.
Quelle: Tech Brief
Eine verbesserte Version des Ramjets existiert, das sogenannte Scramjet (supersonic ramjet). Dieser Motor muss die einströmende Luft nicht für die Verbrennung verlangsamen, sondern erhält den Überschallluftstrom bei und erzielt dadurch eine höhere Kraftstoffeffizienz.
Scramjets wurden bereits 1958 konzipiert, kamen jedoch erst 2001 im NASA‑X‑43A‑Projekt zum Einsatz. Drei Jahre später erreichte das experimentelle Flugzeug Geschwindigkeiten von Mach 6,8 (5 217 mph bzw. 8 396 km/h) und Mach 9,6 (7 366 mph bzw. 11 854 km/h).
Das war beeindruckend, doch die Düsentechnologie stößt in gewissem Maße an ihre Grenzen – ähnlich wie die Propeller der frühen 20. Jahrhundert‑Flugzeuge nicht über eine bestimmte Geschwindigkeit hinausgehen konnten.
Aus diesem Grund suchen Wissenschaftler und Ingenieure nun nach einem völlig anderen Konzept: rotierenden Detonationsmotoren.
Rotierende Detonationsmotoren
Aus thermodynamischer Sicht sind Detonationen effizienter als die bekanntere Deflagration (klassische Verbrennung). Theoretisch könnten sie also verwendet werden, um Kraftstoff effizienter zu verbrennen und/oder höhere Fluggeschwindigkeiten zu erreichen.
Natürlich ist es viel schwieriger, Explosionen in einem Flugzeugmotor so zu nutzen, dass sie nicht mitten im Flug explodieren.
Bei einem rotierenden Detonationsmotor wird dies erreicht, indem Detonationswellen kontinuierlich um eine ringförmige Brennkammer propagieren. Da die Detonation mit hoher Frequenz stattfindet, entsteht ein nahezu kontinuierlicher Schub.
Quelle: Air Force Research Laboratory
Ein solcher Motor wurde zum ersten Mal von der NASA im Jahr 2020 erfolgreich getestet.
Diese Art von Motor wird voraussichtlich bis zu 25 % effizienter sein als „normale“ verbrennungsbasierte Düsentriebwerke. Sie benötigen zudem keinen großen Verdichter vor dem Brenner, was ein enormes Gewicht einspart und die Gesamteffizienz des Flugzeugs weiter steigern dürfte.
Solche Motoren sind erst kürzlich dank fortschrittlicher Werkstoffe möglich geworden. Der Hauptbegrenzungsfaktor war die Fähigkeit der Materialien, extremen Temperaturen, einer endlosen Flut von Stoßwellen und gleichzeitig sauerstoffreichem Fluss standzuhalten.
Ein Detonations‑Ramjet?
Ein ernsthafter Nachteil rotierender Detonationsmotoren ist, dass sie bei atmosphärischem Druck deutlich weniger effizient arbeiten. Ähnlich wie Ramjets und Scramjets müssen sie idealerweise zuerst auf Überschall‑ oder Hyperschallgeschwindigkeit beschleunigt werden, bevor sie aktiviert werden können.
Jetzt entsteht ein noch weiter fortgeschrittenes Konzept: der Ram‑Rotor‑Detonationsmotor. Er wurde von chinesischen Wissenschaftlern der School of Aerospace Engineering an der Tsinghua‑Universität in Peking entwickelt. Ihre Arbeit wurde im Chinese Journal of Aeronautics unter dem Titel „Primary Investigation on Ram‑Rotor Detonation Engine“ veröffentlicht.
Ram‑Rotor‑Detonationsmotor (RRDE)
Der zentrale Gedanke eines RRDE besteht darin, die Detonation innerhalb eines Hochgeschwindigkeitsrotors zu stabilisieren. Der Strömungskanal komprimiert das Luft‑Kraftstoff‑Gemisch bis zu den idealen Bedingungen für die Detonation, unabhängig von der Eintrittsgeschwindigkeit.
Quelle: Chinese Journal of Aeronautics
Die Detonationswelle wird durch das Ausbalancieren der relativen Geschwindigkeiten des einströmenden Luftstroms und der ausströmenden Gase sowie der Stoßwellen, die den Auslass verlassen, an Ort und Stelle gehalten.
Durch diesen Prozess bleibt die Detonationswelle relativ zu den Rotorblättern stationär.
Quelle: Chinese Journal of Aeronautics
RRDE‑Vorteile
Flexibilität
Da der Motor die Kompression der Luft modulieren kann, verhält er sich eher wie ein klassischer Turbojet als ein Ramjet, das die Geschwindigkeit des Flugzeugs für die Luftkompression benötigt.
Das bedeutet, dass das RRDE bei allen Geschwindigkeiten betrieben werden kann und als eigenständiger Motor fungieren kann. In diesem Fall muss das RRDE mit geeigneten Einlass‑ und Auslasskomponenten wie verstellbaren Diffusoren, Leitblechen und Düsenauslässen kombiniert werden, um seinen stabilen Betriebsbereich und seine Einsatzszenarien zu erweitern.
Potentiell könnte es auch in Kombination mit einem Turbojet eingesetzt werden, ähnlich wie die meisten heutigen Ramjet‑ und Scramjet‑Konstruktionen.
Hyperschall‑Flugzeugmotoren
Per Definition reisen Detonationswellen schneller als die Schallgeschwindigkeit, oft deutlich schneller. Beim RRDE wird erwartet, dass stabile Detonationswellen erzeugt werden, die eine Mach‑Zahl von 4 bis 6 relativ zum einströmenden Luftstrom erreichen können.
Dies könnte RRDE‑ausgestatteten Flugzeugen ermöglichen, hyperschallflüge über Mach 5 + (3 836 mph / 6 174 km/h) mit deutlich höherer Effizienz als andere Detonationsmotoren zu bewältigen.
Eine höhere Effizienz würde nicht nur die Kraftstoffkosten senken, sondern auch mit demselben Kraftstoff eine größere Reichweite ermöglichen. Oder bei gleicher Reichweite eine höhere Nutzlast, da weniger schwerer Kraftstoff mitgeführt werden muss.
Von der Theorie zur Praxis
Bisher existiert das RRDE nur als Entwurf und hat sich bislang nur in theoretischen und simulierten Labortests bewährt.
Daher liegt noch ein langer Weg vor einem praktischen Prototypen, und ein noch längerer Pfad bis zu kommerziellen, massenproduzierten RRDEs.
Dies wird bedeuten, reale Probleme zu lösen, die in der Simulation möglicherweise nicht berücksichtigt wurden. Beispielsweise hat es lange gedauert, eine Detonationswelle in einem statischen Ringkanal für rotierende Detonationsmotoren aufrechtzuerhalten. Die Stabilisierung der Detonationswelle in einem Hochgeschwindigkeitsrotor wird noch schwieriger sein.
Auch in den Bereichen Konstruktion und Metallurgie werden Herausforderungen erwartet, da das verwendete Material extrem effizient sein muss.
Die Rotorblätter müssen leicht genug sein, um schnell und effizient zu rotieren, aber gleichzeitig stark genug, um hyperschall‑Einströmströme zu bewältigen … sowie ständige explosive Detonationen zwischen den Blättern zu überstehen.
Rotating Explosion Engine Company
Bisher wurde die meiste Forschung zu dieser neuen Motorart von öffentlichen Forschungseinrichtungen durchgeführt, vor allem von Raumfahrt‑ und Militärbehörden, darunter NASA, die US‑Air‑Force, die Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), Russian Energomash usw.
Es gibt jedoch ein privates Unternehmen, das bereits 2023 seine Fähigkeit demonstrierte, einen rotierenden Detonationsmotor zu bauen: General Electric (GE.TO ).
GE Preisdiagramm
General Electric Aerospace ist das Ergebnis der Aufspaltung des GE‑Konglomerats im Jahr 2024 in drei Teile: GE Aerospace (GE ), GE HealthCare (GEHC ), und GE Vernova (Energie) (GEV ).
Dies geschah, um das Unternehmen nach mehreren Jahrzehnten der Finanzialisierung, die sich letztlich als netto negativ erwiesen hat, wieder auf seine Kernkompetenzen zu fokussieren.
Das Unternehmen ist ein zentraler Zulieferer der Luftfahrtindustrie, mit rund 3 Milliarden Menschen, die jährlich mit GE‑Aerospace‑Technologie reisen, und etwa 900 000 Menschen, die zu jedem Zeitpunkt in von GE angetriebenen Flugzeugen fliegen (3 von 4 kommerziellen Flügen). Dies basiert auf einer Reihe von Triebwerken für alle Flugzeuggrößen und -anwendungen.
Quelle: GE Aerospace
Langfristig wird erwartet, dass diese Triebwerksfamilie durch eine neue Generation mit höherer Kraftstoffeffizienz ersetzt wird, die durch langfristige F&E‑Anstrengungen erreicht wird. Dies könnte im Bereich von 10‑15 % Kraftstoffeffizienzsteigerung für zivile Flugzeuge und bis zu 25 % für Militärflugzeuge liegen.
Quelle: GE Aerospace
Neben Triebwerken bietet das Unternehmen auch Siliziumkarbid‑Technologie für elektrische Energiesysteme und Avionik (Flugzeug‑Elektronik und -Computer) an.
Das Unternehmen ist seit langem führend im Bereich Flugzeugantriebssysteme. Der Großteil seiner Aktivität wird vom zivilen Sektor getrieben ($23,9 Mrd. Umsatz 2023), gefolgt vom Verteidigungssegment ($9 Mrd.).
70 % der Unternehmensumsätze stammen aus Dienstleistungen, insbesondere Wartung und Reparatur von Triebwerken, was für ein sehr stabiles Einkommen sorgt.
Quelle: GE Aerospace
Das Unternehmen investiert in Zukunftstechnologien, um seine Führungsposition zu halten, insbesondere in den 3D‑Druck mit GE Additive, dem einzigen OEM (Original Equipment Manufacturer) im metallischen additiven Fertigungsbereich mit einer vollständigen End‑to‑End‑Lösung.
Quelle: GE Aerospace
GEs Rotierender Detonationsmotor
Wie bereits erwähnt, hat GE auch den weltweit ersten hyperschall‑Dual‑Mode‑Ramjet (DMRJ)‑Test mit rotierender Detonationsverbrennung (RDC) in einem Überschallströmungsfeld erreicht.
Dies wurde dank GEs Beherrschung von Hochtemperatur‑Keramik‑Matrix‑Verbundwerkstoffen (CMCs), Siliziumkarbid‑Leistungselektronik, additiven Technologien und fortschrittlichem thermischem Management ermöglicht.
„Die signifikanten Ergebnisse, die wir bisher erzielt haben, geben uns das Vertrauen, dass wir in die richtige Richtung gehen.
Das Team hat sehr schnell gearbeitet; es dauerte nur 12 Monate von Beginn bis zum Abschluss der DMRJ‑Demonstration mit RDC. Das Team ist auf Kurs, im nächsten Jahr einen vollständigen DMRJ mit RDC im Maßstab zu demonstrieren.“
Hyperschallmotoren wie dieser könnten zunächst in fortschrittlichen militärischen Anwendungen eingesetzt werden, von Kampfflugzeugen bis zu Raketen. Sie werden jedoch wahrscheinlich eines Tages auch in zivilen Hyperschallflugzeugen Einzug halten, und GEs Präsenz in beiden Märkten sollte helfen, diese aufstrebende Technologie zu nutzen.
Insgesamt scheint es nach einer langen Phase als richtungsloses Konglomerat, das sich auf Finanzengineering konzentrierte, dass GE wieder auf dem richtigen Weg ist, sich als Zentrum amerikanischer Ingenieur‑ und Fertigungsexzellenz zu etablieren – zu einem Zeitpunkt, an dem Re‑Industrialisierung und Rückverlagerung starke Trends darstellen.
