Schallgrenze

Ein Jagdbomber Northrop F/A-18 Hornet im Überschallflug mit Wolkenscheibeneffekt

Ein weiterer Jagdbomber Northrop F/A-18F Hornet im Überschallflug, Mai 2006

Fliegen mit Überschall bedeutet eine Fluggeschwindigkeit, die die Geschwindigkeit 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 (1152–1224 km/h). Sie ist abhängig von Feuchtigkeit, Temperatur und Druck der Luft. In größeren Höhen ist die Schallgeschwindigkeit wegen der niedrigeren Temperaturen geringer als am Boden (ca. 292 m/s [1050 km/h] auf 10.000 m). Nähert sich das Flugzeug der Schallgeschwindigkeit (Mach 1), kommt es durch die Kompressibilität der Luft zu Stoßwellen an verschiedenen Teilen des Flugzeugs (siehe auch Verdichtungsstoß). Dadurch steigt der aerodynamische Widerstand erheblich an, bis diese Grenze, bildhaft Schallmauer genannt, überwunden ist. Danach sinkt der Widerstand wieder ab (bleibt jedoch höher als im Unterschallbereich). Flugzeuge benötigen daher ausreichend Schub, zum Beispiel einen Nachbrenner, oder müssen sich in einen Sturzflug begeben, um die Schallmauer durchbrechen zu können. (Die Geschwindigkeit, bei der im Luftstrom um das Flugzeug die ersten Stoßwellen auftreten, kann – abhängig von der Konstruktion des Flugzeugtyps – deutlich unterhalb der Schallgeschwindigkeit liegen.)

Machscher Kegel. Rechts ist das Verhalten bei Überschallgeschwindigkeit gezeigt: Es bildet sich eine Stoßwelle (blau).

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.

Überschallknall

Der Überschallknall ist die hörbare Auswirkung der Stoßwelle (Verdichtungsstoß), welche auftritt, wenn sich ein Flugzeug mit Überschallgeschwindigkeit bewegt.

Kegelförmige Ausbreitung der Druckwelle hinter einem Überschallflugkörper, Verlauf des hyperbelförmigen Bodenkontakts der Druckwelle

Überschall-Doppelknall

Flügel – Luftstrom bei Überschallgeschwindigkeit

Diese Stoßwelle hat die Form zweier 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 Stoßwellen klar zu unterscheiden und verursachen einen „Doppelknall“ im Abstand weniger Hundertstelsekunden (das menschliche Gehör kann sehr kleine Zeitunterschiede feststellen (Laufzeitdifferenz). Bei großer Entfernung zum Beobachter nimmt der zeitliche Abstand zwischen beiden Stoßwellen weiter zu und kann bei großen Flugzeugen oder Raumfähren mehrere Zehntelsekunden betragen. Der Grund für diese Zunahme sind geringfügige Unterschiede in der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Stoßwellen; anders als bei normalen Schallwellen ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Stoßwellen von ihrer Amplitude abhängig.

Auch wenn der Knall an einer Stelle nur einmalig wahrgenommen wird, entsteht keineswegs ein einziger Knall, wenn die Schallmauer durchbrochen wird. Die untere Mantellinie des Kegels bestimmt den Zeitpunkt, wann der Knall den Empfänger erreicht und dieser ihn hört, noch vor der Wahrnehmung z.B. der Motorengeräusche. Während dessen bewegt sich der Kegel allerdings fort, weshalb ein weiterer Empfänger in einiger Entfernung ebenfalls von ihm erreicht wird und einen weiteren Knall hört. Der Knall beim Durchbrechen der Schallmauer wird lediglich (verzögert um die Flughöhe, also bei 330 Metern um eine Sekunde) wahrgenommen, sobald das Flugobjekt sich senkrecht über dem Beobachter befindet; der Knall eines sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegenden Objekts wird „nachgeschleppt“.

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 s freigesetzte Energie E ist dabei

$\Delta E = \Delta s \cdot \frac{c'_\mathrm{w}}{2} A \rho v^2\ ,$

wobei c'_w der Widerstandsbeiwert im Überschallbereich ist und zumeist etwa das Doppelte des Wertes c_w im Unterschallbereich beträgt. Ferner ist A die Stirnfläche des Flugzeugs, ρ die Luftdichte und v die Fluggeschwindigkeit relativ zur umgebenden Luft. Entsprechend ist die an die Luft abgegebene Leistung bei konstanter Fluggeschwindigkeit

$P = \frac{\mathrm{d}E}{\mathrm{d}t} = \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t} \frac{c'_\mathrm{w}}{2} A \rho v^2 = \frac{c'_\mathrm{w}}{2} A \rho v^3\ .$

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 sehr großen Flugkörpern oder extrem hohen Überschallgeschwindigkeiten kann die Druckwelle dennoch stark und/oder zeitlich konzentriert genug sein, dass hörbare Schallwellen oder gar Stoßwellen 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 im Normalfall nur über unbewohntem Gebiet (in der Regel über dem offenen Meer) auf Überschall erhöht. Eine Besonderheit stellt deswegen auch der Flug einer Concorde 1986 von Paris nach Leipzig dar. Vom Drehfunkfeuer (VOR) Trent auf Rügen bis zum VOR Fürstenwalde ist die Maschine mit Überschall über das Gebiet der DDR geflogen. Die DDR hat Lärmmessungen durchgeführt und die Ergebnisse an die französische Seite übermittelt.

Geschichte

Das erste von Menschenhand geschaffene Objekt, das die Schallgeschwindigkeit überschritt, war die Peitsche. Die theoretische Beschreibung des Peitschenknalles gelang dem Physiker István Szabó.

Es spricht einiges dafür, dass Lothar Sieber am 1. März 1945 als erster Mensch die Schallmauer durchbrochen hat. Beim Testflug einer Bachem Ba 349 geriet sie unbeabsichtigt in einen Sturzflug. Einer Rekonstruktion zufolge erreichte Sieber dabei vermutlich Schallgeschwindigkeit. Er überlebte diesen Flug jedoch nicht.

Der deutsche Jagdflieger Hans Guido Mutke will am 9. April 1945 mit einer Messerschmitt Me 262 die Schallmauer durchbrochen haben. Allerdings fehlt für die Behauptung jeder Beweis. Auch Wolfgang Czaia, der deutsche Testpilot des Me-262 Nachbauprojektes,^[1] hält diese Behauptung für nicht realistisch. Er hat als Testpilot beide in den USA bisher nachgebauten Me-262 eingeflogen und kennt daher deren Daten und Parameter sehr genau.^[2] Piloten der ersten Düsenflugzeuge stellten fest, dass mit der damaligen Technologie ein Durchbrechen der Schallmauer wenig wahrscheinlich war. Bei Geschwindigkeiten über Mach 0,95 traten schwere mechanische Belastungen auf, die Steuerungswirkung ging verloren. In Einzelfällen stürzten die Maschinen dadurch ab oder brachen auseinander.

Am 1. Oktober 1947 durchbrach George Welch mit einem Prototypen der North American F-86 Sabre im 40-Grad Sturzflug die Schallmauer. Da der Geschwindigkeitsmesser aber nicht auf die entsprechende Höhe kalibriert war und auch keine Geschwindigkeitsmessung vom Boden aus stattfand, wurde der Flug offiziell nicht gewertet.

Am 14.Oktober 1947 durchbricht Chuck Yeager mit der Bell X-1 als erster Mensch die Schallmauer.

Am 14. Oktober 1947 durchbrach der amerikanische Testpilot Chuck Yeager in einer Bell X-1 in etwa 15.000 m Höhe nachweislich die Schallmauer. Er hatte bei den Flugversuchen mit den Stoßwellen und einer daraus resultierenden Herabsetzung der Wirksamkeit des Höhenruders zu kämpfen. Erst die Idee, die gesamte Höhenflosse mit Elektromotoren anstatt mit Muskelkraft zu bewegen, ermöglichte diese Pioniertat. Der Rumpf des Raketenflugzeugs X-1 hatte noch die Form eines maßstäblich vergrößerten Gewehrgeschosses, was bei Flugzeugen aerodynamisch ungünstig ist. Ein regulärer Überschallflug wurde erst möglich, nachdem Flugzeuge mit gepfeilten Tragflächen und unter Beachtung der Flächenregel konstruiert wurden.

Das erste strahlgetriebene Serienflugzeug, das im leichten Bahnneigungsflug Überschallgeschwindigkeit erreichte, war ein Prototyp der North American F-86 Sabre (XP-86 Sabre, 26. April 1948). Mit der Französin Jacqueline Auriol flog im Sommer 1953 die erste Frau mit einer Dassault-Breguet Mystère Überschall. Den ersten offiziellen FAI-Geschwindigkeitsrekord mit Überschallgeschwindigkeit erreichte eine North American F-100 am 20. August 1955.

Mach-3-Bomber North American XB-70

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. Raketenflugzeuge wie die X-15 kamen auf die 7-fache Schallgeschwindigkeit, Scramjets wie der Testflugkörper X-43A erreichen knapp Mach 10 (9,6). Militärische Flugzeuge oder wissenschaftliche Testflugkörper mit Überschallgeschwindigkeit sind bis heute im Einsatz. Zu den bemerkenswertesten Überschallflugzeugen gehört die XB-70. Hierbei handelt es sich um einen Überschallbomber, der für eine Dauergeschwindigkeit von Mach 3 ausgelegt war.

Das Space Shuttle fliegt bei der Rückkehr zur Erde antriebslos im Überschallbereich.

Ziviler Überschallflug

Das erste zivile Überschallflugzeug war die sowjetische TU-144. Sie erreichte als erstes Verkehrsflugzeug am 26. Mai 1970 doppelte Schallgeschwindigkeit (2150 km/h), war jedoch mehr ein politischer und technischer, als ein wirtschaftlicher Erfolg.

Im Gegensatz zu der fast zur gleichen Zeit mit hohen Kosten entwickelten britisch-französischen Concorde, die von 1976 bis 2003 erfolgreich ihren Liniendienst mit über Mach 2 versah, wurde die TU-144 wegen der hohen Kosten im Flugbetrieb im Jahre 1978 wieder außer Dienst gestellt. Auch andere Flugzeugproduzenten wie Boeing entwickelten in dieser Zeit Überschallpassagierflugzeuge, stellten aber 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. Ein weiteres frühes Passagierflugzeug, das Überschallgeschwindigkeit erreichte war eine Douglas DC-8. Dies geschah jedoch im Sinkflug und das Flugzeug war eigentlich nicht dafür ausgelegt.

Auch wenn die Entwicklung ziviler Überschallflugzeuge kein echter wirtschaftlicher Erfolg war, so ist der Nutzen für den Flugzeugbau nicht zu unterschätzen. Viele Neuerungen, die heute zu den Selbstverständlichkeiten im Flugzeugbau zählen, wären ohne die „Forschungskostenzuschüsse“ bei der Entwicklung der zivilen Überschallflugzeuge bis heute undenkbar.

Im Juli 2000 stürzte eine Concorde auf dem Air-France-Flug 4590 in Folge einer durch einen Fremdkörper auf der Startbahn ausgelösten verheerenden Kettenreaktion kurz nach dem Start im Ort Gonesse bei Paris ab. 113 Menschen kamen bei dem Unglück ums Leben. Air France und British Airways stellten daraufhin vorübergehend den Flugbetrieb der Concorde ein und besserten die Kerosintanks in den Flügeln nach. 2001 entschieden Frankreich und England nach einer kurzen Wiederaufnahme der Flüge, 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 einer Concorde statt.

Im Juni 2005 unterzeichneten Frankreich und Japan anlässlich der Flugmesse in Le Bourget ein Abkommen, demzufolge beide Staaten künftig jährlich 1,5 Millionen Euro an Forschungsmitteln zur Entwicklung eines gemeinsamen zivilen Überschallflugzeugs bereitstellen werden.

Die ESA koordiniert das Projekt Long-Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies, das ein europäisches Überschall-, genauer Hyperschallpassagierflugzeug entwerfen soll.

Verwandte Themen

• Bei Bewegungen unterhalb der Schallgeschwindigkeit gibt es akustische Frequenzänderungen durch den Dopplereffekt.

Literatur

• Johannes Burkhardt and Ulrich M. Schoettle (Stuttgart, Univ., Germany), AIAA-1996-3439, Atmospheric Flight Mechanics Conference, Flight performance and control aspects of a semi-ballistic reentry capsule, San Diego, CA, July 29-31, 1996

Quellen

1. ↑ http://www.stormbirds.com/project/index.html Bau von flugfähigen Rekonstruktionen der Me 262
2. ↑ Wolfgang Czaia: Projekt 262. Tagebuch eines Testpiloten. (NeunundzwanzigSechs Verlag)

Weblinks

• Neue Raumtransportsysteme
• Rheinzeitung: Stichwort Schallmauer
• Der Knall aus Schall. Wie entsteht die Schallmauer?
• Hintergrundinformationen zum Überschallknall
• Scheibeneffekt beim Überschallknall