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Neue X-Flugzeuge: schneller, leiser, sparsamer

Schneller, leiser, sparsamer Die neuen X-Flugzeuge der NASA

Seit 1946 testen die NASA und das US-Militär unter dem X-Label neue Technologien. Erstmals seit Jahrzehnten hat die NASA nun wieder große, bemannte Experimentalflugzeuge im Programm: den leisen Überschalljet X-59 und den Elektroflieger X-57.

Seit dem legendären Flug der Bell X-1 am 14. Oktober 1947 mit Charles Elwood "Chuck" Yeager als Pilot an Bord, bei dem erstmals im Horizontalflug die Schallmauer durchbrochen wurde, sind die X-Flugzeuge der USA bekannt. Das X steht für "eXperimental" und X-Fluggeräte gehen, mit wenigen Ausnahmen, nicht in Serie. Manche Versuche waren auch Flops und hatten keine Chance einer weiteren Nutzung. Gut 70 Jahre später knüpft die NASA mit der X-59 an die X-1 an. Allerdings geht es bei den heutigen Versuchen darum, wie Überschallflüge ohne den typischen Knall beim Durchbrechen der Schallmauer gelingen können. Dagegen steht bei der X-57 das Fliegen mit Elektroantrieben im Fokus. Aber dazu später mehr.

Entwicklung der Luft- und Raumfahrt

Die verschiedenen Versuche und Erprobungen mit den X-Flugzeugen spiegeln gut die Entwicklung der Luft- und Raumfahrt wider. Ging es anfangs um die Beherrschung des Überschallfluges für militärische Flugzeuge, kamen in den Fünfzigerjahren Tests von Raketen und unbemannten Marschflugkörpern hinzu. Sie führten zur ersten Interkontinentalrakete der USA, der Atlas B, zum interkontinentalen Flugkörper Navaho und zur Höhenforschungsrakete Aerobee, die in vielen Varianten sogar in Serie gebaut wurde. Bereits früh wurden auch Staustrahlantriebe getestet. Hier scheinen die Probleme aber bis heute nicht gelöst zu sein, denn von einem Serieneinsatz ist man noch weit entfernt.

Hochgeschwindigkeitsflugzeug

Ein besonders erfolgreiches Forschungsprogramm war die X-15. Das raketengetriebene Hochgeschwindigkeitsflugzeug war zum Teil über Mach 6.7 schnell, und seine Flüge brachten wertvolle Erkenntnisse für das Apollo-Mondprogramm sowie später für die Space Shuttles. Die X-15 wurde von einem B-52-Bomber aus gestartet. Bis 1968 erfolgten insgesamt 199 Flüge mit drei Exemplaren. An der Entwicklung hatte auch Walter Dornberger, während der Nazizeit militärischer Leiter des V2-Programms in Peenemünde, entscheidenden Anteil. Von ihm stammt das Konzept, das auf der nie realisierten A9, einer bemannten Variante der Rakete A4 (V2), basierte.

Fédération Aéronautique Internationale

Die X-15 flogen auch zwei spätere Astronauten, nämlich der erste Mensch auf dem Mond, Neil Armstrong, und Joe Engle, Kommandant zweier Space-Shuttle-Flüge. Joe Walker erreichte den Weltraum 1963 zwei Mal, indem er die von der Fédération Aéronautique Internationale (FAI) festgelegte Grenze von 100 Kilometern Flughöhe mit einer X-15 überschritt. Der Höhenrekord lag bei knapp 108 Kilometern.

Überschall ohne Knall

Mit der X-59 realisiert die NASA derzeit das erste bemannte X-Flugzeug seit mehr als 30 Jahren. Das Ziel: den Überschallknall auf ein Geräusch zu reduzieren, das mehr wie das Zuschlagen einer Autotür klingt. Denn der Überschallknall ist das größte Problem bei Flügen schneller als Mach 1. Unter anderem deswegen erfolgte vor 17 Jahren auch der letzte Flug der französisch-englischen Concorde. Die zunehmenden Auflagen der Behörden ließen einen rentablen Betrieb nicht mehr zu, weil derzeit Überschallflüge von Passagiermaschinen nur über den Ozeanen erlaubt sind.

Das "Knallproblem"

Vor künftigen überschallschnellen zivilen Flügen muss also erst das "Knallproblem" gelöst werden. Mit der X-59 QueSST (Quiet Super Sonic Technology) will die NASA entsprechende Technologien erproben. Der leise Überschalljet wird von Lockheed Martin in dessen SkunkWorks zusammengebaut. Die lange, spitze Nase, die ungefähr die halbe Gesamtlänge einnimmt, soll zusammen mit einem schmalen Rumpf den Knall bändigen. Ziel ist es, den Kompressionsschock von der anschließenden, bisher schlagartigen Expansion der komprimierten Luft zu entkoppeln.

Chronologie der X-Flugzeuge

NASA
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Jahrelange Simulationen

Der Flugerprobung, die im Sommer 2022 beginnen soll, gingen jahrelange Simulationen auf Supercomputern und Windkanaltests voraus. Voraussichtlich ab 2024 werden die Flüge über ausgewählten bewohnten Gebieten erfolgen, um die Beurteilung der Bürger über den gedämpften Knall zu erfahren.

Verteilte Elektroantriebe

Nicht nur leise, sondern auch emissionsfrei fliegen soll das zweite X-Flugzeug, an dem die NASA derzeit arbeitet: die X-57 "Maxwell" (nach dem schottischen Physiker James Clerk Maxwell), die vollelektrisch angetrieben wird. Im Zusammenhang mit dem Klimawandel ist ein zentraler Diskussionspunkt die Vermeidung von Kohlendioxid und Stickoxiden. In den oberen Atmosphärenschichten ist der Hauptemittent der beiden Gase der Flugverkehr, der laut einer Studie des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit 3,5 Prozent zur Klimaerwärmung beiträgt. Eine Option, den Ausstoß von Treibhausgasen zu reduzieren, liegt im elektrischen Antrieb.

Elektrische Flugzeuge und Senkrechtstarter

Seit Jahren arbeiten weltweit zahlreiche Unternehmen an elektrischen Flugzeugen und Senkrechtstartern für den Individualverkehr. Um den Bau eines elektrischen Lufttaxis geht es bei dem NASA-Projekt aber nicht. Stattdessen sollen Technologien nach bestimmten Standards entwickelt und in enger Zusammenarbeit mit den Behörden erprobt werden, um die Zulassung von Flugzeugen mit verteilten elektrischen Antrieben zu beschleunigen.

Mehrere Modifikationsstufen

Die X-57 durchläuft mehrere Modifikationsstufen. Sie soll zunächst mit zwei und später mit 14 Elektromotoren erprobt werden. Zwölf Motoren dienen der Unterstützung bei Start und Landung und zwei an den Enden der Flügel liefern den Vortrieb für den Reiseflug. Die Flugzeugzelle basiert auf dem Leichtflugzeug P2006T des italienischen Herstellers Tecnam. Der Akkumulator soll etwa 400 Kilogramm wiegen und 69 Kilowattstunden Energie speichern können, davon sind nach Angaben der NASA 47 Kilowattstunden nutzbar. Das reicht nach den Plänen der Ingenieure etwa für eine Stunde Flugzeit, und das bei einer Reisegeschwindigkeit von 275 km/h.

Hauptproblem des elektrischen Fliegens

Das Gewicht des Akkus entspricht rund 30 Prozent der Gesamtmasse des Flugzeugs (1360 Kilogramm), eine Zahl, die ein Hauptproblem des elektrischen Fliegens deutlich macht: die Energiespeicherung. Für die Reiseflugmotoren werden Propeller der bayerischen Firma MT-Propeller aus Straubing erprobt. Zur Vorbereitung von bemannten Flügen der Modifikation II wurden in diesem Jahr Simulationen der aerodynamischen Eigenschaften auf dem "Pleiades"-Supercomputer des Ames Research Center der NASA in Kalifornien durchgeführt und es fanden Bodentests statt. Der Beginn der Flugerprobung war ursprünglich für Ende 2020 geplant, doch mittlerweile hält sich die NASA mit der Verkündung von Erstflugdaten zurück.

Exoten und Flops

Im Rahmen des X-Programms gab es auch ungewöhnliche Konzepte, wie das Segelflugzeug X-26 zur Ausbildung von Navy-Piloten in kritischen Flugsituationen oder den Tragschrauber X-25, der Schleudersitze ersetzen sollte – ein Flop. Einige Projekte wurden aus finanziellen oder technischen Gründen nie verwirklicht. So sollte mit der X-6 ein Nuklearantrieb für Flugzeuge erprobt werden. Mit einer Convair NB-36H wurde aber nur die Strahlenabschirmung getestet. Dann gab es auch Projekte für wiederverwendbare Raumfahrzeuge.

Vielzweckraumgleiter

Es begann mit der X-20 "Dyna-Soar" der USAF, die ein Vielzweckraumgleiter werden sollte. Das Projekt wurde 1963 eingestellt. 2001 wurde aufgrund von technischen Problemen auch die X-33 aufgegeben, obwohl sie zu 85 Prozent fertiggestellt war. Sie sollte der Erprobung neuer Technologien für die Raumfähre "Venture Star" dienen, die ebenfalls nicht weiter verfolgt wurde. Ähnlich erging es der unbemannten Raumfähre X-34 von Orbital Sciences und dem amerikanisch-europäischen Rettungssystem X-38 für die ISS.

Beitrag zum technischen Fortschritt

Trotz Fehlschlägen überwiegen die Erfolge des X-Programms. Einige Entwicklungen in der Luft- und Raumfahrt wären ohne die Vorarbeiten mit diesen Testgeräten nicht möglich gewesen. Bleibt zu wünschen, dass auch die X-57 und die X-59 ihren Beitrag zum technischen Fortschritt leisten.