Wie funktionieren Überschallflugzeuge?

Unterhalb der Schallgeschwindigkeit wird die Luft vor einem Flugzeug durch Druckwellen auf dessen Annäherung vorgewarnt und strömt glatt um es herum. Oberhalb von Mach 1 überholt das Flugzeug seine eigenen Drucksignale, und die Luft wird abrupt an Stoßwellen abgelenkt, die an Nase, Einläufen, Flügelvorderkanten und Leitwerk anliegen. Jeder Stoß kostet Energie, die als Wellenwiderstand erscheint. Ein Überschall-Entwurf beginnt damit, diese Stöße so schwach und so wenige wie möglich zu machen: eine scharfe Nase, dünne Flügel mit scharfen Vorderkanten sowie Pfeilung oder eine Deltaform, sodass die Vorderkanten innerhalb des Mach-Kegels der Nase liegen. Der Rumpf wird schlank gehalten, und seine Querschnittsfläche verändert sich von der Nase bis zum Heck gleichmäßig, gemäß der Flächenregel, die Richard Whitcomb in den 1950er-Jahren formalisierte.

Der Verdichter eines Düsentriebwerks kann keine Überschallströmung aufnehmen. Jedes Überschallflugzeug besitzt daher einen Einlauf, der die Luft auf etwa Mach 0,5 verzögert, bevor sie die Fan- oder Verdichterstufe erreicht, und zwar über eine gesteuerte Abfolge schräger Stöße statt eines einzigen heftigen senkrechten Stoßes. Bei der Concorde geschah dies über hydraulisch bewegte Rampen in rechteckigen Einläufen, die bei Mach 2 einen großen Teil des Nettoschubs allein durch das Verdichten der einströmenden Luft lieferten; die SR-71 nutzte in jeder Triebwerksgondel einen beweglichen Zentralkörper-Dorn. Ein fehlerhaft eingestellter Einlauf führt zu einem „Unstart“, einem heftigen Schubverlust, wenn das Stoßmuster aus dem Kanal herausspringt.

Der Schub selbst stammt von Turbojets oder Niederbypass-Turbofans, meist mit einem Nachbrenner, der im Abgasstrahl zusätzlichen Treibstoff verbrennt, um den Anstieg des transsonischen Widerstands zu überwinden. Einige Flugzeuge, etwa die Concorde und die F-22, können anschließend ohne Nachverbrennung im Überschallbereich fliegen, was deutlich treibstoffsparender ist.

Bei Mach 2 erhitzt die an der Haut verdichtete Luft diese auf deutlich über 100 °C; die Nase der Concorde erreichte etwa 127 °C, und die Zelle dehnte sich im Reiseflug um rund 20 cm. Aluminiumlegierungen vertragen etwa diese Grenze; schnellere Flugzeuge wie die SR-71 verwendeten Titan. Geschwindigkeit verschiebt außerdem den Druckpunkt nach hinten, was die Nase nach unten drücken würde. Die Concorde löste dies, indem sie Treibstoff zwischen vorderen und hinteren Tanks umpumpte, um den Schwerpunkt entsprechend mitzuverschieben, statt den Widerstand einer dauerhaften Trimmauslenkung in Kauf zu nehmen. Steuerflächen verlieren an Wirksamkeit, wenn sich Stöße über ihnen bilden, weshalb Überschallflugzeuge voll bewegliche Höhenleitwerke oder Elevons einsetzen, die die gesamte Fläche bewegen.

Die Stoßwellen schleppen hinter dem Flugzeug zum Boden nach und erzeugen dort den Überschallknall, weshalb ziviler Überschallflug über Land in den meisten Ländern seit den 1970er-Jahren verboten ist. Die X-59 der NASA testet, ob eine sorgfältig geformte Zelle den Knall in ein leises Poltern verwandeln kann; falls ja, könnten die Vorschriften folgen.