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18 technology radar Kosmische Strahlenexposition: Relevanz für Hyperschallflüge Cosmic radiation exposure: relevance for hypersonic flights Ein wesentlicher Treiber für die Entwicklung des Luftverkehrs ist die Reduktion der Reisezeit. Zukünftige Hyperschallkonzepte versprechen Punktzu-Punkt-Verbindungen über die größten interkontinentalen Distanzen in wenigen Flugstunden. Die Analyse der technologischen Anforderungen und des Innovationsbedarfs beinhaltet unter anderem die Untersuchung der Relevanz der kosmischen Strahlungsexposition für Besatzung, Passagiere und Bordelektronik. Seit 2011 stellt das Bauhaus Luftfahrt Entwicklungstrends wie wachsende Flughöhen und zunehmende Polarroutennutzung der daraus resultierenden erhöhten kosmischen Strahlenbelastung gegenüber und untersucht Synergiepotenziale von Zukunftstechnologien für zugleich nachhaltiges und strahlungsarmes Fliegen. Hierbei zeigte sich, dass beispielsweise als neue Strukturmaterialien diskutierte Nanokomposite und Wasserstoff als alternativer Kraftstoff von besonderer Bedeutung sein können. Höhere Fluggeschwindigkeiten gehen einher mit größeren Flughöhen, was zu erhöhten Strahlungsintensitäten führt. Gleichzeitig verringern sich die Flugdauer und damit die Strahlungsexpositionszeit. Eine Untersuchung dieses Trade-offs für repräsentative interkontinentale Missionen hat ergeben, dass zu gewissen Zeiten im Sonnenzyklus die stark verkürzte Flugzeit auf Trajektorien mit (zum Teil) Hyperschallgeschwindigkeit die höheren Strahlungsintensitäten kompensieren und sogar geringere Strahlungsdosen bewirken kann. Allerdings ist die Besatzung für feste Blockzeiten deutlich höheren Dosen ausgesetzt. Ökonomische Vorteile könnten durch Strahlenschutzkonzepte erzielt werden, die auch eine Vermeidung vermehrter Ausfälle von Hyperschallflügen während Sonnenstürmen erlauben würden. Größere Flughöhen können eine geringere kosmische Strahlungsexposition bedeuten – aufgrund der höheren Fluggeschwindigkeit. Higher flight altitudes can imply a lower cosmic radiation exposure due to the higher flight velocity. A key driver for air transportation development is the reduction of journey time. Concepts of future hypersonic commercial aircraft promise point-topoint travel over the largest intercontinental distances in at most a few hours’ flight time. The analysis of technological requirements and of innovation needs includes the investigation of the relevance of cosmic radiation exposure for aircrew, passengers, and aircraft electronics. Since 2011, Bauhaus Luftfahrt has contrasted ongoing trends such as growing flight altitudes and polar route frequencies with the resulting enhanced cosmic radiation exposure and has investigated synergy potentials of future aviation technologies for sustainable air traffic growth at low radiation levels. Here, it has been shown that, for instance, nanocomposites as novel structural materials and hydrogen as an alternative fuel may be of special relevance. Higher flight velocities go along with higher flight altitudes, which lead to enhanced radiation intensities. Simultaneously, reduced durations of flight as well as radiation exposure times emerge. An investigation of this trade-off for representative intercontinental missions revealed that at specific times in the solar cycle the strongly shortened flight times on trajectories with (partly) hypersonic cruise compensate for the enhanced radiation intensities and may even yield lower radiation doses. However, for fixed block hours, air crews are subject to significantly larger doses. Economic benefits could be achieved by means of radiation protection concepts that would also allow an increased number of canceled hypersonic flights during solar storms to be avoided.
19 Potenzierte Strahlung in der Höhe Typische Bereiche von Reiseflughöhen ausgewählter Flugzeugkonzepte und Höhenabhängigkeit der kosmischen Strahlungszählrate bei unterschiedlichen geografischen Breiten. Die Strahlungsexposition nimmt bis zu einer Höhe von 20 – 25 km stark zu und ist an den Polen maximal. Da zur Vermeidung von Lärmbelästigung zukünftige interkontinentale Hyperschallmissionen typischerweise über nicht oder dünn besiedeltem Gebiet wie großen Wasserflächen nahe der Pole verlaufen, ist die mittlere Strahlungszählrate hier im Reiseflug bis zu dreimal größer als auf heutigen Reiseflughöhen. Potentiated radiation at height Typical range of cruise altitudes of selected aircraft concepts and altitude dependence of the cosmic radiation count rate at various geographical latitudes. Up to 20 – 25 km above ground, the radiation exposure grows strongly with altitude and is maximal at the poles. In order to avoid noise disturbance, future intercontinental hypersonic trajectories are typically restricted to flying over areas with low or no population density like large water expanses close to the poles. As a result, the average radiation count rate during cruise is up to three times higher than at current cruising altitudes. Altitude [km] 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 A 380 0 1000 2000 3000 4000 Cruising altitudes Concorde Mid-latitudes ZEHST Tu-260 Mach number Cosmic radiation count rate [min -1 ] Radiation count rates LAPCAT -A2 North polar region LAPCAT- MR1 South polar region Brüssel – Sydney im Vergleich Brüssel – Sydney, eine repräsentative interkontinentale Mission von LAPCAT (Long-term Advanced Propulsion Concepts and Technologies), einer im Rahmen der Europäischen Kommission durchgeführten Studie bis 2008, a) in westlicher Richtung über die Beringstraße zur Vermeidung von Lärmbelästigung im Hyperschallreiseflug mit Mach 5 (längste Strecke), b) in östlicher Richtung aufgrund der Bevölkerungsdichte bis Wolgograd mit Unterschallgeschwindigkeit und dann bis Sydney mit Überschallgeschwindigkeit mit Mach 4.5 (kürzeste Strecke). Ebenfalls eingezeichnet ist die heutige Referenzstrecke c) für Unterschallflug in östlicher Richtung mit Zwischenstopp in Abu Dhabi (zweitlängste Strecke). Die Trajektorien a) und b) mit (zum Teil) Überschallgeschwindigkeit weisen aufgrund der deutlich reduzierten Flugzeit zu gewissen Zeiten im Sonnenzyklus etwa 60 % geringere integrierte Strahlungsdosen auf als die Referenzmission c), obwohl sie zum Teil weitere Distanzen bei größeren geografischen Breiten und damit bei höherer Strahlenbelastung zurücklegen. Brussels – Sydney in comparison Brussels – Sydney, a representative mission of LAPCAT (Long-term Advanced Propulsion Concepts and Technologies), a study conducted in the framework of the European Commission until 2008, a) in western direction over the Bering Strait to avoid noise disturbance during hypersonic cruise with Mach 5 (longest distance), b) in eastern direction up to Volgograd with subsonic velocity due to the population density and then with supersonic velocity with Mach 4.5 to Sydney (shortest distance). Also depicted is the current reference trajectory c) for subsonic cruise in eastern direction with refueling stop in Abu Dhabi (second longest distance). Due to the significantly reduced flight times, the trajectories a) and b) with hypersonic / partly supersonic cruise would be subject to roughly 60 % lower integrated radiation doses compared with the reference mission c) during specific times in the solar cycle. This is the case even though partly longer distances at larger geographic latitudes are encountered, which are associated with enhanced radiation exposure. D~16,700 km Bering Strait a) Brussels b) Abu Dhabi c) Sydney D total ~ 5,160 km + 12,100 km = 17,260 km D~18,730 km
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