Könnten Sie in 12 Minuten von New York nach Los Angeles pendeln?

Einige Flüge rauschen so schnell vorbei, dass die Begleiter kaum Zeit haben, den Getränkewagen auszubrechen. Andere ziehen sich lange genug hin, um zu Abend zu essen, ein paar Filme zu sehen und eine ganze Nacht zu schlafen. Was wäre, wenn Sie das Beste aus beidem herausholen könnten, indem Sie beispielsweise in 90 Minuten von New York nach Tokio fliegen? Würden Sie die Mutter aller Jetlags riskieren, wenn Sie das Land in kürzerer Zeit durchqueren könnten, als es dauert, die Flughafensicherheit zu passieren ?

Das waren die Fragen, die uns beschäftigten, als wir über den zweiten Testflug des Falcon Hypersonic Technology Vehicle (HTV-2) lasen, eines Flugzeugs der US Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), das Fluggeschwindigkeiten von Mach 20 oder 20 oder mehr verspricht mal die Schallgeschwindigkeit.

Die Lockheed Martin HTV-2 war kein Passagierflugzeug oder gar Kampfjet, sondern ein unbemannter, raketengestützter Prüfstand für Hyperschalltechnologien. Mit den bereitgestellten Daten plant das Pentagon, Prompt Global Strike-Fahrzeuge zu entwickeln – Flugzeuge, die Ziele weltweit mit wenig oder ohne Vorwarnung erreichen können – idealerweise in 60 Minuten oder weniger. Betrachten Sie sie als die unbemannten Raketenflugzeugäquivalente von Marschflugkörpern oder als sehr gewalttätige Pizzafahrer von Domino (keine Rückerstattung für Lieferungen, die länger als 30 Minuten dauern) [Quellen: DARPA ; Weinberger ].

Unglücklicherweise begann der zweite HTV-2-Test von DARPA, wie auch der erste, mit einem Kontaktverlust und endete mit einem selbstzerstörerischen Graben in den Pazifischen Ozean [Quellen: AFP ; Pappalardo ]. In einem klassischen Fall von guten Nachrichten, schlechten Nachrichten verbesserte DARPA die aerodynamische Stabilität im ersten Test, nur um zu sehen, wie unerwartete Schläge im zweiten Test große Hautschwaden vom Fahrzeug rissen [Quellen: DARPA ; Ferran ].

Wo bleibt der zukünftige Pendler, der mehr daran interessiert ist, Meetings einzunehmen, als Raketen einzusetzen? Das ist schwer zu sagen. Seit November 2012 hat sich eine Handvoll Kandidaten angestellt, um den lange leeren Markt von Concorde zu füllen, von Giganten wie Boeing und European Aeronautic Defence and Space Company NV (EADS), der Muttergesellschaft von Airbus, bis hin zu aufstrebenden Unternehmen wie XCOR und HyperMach. In der Zwischenzeit konzentrieren sich Virgin Galactic und Sierra Nevada Space Systems weiterhin auf die Entwicklung suborbitaler Raumflugzeuge.

Doch trotz dessen, was ihre Marketing-Flacks sie nennen mögen, sind die meisten dieser Fahrzeuge Überschall-, nicht Hyperschall, und das aus gutem Grund. Das Überschreiten der bestrafenden Schwelle von Mach 5, der traditionellen Abgrenzung zwischen Überschall und Hyperschall, bedeutet, mit der verrückt gewordenen atmosphärischen Physik zu kämpfen.

1. Verwürfelte Physik
2. Hypersonic: Glauben Sie dem Hype nicht
3. Der suborbitale Shuffle

Der zweite Test des inzwischen nicht mehr existierenden HTV-2 zeugt von den unversöhnlichen Realitäten des Hyperschallflugs [Quelle: Pappalardo ]. Sogar die Concorde, die eine Höchstgeschwindigkeit von 2.172 km/h (1.350 mph) erreichte, wurde nach 27 Jahren aufgrund von Sicherheitsproblemen und Kostenbedenken abgeschaltet [Quelle: Novak ].

Die Physik ist ein strenger Zuchtmeister. Wenn ein Flugzeug auf die Schallmauer zurast, hört die Luft auf, "aus dem Weg zu gehen" und komprimiert sich in eine Wand, die ein Flugzeug durchschlagen muss. Luftwiderstand, Auftrieb und Verbrennung werden bei solchen Geschwindigkeiten geradezu ekelhaft, und einige Überschallanpassungen, wie Deltaflügel und Staustrahltriebwerke – einfache Strahltriebwerke, die die Luft dank der Vorwärtsdynamik des Fahrzeugs komprimieren – reichen von ineffizient bis ineffektiv bei niedrigeren Geschwindigkeiten [Quellen: Liebling ; NASA ].

Hyperschallflugzeuge erfordern noch spezialisiertere Lösungen, wie z. B. wärmeableitende ablative Panzerung und Überschallverbrennungs-Staujets oder Scramjets für den Antrieb [Quellen: Darling ; NASA ]. Selbst bei "niedrigen" Hyperschallgeschwindigkeiten (Mach 5-10) ionisieren Luftmoleküle zu elektrifiziertem und chemisch reaktivem Plasma und erzeugen exotherme (Wärme freisetzende) Reaktionen, die zu der bereits monströsen Reibungswärme beitragen [Quellen: Fletcher ; NASA ].

Um es in 12 Minuten von New York nach Los Angeles zu schaffen, müsste man 22 Mal schneller fliegen als ein Verkehrsflugzeug. Bei solchen Geschwindigkeiten strömt die Luft nicht um Sie herum – Sie reißen durch sie hindurch und erzeugen dabei einen verheerenden Druck und stahlschmelzende Oberflächentemperaturen von 1.900 °C. Überschallflugzeuge haben scharfe Linien, um durch die Luft zu schneiden, aber Hyperschallflugzeuge müssen eine stumpfere Form annehmen, um Wärme besser abzuleiten, ähnlich einer Apollo-Kommandokapsel. Klappen haben Mühe, die Trägheit des Fahrzeugs zu überwinden, und das Manövrieren erfordert präzise Sensoren und eine nahezu sofortige Reaktion [Quellen: DARPA ; Fletcher ; NASA ].

Das Hinzufügen von Personen in die Mischung erhöht die Schwierigkeit um eine Größenordnung. Es ist schwer vorstellbar, dass der Rumpf eines Passagierflugzeugs mit der Aerodynamik des Hyperschallflugs kompatibel ist. Darüber hinaus müsste jedes Flugzeug, das in der Lage wäre, dieses Problem zu überwinden, schlendern und nicht sprinten, um auf Geschwindigkeit zu kommen, damit sich seine Passagiere nicht darüber beschweren, dass sie bei Starts, Landungen und Kurven wie so viele Pfannkuchen platt gemacht werden.

Ein menschlicher Körper kann eine ganze Weile lang einer Kraftbelastung von 2-3 G (das Zwei- bis Dreifache der Erdanziehungskraft ) standhalten, insbesondere in Vorwärtsrichtung, aber erwarten Sie nicht, dass ein hochzahlender Kunde die Unbequemlichkeit von 1 G toleriert für mehr als ein paar Minuten. Dennoch könnten solche Beschleunigungen unvermeidlich sein: Um mit Überschallgeschwindigkeit zu fliegen, könnten Flugzeuge auf Spezialisierungen angewiesen sein, die sie bei niedrigeren Geschwindigkeiten zu unhandlichen Schweinen machen; daher könnten sie Raketenantriebe – und die damit verbundenen G-Kräfte – benötigen, um Flughöhe und -geschwindigkeit zu erreichen [Quellen: NASA ; Zuidema et al. ].

Die Anforderungen eines echten Hyperschallflugzeugs, ganz zu schweigen von einem Mach 20-Flugzeug, passen möglicherweise nicht gut zu den Komfort- und Sicherheitsanforderungen eines Passagierflugzeugs. Doch wenn Sie dem Hype glauben, werden Hyperschallfahrzeuge bald den militärischen und zivilen Himmel beherrschen.

Himmlisch

Die Raumfahrt hat eine besondere Beziehung zum Hyperschallflug. Einige der schnellsten antriebslosen Flüge in der Geschichte waren die Apollo-Kommandokapseln, die beim Wiedereintritt in einer Höhe von 53 Kilometern (33 Meilen) und einer Geschwindigkeit von 39.600 km/h (24.600 mph) oder Mach 32,5 flogen [Quellen: Fletcher ].

Raumfahrzeuge, die in die Atmosphären anderer Planeten eintreten, haben noch höhere Geschwindigkeiten erreicht. Die Galileo-Sonde trat am 21. September 2003 mit 134.200 mph (216.000 km/h) in einer Höhe von 620 Meilen (1.000 Kilometer) in Jupiters Atmosphäre ein. Obwohl die Eintrittsgeschwindigkeit von Galileo die von Apollo bei weitem übertraf, entspricht sie nur Mach 28. Warum? Die Schallgeschwindigkeit bezieht sich auf die Kompressibilität und den Fluss einer Flüssigkeit, die eine Funktion ihrer Temperatur, ihres Drucks und ihrer Zusammensetzung ist – in diesem Fall eine Wasserstoff-Helium-Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 800 K (980 F oder 527 C). [Quellen: Fletcher ].

Hyperschall-Passagierflugzeuge – und einstündige Flüge von New York nach London – werden seit rund 60 Jahren angepriesen. Die Frage ist nicht, ob Militär- oder Privatflugzeuge dieses Ziel erreichen werden, sondern wann – oder ob – Joe und Jane Carryon mit einem pendeln werden.

In seiner Rede zur Lage der Nation im Jahr 1986 forderte US-Präsident Ronald Reagan die Entwicklung eines „Orient Express“, eines Flugzeugs, das in zwei bis drei Stunden von New York nach Tokio fliegen könnte. Der geplante Rockwell X-30, ein Single-Stage-to-Orbit (SSTO)-Passagierraumschiff, wurde vor Erreichen des Prototypenstadiums kiboshed [Quelle: Sanger ].

Der Überschallflug könnte zurückkehren, aber wahrscheinlich nicht bald. Im Jahr 2012 ist ein in der Entwicklung befindlicher Anwärter das Zero Emission Hypersonic Transportation (Zehst)-System, die mit Algen-Biokraftstoff betriebene Idee einer Zusammenarbeit zwischen EADS und Japan, die planen, das Fahrzeug um 2040 oder 2050 auf den Markt zu bringen [Quellen: Jones ; Wand ]. Zehst wird mit der doppelten Geschwindigkeit und Höhe der Concorde reisen, zu einem Ticketpreis von rund 6.000 € (8.500 $) [Quelle: Lichfield ].

Bei Erfolg wird Zehst 50-100 Personen zwischen Paris und Tokio in 2,5 Stunden (im Vergleich zu den derzeitigen 11) mit drei Antriebssystemen befördern. Zwei Turbofans werden das Flugzeug bei einem steilen Anstieg auf etwa Mach 0,8 antreiben, wonach zwei Raketenbooster übernehmen und das Fahrzeug auf Mach 2,5 beschleunigen – schnell genug, damit Ramjets eingreifen und das Flugzeug auf etwa Mach 4 beschleunigen können Am Zielort würde das Flugzeug mit wieder eingeschalteten Turbofans hineingleiten und unter Strom landen [Quelle: Wall ].

Der Hauptkonkurrent von Airbus, Boeing, hat seinen Überschall-Sonic-Cruiser aufgegeben, um den Unterschall -787-Dreamliner zu entwickeln , aber man kann das Unternehmen nie vollständig ausschließen – insbesondere angesichts seiner Militärverträge, die es fest im Spiel der Hochgeschwindigkeitsflugzeuge halten. Trotz seiner zwielichtigen Testbilanz könnte die Technologie hinter Boeings X-51A WaveRider – der auf seiner eigenen Schockwelle fliegt und mehrfach Mach 5 gebrochen hat – die Grundlage für eventuelle Weltraum- oder kommerzielle Anwendungen bilden [Quellen: Bartkewicz ; Boeing ].

Unterdessen hat das europäische Luftfahrtunternehmen HyperMach SonicStar angekündigt, ein Flugzeug ohne Überschallknall, das doppelt so schnell fliegen soll wie die Concorde. Laut HyperMach wird SonicStar mit Mach 3,6 in einer Höhe von 60.000 Fuß (18.300 Meter) fliegen und 10-20 Passagiere in zwei Stunden und 20 Minuten zwischen New York und Dubai befördern. Das Unternehmen glaubt, dass es das Flugzeug bis Juni 2021 zum Fliegen bringen kann [Quelle: Jones ].

Mit einem suborbitalen Ansatz arbeitet das in Kalifornien ansässige Luft- und Raumfahrtunternehmen XCOR an Lynx, einem zweisitzigen Verkehrsflugzeug, das für Überschallflüge in großer Höhe entwickelt wurde. Wenn dies gelingt, wird Lynx mit mehr als 4.000 km/h (2.500 mph) auf eine Höhe von 100 Kilometern (62 Meilen) kreuzen und dann absteigen, wodurch störender atmosphärischer Luftwiderstand, Reibung und Turbulenzen minimiert werden [Quelle: Waldron ].

Alles in allem könnte es praktisch sinnvoll sein, den Hyperschalltraum gegen einen hyperbolischen Flug auszutauschen.

Der "Concordski"

Obwohl die Concorde in den Erinnerungen der Menschen den Überschallhimmel beherrscht, hat die von der Sowjetunion gebaute Tupolev Tu-144 sie als erstes Überschall-Transportflugzeug, das jemals in den kommerziellen Dienst gestellt wurde, geschlagen. Die Concorde überdauerte ihren sowjetischen Konkurrenten jedoch bei weitem: 1978 stellte Tu-144 nach 102 Passagierflügen den Dienst ein, getötet durch die geringe Reichweite des Flugzeugs und zahlreiche technische Störungen. Die NASA und Russland nutzten später eine modifizierte Tu-144 als fliegendes Labor zum Studium des Überschallflugs [Quelle: NASA ].

Das Problem beim schnellen Fliegen besteht darin, dass sich Störungen durch eine Flüssigkeit, einschließlich Luft, nur so schnell ausbreiten können. Nähern Sie sich dieser Geschwindigkeit oder überschreiten Sie sie, und es ist der Unterschied zwischen dem Gleiten durch ein Wasserbecken und dem Bauchschlagen nach dem hohen Sturzflug. Anstatt einen solch brutalen Kampf zu führen, entscheiden sich einige dafür, die Atmosphäre vollständig zu meiden und suborbitale Hüpfer zu machen, die den Weltraum überfliegen.

Raumflugzeuge – vollständig wiederverwendbare Raumfahrzeuge, die im Weltraum oder in der Atmosphäre fliegen – und kommerzielle Höhenflugzeuge haben mit dem Wachstum der kommerziellen Raumfahrtindustrie wieder zugenommen. Im Idealfall könnten solche Fahrzeuge von Start- und Landebahnen starten und landen, aber zumindest vorerst bleiben sie Wunschträume. So wie Unterschall-, Überschall- und Hyperschallkonstruktionen in ihren eigenen Flugregimen am besten funktionieren, unterscheiden sich atmosphärische Antriebs- und Steuerungssysteme von denen, die im Weltraum gut funktionieren. Vor diesem Hintergrund beruhen die meisten Konstruktionen auf einem zweistufigen Plan, bei dem sie von einem „Mutterschiff“-Flugzeug oder einer Rakete in die Höhe getragen werden, bevor sie ihre Bordflugsysteme einschalten.

Zum Beispiel plant Richard Bransons Unternehmen Virgin Galactic, Passagiere mit SpaceShipTwo, einem 18 Meter langen Sechs-Personen-Raketengleiter, der unter dem Flugzeug hängt, an den Rand des Weltraums (etwa 62 Meilen oder 100 Kilometer) zu befördern JungfrauMutterschaft Eve. Wenn der Träger mit zwei Rümpfen 50.000 Fuß (15.240 Meter) erreicht, wird SpaceShipTwo sich trennen, fliegen und erdwärts gleiten, nachdem es zuerst seinen Wiedereintritt durch eine spezielle „Federn“-Schlepptechnik verlangsamt hat [Quelle: Chang ]. Bransons Unternehmen hat auch eine Kooperationsvereinbarung mit Sierra Nevada Space Systems geschlossen, um möglicherweise als Händler für die Buchung von Raumflügen an Bord seines geplanten Passagierschiffs Dream Chaser [Quelle: Chang ] zu fungieren.

Der Dream Chaser ist ein wiederverwendbares Mini-Shuttle, das auf dem Bor-4 basiert, dem nicht mehr existierenden Space-Shuttle-Design der Sowjetunion. Es wird mit einer Atlas-V-Rakete gestartet und wie ein Flugzeug landen. Sierra Nevada plant, einen Vertrag mit Weltraumbehörden abzuschließen, um bis zu sieben Astronauten und Fracht zwischen der Internationalen Raumstation (ISS) und der Erde zu befördern [Quelle: Chang ]. Im August 2012 erhielt das Projekt 212,5 Millionen US-Dollar aus dem CCiCap-Programm (Commercial Crew Integrated Capability) der NASA, um die Entwicklung fortzusetzen [Quelle: Sierra Nevada ].

Raumflugzeuge könnten diese kommerziellen Passagiere brauchen, wenn sie den Wettbewerb um Weltraumlieferungen nicht einholen können. Space Exploration Technologies Corp. (SpaceX) lieferte Fracht zur ISS im Oktober 2012 mit einem traditionelleren Raketen-und-Kapsel-Ansatz. Orbital Sciences Corp., das ein Raumflugzeug entwickelte, bis das Projekt die NASA -Finanzierung verlor, hat eine nicht wiederverwendbare Version dieser Methode für seine geplanten ISS-Versorgungsläufe übernommen [Quelle: Orbital ].

Überschall-, Hyperschall- oder Hochhüpfer-Suborbitalflüge könnten die Welle der Zukunft sein, aber nur die Zeit wird zeigen, ob – oder wann – sie abheben.

Der Schnellste und der Höchste

Bei all dem Gerede über reißende Geschwindigkeit und raumgreifende Höhe fragen Sie sich vielleicht, wie hoch oder wie schnell wir bereits geflogen sind.

Seit November 2012 hält das Raketenflugzeug X-15 den inoffiziellen Geschwindigkeitsrekord der Welt, 4.520 mph (7.274 km/h, ein Hyperschall-Mach 6,7) und den inoffiziellen Höhenrekord, 354.200 Fuß (107.960 Meter) [Quellen: Darling ; Fletcher ; NASA ]. Der X-15 war das experimentelle Enkelkind von Chuck Yeagers X-1, der erstmals die Schallmauer bei Mach 1,06 (702 mph oder 1.130 km/h) durchbrach und Vorfahre des Space Shuttles und moderner Raumflugzeuge ist [Quelle: Darling ].

Was luftatmende Motorflugzeuge betrifft, so stellte Eldon W. Joersz am 28. Juli 1976 in einer Lockheed SR-71 Blackbird den Geschwindigkeitsrekord von 2.193,17 mph (3.529,56 km/h) auf [Quelle: FAI ]. Am 31. August 1977 stellte der sowjetische Pilot Alexandr Fedotov den Höhenrekord auf und stieg in seiner MiG E-266M [Quelle: FAI ] auf 37.650 Meter (123.524 Fuß).

Anmerkung des Autors: Könnten Sie in 12 Minuten von New York nach Los Angeles pendeln?

Karten auf dem Tisch: Ich kann mir kein Hyperschallflugzeug vorstellen, das genug Passagiere befördern könnte, um ein lohnendes Geschäftsmodell zu machen; Ich kann mir auch keinen vorstellen, der seine Passagiere nicht jedes Mal, wenn sie damit fliegen, zu Tode erschrecken würde. Doch irgendwie schreckt mich die Idee der suborbitalen Sprünge – insbesondere die von einem Flugzeug-Mutterschiff gestartet werden – nicht aus der Fassung.

Vielleicht denke ich einfach, dass es das Risiko wert wäre, in den Weltraum zu fliegen, selbst wenn es nur für ein paar Minuten wäre. Es ist eine Schande, dass Virgin Galactic keine Trainerklasse beinhaltet und wahrscheinlich nie wird; Für diese Aussicht würde ich in einem Gepäckträger fahren.

Ich hoffe, ich liege falsch, aber ich kann Weltraumtourismus oder „Weltraumpendler“ einfach nicht als etwas anderes als einen Spielplatz für die Reichen sehen, wenn überhaupt. Das Tragische daran ist, dass die Gesichter ihrer Passagiere wahrscheinlich während des gesamten Fluges in ihren Blackberrys vergraben bleiben, selbst wenn sie vom Boden abheben.

Womit wir einen weiteren Punkt ansprechen: Zu keiner Zeit in der Geschichte hatten wir weniger Bedarf an Reisen und mehr Bedarf an Ressourcenschonung. Wir leben in einem Zeitalter der Telearbeit, Telefonkonferenzen und virtuellen Meetings, in denen „face time“ nur einen Klick entfernt ist. Unsere Zeit ist auch von drohenden Umweltveränderungen und steigenden Kraftstoffpreisen geprägt. Klugerweise haben sich Designer von Flugzeugen wie dem Zehst auf umweltfreundlichere Technologien und Treibstoffe konzentriert, aber vielleicht ist dieses Geld woanders besser angelegt.

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