Wenn es Realität würde, könnte der Hyperschallflug, der lange Zeit nur in Science-Fiction-Filmen vorkam, das globale Reisen revolutionieren und internationale Flüge, die bisher einen ganzen Tag dauerten, in kurze Pendelflüge verwandeln, die nicht länger dauern als ein Spielfilm. Die Dauer einer Langstreckenverbindung, beispielsweise von Sydney nach Los Angeles, könnte von 15 Stunden auf nur eine Stunde sinken.
„Das verkleinert den Planeten wirklich“, sagt Professor Nicholaus Parziale, dessen Forschung sich darauf konzentriert, solche Hyperschallflüge zu verwirklichen, und der kürzlich für seine Forschung zur Strömungsmechanik, die den Hochgeschwindigkeitsflug beeinflusst, mit dem Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers ausgezeichnet wurde. „Das wird das Reisen schneller, einfacher und angenehmer machen.“
Vom Science-Fiction-Traum zur physikalischen Herausforderung
Die Hälfte des Planeten in einer Stunde zu überqueren, mag unrealistisch klingen, aber solche Flugzeuge könnten näher an der Realität sein, als Sie denken. Militärflugzeuge fliegen bereits mit der doppelten oder dreifachen Schallgeschwindigkeit, was Ingenieure als Mach 2 oder Mach 3 bezeichnen, wobei Mach 1 für die Schallgeschwindigkeit oder 760 mph steht. Um die Strecke von Los Angeles nach Sydney in einer Stunde zurückzulegen, müssten die Flugzeuge mit Mach 10 fliegen – also mit der zehnfachen Schallgeschwindigkeit. Was der Verwirklichung solcher ultraschnellen Flugzeuge im Wege steht, sind die Turbulenzen und die Hitze, die sie beim Fliegen erzeugen.
Es gibt einen Unterschied im Verhalten der Luft um das Flugzeug herum bei niedrigen Geschwindigkeiten im Vergleich zu hohen Geschwindigkeiten. Luft- und Raumfahrtingenieure haben spezielle Begriffe für dieses Phänomen: inkompressible und kompressible Strömung. Bei der inkompressiblen Strömung, die bei niedrigen Geschwindigkeiten (unter etwa Mach 0,3 oder 225 mph) auftritt, bleibt die Luftdichte nahezu konstant, was die Konstruktion von Flugzeugen vereinfacht. Bei höheren Geschwindigkeiten, insbesondere oberhalb der Schallgeschwindigkeit, geht sie jedoch in eine kompressible Strömung über. „Das liegt daran, dass sich ein Gas ‚zusammendrücken‘ kann“, erklärt Parziale, oder, um es wissenschaftlich auszudrücken, komprimieren.
Kompression bedeutet, dass sich die Luftdichte aufgrund von Druck- und Temperaturschwankungen erheblich verändert, was sich auf das Flugverhalten eines Flugzeugs auswirkt. „Die Kompressibilität beeinflusst, wie der Luftstrom um den Körper herumfließt, und das kann Dinge wie Auftrieb, Luftwiderstand und Schubkraft verändern, die zum Abheben oder in der Luft bleiben erforderlich sind.“ All dies ist für die Konstruktion von Flugzeugen wichtig.
Morkovin-Hypothese: Schlüssel zum Verständnis turbulenter Strömungen
Luft- und Raumfahrtingenieure haben eine ziemlich gute Vorstellung davon, wie solche Luftströmungen bei Flugzeugen funktionieren, die unterhalb oder nahe der Schallgeschwindigkeit fliegen – auch bekannt als „niedrige Machzahlen“. Um Hyperschallflugzeuge zu bauen, müssen sie verstehen, wie Luftströmungen bei höheren Machzahlen funktionieren – beispielsweise bei der fünffachen oder zehnfachen Schallgeschwindigkeit. Und das bleibt ein kleines Rätsel, abgesehen von der sogenannten Morkovin-Hypothese.
Diese Hypothese wurde Mitte des 20. Jahrhunderts von Mark Morkovin aufgestellt und besagt, dass sich das Turbulenzverhalten bei Luftgeschwindigkeiten von Mach 5 oder Mach 6 nicht wesentlich von dem bei langsameren Geschwindigkeiten unterscheidet. Obwohl sich die Luftdichte und die Temperatur bei schnelleren Strömungen stärker verändern, bleibt laut dieser Hypothese die grundlegende „unruhige” Bewegung der Turbulenzen weitgehend gleich. „Im Grunde genommen bedeutet die Morkovin-Hypothese, dass sich die Bewegung turbulenter Luft bei niedrigen und hohen Geschwindigkeiten nicht wesentlich unterscheidet”, sagt Parziale. „Wenn die Hypothese richtig ist, bedeutet dies, dass wir kein völlig neues Verständnis von Turbulenzen bei diesen höheren Geschwindigkeiten benötigen. Wir können dieselben Konzepte verwenden, die wir auch für langsamere Strömungen verwenden.” Das bedeutet auch, dass Hyperschallflugzeuge keinen wesentlich anderen Konstruktionsansatz erfordern.
Bislang konnte jedoch noch niemand ausreichende experimentelle Beweise zur Stützung der Morkovin-Hypothese liefern. Dies wurde zum Thema von Parziales neuer Studie mit dem Titel „Hypersonic Turbulent Quantities in Support of Morkovin’s Hypothesis“ (Hyperschall-Turbulenzgrößen zur Stützung der Morkovin-Hypothese).
Laserexperimente bringen neue Erkenntnisse über Hyperschall-Turbulenzen
In der Studie verwendete Parziales Team Laser, um ein Gas namens Krypton zu ionisieren, das in die Luft eingebracht wird, die in einem Windkanal strömt. Dadurch bildeten die Kryptonatome vorübergehend eine zunächst gerade, leuchtende Linie. Anschließend fotografierten die Forscher mit ultrahochauflösenden Kameras, wie sich diese fluoreszierende Kryptonlinie durch die Luft des Windkanals bewegt, biegt und windet – ähnlich wie ein Blatt, das durch die kleinen Strudel in einem Fluss wirbelt. „Wenn sich diese Linie mit dem Gas bewegt, kann man Falten und Strukturen in der Strömung erkennen, und daraus können wir viel über Turbulenzen lernen“, sagt Parziale und fügt hinzu, dass er 11 Jahre damit verbracht hat, diese clevere Anlage zu bauen. „Und wir haben festgestellt, dass das Turbulenzverhalten bei Mach 6 ziemlich nah an der inkompressiblen Strömung liegt.“
Zu Beginn wurde Parziales Gruppe 2016 vom Young Investigator Research Program (YIP) des Air Force Office of Scientific Research und 2020 vom YIP des Office of Naval Research (ONR) unterstützt, wobei die aktuelle Arbeit vom ONR gefördert wird.
„Heute müssen wir Computer einsetzen, um ein Flugzeug zu konstruieren, und die Rechenressourcen, die erforderlich wären, um ein Flugzeug zu konstruieren, das mit Mach 6 fliegt, und dabei alle winzigen, feinen Details zu simulieren, wären unmöglich“, sagt Parziale. „Die Hypothese von Morkovin ermöglicht es uns, vereinfachende Annahmen zu treffen, sodass die Rechenanforderungen für die Konstruktion von Hyperschallfahrzeugen leichter zu bewältigen sind.“
Die Ergebnisse der Studie sind auch vielversprechend für eine Veränderung der Raumfahrt, erklärt Parziale. „Wenn wir Flugzeuge bauen können, die mit Hyperschallgeschwindigkeit fliegen, können wir sie auch in den Weltraum fliegen, anstatt Raketen zu starten, was den Transport zur und von der erdnahen Umlaufbahn erleichtern würde“, sagt er. „Das wird nicht nur den Transport auf der Erde, sondern auch in der erdnahen Umlaufbahn revolutionieren.“
