Warum knallt die Schallmauer?

Die gängige Vorstellung ist, dass ein Flugzeug mit einem einzigen Knall durch eine Schallwand durchbricht. In Wirklichkeit handelt es sich um ein kontinuierliches Phänomen. Jedes Überschallflugzeug zieht einen Kegel aus Stoßwellen hinter sich her, und der Knall ist das Geräusch, das entsteht, wenn dieser Kegel über den Boden streicht. Ein Zuhörer hört einen Knall, wenn der Kegel vorbeizieht, aber ein Zuhörer 10 km weiter entlang der Flugbahn hört ihn erst einige Sekunden später, und so weiter für den gesamten Überschallflug. Die Besatzung hört nichts, weil der Kegel hinter ihr zurückbleibt; ein Jäger bei Mach 1,5 legt einen Knallteppich von etwa 30 bis 50 km Breite unter seiner Flugbahn aus.

Bei Unterschallgeschwindigkeit laufen Druckstörungen dem Flugzeug voraus und breiten sich gleichmäßig aus. Über Mach 1 können sie ihrer Quelle nicht mehr entkommen und stauen sich daher zu Stoßwellen, dünnen Flächen, an denen der Druck fast augenblicklich springt. Weit vom Flugzeug entfernt verschmelzen die vielen einzelnen Stoßwellen von Bug, Kabine, Tragflächen und Heck zu zweien: einem vorauslaufenden Stoß, an dem der Druck stark ansteigt, und einem nachlaufenden Stoß, an dem er nach einem Einbruch zurückschnellt. Über die Zeit aufgetragen ergibt das eine N-Form, und das Ohr reagiert auf die beiden abrupten Kanten mit einem Doppelknall, der bei einem Jäger etwa eine Zehntelsekunde auseinanderliegt, bei einem Verkehrsflugzeug länger. Der Knall der Concorde wurde am Boden mit einem Überdruck von etwa 100 Pa gemessen, genug, um Fenster klirren zu lassen.

Der Moment der Beschleunigung durch Mach 1 kann einen gebündelten Knall erzeugen. Während das Flugzeug beschleunigt, treffen Stoßwellen, die bei leicht unterschiedlichen Geschwindigkeiten entstanden sind, in einer engen Zone gleichzeitig am Boden ein, und der Überdruck kann dort ein Mehrfaches des stationären Wertes betragen. Daraus entstand die Vorstellung, die Schallmauer selbst knalle. Das Wetter fügt eine weitere Komplikation hinzu: Temperatur- und Windgradienten brechen die Stoßwelle, sodass ein Knall weit abseits der Flugbahn zu hören sein kann oder, bei niedrigen Überschall-Machzahlen, den Boden überhaupt nicht erreicht, weil sich die Stoßwelle nach oben biegt, bevor sie ankommt.

Weil der Knall das Flugzeug überallhin begleitet, verboten die meisten Länder in den 1970er Jahren zivile Überschallflüge über Land, was die Concorde auf Flugrouten über dem Ozean beschränkte. NASAs X-59-Experiment dreht die Frage um: Indem der Rumpf gestreckt und Triebwerk und Tragfläche so positioniert werden, dass die einzelnen Stoßwellen nie zu einer scharfen N-Welle verschmelzen, soll ein leises Poltern von etwa 75 wahrgenommenen Dezibel entstehen, vergleichbar mit einer Autotür, die aus der Entfernung zuschlägt.