Überschallflug

Fliegen mit Überschall bedeutet eine Fluggeschwindigkeit, die jene des Schalls in der betreffenden Höhe übertrifft. Sie wird in Vielfachen der Schallgeschwindigkeit gemessen und hat die Einheit Mach, benannt nach dem Physiker Ernst Mach.

Schallmauer

In Bodennähe liegt die Schallgeschwindigkeit bei 320-340 m/s. Sie ist abhängig von der Temperatur, aber kaum abhängig vom Luftdruck. In größeren Höhen nimmt sie daher ab. Erreicht das Flugzeug die Schallgeschwindigkeit (Mach 1), kommt es durch die Kompressibilität der Luft zu einer Stoßwelle an verschiedenen Teilen des Flugzeugs. Dadurch steigt der aerodynamische Widerstand erheblich an, bis diese Grenze, bildhaft Schallmauer genannt, überwunden ist. Danach sinkt der Widerstand wieder ab. Flugzeuge benötigen daher ausreichend Schub, zum Beispiel einen Nachbrenner, oder müssen sich in einen Sturzflug begeben.

Ist die Schallgeschwindigkeit überschritten (Mach größer 1), breitet sich von der Flugzeugnase und den Tragflächen ausgehend kegelförmig nach hinten der so genannte Machsche Kegel aus. Bei ausreichender Luftfeuchtigkeit kommt es dabei zum Wolkenscheibeneffekt. Dieser Effekt entsteht beim Eintritt in die Überschallgeschwindigkeit dadurch, dass die Schallwellen den Wasserdampf der Luft zur Kondensation bringen.

Überschallknall

Im Allgemeinen wird der Begriff dazu verwendet, die Schockwelle zu beschreiben, welche in der Umgebung entsteht, wenn militärische oder zivile Flugzeuge (wie die Concorde) Überschallgeschwindigkeit erreichen oder überschreiten. Der Überschallknall ist die hörbare Komponente dieser Schockwelle.

Diese Schockwelle hat die Form zweier langer Kegel, einer an der Flugzeugnase und einer am Flugzeugheck. Die Kegel öffnen sich entgegen der Flugrichtung. Bei kleinen Flugzeugen oder Projektilen laufen diese dicht genug zusammen, um als einzelner Knall wahrgenommen zu werden, bei großen Flugzeugen sind die Schockwellen klar zu unterscheiden und verursachen einen "Doppelknall" im Abstand weniger Zehntelsekunden.

Mit zunehmender Geschwindigkeit legen sich die Kegel "enger" um das Flugzeug, und gleichzeitig nimmt, aufgrund der höheren Energie, die pro Wegeinheit an die Luft übergeben wird, ihre Amplitude und damit auch die Lautstärke des Überschallknalls zu. Die Lautstärke des Knalls hängt zudem von der Menge der verdrängten Luft und somit von der Größe des Flugzeugs ab. Die pro Wegstrecke Δs freigesetzte Energie ΔE ist dabei

wobei

Die Energie pro Streckeneinheit ist maßgebend für die Amplitude und damit für die Lautstärke des Knalls, während die Leistung direkten Einfluss auf den Treibstoffverbrauch hat.

Bei sehr großen Flughöhen berühren die Kegel nicht mehr den Boden, sondern wandeln sich in sehr niederfrequente Schallwellen um, und der Knall wird dort nicht mehr wahrgenommen. (Siehe auch: Infraschall). Bei extrem hohen Überschallgeschwindigkeiten kann die Druckwelle dennoch stark und zeitlich konzentriert genug sein, dass hörbare Schallwellen oder gar Schockwellen den Boden erreichen. Das ist z.B. beim Wiedereintritt von Raumfähren oder beim Eintritt von größeren Meteoriten der Fall.

Die Concorde hat aus diesen Lärmgründen die Fluggeschwindigkeit regelmäßig nur über dem Atlantik auf Überschall erhöht.

Geschichte

Am 14. Oktober 1947 durchbrach der amerikanische Testpilot Chuck Yeager in einer Bell X-1 in etwa 15.000 m Höhe als erster die Schallmauer. Er hatte bei den Flugversuchen mit den Schockwellen und einer daraus resultierenden Umkehrwirkung des Höhenruders zu kämpfen. Erst die Idee, die gesamte Höhenflosse für die Höhensteuerung zu verwenden, ermöglichte diese Pioniertat.

Der deutsche Jagdflieger Hans Guido Mutke beansprucht, mit seiner Messerschmitt Messerschmitt Me 262, dem ersten Serienflugzeug mit Strahltriebwerken, bereits am 9. April 1945 die Schallmauer durchbrochen zu haben. Bei maximalem Schub in Verbindung mit einem Sturzflug wäre dies theoretisch möglich gewesen, aber da in Hochgeschwindigkeits-Testflügen durch Messerschmitt festgestellt wurde, dass die Maschine bei Geschwindigkeiten von über Mach 0,83 zunehmend kopflastig wurde und Mach 0,86 die oberste in Tests ermittelte Grenze für einen Sturzflug war, den die Flugzeugstruktur überstehen und in dem ein Abfangen noch möglich war, gilt es als eher unwahrscheinlich, dass die Me 262 tatsächlich Überschall erreicht hat. Nach wie vor ist die Diskussion ungeklärt (s. a. Diskussion:Überschallflug).

Als erste Frau folgte die Französin Jacqueline Auriol im Sommer 1953 mit einer Dassault-Breguet Mystère.

Militärflugzeuge, die mit Überschallgeschwindigkeit fliegen können, gibt es seit den späten 1950ern. Kampfflugzeuge erreichen etwa Mach 2, die MiG-25 und das Aufklärungsflugzeug SR-71 fliegen Mach 3. Erst Raketenflugzeuge wie die X-15 kamen auf die 7-fache Schallgeschwindigkeit. Militärische Flugzeuge oder wissenschaftliche Testflugkörper mit Überschallgeschwindigkeit sind bis heute im Einsatz.

Die Raumfähre (Space Shuttle) fliegt bei der Rückkehr zur Erde antriebslos im Überschall.

Ziviler Überschallflug

Das erste zivile Überschallflugzeug war die sowjetische TU-144. Sie erreichte als erstes Verkehrflugzeug am 26. Mai 1970 doppelte Schallgeschwindigkeit (2.150 km/h), war jedoch mehr ein politischer und technischer denn ein wirtschaftlicher Erfolg. Im Gegensatz zu der fast zur gleichen Zeit mit hohen Kosten entwickelten britisch-französischen Concorde, die bis 2003 erfolgreich ihren Liniendienst mit über Mach 2 versah, wurde die TU-144 wegen der hohen Kosten im Flugbetrieb wieder außer Dienst gestellt. Auch andere Flugzeugproduzenten wie Boeing entwickelten in dieser Zeit Überschallpassagierflugzeuge, aber stellten nach dem Erfolg der Concorde und im Zeichen der späteren Ölkrise ihre Entwicklung ein. Bis heute gab es immer wieder Bestrebungen, einen weiterentwickelten Nachfolger für die Concorde zu bauen. Diese scheiterten aber bis zuletzt an den hohen Entwicklungs- und Betriebskosten. Das erste Passagierflugzug, das Überschallgeschwindigkeit erreichte war eine Douglas DC-8. Dies geschah jedoch im Sinkflug und das Flugzeug war eigentlich nicht dafür ausgelegt.

Im Juli 2000 stürzte eine Concorde wegen eines Fremdkörpers auf der Startbahn bei Paris ab, 113 Menschen kamen ums Leben. Air France und British Airways stellten daraufhin vorübergehend den Flugbetrieb der Concorde ein. 2001 entschieden Frankreich und England, die Concorde insgesamt außer Dienst zu stellen. Die wichtigen Flugrouten in die USA hatten wegen dortiger Widerstände seit langem ein Defizit. Am 26. November 2003 fand der letzte Flug statt, womit die Ära des zivilen Überschallflugs bis auf weiteres endete. Es sind heute keine zivilen Flugzeuge mit Überschallgeschwindigkeit mehr im Dienst.

Weblinks

• Rheinzeitung: Stichwort Schallmauer
• Der Knall aus Schall. Wie entsteht die "Schallmauer"?
• Durchbrach die Me 262 als erstes Flugzeug die Schallmauer?
• Hintergrundinformationen zum Überschallknall
• Photo des Wolkenscheibeneffekts

Siehe auch Schallgeschwindigkeit, Mach