Überschallflug
[[Bild:FA-18_Hornet_breaking_sound_barrier_(7_July_1999).jpg|thumb|300px|Ein Northrop F/A-18 Hornet durchbricht die Schallmauer, sichtbar durch den Wolkenscheibeneffekt]] 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.
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Schallmauer
In Bodennähe liegt die Schallgeschwindigkeit bei 320–340 m/s. Sie ist abhängig von der Temperatur, aber praktisch unabhängig vom Luftdruck. In größeren Höhen nimmt sie daher ab. Nähert sich das Flugzeug der Schallgeschwindigkeit (Mach 1), kommt es durch die Kompressibilität der Luft zu Stoßwellen 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 (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.)
[[Bild:Machscher Kegel.jpg|thumb|]] 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 während des Fluges mit Überschallgeschwindigkeit dadurch, dass die einer Stoßfront folgende Unterdruckphase die Luft abkühlt und dadurch den Wasserdampf der Luft zur Kondensation bringt. Ähnliche Effekte sind auch bei Druckwellen von Explosionen zu beobachten.
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. Auch wenn der Knall nur einmalig wahrgenommen wird, so darf man nicht zu dem Trugschluss kommen, es entstehe nur ein einziger Knall, nämlich wenn die Schallmauer durchbrochen wird. Die Tangente aller Kreise des Kegels, also sozusagen die "Seite" des Kegels, bestimmt den Zeitpunkt des Knalls. Wenn der Empfänger von ihr erreicht wird, ist der Knall zu hören, danach z.B. die Motorengeräusche. Währenddessen bewegt sich die Tangente allerdings fort, weshalb ein weiterer Empfänger nach einiger ebenfalls von ihr erreicht wird und einen weiteren Knall hört.
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 c'w der Widerstandsbeiwert im Überschallbereich ist und zumeist etwa das Doppelte des Wertes cw 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
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
[[Bild:Pilot_Neil_Armstrong_mit_X-15_(1960).jpg|thumb|Pilot Neil Armstrong mit X-15 (1960)]] Am 14. Oktober 1947 durchbrach der amerikanische Testpilot Chuck Yeager in einer Bell X-1 in etwa 15.000 m Höhe als erster Mensch 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.
Als erste Frau folgte die Französin Jacqueline Auriol im Sommer 1953 mit einer Dassault-Breguet Mystère.
Auch der deutsche Jagdflieger Hans Guido Mutke behauptete, bereits am 9. April 1945 die Schallmauer durchbrochen zu haben, allerdings fehlt für diese Behauptung jeder Beweis.
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 die X-43A erreichen knapp Mach 10. 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.
Allerdings unterzeichneten im Juni 2005 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 Überschallfleugzeugs bereit stellen werden. Geplant ist die Entwicklung einer Maschine mit der ca. dreifachen Sitzanzahl der Concorde, welche die Strecke Tokyo - New York in ca. sechs Stunden zurücklegen und die im Jahr 2015 fertig gestellt werden soll.
Weblinks
- Rheinzeitung: Stichwort Schallmauer
- Der Knall aus Schall. Wie entsteht die Schallmauer?
- Hintergrundinformationen zum Überschallknall
- Film über den Wolkenscheibeneffekt mit einer F14