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Hyperschall-WaffenWettrüsten 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.

Kinzhal-Rakete am Rumpf eines russischen Mig-Jägers.
Kinzhal-Rakete am Rumpf eines russischen Mig-Jägers.
Fotot: Getty Images

Hoch am Himmel über Nordwestchina löst sich ein keilförmiges unbemanntes Fluggerät von einer Rakete. Der Xingkong-2-Hyperschall-Marschflugkörper (HCM) rast mit einer Geschwindigkeit von Mach 6 – also der sechsfachen Schallgeschwindigkeit – durch die Stratosphäre, surft dann auf seinen eigenen Stosswellen weiter. So zumindest beschreibt die für die Entwicklung zuständige China Academy of Aerospace Aerodynamics den Test, der im August 2018 stattgefunden haben soll. Die Geschwindigkeit und Manövrierfähigkeit der HCM, so jubelte die Global Times, eine Zeitung der Kommunistischen Partei, würde es der neuen Waffe ermöglichen, «jedes Raketenabwehrsystem der aktuellen Generation zu durchbrechen».

Seit Jahrzehnten sind beim US-Militär und seinen Gegner Raketen begehrt, die sich mit Hyperschall fortbewegen, allgemein definiert als Mach 5 oder höher. Interkontinentalraketen (ICBMs) erfüllen diese Definition, wenn sie aus dem Weltraum wieder in die Atmosphäre gelangen. Aber weil sie sich wie eine Kugel auf einer vorhersehbaren ballistischen Bahn befinden, fehlt ihnen der Überraschungseffekt. Hyperschallwaffen hingegen manövrieren aerodynamisch, sodass sie der Abwehr ausweichen können und den Gegner über das genaue Ziel im Unklaren lassen.

Es ist so etwas wie ein Rennen zum Mond

Iain Boyd, Luft- und Raumfahrtingenieur an der University of Colorado

Schon mit Beginn des Kalten Krieges hatte sich das Pentagon für steuerbare Hyperschallwaffen interessiert, scheiterte aber regelmässig an technischen Hürden bei Antrieb, Kontrolle und Hitzebeständigkeit. «Ganz viel Betriebsamkeit, grosse Investitionen, und dann kam die Einsicht, dass wir noch nicht so weit sind», sagt der Luft- und Raumfahrtingenieur Mark Lewis, zuständig für die Forschung zur militärischen Abwehr am US-Verteidigungsministerium.

Doch jetzt hat das Ministerium einen neuen Versuch gestartet. Derzeit investiert es jährlich mehr als eine Milliarde US-Dollar in die Hyperschallforschung, angetrieben vermutlich durch ähnliche Programme in China und Russland. Alle drei Nationen scheinen erhebliche Fortschritte gemacht zu haben, etwa beim Schutz vor gefährlicher Reibungswärme.

Russland hat kürzlich eine Waffe namens Kinzhal vorgestellt, die Mach 10 aus eigener Kraft erreichen soll, und eine weitere, die von einer Rakete auf erstaunliche Mach 27 beschleunigt wird. China präsentierte vor Kurzem auf einer Militärparade ein eigenes raketenverstärktes Hyperschall-Gleitfluggerät (HGV), das Dongfeng-17. Die Vereinigten Staaten testen bereits 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.»

Das Wettrüsten bringt die bisherigen strategischen Kalkulationen durcheinander

Dieses neue Wettrüsten bringt die bisherigen strategischen Kalkulationen durcheinander. So denkt Russland bereits über Hyperschall-Fluggeräte nach, die Interkontinentalraketen abwehren können. Das gefährdet die nukleare Abschreckung.

Im Gegensatz dazu sieht Chinas Militär Hyperschallwaffen als eine Chance, einem besser bewaffneten Feind die Stirn zu bieten, 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 konventionellen Hyperschallwaffen lahmzulegen.

Derzeit kann bei Überschall noch nicht gefeuert werden, weil die Waffen kaum manövrieren können. Doch das könnte sich ändern, warnt Shari Feth, Materialingenieurin bei der US-amerikanischen Missile Defense Agency (MDA).

In diesem Bereich darf man sich keinen einzigen Fehler erlauben

Mark Lewis, Luft- und Raumfahrtingenieur

Die USA haben schon früh versucht, den Hyperschallflug zu meistern. Bereits 1949 erreichte eine zweistufige Rakete im Projekt Bumper eine Geschwindigkeit über Mach 5. Doch nach einer Reihe von Fehlstarts gab man auf. «In diesem Bereich darf man sich keinen einzigen Fehler erlauben», sagt Lewis. «Sie fliegen unter aussergewöhnlichen Bedingungen» – Geschwindigkeiten, Kräfte und Temperaturen sind extrem.

Geschwindigkeit und Konturen beeinflussen die Hitzeentwicklung an der Aussenhülle des Flugobjektes. Als ein Space Shuttle bei Mach 25 auf die obere Atmosphäre traf, erhitzten sich seine stumpfen Vorderkanten auf 1400 Grad Celsius. Neuere Hyperschallfahrzeuge haben schärfere Kanten, unter anderem, um die Manövrierfähigkeit zu verbessern. Sie führen aber zu Temperaturen, die 2000 Grad Celsius überschreiten können.

Turbulenzen können alles noch schlimmer machen. Bei Überschallgeschwindigkeit verdickt sich die Luftschicht um das Fluggerät, die zuvor glatte Strömung kann plötzlich in Wirbel zerfallen, die Temperaturspitzen verursachen. «Wir haben viel Grundlagenforschung betrieben, um herauszufinden, wann dies geschieht», sagt Lewis. Das Überleben eines Fahrzeugs erfordert elastische Superlegierungen und Ultrahochtemperatur-Keramik und vielleicht auch neuartige Kühlmittel. Beispielsweise hat ein Team des US Naval Research Laboratory ein flüssiges Natriumsystem entwickelt, das durch kontinuierliches Verdampfen und Kondensieren Wärme von einer Vorderkante ableitet.

Die USA brauchten 46 Jahre, um ihren ersten funktionierenden Scramjet zu realisieren

Hohe Luftgeschwindigkeiten stellen auch Triebwerke von Hyperschall-Marschflugköpern (HCMs) vor Herausforderungen, die über eigene Antriebe verfügen. HCMs beschleunigen mithilfe eines sogenannten Überschallverbrennungs-Ramjet. «Es ist der einfachste Strahltriebwerkstyp, den man sich vorstellen kann, nur ein offenes Rohr», in dem sich Luft mit Kraftstoff vermischt, sagt Lewis. «Es ist aber auch ein sehr komplizierter Typ, weil er unter extremen Bedingungen betrieben wird.»

Bei Überschallgeschwindigkeit verbringen 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 ungleichmässiger Verbrennung und Störungen im Schub führen kann. «Alles ist in unglaublicher Weise miteinander gekoppelt», sagt Lewis. Die USA brauchten 46 Jahre, um ihren ersten funktionierenden Scramjet zu realisieren: den 230 Millionen US-Dollar teuren X-43a der Nasa, ein unbemanntes Flugzeug, das 2004 zum ersten Mal flog.

HGVs stehen vor anderen Herausforderungen. Die Rakete, die den Gleiter trägt, erreicht weitaus höhere Geschwindigkeiten, die Materialien müssen noch hitzebeständiger sein. Allerdings sind HGVs leichter zu manövrieren, da sie nicht auf einen empfindlichen Scramjet angewiesen sind.

Russland ist womöglich das erste mit Hyperschallwaffen ausgerüstete Land der Welt

So richtig gut aufgestellt sind die USA noch nicht. Nach jahrzehntelangem Herumprobieren hat sich der Vorsprung der US-Hyperschall-Forschung weitgehend aufgelöst, Windkanäle und andere Testinfrastrukturen 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 namens Avangard. Nach der Trennung von seinem Träger in der Stratosphäre flog das HGV mit einer Geschwindigkeit von Mach 27 etwa 6000 Kilometer im Zickzackkurs 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 Verteidigungsministerium gab vergangenen Monat bekannt, dass es den nuklear bewaffneten HGV in Kampfbereitschaft versetzt habe. Russland ist nun womöglich das erste mit Hyperschallwaffen 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 investieren und hat einen neuen Forschungsverbund gegründet. «Unsere Arbeit am Hyperschall hat wirklich Fahrt aufgenommen», sagt Jonathan Poggie, Luft- und Raumfahrtingenieur in Purdue. Sein Team modelliert niederfrequente Stosswellen, «die wie ein Hammer auf ein Fahrzeug schlagen».

Wenn wir die Geheimhaltung übertreiben, kann das unsere Innovationskraft beeinträchtigen

Jonathan Poggie, Luft- und Raumfahrtingenieur in Purdue

Wegen der steigenden militärischen Bedeutung erwägt das Pentagon, die Hyperschall-Grundlagenforschung unter Geheimhaltung zu stellen. Das Verteidigungsministerium «befürchtet, dass unsere Feinde von uns lernen», sagt Poggie. «Gerade werden die roten Linien gezogen», fügt Boyd hinzu. «Wenn wir die Geheimhaltung übertreiben, kann das unsere Innovationskraft beeinträchtigen», warnt er.

Auch in Russland liegt ein Schleier der Geheimhaltung über der Hyperschallforschung. Erst vor Kurzem beschuldigten Sicherheitsbeamte russische Wissenschaftler des Verrats, sie hätten ihre Erkenntnisse mit europäischen Mitarbeitern ausgetauscht. Dabei waren die Daten publiziert, aber fünf Jahre später wieder für geheim erklärt worden.

Im Gegensatz zu Russland zeigt sich China überraschend offen. «Die Chinesen versuchen, Eindruck auf diesem Gebiet zu machen», sagt Lewis. Die Volksrepublik hat stark in neue Forschungseinrichtungen investiert, darunter hochentwickelte Windkanäle und sogenannte Stossrohre, die Druckwellen verwenden, um Hyperschallströmungen 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 Xiamen präsentierten chinesische Wissenschaftler mehr als 250 Artikel – etwa zehnmal so viele wie von US-amerikanischen Forschern. «Da finden sich Studien, von denen man nicht erwartet hätte, dass sie frei publiziert werden», sagt Poggie.

Andere Länder rennen den drei führenden Nationen hinterher – oder schliessen sich mit ihnen zusammen. Australien arbeitet mit den USA an einem Mach-8-Hyperschall-Gleitfluggerät (HGV), Indien entwickelt mit Russland einen Mach-7-Hyperschall-Marschflugköper. (HCM). Frankreich beabsichtigt, bis 2022 ebenfalls ein HCM zu starten, und Japan strebt bis 2026 einen HGV an.

Die USA können sich derzeit gegen solche Waffen kaum schützen, auch weil sich diese kaum verfolgen lassen. US-Militärsatelliten detektieren zuverlässig jeden Start von Interkontinentalraketen und Marschflugkörpern. Aber sie würden wahrscheinlich eine raketenverstärkte Hyperschallwaffe aus den Augen verlieren, sobald sie sich von ihrer Trägerrakete gelöst hat.

Die Ingenieure experimentieren auch mit gerichteter Energie – mit Lasern und Mikrowellen

Um dieses Problem zu beheben, plant das Pentagon den Start von Hunderten kleiner Satelliten mit Sensoren, die auch schwächere Wärmequellen verfolgen können. 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 ausweichendes Ziel zu treffen. Die Missile Defense Agency (MDA) verfolgt deshalb verschiedene Ansätze, wie Abfangjäger Hyperschall-Angreifer ausschalten könnten. Eine Möglichkeit, sagt Ingenieurin Shari Feth, bestünde darin, schneller zu fliegen – eine grosse Herausforderung, die neue leichte, hitzebeständige Verbundwerkstoffe und Legierungen erfordern würde.

Abfangjäger könnten ein Hyperschallfahrzeug entweder durch Kollision oder durch Detonation eines Sprengkopfs in der Nähe zerstören. Die MDA experimentiert jedoch auch mit gerichteter Energie, also etwa mit Laserstrahlen, Mikrowellen oder Radiowellen. Das erinnert an den in den 1980er-Jahren geplante, aber nie realisierten US-amerikanische Raketenabwehrschild «Star Wars». Vier Jahrzehnte später scheint ein solches System wieder machbarer. Dennoch hat die MDA kürzlich Pläne für einen atmosphärischen 500-Kilowatt-Laser verworfen.

Während die Ingenieure nach technischen Wegen suchen, um einem Hyperschallangriff zu begegnen, diskutieren Diplomaten und Rüstungsexperten, ob die neuen disruptiven Technologien nicht besser eingeschränkt oder sogar verboten werden sollten. «Hyperschallwaffen bieten sich zur Rüstungskontrolle geradezu an», argumentiert Ankit Panda, Senior Fellow beim Thinktank Federation of American Scientists. Auch das UN-Büro für Abrüstungsfragen kritisierte das «engstirnige Streben nach einer neuartigen Technologie mit unklarem militärischen Nutzen».

Rüstungskontrollverträge sind derzeit jedoch nicht besonders beliebt. Und da China, Russland und die USA sich gegenseitig mit einem hochkarätigen Test nach dem anderen hochpushen, wird sich das Hyperschall-Wettrüsten wahrscheinlich sogar noch beschleunigen.