1. Einleitung
Antriebe haben die Aufgabe, den Flugkörper derart zum Ziel zu bringen,
dass das Ziel erreicht wird und dort die anderen Komponenten, insbesondere Sucher
und Wirkteil ihren Zweck optimal erfüllen können. Insofern gelten
die grundsätzlichen Anmerkungen in Kapitel 1 des Beitrags „Antriebstechnologien
für Wirkmittel gegen Ziele in der Luft“ hier ebenfalls.
2. Generelle Anforderungen an Antriebe für Flugkörper gegen
Ziele am Boden
Auch hier fordern die Einsatzszenarien von den Flugkörperantrieben eine
bestimmte Abfolge von Schubniveaus, genannt Schubprofile. Diese richten sich
aus an:
- den Zielen, insbesondere deren Art: Punkt-/Flächenziel, stationär/beweglich,
weich/hart, kurz- oder längerfristig exponiert. Hinzu kommen spezifische
Gegebenheiten wie ggf. die Lage in urbanem Gebiet oder die Forderung der Zielidentifikation
mittels der Flugkörpersensoren durch den Bediener in unübersichtlichen
Szenarien, die eine vorherige zuverlässige Zielaufklärung nicht
zulassen. Kennzeichnendes Merkmal von Bodenzielen, zu denen aus Antriebssicht
auch Schiffsziele zu rechnen sind, ist deren im Vergleich zum Flugkörper
vernachlässigbar geringe Geschwindigkeit und Manövrierfähigkeit.
- Der Verteidigung der Ziele: Bei hochwertigen Zielen ist in der Regel mit
Verteidigungs- oder Täuschmaßnahmen zu rechnen. Häufig liegen
Bodenziele innerhalb eines verteidigten Gebiets und die Notwendigkeit in dieses
einzudringen verringert sich mit der Reichweite des Flugkörpers. Im Nahbereich
richten sich die Verteidigungsmaßnahmen auch gegen den Flugkörper
selbst. Hier müssen wir beachten, dass einzelne Punktziele wie Schiffe
oder Radar- und Feuerstellungen besonders leicht zu verteidigen sind weil
der Zielpunkt des angreifenden Flugkörpers bekannt ist. Während
Täuschmaßnahmen die Antriebskonzeption weniger beeinflussen, erfordert
die Überwindung von Verteidigungsmaßnahmen in der Regel Manöver.
Sowohl ausweichende Bewegungen mit hoher Querbeschleunigung als auch die möglichst
schnelle Durchdringung eines gegnerischen Wirkungsbereichs erfordern im Zielanflug
hoch manövrierfähige, d.h. sehr schnelle oder stark beschleunigungsfähige
Flugkörper, was das Antriebskonzept wesentlich beeinflusst..
- Den Einsatzbedingungen, insbesondere der Entfernung zum Ziel und der für
die Bekämpfung verfügbaren Zeitspanne: Kritisch sind hier kurzzeitig
exponierte oder ortbare sowie bewegliche, so genannte „Zeitkritische
Ziele“. Für deren Bekämpfung aus dem Abstand ist eine möglichst
hohe mittlere Geschwindigkeit unabdingbar, während die Bekämpfung
von Gebäuden mehr Zeit in Anspruch nehmen darf.
Während der Einfluss der Plattform nicht vom Einsatzzweck abhängt,
kann die Befähigung zu flexiblen Einsatzprofilen gegen Ziele am Boden auch
bedeuten, dass Such- oder Lauerphasen mit besonders geringer Geschwindigkeit
gefordert sind. Auch solche Einsatzprofile werden durch Triebwerke mit regelbarem
Schub ermöglicht.
3. Luftatmende Antriebe für FK gegen Ziele am Boden
Aktuell: Turbinenluftstrahlantriebe und Flüssigtreibstoff-Staustrahlantriebe
Turbinenluftstrahlantriebe sind wegen ihrer Treibstoffeffizienz besonders geeignet
wenn große Strecken zurückzulegen sind und haben ihre Eignung und
technologische Reife in mehreren Marschflugkörpern wie z. B. „Taurus“
nachgewiesen. Die im weiteren Sinne den Flugzeugen ähnlichen Flugeigenschaften
verleihen eine große Freiheit bei der Wahl des Flugweges, insbesondere
in Kombination mit geeigneten Navigationsverfahren wie beim Lenkflugkörper
Taurus.
Die physikalisch bedingte mäßige Beschleunigungsfähigkeit spielt
keine Rolle beim Start vom Flugzeug und kann beim Bodenstart mittels Feststoffraketen-
oder zukünftig wesentlich geeigneter: Gelraketen-Starttriebwerken [1] kompensiert
werden. Auch beim Start von der Schiene eines Flugzeugs ist eine Hochschubphase
sinnvoll um einerseits einen sauberen Abgang des FK zu gewährleisten und
andererseits den FK aus dem Manöverbereich des Flugzeugs zu bringen.
Nachteilig ist die fehlende Beschleunigungsfähigkeit beim Endanflug auf
das Ziel, weil die geringe kinetische Energie aus der Unterschallgeschwindigkeit
nur sehr begrenzte Manöver erlaubt und das Triebwerk den von starken Manövern
erzeugten Widerstand nicht kompensieren kann; ganz abgesehen vom Risiko des
Verlöschens („Flame-out) bei stark gestörter Einlaufströmung.
Insofern sind FK mit Turbinenluftstrahlantrieb Verteidigungsmaßnahmen
vergleichsweise lange ausgesetzt und verfügen nur über begrenztes
Ausweichpotential.
Während von den westlichen Streitkräften nur Frankreich einen Marschflugkörper
mit Flüssigstaustrahl-Antrieb einsetzt, existieren verschiedene Flugkörper
in Russland (Yakhont, Krypton), Indien (Brahmos) und vermutlich auch China,
meist für den Einsatz gegen Schiffe. Das „Flame-out“-Risiko
schränkt die Manövrierfähigkeit von Flüssigtreibstoff-Staustrahlantrieben
stark ein; gegenüber Flugkörpern mit Turbinenluftstrahlantrieb können
sie in der allerletzten Phase allerdings von ihrer kinetischen Energie zehren.
Zukünftig: Feststoff-Staustrahlantriebe für FK gegen Ziele
am Boden
In Kapitel 4 des Beitrags „Antriebstechnologien für Wirkmittel gegen
Ziele in der Luft“ wird der im Vorhaben „Meteor“ erreichte
Stand der Feststoff-Staustrahltechnologie skizziert.
Aufbauend auf dem hier erzielten Stand können Antriebe für Luft-Boden/Schiff
– Flugkörper konzipiert werden, die eine überlegene Kombination
aus Reichweite/Abstandsfähigkeit und mittlerer Geschwindigkeit bieten.
Hinzu kommt die sehr hohe Geschwindigkeit im Zielanflug, die die für Entdeckung
und Gegenmaßnahmen zur Verfügung stehende Zeitspanne außerordentlich
vermindert und zugleich sehr viel kinetische Energie für harte Ausweichmanöver
bereit hält. Die Regelbarkeit des Antriebs erlaubt gleichermaßen
treibstoffsparenden, schnellen Marschflug in großer Höhe (über
20 km) und Zielanflüge dicht über dem Geländeprofil oder Meeresspiegel.
Sehr günstig vergrößert die hohe Geschwindigkeit auch die Eindringtiefe
von Penetrator-Gefechtsköpfen.
Weil der Einsatz gegen Boden- und Schiffsziele größere Gefechtsköpfe
verlangt als der Einsatz gegen Ziele in der Luft wird auch das Antriebssystem
größer sein als das von Meteor. Während die Funktionalitäten
von Meteor weitgehend übernommen werden können, wird es sinnvoll sein,
die Details der Auslegung an die spezifischen Anforderungen anzupassen. Bild
1 zeigt ein Beispiel eines Flugkörpers mit Feststoff-Stauantrieb [2].
Aus Sicht der Gesamtkonfiguration und des Antriebs ist diese Auslegung ohne
Einschränkung mehrrollenfähig in dem Sinne, dass, solange die Flugmachzahl
größer als zwei ist, sowohl in Boden-/Meeresniveau wie in Höhen
> 20 km, geradeaus wie auch mit harten Manövern geflogen werden kann.
Insofern ist das Konzept zur Bekämpfung von Bodenzielen jeder Art, Schiffen,
Radarstationen und zeitkritischen Zielen geeignet. Auch Kursänderungen
oder die Zuweisung eines neuen Zieles sind möglich. Bei beweglichen Zielen
ist wegen der hohen FK-Marschgeschwindigkeit von typischerweise Ma = 2,5 –
3,5 deren Verlagerung während der Dauer des Fluges gering.
Auch solch ein Flugkörper kann mittels eines abwerfbaren zusätzlichen
Feststoffboosters grundsätzlich vom Boden oder Schiff aus gestartet werden;
es gelten dieselben Zusammenhänge hinsichtlich Bewahrung der Reichweite
und der Möglichkeit, den Flugkörper zu entfeinern wie in Kapitel 4
des Beitrags „Antriebstechnologien für Wirkmittel gegen Ziele in
der Luft“. Bild 2 zeigt anschaulich einige Einsatzszenarien.
Längerfristig könnte auch das in Kapitel 4, Bild 3 des Beitrags „Antriebstechnologien
für Wirkmittel gegen Ziele in der Luft“ vorgestellte Flugkörperkonzept
gegen stark verteidigte oder zeitkritische Boden- oder Schiffsziele eingesetzt
werden.
Festzuhalten bleibt, dass der Feststoffstaustrahlantrieb Flugkörpern gegen
Ziele am Boden in idealer Weise hohe Abstandsfähigkeit, hohe Durchdringungsfähigkeit
und die Befähigung zum Angriff gegen zeitkritische Ziele verleiht.
4. Raketenantriebe für FK gegen Ziele am Boden
Aktuell: Feststoffraketen
Flugkörper mit Feststoffraketen haben nur eine begrenzte Reichweite aus
zwei Gründen:
- Der im Vergleich zu luftatmenden Triebwerken geringeren Treibstoffeffizienz
- Der Bauweise von Marschtriebwerken. Weil der feste Brennstoff von der Oberfläche
her abbrennt, ist die Brenndauer proportional der Einbrenndicke des Treibsatzes
und umgekehrt proportional von dessen Brenngeschwindigkeit. Mittels Stirnbrenner-Treibsätzen
wären prinzipiell auch Brennzeiten von mehreren Minuten realisierbar,
wenn die Länge des Treibsatzes nicht durch Bauweisen und Materialeigenschaften
begrenzt würde und auch der Thermalhaushalt nicht zu beachten wäre.
Die praktische Höchstbrenndauer liegt deshalb im Bereich von grob einer
Minute, mit entsprechenden Konsequenzen für die Reichweite.
Gängige Optimierungsregeln führten bei den meisten Luft-Boden Flugkörpern
zu Lösungen mit getrennten Boost- und Marschtriebwerken, wie z. B. auch
beim Seeziel-FK Kormoran. Eine verbundene Lösung wurde bei Bayern-Chemie
für den Anti-Radar-FK ALARM realisiert.
Bei Flugkörpern, die aus kurzer Entfernung zum Ziel abgeschossen werden,
wird in der Regel ein Hochschubmotor verwendet, der den Flugkörper schnell
auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt und ins Ziel bringt.
Zukünftige Anwendungen des Doppel- oder Mehrfachpulsantriebs
Der Vorteil des Doppelpulsantriebs: Erhöhung der FK-Geschwindigkeit im
Endanflug ist bei der Bekämpfung von Zielen am Boden ebenso nützlich
wie bei der Wirkung gegen Ziele in der Luft (s. Kapitel 5 des Beitrags „Antriebstechnologien
für Wirkmittel gegen Ziele in der Luft“). Auslöser sind hier
allerdings nicht die vernachlässigbaren Manöver des Ziels, sondern
- Die Verbesserung der Durchdringungsfähigkeit gegenüber Abwehrmaßnahmen
verteidigter Ziele durch Verkürzung der für Abwehrmaßnahmen
verfügbaren Zeitspanne und die Befähigung zu starken Manövern
- Die Erreichung der für die Wirkung eines Penetrator-Gefechtskopfs
erforderlichen Geschwindigkeit
Abhängig vom geforderten Geschwindigkeitsprofil und dem Fluggeschwindigkeitsbereich
der Plattform (Flächenflugzeug oder Helikopter) kann der Erstpulsmotor
als Ausstoßtriebwerk, als Boost-Triebwerk oder als Boost-Marsch-Triebwerk
ausgeführt werden. Die Verteilung des Gesamtimpulses und die Anzahl der
Pulse (mit einer voraussichtlich sinnvollen Obergrenze von 3 bis 4) kann wiederum
in sehr weiten Bereichen an die Systemforderungen angepasst werden.
Dem im Beitrag „Antriebstechnologien für Wirkmittel gegen Ziele
in der Luft“ vorgestellten FK LFK-NG verleiht der Doppelpulsmotor auch
eine gute Wirksamkeit gegen nicht allzu stark gepanzerte Bodenziele.
Zukünftige Anwendungen des Raketenantriebs mit vergelten Treibstoffen
Antriebe mit vergelten Treibstoffen vereinen die Vorteile von Flüssigtreibstoff-Raketen:
Regelbarkeit und Feststoff-Raketen: einfache Handhabung, Wartungsfreiheit und
sofortige Einsatzfähigkeit mit gegenüber beiden Systemen besseren
Insensitivität [3], weil Gel-Treibstoff bei Leckagen und Perforation des
Tanks nicht ausläuft und einen gegenüber Flüssigkeiten viel geringeren
Dampfdruck aufweist.
Im Rahmen des Nationalen Gel-Programms [4] wurde bei Bayern-Chemie [5] ein Einstoff-Gel-Antriebssystem
entwickelt (Bild 3 zeigt eine Prinzipskizze, Bild 4 einen Prüfstandsabbrand),
das 2009 mittels eines Flugversuchs erprobt werden wird und neben den oben genannten
weitere günstige Eigenschaften aufweist:
- Sehr gute Insensitivitätseigenschaften: Versuche im Labormaßstab
ergaben keine Reaktion bei Treibstoffbrand und langsamer Erwärmung.
- Sehr stabile Verbrennung und Regelungsverhalten.
- Sehr geringe Emission und Rauchentwicklung des Gasstrahls.
- Vergleichsweise umweltfreundlicher Treibstoff und Gase.
- Sehr gute Herstellbarkeit, Handhabung, Transport- und Lagerfähigkeit.
- Die Möglichkeit, mittels eines Einpuls-Feststoff-Gasgenerators verschiedenste
Schubprofile innerhalb eines gegebenen Zeitrahmens darstellen zu können
- Der spezifische Impuls ist höher als der von ebenfalls rauchfreien
Doppelbasigen Festtreibstoffen.
Bei Luft-Boden Flugkörpern stehet die volumetrische oder massebezogene
Leistungsdichte nicht in gleichem Maße im Vordergrund wie bei Boden-Luft-Anwendungen.
Dafür sind häufig Schubregelbarkeit und evtl. auch Insensitivität
wichtiger. Ein besonderer Vorteil von Gel-Antrieben ist der einfacher zu gestaltende
Thermalhaushalt bei lange brennenden Marschtriebwerken sowie die Regelbarkeit.
Diese erlaubt z. B. abhängig von der Fluggeschwindigkeit der Plattform
(Helikopter oder Kampfflugzeug) eine längere oder kürzere Anfangsbeschleunigungsphase;
bei höherer Absetzgeschwindigkeit verbleibt dann entsprechend mehr Treibstoff
für die Marschphase, was die Reichweite proportional erhöht. Ebenso
kann zur Verbesserung der Durchdringungsfähigkeit oder zur Beschleunigung
eines Penetrator-Gefechtskopfs eine Endschubphase geschaltet werden, die an
der Reichweitengrenze notwendigerweise bescheiden, bei kürzeren Distanzen
dafür umso stärker ausfallen kann. Kurz: Plattform- und missionsabhängig
kann der verfügbare Treibstoff frei zwischen der Marschflugphase und den
jeweiligen Boostphasen verteilt werden, was die Flexibilität im Einsatz
wesentlich erhöht. Grundsätzlich können dieselben Flugkörper
von fliegenden Plattformen und vom Boden aus gestartet werden.
Je nach Systemanforderungen sind neben reinen Gel-Raketenantrieben auch Versionen
mit Feststoffboostern und Gelraketen-Marschtriebwerk möglich und sinnvoll.
5. Zusammenfassung
Neben den Feststoffraketen- und Turbinenluftstrahl-Antrieben, die gegenwärtig
Flugkörper gegen Ziele am Boden antreiben, steht unmittelbar der im Rahmen
der Meteor-Entwicklung zur Reife gebrachten Feststoff-Staustrahlantrieb zur
Verfügung. Auch die Entwicklung des Gelraketenantriebs macht gute Fortschritte
und bei nicht allzu leistungsgetriebenen Anwendungen ist die Einsatzreife fast
erreicht [1].
Bei sehr großen Reichweiten werden bis auf weiteres Turbinen-Luftstrahltriebwerke,
in Sonderfällen Flüssigtreibstoff-Staustrahlantriebe eingesetzt werden.
Feststoff-Staustrahlantriebe bieten schon jetzt eine optimale Kombination aus
Reichweite, Geschwindigkeit und Manövrierfähigkeit. Während Feststoffraketenantriebe
bei kürzeren Reichweiten überlegene Beschleunigungsfähigkeit
mit kompakter Bauweise verbinden, werden Gelraketen-Antriebe mit neuen Möglichkeiten
der missionsangepassten Schubregelung auch neue Flugkörper- und Wirkkonzepte
ermöglichen.
1 K. W. Naumann, R. Stierle, J. Ramsel, K. Schmid
“Recent Developments on Rockets with Gelled Propellants for Naval Applications”,
3rd Annual MAST Conference, Cadiz, E, 12. – 14.11.2008
2 H.-L. Besser, H.-L. Weinreich, G. Kurth; „Fit for Mission – Design
Tailoring Aspects of Throttleable Ducted Rockets Propulsion Systems”,
AIAA-2008-xxxx,
3 K. W. Naumann, R. Stierle, J. Ramsel, K. Schmid
“Rockets with Gelled Propellants for Naval Applications”, 2nd Annual
MAST Conference, Genova, I, 14. – 16.11.2007
4 Ciezki H.K., Hürttlen J., Madlener K., Naumann K.W., Radloff R., Stierle
R., Weiser V. „Das Deutsche Nationale Gel-Technologieprogramm“,
Deutscher Luft- und Raumfahrt-kongress, Darmstadt, D, 23-25.09.2008
5 R. Stierle, J. Ramsel, K. Schmid, K. W. Naumann
“Das Gel-Triebwerk der Bayern-Chemie“, Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress,
Darmstadt, D Darmstadt, D, 22.-25.9.2008
