Süddeutsche Zeitung - 21.03.2020

Bypass fan

Commercial

airliner

Cowling

Turbine

Hypersonic cruise missile

Supersonic air

compression

Supersonic

combustion

Inlet shock waves Exhaust

Fuel injection

International Space Station

(~400 km)

ICBM ballistic trajectory

(up to 1200 km)

Atmosphere

(~100 km)

Target

Compressor

Launch

Turbofan

A race to higher Mach numbers

Since the dawn of the Cold War, militaries have strived for weapons that can maneuver at hypersonic speed, defined as Mach 5 (five times the speed of sound) or greater.

Although hype and secrecy muddy the picture, China, Russia and the United States all appear to have made big strides in overcoming key obstacles.

Commercial airliners typically use a turbofan engine,

which produce thrust in two ways: when air mixes

with fuel in the combustion chamber, and when fan

blades accelerate air bypassing the chamber. But

turbofans are not designed to handle shock waves

generated by air moving faster than sound. Hyper-

sonic cruise missiles instead use a supersonic

combustion ramjet, or scramjet, to accelerate.

From fans to scrams

Scramjet engines are little more than an open tube.

But at hypersonic speeds, air molecules spend

milliseconds in the tube — scant time for fuel and air

to mix properly.

Simple yet complex <Mach 4+

Because ICBMs arc along a ballistic path, they lack the

element of surprise. In contrast, hypersonic weapons

are maneuverable and fly at lower altitudes, evading

radar and dodging defenses.

Bobbing and weaving

Grafik: Science, bearbeitet von SZ

Turbofan

Air speed (Mach)

Hypersonic flight

Hypersonic glide vehicle

0511015202530

Turbojet

Scramjet

Glider

Hypersonic glider trajectory

(~40 to 100 km)

Hypersonic cruise missile

Hypersonic cruise missile

trajectory (~20 to 30 km)

Center body

Bypass air

Exhaust

Supersonic intake

H

och am Himmel über Nord-

westchina löst sich ein keilför-

miges unbemanntes Flugge-

rät von einer Rakete. DerXing-

kong-2-Hyperschall-Marsch-

flugkörper (HCM) rast mit einer Geschwin-

digkeit von Mach 6 – also der sechsfachen

Schallgeschwindigkeit – durch die Strato-

sphäre, surft dann auf seinen eigenen Stoß-

wellen weiter. So zumindest beschreibt die

für die Entwicklung zuständige China

Academy of Aerospace Aerodynamics den

Test, der im August 2018 stattgefunden ha-

ben soll. Die Geschwindigkeit und Manö-

vrierfähigkeit der HCM, so jubelte dieGlo-

bal Times, eine Zeitung der Kommunisti-

schen Partei, würde es der neuen Waffe

ermöglichen, „jedes Raketenabwehr-

system der aktuellen Generation zu durch-

brechen“.

Seit Jahrzehnten sind beim US-Militär

und seinen Gegner Raketen begehrt, die

sich mit Hyperschall fortbewegen, allge-

mein definiert als Mach 5 oder höher. Inter-

kontinentalraketen (ICBMs) erfüllen diese

Definition, wenn sie aus dem Weltraum

wieder in die Atmosphäre gelangen. Aber

weil sie sich wie eine Kugel auf einer vor-

hersehbaren ballistischen Bahn befinden,

fehlt ihnen der Überraschungseffekt. Hy-

perschallwaffen hingegen manövrieren

aerodynamisch, sodass sie der Abwehr aus-

weichen können und den Gegner über das

genaue Ziel im Unklaren lassen.

Schon mit Beginn des Kalten Krieges

hatte sich das Pentagon für steuerbare Hy-

perschallwaffen interessiert, scheiterte

aber regelmäßig an technischen Hürden

bei Antrieb, Kontrolle und Hitzebeständig-

keit. „Ganz viel Betriebsamkeit, große In-

vestitionen, und dann kam die Einsicht,

dass wir noch nicht so weit sind“, sagt der

Luft- und Raumfahrtingenieur Mark Le-

wis, zuständig für die Forschung zur militä-

rischen Abwehr am US-Verteidigungsmi-

nisterium.

Doch jetzt hat das Ministerium einen

neuen Versuch gestartet. Derzeit investiert

es jährlich mehr als eine Milliarde US-Dol-

lar in die Hyperschallforschung, angetrie-

ben vermutlich durch ähnliche Program-

me in China und Russland. Alle drei Natio-

nen scheinen erhebliche Fortschritte ge-

macht zu haben, etwa beim Schutz vor

gefährlicher Reibungswärme.

Russland hat kürzlich eine Waffe na-

mens Kinzhal vorgestellt, die Mach 10 aus

eigener Kraft erreichen soll, und eine weite-

re, die von einer Rakete auf erstaunliche

Mach 27 beschleunigt wird. China präsen-

tierte vor Kurzem auf einer Militärparade

ein eigenes raketenverstärktes Hyper-

schall-Gleitfluggerät (HGV), das Dong-

feng-17. Die Vereinigten Staaten testen be-

reits mehrere Hyperschallwaffen. „Es ist

so etwas wie ein Rennen zum Mond“, sagt

Iain Boyd, Luft- und Raumfahrtingenieur

an der University of Colorado in Boulder.

„Es geht um den Nationalstolz.“

Dieses neue Wettrüsten bringt die bishe-

rigen strategischen Kalkulationen durch-

einander. So denkt Russland bereits über

Hyperschall-Fluggeräte nach, die Interkon-

tinentalraketen abwehren können. Das ge-

fährdet die nukleare Abschreckung.

Im Gegensatz dazu sieht Chinas Militär

Hyperschallwaffen als eine Chance, einem

besser bewaffneten Feind die Stirn zu bie-

ten, sagt Larry Wortzel, Senior Fellow beim

American Foreign Policy Council. Wenn

sich beispielsweise die Spannungen über

dem Südchinesischen Meer verschärfen

würden, könnte China versucht sein, die

US-Streitkräfte im Pazifik mit konventio-

nellen Hyperschallwaffen lahmzulegen.

Derzeit kann bei Überschall noch nicht

gefeuert werden, weil die Waffen kaum ma-

növrieren können. Doch das könnte sich än-

dern, warnt Shari Feth, Materialingenieu-

rin bei der US-amerikanischen Missile De-

fense Agency (MDA).

Die USA haben schon früh versucht, den

Hyperschallflug zu meistern. Bereits 1949

erreichte eine zweistufige Rakete im Pro-

jekt Bumper eine Geschwindigkeit über

Mach 5. Doch nach einer Reihe von Fehl-

starts gab man auf. „In diesem Bereich

darf man sich keinen einzigen Fehler erlau-

ben“, sagt Lewis. „Sie fliegen unter außer-

gewöhnlichen Bedingungen“ – Geschwin-

digkeiten, Kräfte und Temperaturen sind

extrem.

Geschwindigkeit und Konturen beein-

flussen die Hitzeentwicklung an der Au-

ßenhülle des Flugobjektes. Als ein Space

Shuttle bei Mach 25 auf die obere Atmo-

sphäre traf, erhitzten sich seine stumpfen

Vorderkanten auf 1400 Grad Celsius. Neue-

re Hyperschallfahrzeuge haben schärfere

Kanten, unter anderem, um die Manövrier-

fähigkeit zu verbessern. Sie führen aber zu

Temperaturen, die 2000 Grad Celsius über-

schreiten können.

Turbulenzen können alles noch schlim-

mer machen. Bei Überschallgeschwindig-

keit verdickt sich die Luftschicht um das

Fluggerät, die zuvor glatte Strömung kann

plötzlich in Wirbel zerfallen, die Tempera-

turspitzen verursachen. „Wir haben viel

Grundlagenforschung betrieben, um her-

auszufinden, wann dies geschieht“, sagt

Lewis. Das Überleben eines Fahrzeugs er-

fordert elastische Superlegierungen und

Ultrahochtemperatur-Keramik und viel-

leicht auch neuartige Kühlmittel. Beispiels-

weise hat ein Team des US Naval Research

Laboratory ein flüssiges Natriumsystem

entwickelt, das durch kontinuierliches Ver-

dampfen und Kondensieren Wärme von ei-

ner Vorderkante ableitet.

Hohe Luftgeschwindigkeiten stellen

auch Triebwerke von Hyperschall-Marsch-

flugköpern (HCMs) vor Herausforderun-

gen, die über eigene Antriebe verfügen.

HCMs beschleunigen mithilfe eines so-

genannten Überschallverbrennungs-Ram-

jet. „Es ist der einfachste Strahltriebwerks-

typ, den man sich vorstellen kann, nur ein

offenes Rohr“, in dem sich Luft mit Kraft-

stoff vermischt, sagt Lewis. „Es ist aber

auch ein sehr komplizierter Typ, weil er

unter extremen Bedingungen betrieben

wird.“

Bei Überschallgeschwindigkeit verbrin-

gen Luftmoleküle nur Millisekunden im

Motorrohr – kaum Zeit fürs Mischen von

Luft und Kraftstoff. Und wenn sich ein

Fahrzeug neigt und dreht, ändert sich der

Luftstrom im Motor, was zu ungleichmäßi-

ger Verbrennung und Störungen im Schub

führen kann. „Alles ist in unglaublicher

Weise miteinander gekoppelt“, sagt Lewis.

Die USA brauchten 46 Jahre, um ihren ers-

ten funktionierenden Scramjet zu realisie-

ren: den 230 Millionen US-Dollar teuren

X-43ader Nasa, ein unbemanntes Flug-

zeug, das 2004 zum ersten Mal flog.

HGVs stehen vor anderen Herausforde-

rungen. Die Rakete, die den Gleiter trägt,

erreicht weitaus höhere Geschwindigkei-

ten, die Materialien müssen noch hitzebe-

ständiger sein. Allerdings sind HGVs leich-

ter zu manövrieren, da sie nicht auf einen

empfindlichen Scramjet angewiesen sind.

So richtig gut aufgestellt sind die USA

noch nicht. Nach jahrzehntelangem Her-

umprobieren hat sich der Vorsprung der

US-Hyperschall-Forschung weitgehend

aufgelöst, Windkanäle und andere Test-

infrastrukturen sind veraltet. „Heute sind

wir weiter vom Routine-Scramjet-Flug

entfernt als vor zehn Jahren“, sagt Lewis.

Von einer Basis im Ural aus starteten die

russischen Streitkräfte am 26. Dezember

2018 eine ballistische Rakete mit einem

HGV namensAvangard. Nach der Tren-

nung von seinem Träger in der Stratosphä-

re flog das HGV mit einer Geschwindigkeit

von Mach 27 etwa 6000 Kilometer im Zick-

zackkurs über Sibirien und schlug dann

auf der Halbinsel Kamtschatka in einem

Ziel ein. Der russischer Präsident Wladimir

Putin sprach damals strahlend von „dem

perfekten Neujahrsgeschenk für das

Land“. Das russische Verteidigungsministe-

rium gab vergangenen Monat bekannt,

dass es den nuklear bewaffneten HGV in

Kampfbereitschaft versetzt habe. Russ-

land ist nun womöglich das erste mit Hyper-

schallwaffen ausgerüstete Land der Welt.

Russische Prahlereien und chinesische

Fortschritte haben die Vereinigten Staaten

alarmiert. Der Kongress wird in diesem

Jahr mehr als eine Milliarde US-Dollar in

die militärische Hyperschallforschung in-

vestieren und hat einen neuen Forschungs-

verbund gegründet. „Unsere Arbeit am Hy-

perschall hat wirklich Fahrt aufgenom-

men“, sagt Jonathan Poggie, Luft- und

Raumfahrtingenieur in Purdue. Sein Team

modelliert niederfrequente Stoßwellen,

„die wie ein Hammer auf ein Fahrzeug

schlagen“.

Wegen der steigenden militärischen Be-

deutung erwägt das Pentagon, die Hyper-

schall-Grundlagenforschung unter Ge-

heimhaltung zu stellen. Das Verteidigungs-

ministerium „befürchtet, dass unsere Fein-

de von uns lernen“, sagt Poggie. „Gerade

werden die roten Linien gezogen“, fügt

Boyd hinzu. „Wenn wir die Geheimhaltung

übertreiben, kann das unsere Innovations-

kraft beeinträchtigen“, warnt er.

Auch in Russland liegt ein Schleier der

Geheimhaltung über der Hyperschallfor-

schung. Erst vor Kurzem beschuldigten Si-

cherheitsbeamte russische Wissenschaft-

ler des Verrats, sie hätten ihre Erkenntnis-

se mit europäischen Mitarbeitern ausge-

tauscht. Dabei waren die Daten publiziert,

aber fünf Jahre später wieder für geheim

erklärt worden.

Im Gegensatz zu Russland zeigt sich Chi-

na überraschend offen. „Die Chinesen ver-

suchen, Eindruck auf diesem Gebiet zu

machen“, sagt Lewis. Die Volksrepublik

hat stark in neue Forschungseinrichtun-

gen investiert, darunter hochentwickelte

Windkanäle und sogenannte Stoßrohre,

die Druckwellen verwenden, um Hyper-

schallströmungen zu untersuchen. „Noch

vor zehn Jahren haben sie nur kopiert, was

andere gemacht hatten“, sagt Boyd. „Jetzt

veröffentlichen sie innovative Ideen.“ Auf

einer Hyperschallkonferenz 2017 in Xia-

men präsentierten chinesische Wissen-

schaftler mehr als 250 Artikel – etwa zehn-

mal so viele wie von US-amerikanischen

Forschern. „Da finden sich Studien, von de-

nen man nicht erwartet hätte, dass sie frei

publiziert werden“, sagt Poggie.

Andere Länder rennen den drei führen-

den Nationen hinterher – oder schließen

sich mit ihnen zusammen. Australien ar-

beitet mit den USA an einem Mach-8-Hy-

perschall-Gleitfluggerät (HGV), Indien

entwickelt mit Russland einen Mach-7-Hy-

perschall-Marschflugköper. (HCM). Frank-

reich beabsichtigt, bis 2022 ebenfalls ein

HCM zu starten, und Japan strebt bis 2026

einen HGV an.

Die USA können sich derzeit gegen sol-

che Waffen kaum schützen, auch weil sich

diese kaum verfolgen lassen. US-Militärsa-

telliten detektieren zuverlässig jeden Start

von Interkontinentalraketen und Marsch-

flugkörpern. Aber sie würden wahrschein-

lich eine raketenverstärkte Hyperschall-

waffe aus den Augen verlieren, sobald sie

sich von ihrer Trägerrakete gelöst hat.

Um dieses Problem zu beheben, plant

das Pentagon den Start von Hunderten

kleiner Satelliten mit Sensoren, die auch

schwächere Wärmequellen verfolgen kön-

nen. Sie hätten außerdem einen weiteren

Vorteil: Mit ihnen ließen sich die eigenen

Hyperschallwaffen kontrollieren.

Bis 2030 könnte das gesamte Netzwerk

in Betrieb sein. Dann „können wir einen

Weg finden, die Abfangjäger zu bauen“,

sagt Karako. Gegenwärtige Abfangjäger

für Interkontinentalraketen sind

nicht wendig genug, um ein auswei-

chendes Ziel zu treffen. Die Missile Defen-

se Agency (MDA) verfolgt deshalb verschie-

dene Ansätze, wie Abfangjäger Hyper-

schall-Angreifer ausschalten könnten. Ei-

ne Möglichkeit, sagt Ingenieurin Shari

Feth, bestünde darin, schneller zu fliegen

• eine große Herausforderung, die neue
  leichte, hitzebeständige Verbundwerkstof-
  fe und Legierungen erfordern würde.
  Abfangjäger könnten ein Hyperschall-
  fahrzeug entweder durch Kollision oder
  durch Detonation eines Sprengkopfs in
  der Nähe zerstören. Die MDA experimen-
  tiert jedoch auch mit gerichteter Energie,
  also etwa mit Laserstrahlen, Mikrowellen
  oder Radiowellen. Das erinnert an den in
  den 1980er-Jahren geplante, aber nie reali-
  sierten US-amerikanische Raketenabwehr-
  schild „Star Wars“. Vier Jahrzehnte später
  scheint ein solches System wieder machba-
  rer. Dennoch hat die MDA kürzlich Pläne
  für einen atmosphärischen 500-Kilowatt-
  Laser verworfen.
  Während die Ingenieure nach techni-
  schen Wegen suchen, um einem Hyper-
  schallangriff zu begegnen, diskutieren Di-
  plomaten und Rüstungsexperten, ob die
  neuen disruptiven Technologien nicht bes-
  ser eingeschränkt oder sogar verboten wer-
  den sollten. „Hyperschallwaffen bieten
  sich zur Rüstungskontrolle geradezu an“,
  argumentiert Ankit Panda, Senior Fellow
  beim Thinktank Federation of American
  Scientists. Auch das UN-Büro für Abrüs-
  tungsfragen kritisierte das „engstirnige
  Streben nach einer neuartigen Technolo-
  gie mit unklarem militärischen Nutzen“.
  Rüstungskontrollverträge sind derzeit
  jedoch nicht besonders beliebt. Und da Chi-
  na, Russland und die USA sich gegenseitig
  mit einem hochkarätigen Test nach dem
  anderen hochpushen, wird sich das Hyper-
  schall-Wettrüsten wahrscheinlich sogar
  noch beschleunigen.

Dieser Beitrag ist im Original im Wissenschaftsma-

gazinScienceerschienen, herausgegeben von der

AAAS. Deutsche Bearbeitung: cwb. Weitere Infor-

mationen: http://www.aaas.org.

W

ährend das Hyperschall-Wettrüs-

ten eskaliert, bröckeln internatio-

nale Kooperationen – manchmal

mit schwerwiegenden Konsequenzen für

Forscher. Vor fast zehn Jahren arbeitete et-

wa der russische Raumfahrtingenieur Vik-

tor Kudrjawzew an Transhyberian, einem

Hyperschallprojekt, das größtenteils die

Europäische Union finanzierte. Im Som-

mer 2018 verhaftete ihn der russische Ge-

heimdienst (FSB); einige Monate später

auch einen seiner Kollegen, den Physiker

Roman Kowaljow. Beide wurden wegen

Hochverrats angeklagt, weil sie angeblich

Geheimnisse an „ein Nato-Forschungszen-

trum“ weitergegeben haben sollen. Wer-

den sie für schuldig befunden, drohen ih-

nen jeweils bis zu 20 Jahre Gefängnis.

Die Entscheidung des FSB, die Arbeit als

geheim einzustufen, kam fünf Jahre nach

dem Ende des EU-Projekts. Diese Entschei-

dung erhöhe die Verwundbarkeit jener rus-

sischer Wissenschaftler, die in Bereichen

arbeiten, die möglicherweise militärische

Anwendungen haben, sagt Boris Altshuler,

theoretischer Physiker und Menschen-

rechtsaktivist am Lebedew-Institut in Mos-

kau.

Das im Juni 2011 gestartete zweijährige

Projekt sollte untersuchen, wie feindliche

Raumschiffe wieder in die Erdatmosphäre

gelangen. Bei Überschallgeschwindigkeit

kann der laminare Luftstrom an einer

Oberfläche plötzlich turbulent werden und

an den Flugzeugen extreme Temperatur-

spitzen verursachen. Ein Forscherteam un-

tersuchte diese Wärmeschwankungen im

Windkanal und in Computersimulationen,

unter anderem am Deutschen Zentrum für

Luft- und Raumfahrt sowie in drei russi-

schen Laboren. Darunter ist auch das Zen-

tralforschungsinstitut für Maschinenbau

(Tsniimash) in Koroljow, an dem beide nun

verhafteten Wissenschaftler einst arbeite-

ten. Die Forschung zeigte, dass ein lokales

Erwärmen oder Abkühlen der Oberfläche

dazu beitragen kann, die Temperaturspit-

zen zu kontrollieren – ein Ergebnis, das

das Design von Hyperschallflugzeugen ver-

bessern könnte.

Als Projektkoordinator für Tsniimash

übermittelte Kudrjawzew Forschungser-

gebnisse an die ausländischen Partner. Die

Berichte wurden vom Militär genehmigt,

sagt Kudrjawzew Anwalt Iwan Pawlow, ein

bekannter Menschenrechtsanwalt.

Das Projekt zielte darauf ab, die Zusam-

menarbeit zwischen Russland und der EU

in der Erforschung des Hyperschall zu stär-

ken, sag Herman Deconinck vom belgi-

schen Von-Karman-Institut für Strö-

mungsmechanik, das für die Koordination

des Projekts zuständig war. Aber die

Freundschaft bekam Risse, als die EU im

Jahr 2014 Russlands Annexion der Krim

verurteilte. Die Beziehungen kühlten 2018

weiter ab, als Analysten aus Europa russi-

sche Jubelmeldungen zu Hyperschallwaf-

fen eher skeptisch sahen und Testfehler an-

merkten. Russland stufte daraufhin einen

Großteil seiner Hyperschallforschung als

geheim ein; Kudryavtsev wurde in das Mos-

kauer Lefortowo-Gefängnis gebracht.

Im November 2018 verweigerten ihm

die Behörden schließlich Gefängnisbesu-

che, nachdem er einen Deal der Staatsan-

waltschaft abgelehnt hatte, bei dem er sich

schuldig bekennen sollte, sagt Pawlow. Der

Europäische Gerichtshof für Menschen-

rechte schaltete sich im April 2019 in die

Angelegenheit ein und wies Russland an,

dem erkrankten Kudrjawzew medizini-

sche Versorgung zukommen zu lassen. Er

wurde am 27. September 2019 nach der Dia-

gnose eines metastasierten Lungenkreb-

ses aus dem Gefängnis entlassen, sagt sein

Sohn Jaroslaw Kudrjawzew, ein Polymer-

wissenschaftler. „Geistig ist Viktor stark

genug, um nicht mit den Ermittlern zusam-

menzuarbeiten.“

Nachdem es dem Geheimdienst tatsäch-

lich nicht gelang, ein Geständnis aus Ku-

drjawzew herauszuquetschen, verhaftete

der FSB den Physiker Roman Kowaljow. Be-

richten zufolge soll auch er sich geweigert

haben, ein Geständnis abzulegen. Im Juli

2019 verhaftete der Geheimdienst schließ-

lich einen dritten Tsniimash-Wissen-

schaftler, Sergeij Meschtscherjakow. Auch

er wird des Hochverrats beschuldigt. Bei

seiner Festnahme erlitt er einen Herzin-

farkt. Die Behörden haben sich noch nicht

zu der Frage geäußert, wann die drei For-

scher vor Gericht gestellt werden.

Am 29. Oktober 2019 erklärte das Von-

Karman-Institut schließlich, dass man kei-

nen Hinweis gefunden habe, wonach das

Team von Kudrjawzew geheime Informati-

onen preisgegeben habe. Sie forderte die

Europäische Kommission auf, die Angele-

genheit mit Russland nicht aus den Augen

zu verlieren. richard stone

Wettrüsten

am Himmel

Kaum bemerkt von der Öffentlichkeit forschen

die USA, China und Russland an neuartigen Hyperschall-Waffen,

die das Konzept der nuklearen Abschreckung infrage stellen.

Doch die technischen Hürden sind enorm

von richard stone

Verrat oder

Kooperation?

Russischer Geheimdienst

inhaftiert Hyperschall-Ingenieure

Gegen die neuartigen Waffen

können sich derzeit selbst die USA

noch nicht schützen

Die Ingenieure experimentieren

auch mit gerichteter Energie –

mit Lasern und Mikrowellen

Der russische Luft- und

RaumfahrtingenieurVik-

tor Kudrjawzewforschte

einst an Hyperschallpro-

jekten, an denen auch die

EU finanziell beteiligt war.

Der 75-Jährige saß ohne

Gerichtsverfahren wegen

angeblichen Verrats im

Gefängnis.FOTO: IMAGO

Das Hyperschall-Gleitfluggerät

flog mit Mach 27 rund 6000

Kilometer bis nach Kamtschatka

32/33 WISSEN Samstag/Sonntag, 21./22. März 2020, Nr. 68 DEFGH

Project Bumper 1949: die erste Hyperschall-Rakete der USAFOTO: NASA

Das X-43A-Experimentalflugzeug der NasaFOTO: DDP IMAGES/DAPD

Das chinesische Militär präsentiert Dongfeng-17-Raketen.FOTO: IMAGO IMAGES/XINHUA

Kinzhal-Rakete am Rumpf eines russischen Mig-JägersFOTO: IMAGO/ZUMA PRESS