Boost-Gleiten

Boost-Glide oder Skip-Glide ist eine Klasse von Eintrittsbahnen in die Atmosphäre , die durch Ausnutzung des aerodynamischen Auftriebs in der oberen Atmosphäre eine nicht- ballistische Flugbahn beschreiben . Der Begriff wird hauptsächlich für verschiedene Konstruktionen verwendet, die den Auftrieb nutzen, um die Reichweite einer ansonsten kürzeren Rakete zu erhöhen. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Ein Skip-Flug ist eine Flugbahn, bei der das Raumfahrzeug in die Atmosphäre eintritt und sie wieder verlässt. Ein Gleitflug ist eine Flugbahn, bei der das Raumfahrzeug für eine längere Zeit in der Atmosphäre verbleibt. ^{[ 1 ]} In den meisten Fällen verdoppelt ein Skip-Wiedereintritt die Reichweite von suborbitalen Raumgleitern und Wiedereintrittskörpern im Vergleich zu einer rein ballistischen Flugbahn. In anderen Fällen ermöglicht eine Reihe von Skips eine weitere Reichweitenverlängerung.

Der Wiedereintritt mit Boost-Glide-Technologie wurde zunächst intensiv als Möglichkeit zur Reichweitenverlängerung ballistischer Raketen erforscht , fand aber mit der Einführung konventioneller Raketen mit erweiterter Reichweite in dieser Form keine operative Anwendung. Die zugrundeliegenden aerodynamischen Konzepte wurden zur Entwicklung manövrierfähiger Wiedereintrittskörper (MARV) genutzt, um die Treffgenauigkeit einiger Raketen wie der Pershing II zu erhöhen . In jüngerer Zeit wurden diese Konzepte zur Entwicklung von Hyperschallgleitern (HGV) eingesetzt, um Abfangeinsätze wie im Fall der Avangard zu vermeiden . Die Reichweitenverlängerung ermöglicht Flüge in niedrigeren Höhen und trägt so dazu bei, im Vergleich zu einer höheren ballistischen Flugbahn länger der Radarerfassung zu entgehen.

Das Konzept wurde auch genutzt, um die Wiedereintrittszeit von Fahrzeugen zu verlängern, die vom Mond zur Erde zurückkehren. Andernfalls müssten sie innerhalb kurzer Zeit viel Geschwindigkeit abbauen und würden dadurch extremen Hitzeentwicklungen ausgesetzt sein. Auch das Apollo-Kommandomodul nutzte im Wesentlichen einen sogenannten Skip-Reentry, ebenso wie die sowjetische Zond und die chinesische Chang'e 5-T1 .

Die konzeptionelle Grundlage wurde zuerst von deutschen Artillerieoffizieren erkannt, die feststellten, dass ihre Peenemünder Pfeilgeschosse beim Abschuss aus größeren Höhen deutlich weiter flogen. Dies war aufgrund der Geometrie und der dünneren Luft nicht völlig unerwartet, doch selbst nach Berücksichtigung dieser Faktoren ließen sich die beobachteten größeren Reichweiten nicht erklären. Untersuchungen in Peenemünde führten zu der Erkenntnis, dass die längeren Flugbahnen in der dünneren Höhenluft dazu führten, dass das Geschoss einen Anstellwinkel aufwies, der bei Überschallgeschwindigkeit aerodynamischen Auftrieb erzeugte . Dies galt damals als höchst unerwünscht, da es die Berechnung der Flugbahn sehr erschwerte, doch die mögliche Anwendung zur Reichweitenerhöhung entging den Beobachtern nicht. ^{[ 3 ]}

Im Juni 1939 schlug Kurt Patt vom Konstruktionsbüro Klaus Riedel in Peenemünde Tragflächen vor, um Raketengeschwindigkeit und -höhe in aerodynamischen Auftrieb und Reichweite umzuwandeln. ^{[ 4 ]} Er berechnete, dass sich dadurch die Reichweite der A-4 -Raketen von etwa 275 Kilometern auf rund 550 Kilometer verdoppeln würde. Die Entwicklung wurde zunächst unter der Bezeichnung A-9 vorangetrieben, allerdings wurden in den folgenden Jahren außer Windkanalstudien bei Zeppelin-Staaken kaum weitere Arbeiten durchgeführt. Die Forschung im unteren Flugniveau wurde bis 1942 fortgesetzt, dann aber eingestellt. ^{[ 5 ]}

Der früheste bekannte Vorschlag für das Boost-Glide-Konzept zur Nutzung über große Entfernungen stammt von Eugen Sänger aus dem Jahr 1941 und beschreibt einen raketengetriebenen Bomber, der New York City von Stützpunkten in Deutschland aus angreifen und anschließend im Pazifik, der vom Japanischen Kaiserreich kontrolliert wurde , landen sollte . Die Idee war, die Tragflächen des Flugkörpers zur Auftriebserzeugung zu nutzen und ihn in eine neue ballistische Flugbahn zu bringen, um die Atmosphäre erneut zu verlassen und sich zwischen den Gleitflügen abzukühlen. ^{[ 6 ]} Später wurde jedoch gezeigt, dass die Hitzeentwicklung während der Gleitflüge deutlich höher war als ursprünglich berechnet und das Raumschiff zum Schmelzen gebracht hätte. ^{[ 7 ]}

1943 wurden die Arbeiten an der A-9 wieder aufgenommen, diesmal unter der Bezeichnung A-4b . Es wird vermutet, dass dies entweder daran lag, dass sie nun auf einer ansonsten unveränderten A-4 basierte ^{[ 5 ]} , oder dass das A-4-Programm zu diesem Zeitpunkt nationale Priorität genoss und die Entwicklung unter dem Namen A-4 die Finanzierung sicherstellte. ^{[ 8 ]} Die A-4b nutzte Pfeilflügel , um die Reichweite der V2 so weit zu erhöhen, dass Angriffe auf britische Städte in den Midlands oder auf London aus tiefer gelegenen Gebieten Deutschlands möglich waren. ^{[ 3 ]} Die A-9 war ursprünglich ähnlich, besaß später jedoch lange , ogivale Deltaflügel anstelle der konventionelleren Pfeilflügel. Diese Konstruktion wurde als bemannte Oberstufe für die Interkontinentalrakete A-9/A-10 adaptiert, die von einem Punkt über dem Atlantik aus mit ausreichend Reichweite New York bombardieren konnte, bevor der Pilot absprang . ^{[ 8 ] [ a ]}

Unmittelbar nach dem Krieg fand der sowjetische Raketeningenieur Alexei Issajew eine Kopie eines aktualisierten Berichts vom August 1944 zum Silbervogel- Konzept. Er ließ das Dokument ins Russische übersetzen, und es gelangte schließlich in die Hände von Josef Stalin , der sich intensiv für das Konzept eines Antipodenbombers interessierte . 1946 entsandte er seinen Sohn Wassili Stalin und den Wissenschaftler Grigori Tokaty , der vor dem Krieg ebenfalls an geflügelten Raketen gearbeitet hatte, zu Sänger und Irene Bredt nach Paris, um sie für ein neues Projekt in der Sowjetunion zu gewinnen . Sänger und Bredt lehnten die Einladung ab. ^{[ 10 ]}

Im November 1946 gründeten die Sowjets unter Mstislav Keldysh das Konstruktionsbüro NII-1 , um ohne Sänger und Bredt eine eigene Version zu entwickeln. ^{[ 11 ]} Ihre frühen Arbeiten überzeugten sie, von einem raketengetriebenen Hyperschall-Gleitflugkörperkonzept zu einem Staustrahltriebwerk -getriebenen Überschall- Marschflugkörper überzugehen , ähnlich der Navaho, die zur gleichen Zeit in den Vereinigten Staaten entwickelt wurde. Die Entwicklung wurde eine Zeit lang als Keldysh-Bomber fortgesetzt , doch Verbesserungen bei konventionellen ballistischen Raketen machten das Projekt schließlich überflüssig. ^{[ 10 ] [ b ]}

In den Vereinigten Staaten wurde das Gleitflugkonzept von vielen deutschen Wissenschaftlern, die dorthin emigriert waren, insbesondere von Walter Dornberger und Krafft Ehricke bei Bell Aircraft , propagiert . 1952 schlug Bell ein Bomberkonzept vor, das im Wesentlichen eine Senkrechtstartversion der Silbervogel war und unter dem Namen Bomi bekannt wurde. Dies führte in den 1950er Jahren zu einer Reihe von Folgekonzepten, darunter Robo, Hywards , Brass Bell und schließlich die Boeing X-20 Dyna-Soar . ^{[ 12 ]} Frühere Entwürfe waren in der Regel Bomber, während spätere Modelle für Aufklärungsflüge oder andere Aufgaben vorgesehen waren. Dornberger und Ehricke veröffentlichten 1955 außerdem einen Artikel in der Zeitschrift Popular Science, in dem sie die Idee für den Einsatz in Passagierflugzeugen vorstellten. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

Die Einführung erfolgreicher Interkontinentalraketen (ICBMs) für offensive Zwecke beendete jegliches Interesse an Gleitbomberkonzepten, ebenso wie an Aufklärungssatelliten für Spionageflugzeuge. Der Weltraumjäger X-20 stieß in den 1960er Jahren weiterhin auf Interesse, fiel aber schließlich Budgetkürzungen zum Opfer. Nach einer erneuten Überprüfung im März 1963 stellte Robert McNamara das Programm im Dezember ein und erklärte, dass nach Ausgaben von 400 Millionen Dollar immer noch keine Mission für das Flugzeug bestehe. ^{[ 15 ]}

In den 1960er Jahren rückte das Skip-Glide-Konzept nicht mehr als Mittel zur Reichweitenerhöhung in den Fokus, da dies bei modernen Raketen keine Rolle mehr spielte, sondern als Grundlage für manövrierfähige Wiedereintrittskörper für Interkontinentalraketen. Das Hauptziel bestand darin, dass der Wiedereintrittskörper seine Flugbahn während des Wiedereintritts änderte, sodass Anti-Ballistic-Missions (ABMs) seine Bewegungen nicht schnell genug erfassen konnten, um ihn erfolgreich abzufangen. Das erste bekannte Beispiel waren die Alpha-Draco- Tests von 1959, gefolgt von den Boost-Glide-Reentry-Vehicle-Testreihen (BGRV), ASSET ^{[ 16 ]} und PRIME ^{[ 17 ]} .

Diese Forschung fand schließlich Anwendung im Wiedereintrittskörper MARV der Pershing II . Hierbei gibt es keine ausgedehnte Gleitphase; der Gefechtskopf nutzt den Auftrieb nur kurzzeitig zur Flugbahnkorrektur. Dies geschieht gegen Ende des Wiedereintrittsprozesses durch die Kombination von Daten eines Trägheitsnavigationssystems von Singer Kearfott mit einem aktiven Radar von Goodyear Aerospace . ^{[ 18 ]} Ähnliche Konzepte wurden für die ballistischen Raketen der meisten Atommächte entwickelt .

Die Sowjetunion hatte ebenfalls Anstrengungen in die Entwicklung von MARVs investiert, um US-amerikanischen ABMs zu entgehen. Die Schließung der US-amerikanischen Raketenabwehr in den 1970er Jahren machte die Fortsetzung dieses Programms jedoch überflüssig. Dies änderte sich in den 2000er Jahren mit der Einführung des US-amerikanischen bodengestützten Mittelstreckenverteidigungssystems (Ground-Based Midcourse Defense , GBMD), was Russland veranlasste , die Arbeiten wieder aufzunehmen. Das Fahrzeug, in der Sowjetzeit als Objekt 4202 bezeichnet , absolvierte im Oktober 2016 einen erfolgreichen Test. ^{[ 19 ]} Das System wurde am 1. März 2018 als Hyperschallgleiter (HGV) Avangard ( russisch : Авангард ; englisch: Vanguard ) öffentlich vorgestellt und nahm am 27. Dezember 2019 offiziell den aktiven Dienst als Nutzlast für Interkontinentalraketen auf. ^{[ 20 ]} Wladimir Putin gab bekannt, dass Avangard in Serienproduktion gegangen sei, und behauptete, seine Manövrierfähigkeit mache ihn gegen alle gängigen Raketenabwehrsysteme immun. ^{[ 21 ]}

China hat ebenfalls einen Gleitflugkörper-Sprengkopf entwickelt, den DF-ZF (US-Geheimdiensten als „WU-14“ bekannt). ^{[ 22 ]} Im Gegensatz zu den US-amerikanischen und russischen MARV-Konstruktionen besteht das Hauptziel des DF-ZF darin, durch Gleitflug die Reichweite zu erhöhen und dabei in geringeren Höhen zu fliegen, als dies für das Erreichen desselben Ziels auf rein ballistischer Ebene möglich wäre. Dadurch soll er so lange wie möglich außerhalb der Erfassungsreichweite der Aegis-Kampfsysteme der US - Marine bleiben und somit die Reaktionszeit des Systems auf einen Angriff verkürzen. Der DF-ZF wurde offiziell am 1. Oktober 2019 vorgestellt. Ähnliche Bemühungen Russlands führten zu den Hyperschall-Testprojekten Kholod und GLL-8 Igla sowie jüngst zum Hyperschallgleiter Yu-71, der von der RS-28 Sarmat getragen werden kann . ^{[ 23 ] [ 24 ]}

Das Konzept des Gleitflugs rückte als mögliche Lösung für die US- Anforderungen an einen schnellen globalen Angriff ( Prompt Global Strike , PGS) in den Fokus. Diese Anforderungen sehen eine Waffe vor, die innerhalb einer Stunde nach dem Start von den Vereinigten Staaten aus ein Ziel überall auf der Erde treffen kann . PGS definiert die Funktionsweise nicht, und aktuelle Studien umfassen den Gleitflug- Sprengkopf der Advanced Hypersonic Weapon ( AHRW) , das Hyperschallflugzeug Falcon HTV-2 und U-Boot-gestützte Raketen. ^{[ 25 ]} Lockheed Martin entwickelt dieses Konzept als Hyperschallwaffe AGM-183A ARRW . ^{[ 26 ]}

Diese Technik wurde von den sowjetischen Zond- Raumsonden zur Mondumrundung eingesetzt, die vor der Landung einen Sprung durchführten. In diesem Fall war ein echter Sprung erforderlich, damit die Raumsonde die Landegebiete in höheren Breiten erreichen konnte. Zond 6 , Zond 7 und Zond 8 führten erfolgreiche Sprunglandungen durch, Zond 5 hingegen nicht. ^{[ 27 ] [ 28 ]} Auch Chang’e 5-T1 , die ähnliche Missionsprofile wie Zond flog, nutzte diese Technik.

Das Apollo-Kommandomodul nutzte ein sogenanntes Skip-ähnliches Verfahren, um die Hitzebelastung des Raumfahrzeugs durch Verlängerung der Wiedereintrittszeit zu reduzieren. Da das Raumschiff die Atmosphäre jedoch nicht wieder verließ, gab es erhebliche Diskussionen darüber, ob es sich dabei um ein echtes Skip-Profil handelte. Die NASA bezeichnete es schlicht als „Lifting Entry“. Ein echtes Multi-Skip-Profil wurde im Rahmen des Apollo-Skip-Guidance-Konzepts in Betracht gezogen, kam aber bei keinem bemannten Flug zum Einsatz. ^{[ 29 ]} Das Konzept findet sich weiterhin in moderneren Raumfahrzeugen wie dem Orion-Raumschiff , das im Rahmen der Artemis-1- Mission den ersten amerikanischen Skip-Eintritt mithilfe von Bordcomputern durchführte. ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}

Unter Verwendung vereinfachter Bewegungsgleichungen und der Annahme, dass während des atmosphärischen Fluges sowohl der Luftwiderstand als auch der Auftrieb wesentlich größer sind als die auf das Fahrzeug wirkende Schwerkraft, lassen sich die folgenden analytischen Beziehungen für einen Wiedereintrittsflug mit Sprung ableiten: ^{[ 33 ]}

$${\displaystyle \gamma _{\mathrm {F} }=-\gamma _{\mathrm {E} },}$$

Dabei ist der Winkel der Flugbahn relativ zur lokalen Horizontalen, der Index E kennzeichnet die Bedingungen zu Beginn des Eintritts und der Index F die Bedingungen am Ende des Eintrittsflugs. ${\displaystyle \gamma }$

Die Geschwindigkeit vor und nach dem Eintritt lässt sich wie folgt in Beziehung setzen: ${\displaystyle V}$

$${\displaystyle {\frac {V_{\mathrm {F} }}{V_{\mathrm {E} }}}=\exp {\frac {2\gamma _{\mathrm {E} }}{L/D}},}$$

Wo liegt das Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand des Fahrzeugs? ${\displaystyle L/D}$

• Hochgeschwindigkeits-Angriffswaffe (HSSW) (USA)
• DF-ZX (China)
• DF-17 (China)
• Sofortiger globaler Streik (PGS) (USA)
• Alpha Draco (USA)
• ArcLight (Rakete) (USA)
• DARPA Falcon-Projekt (USA)
• Boeing X-51 Waverider (USA)
• Nordamerikanische X-15 (USA)
• Tupolew Tu-130 (Russland)
• BrahMos-II (Indien/Russland)
• Hyperschall-Technologie-Demonstratorfahrzeug (Indien)
• Mehrfach unabhängig voneinander steuerbares Wiedereintrittsfahrzeug
• Planare Wiedereintrittsgleichungen

• Neufeld, Michael (1995). Die Rakete und das Reich: Peenemünde und der Beginn des Raketenzeitalters . Simon and Schuster. ISBN 9780029228951Die
• Yengst, William (April 2010). Lightning Bolts: First Maneuvering Reentry Vehicles . Tate Publishing. ISBN 9781615665471Die