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Die ungelösten Rätsel des Überschallflugs: Warum war Mach 5 ein Wendepunkt?
Überschallflüge waren schon immer ein heißes Thema in der Luft- und Raumfahrtforschung. In diesem sich rasch verändernden technologischen Kontext hat Mach 5 als Wendepunkt in der Fluggeschwindigkeit die Aufmerksamkeit vieler Wissenschaftler auf sich gezogen.
In der Aerodynamik wird Hyperschallflug als Geschwindigkeit definiert, die das Fünffache der Schallgeschwindigkeit übersteigt, üblicherweise ausgedrückt als Mach 5 und mehr. Mit zunehmender Machzahl beginnen sich die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit deutlich zu ändern, was Bedingungen für Prozesse wie die Zersetzung und Ionisierung von Molekülen wie Stickstoff schafft. Diese Phänomene werden zwischen Mach 5 und Mach 10 sichtbar.
Aufgrund der Eigenschaften der Hyperschallströmung sind Theorien, die auf traditioneller Aerodynamik basieren, nicht länger anwendbar, und der Einfluss anderer Faktoren beginnt deutlich zu werden.
Hyperschallströmungen sind nicht nur durch eine Geschwindigkeitszunahme gekennzeichnet, sondern auch durch das Vorhandensein einer Reihe physikalischer Phänomene, wie etwa Stoßschichten, Lufterhitzung, Entropieschichten und reale Gaseffekte.
Stoßwellenschicht und Entropieschicht
Wenn die Mach-Zahl eines Objekts zunimmt, bildet sich eine Stoßwellenschicht. Diese Schicht beeinflusst aufgrund der Änderung der Gasdichte den Zustand der Strömung dahinter. Die Entstehung von Entropieschichten äußert sich in starken Entropiegradienten und erkennbaren Wirbeln, was darauf hinweist, dass der Strömungszustand der Luft während des Mischprozesses der Grenzschicht komplexer wird.
Der Einfluss der Viskosität
Bei hohen Mach-Zahlen wird ein Teil der kinetischen Energie der Strömung in innere Energie des Fluids umgewandelt, was zu einer Temperaturerhöhung des Gases führt. Da der Druckgradient innerhalb der Grenzschicht bei niedrigen bis mittleren Hyperschall-Mach-Zahlen nahezu Null beträgt, geht der Temperaturanstieg mit einer Abnahme der Dichte einher, eine Veränderung, die dazu führt, dass die Grenzschicht dicker wird und schließlich mit der Stoßwelle verschmilzt.
Die Eigenschaften eines Hochtemperaturflusses bringen den chemischen Fluss aus dem Gleichgewicht, was zur Anregung, Zersetzung und Ionisierung von Molekülen führt.
Klassifizierung und schwere Bereiche der Mach-Zahlen
Während die Konzepte von Überschall und Hyperschall relativ einfach sind, zerlegen Forscher den Mach-Zahlenbereich einer Strömung immer noch in mehrere Bereiche mit unklaren Grenzen.
Der Konflikt zwischen idealer Gas- und Molekülstruktur
Im Bereich von Mach 5 bis 10 kann das Gas noch als ideales Gas betrachtet werden, mit zunehmender Strömungsrate wird das Strömungsverhalten jedoch nicht mehr mit den Vorhersagen der herkömmlichen Gasdynamik vereinbar. Solche Strömungsmuster haben einen großen Einfluss auf das Hochtemperaturverhalten des Materials und seiner Konstruktion.
Mögliche Anwendungen von HyperschallströmungenDie Hyperschallflugtechnologie könnte ein neues Kapitel für die Zukunft der kommerziellen Luft- und Raumfahrt aufschlagen. Zu den möglichen Anwendungen zählen schnelles Reisen um die Welt und die Entwicklung von Raumfahrzeugen. Von SpaceX bis zur NASA erforschen große Luft- und Raumfahrtunternehmen diese Technologien aktiv und suchen nach Möglichkeiten, sie zu kommerzialisieren.
Bei der Entwicklung des Hyperschallflugs stehen die Forscher vor Herausforderungen, die nicht nur technologische Durchbrüche, sondern auch die Sicherheit und Hochtemperaturbeständigkeit von Luftfahrtmaterialien betreffen. Diese Herausforderungen müssen dringend angegangen werden, damit wir auf diesem neuen Gebiet größere Fortschritte erzielen können.
Wird bei der zukünftigen Weltraumforschung der Durchbruch von Mach 5 der Ausgangspunkt für die Eroberung des Hyperschallflugs durch die Menschheit sein?
