Warum gibt es die Schallmauer?

Luft ist keine feste Wand vor einem Flugzeug; sie weicht aus, weil die Druckstörung der sich nähernden Nase sie zuerst erreicht und in Bewegung setzt. Diese Störung bewegt sich exakt mit Schallgeschwindigkeit, denn eine Schallwelle und ein Drucksignal sind dasselbe. Solange das Flugzeug langsamer ist als der Schall, läuft das Signal voraus, die Luft beginnt auszuweichen, bevor das Flugzeug eintrifft, und die Strömung legt sich glatt um Flügel und Rumpf. Wird das Flugzeug schneller, hat das Signal weniger Vorsprung. Bei Schallgeschwindigkeit hat es gar keinen mehr: Das Flugzeug trifft im selben Augenblick ein wie seine eigene Druckwelle, und die Luft erhält überhaupt keine Vorwarnung.

Luft, die nicht im Voraus ausweichen kann, wird fast augenblicklich in einer sehr dünnen Schicht komprimiert, einer Stoßwelle, über die Druck, Dichte und Temperatur sprunghaft ansteigen. Diesen Sprung zu erzeugen kostet Energie, die vom Flugzeug stammt, und äußert sich als plötzlicher Anstieg des Widerstands, oft um ein Mehrfaches des Unterschallwerts im transsonischen Bereich zwischen Mach 0,8 und 1,2. Stoßwellen bilden sich zuerst über der gewölbten Flügeloberseite, wo die Luft lokal auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird, während das Flugzeug selbst noch im Unterschallbereich fliegt. Hinter der Stoßwelle löst sich die Strömung oft von der Oberfläche, was starkes Buffeting und Auftriebsverlust zur Folge hat. Die Mauer liegt daher nicht bei einer exakten Geschwindigkeit; sie ist ein Geschwindigkeitsband, in dem sich das Verhalten der Luft grundlegend verändert.

Der Name stammt aus dem Zweiten Weltkrieg, als schnelle Propellerjäger im Steilflug etwa Mach 0,8 erreichten und auf Effekte stießen, für die niemand konstruiert hatte. Stoßwellen über dem Flügel verschoben den Auftriebsmittelpunkt nach hinten und drückten die Nase im Sturzflug weiter nach unten, eine Tendenz, die man Mach-Tuck nannte. Angeschlagene Höhenruder, die in der gestörten Luft hinter einer Stoßwelle lagen, verloren ihre Wirksamkeit, sodass Ziehen am Steuerknüppel nichts bewirkte, und mehrere Flugzeuge zerbrachen oder stürzten zu Boden. Propeller verschlimmerten die Lage, weil ihre Blattspitzen vor dem Flugzeug selbst Überschallgeschwindigkeit erreichten und dabei Schub verloren. Ingenieure kannten die Physik von Gewehrkugeln und Artilleriegeschossen, die diesen Bereich routinemäßig durchqueren, doch erst Düsen- und Raketentriebwerke, dünne Flügel und ein vollbewegliches Leitwerk gaben einem bemannten Flugzeug den Schub und die Steuerbarkeit, um dasselbe zu tun. Sobald diese Mittel existierten, blieb die Mauer als Widerstandsanstieg und Überschallknall real, hörte aber auf, eine Grenze zu sein.