Wie funktioniert die Schallmauer?

Bei gewöhnlichen Geschwindigkeiten kündigt sich ein Flugzeug an. Druckstörungen laufen ihm mit Schallgeschwindigkeit voraus, und die Luft beginnt sich zu teilen, bevor Nase und Flügel ankommen, und strömt glatt um sie herum. Je mehr sich das Flugzeug der Schallgeschwindigkeit nähert, desto weniger Zeit bleibt dieser Vorwarnung zum Wirken. Luft erreicht die Oberflächen, bevor sie sich anpassen kann, und wird, statt sanft auszuweichen, abrupt über einen sehr schmalen Bereich verdichtet, der Verdichtungsstoß genannt wird. Über einen Verdichtungsstoß springen Druck, Temperatur und Dichte fast augenblicklich, während die Strömung abgebremst wird. Die ersten Stöße treten nicht bei Mach 1 auf, sondern früher, typischerweise um Mach 0,8, weil die über eine gekrümmte Flügeloberseite beschleunigte Luft dort bereits lokal Überschallgeschwindigkeit erreicht, auch wenn das Flugzeug insgesamt dies noch nicht tut.

Verdichtungsstöße kosten Energie, und das Flugzeug bezahlt dafür mit Widerstand. Zwischen etwa Mach 0,8 und Mach 1,2, dem transsonischen Bereich, kann sich der Widerstand mehrfach vervielfachen, während sich Stöße bilden, verstärken und über Tragflächen und Rumpf wandern. Hinter einem Stoß löst sich die Grenzschicht oft von der Oberfläche, was Flattern und Auftriebsverlust verursacht. Der Auftriebsmittelpunkt wandert nach hinten und drückt die Nase nach unten, eine Tendenz, die als Mach Tuck bezeichnet wird, und Steuerflächen, die hinter einem Stoß liegen, können ihre Wirkung verlieren, weil die sie erreichende Luft bereits gestört ist. Propellerflugzeuge des Zweiten Weltkriegs stießen bei Hochgeschwindigkeits-Sturzflügen auf diese Effekte, und mehrere gingen dabei verloren, woher die Vorstellung einer festen Mauer stammt.

Die Mauer erwies sich als eine Frage von Schub und Form, nicht als absolute Grenze. Strahl- und Raketentriebwerke lieferten Schub, der bei hoher Geschwindigkeit weiter zunahm, anders als bei Propellern, deren Blattspitzen zuerst Überschallgeschwindigkeit erreichten. Dünne Tragflächen und spitze Nasen verzögern und schwächen die Stöße; eine Pfeilung der Flügel senkt die Geschwindigkeit, die die Luft entlang der Flügeltiefe erfährt, und verschiebt den Widerstandsanstieg zu einer höheren Machzahl. Ein bewegliches Höhenleitwerk statt eines angelenkten Höhenruders erhält die Nicksteuerung im gesamten transsonischen Bereich. Die in den 1950er-Jahren entdeckte Flächenregel zeigte, dass eine gleichmäßigere Änderung des Gesamtquerschnitts eines Flugzeugs entlang seiner Länge den transsonischen Widerstand stark senkt, weshalb manche Überschallkonstruktionen eingeschnürte Rümpfe haben. Sobald Mach 1 überschritten ist, pendeln sich die Stöße in ein stabiles Muster ein und der Flug wird wieder ruhiger, auch wenn der Widerstand höher bleibt als im Unterschall-Reiseflug.