Chinas Hyperschall-Nachbrenner verdoppelt den Schub

Viele Kampfjets verfügbaren über Nachbrenner. Dabei wird Treibstoff hinter der Turbine eingespritzt. Das so entstehende Brennstoff-Luftgemisch dehnt sich massiv aus und verleiht der Maschine zusätzlichen Schub – also mehr Geschwindigkeit.

Bei Hyperschall-Triebwerken ist das nicht so einfach möglich. Diese sind bisher als Staustrahltriebwerke (Scramjets) gefertigt. Bei denen entspricht der Aufbau der Brennkammer im Wesentlichen dem Nachbrenner eines Turbinen-Strahltriebwerks, so wie es von den meisten Kampfjets genutzt wird. Daher ist es nicht so einfach möglich, einem Scramjet einen klassischen Nachbrenner zu verpassen. Zudem herrschen bei Hyperschall-Geschwindigkeiten (ab Mach 5, über 6.174 km/h) andere physikalische Bedingungen, die bedacht werden müssen.

Chinesische Forscher wollen hier jetzt einen Durchbruch erzielt haben, berichtet scmp. Sie haben in einer Studie untersucht, wie sich ein Nachbrenner bei einem Hyperschall-Triebwerk umsetzen lässt.

Magnesium statt Kerosin

Das Grundprinzip des Nachbrenners bleibt dabei gleich: In die heißen Abgase wird etwas hinzugemischt. Anstatt Kerosin oder eines ähnlichen Jet-Treibstoffs, ist das aber Magnesiumpulver.

Magnesium ist ein reaktives Metall, das sich auch ohne atmosphärischen Sauerstoff explosionsartig entzünden kann. Deshalb brennen Magnesiumfackeln etwa auch unter Wasser: Sie nutzen den Sauerstoff, der im Wasser enthalten ist.

Diese Eigenschaft ist wichtig, weil Scramjets den Luftsauerstoff zusammen mit Kerosin verbrennen. Bei Hyperschall-Geschwindigkeiten, speziell in großen Flughöhen, enthält das Abgas dann nur sehr wenig Sauerstoff, sondern hauptsächlich CO2 und Wasserdampf. Würde man da nochmal Kerosin einspritzen, könnte es sich nicht ausreichend entzünden. Das wäre ineffizient: Der deutlich höhere Treibstoffverbrauch würde nur geringen Zusatzschub liefern.

86,6 Prozent mehr Schub

Das Magnesiumpulver hingegen zündet auch im CO2-Wasserdampf-Abgas. Im Labor wurde das mit einem solchen Abgasstrahl, der 1.527 Grad Celsius heiß war, erprobt. Dazu wurde eine Umgebung simuliert, die einer Geschwindigkeit von Mach 6 (ca. 7.400 km/h) in 30 km Höhe entspricht.

Bei dem Experiment wurde die Schubleistung durch das Magnesium um 86,6 Prozent erhöht – also beinahe verdoppelt. Laut den Forschern hatte der Nachbrenner eine Effizienz von 65,1 Prozent, wenn 13 Prozent der Abgas-Masse aus Magnesiumpulver bestehen.

➤ Mehr lesen: Hyperschall-Rakete von Studenten stellt Weltrekord auf

Probleme vor der Serienfertigung

In der Studie wird auf Probleme hingewiesen, die der Serienfertigung eines Hyperschall-Triebwerks mit Magnesium-Nachbrenner noch im Weg stehen. Demnach ist es schwierig, das Magnesiumpulver gleichmäßig im Abgas zu verteilen. Passiert das nicht, wird weniger Schub erzielt und die Effizienz sinkt.

Als mögliche Lösung schlagen sie ein Einspritz-System vor, das Stickstoff nutzt. Das Gas könnte das Pulver beim Einspritzen stabilisieren. Eine weitere Verbesserung könnte sein, Magnesiumpartikel in Nano-Größe zu nutzen, die sich besser im Abgas verteilen.

Problematisch könnte zudem sein, dass sich bei der Verbrennung Magnesiumoxid-Kristalle bilden. Diese sind scharfkantig und rau und könnten damit das Triebwerk beschädigen, etwa in dem sie nach und nach die Wände auf der Innenseite oder die Düse abschleifen. Zudem muss so ein Triebwerk sehr präzise gefertigt werden. Bereits kleinste Abweichungen könnten dafür sorgen, dass die Einspritzung des Pulvers nicht korrekt funktioniert und es so zu Effizienz-Einbußen kommt.

Außerdem seien noch tatsächliche Flugtests bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Höhen nötig, um festzustellen, ob die Technologie verlässlich funktioniert. Wenn das erledigt ist, könnte der Magnesium-Nachbrenner ein wichtiger Beitrag in Chinas Bemühungen sein, weltführend bei Hyperschall-Technologie zu werden, so die Forscher.

➤ Mehr lesen: China zeigt Prototypen seiner Hyperschall-Flugzeuge

Zivile und militärische Nutzung

Die chinesischen Wissenschafter sehen ihr Triebwerk sowohl für zivile als auch militärische Anwendungen geeignet. Im Zivilbereich könnte es für Forschungsflugzeuge und die Luftfahrt genutzt werden – etwa für einen Concorde-Nachfolger.

Im militärischen Bereich könnten damit Hyperschall-Jets Luftabwehrraketen davonfliegen. Ein Einsatz bei Marschflugkörpern ist ebenfalls denkbar. Durch variierende Geschwindigkeiten, ohne und mit Nachbrenner, sowie zufällige Ausweichmanöver, ist der Kurs der Rakete schwer zu berechnen. Dadurch ist sie auch schwieriger abzufangen. Zudem könnte der Marschflugkörper, ähnlich wie der Jet, automatisch den Nachbrenner anwerfen, wenn er vom Radar erfasst wird, um startenden Luftabwehrraketen zu entkommen.