Mach 4 und 760 °C: Testanlage bringt Scramjets an ihre Grenzen
SwRI bringt Scramjet-Technik ins Labor: Die HEAT-Anlage simuliert heiße Überschallströmungen bei Mach 4 und extrem niedrigem Druck.
Das SwRI hat seine „High Energy Annex Test“ (HEAT)-Anlage um die Möglichkeit erweitert, die extremen Bedingungen bei Hyperschallgeschwindigkeiten zu simulieren. Dadurch können Technologien für Hyperschallsysteme wie Scramjets, Ramjets, kleine Gasturbinen und Raketentriebwerke in einer kontrollierten Umgebung getestet werden.
Foto: Southwest Research Institute
760 °C heiße Luft, Strömungsbedingungen bis Mach 4 und ein Druck von nur rund 0,17 bar: Das Southwest Research Institute (SwRI) kann Bauteile für Hochgeschwindigkeitstriebwerke künftig unter deutlich härteren Bedingungen testen. Dafür hat das US-Forschungsinstitut seine HEAT-Anlage um ein Ejektorsystem erweitert.
Einen vollständigen Hyperschallflug bildet der Prüfstand allerdings nicht ab. Bislang erzeugte das Team Bedingungen, wie sie in einem Scramjet-Isolator bei Fluggeschwindigkeiten bis Mach 4 auftreten können. Dieser Unterschied ist wichtig: Mach 4 gehört noch zum Überschallbereich. Hyperschall beginnt nach der üblichen Definition erst ab Mach 5.
Die Anlage soll dennoch die Entwicklung von Hyperschallsystemen unterstützen. In einem Scramjet kann die lokale Strömungsgeschwindigkeit deutlich unter der Geschwindigkeit des Fahrzeugs liegen. Bereits im Lufteinlauf bremsen und verdichten Stoßwellen die angesaugte Luft.
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Flugversuche sind teuer und riskant
HEAT steht für „High Energy Annex Test“. Das SwRI errichtete die Anlage 2016 ursprünglich für Versuche an Gasturbinenbrennkammern. Nach einem dreijährigen Umbau kann sie größere Luftmengen und höhere Drücke bereitstellen. Der neue Verdichter hat die entsprechenden Kapazitäten laut Institut verdreifacht. Zudem lässt sich der Prüfstand mit verschiedenen Kraftstoffen betreiben, darunter Wasserstoff und synthetische Treibstoffe.
Mit dem zusätzlichen Ejektor erweitert das SwRI den Einsatzbereich nun auf heiße Überschallströmungen und niedrige Umgebungsdrücke. Damit sind unter anderem Versuche an Komponenten für Ramjets, Scramjets, kleinere Gasturbinen und Raketenantriebe möglich.
„Tests im tatsächlichen Hochgeschwindigkeitsflug sind kostspielig und riskant“, sagt SwRI-Forschungsingenieur Austin Jones, der das Projekt leitete. Im Labor könne das Team die extremen Bedingungen kontrolliert erzeugen und Veränderungen an der Technik vornehmen, bevor ein Flugversuch beginnt.
Ejektor erzeugt Unterdruck
Damit die Luft im Versuchskanal Überschallgeschwindigkeit erreicht, braucht es ein starkes Druckgefälle. Genau dafür sorgt der neue Ejektor.
Hochdruckluft strömt durch Düsen und erzeugt einen schnellen Luftstrahl. Dieser reißt Gas aus dem nachgeschalteten Bereich mit. Dadurch sinkt dort der Druck auf bis zu 2,5 psi, umgerechnet rund 0,17 bar. Das entspricht einer deutlich dünneren Atmosphäre als am Boden.
Gleichzeitig nutzt das SwRI ein vorhandenes elektrisch beheiztes Hochdruck-Luftsystem vor der Teststrecke. Es liefert die heiße Luft, die anschließend durch eine Düse beschleunigt wird. Bei den bisherigen Versuchen erreichte das Team nach eigenen Angaben Temperaturen von bis zu 1.400 °F, also etwa 760 °C.
Entscheidend ist dabei nicht allein die Höchstgeschwindigkeit. Für aussagekräftige Messungen müssen Luftdurchsatz, Druck und Temperatur über die Versuchsdauer möglichst gleichmäßig bleiben. Das SwRI setzte deshalb analytische Berechnungen und numerische Strömungssimulationen ein, um den Ejektor auszulegen.
Der Isolator hält Druckwellen vom Einlauf fern
Im ersten Schritt erzeugte das Team Strömungsbedingungen, wie sie in einem Scramjet-Isolator auftreten. Dieser Kanal liegt zwischen Lufteinlauf und Brennkammer und stabilisiert die Strömung im Triebwerk.
Scramjet steht für „Supersonic Combustion Ramjet“. Eine rotierende Verdichterstufe wie in einem klassischen Strahltriebwerk gibt es nicht. Stattdessen nutzt der Antrieb die hohe Fluggeschwindigkeit:
- Der Lufteinlauf fängt die anströmende Luft ein.
- Stoßwellen bremsen und verdichten sie.
- Anschließend gelangt die Luft durch den Isolator in die Brennkammer.
- Auch während der Verbrennung bleibt die Strömung zumindest teilweise im Überschallbereich.
Die Verbrennung erhöht jedoch den Druck in der Brennkammer. Diese Druckänderungen können sich entgegen der Strömungsrichtung bis zum Lufteinlauf ausbreiten. Der Isolator soll verhindern, dass sie das dortige Stoßwellensystem destabilisieren.
Im Kanal bildet sich dazu eine Folge von Stoßwellen, der sogenannte Shock Train. Seine Position hängt unter anderem von der Kanalgeometrie, der Grenzschicht und dem Gegendruck aus der Brennkammer ab.
Wird der Gegendruck zu hoch, wandert der Shock Train nach vorn. Im schlimmsten Fall kommt es zu einem sogenannten Unstart: Die vorgesehene Strömungsstruktur im Einlauf bricht zusammen, der Luftdurchsatz sinkt und das Triebwerk verliert Schub.
sCO₂ soll kühlen und Strom liefern
Der neue Ejektor soll nicht nur heiße Überschallströmungen erzeugen. Er ist Teil eines weiteren SwRI-Projekts, das zwei zentrale Probleme von Scramjets lösen soll:
- Kühlung: Die Triebwerkswände sind hohen Wärmelasten ausgesetzt. Bislang dient häufig der Treibstoff als Kühlmittel. Wasserstoff kann dabei sieden. Flüssige Kohlenwasserstoffe können sich zersetzen und Ablagerungen bilden. Dieses sogenannte Coking kann schmale Kühlkanäle verengen oder blockieren.
- Stromversorgung: Pumpen, Sensoren, Steuerung und Kommunikation benötigen elektrische Energie. Ein Scramjet besitzt jedoch keine Turbinenwelle, an die sich wie bei einer Gasturbine ein Generator koppeln ließe. Batterien erhöhen wiederum die Masse und begrenzen die Betriebsdauer.
Das SwRI entwickelt deshalb einen kompakten Wärmetauscher mit überkritischem Kohlendioxid, kurz sCO₂. Er soll Wärme aus den Triebwerkswänden aufnehmen. Gleichzeitig könnte sich diese Abwärme nutzen lassen, um an Bord Strom zu erzeugen.
Das Konzept befindet sich noch in der Entwicklung. Aus den veröffentlichten Angaben geht nicht hervor, ob der Wärmetauscher bereits vollständig unter den neuen Mach-4-Bedingungen getestet wurde. Zunächst muss das Team nachweisen, dass er hohe Wärmelasten und den Druck des überkritischen Kohlendioxids dauerhaft aushält.
Die erweiterte HEAT-Anlage liefert dafür die passenden Versuchsbedingungen. Ob das System tatsächlich ausreichend kühlt und zugleich nutzbare elektrische Leistung erzeugt, müssen weitere Tests zeigen.
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