Warum durchbrechen Flugzeuge die Schallmauer?

Ein Flugzeug im Flug stört die Luft um sich herum, und diese Störungen breiten sich als Druckwellen mit Schallgeschwindigkeit aus: etwa 340 m/s (1.225 km/h) auf Meereshöhe bei 15 °C und rund 295 m/s (1.060 km/h) in der Stratosphäre, wo die Luft kälter ist. Solange das Flugzeug langsamer fliegt als seine eigenen Wellen, eilen diese ihm voraus, und die Luft weiter vorne „weiß“ bereits, dass es kommt, und weicht sanft aus. Nähert sich das Flugzeug dieser Geschwindigkeit, Mach 1, können die Wellen nicht mehr nach vorne entkommen: Sie stauen sich zu einer abrupten Verdichtungsfront, der Stoßwelle, auf, und das Verhalten der Luft um das Flugzeug ändert sich grundlegend.

Bevor das gesamte Flugzeug Mach 1 erreicht, wird die beschleunigte Luft über dem stärker gewölbten Teil der Tragfläche bereits lokal Überschall schnell. Über der Oberseite entstehen Stoßwellen, die die Grenzschicht ablösen, der Widerstand vervielfacht sich, und die Steuerflächen verlieren an Wirksamkeit oder kehren ihre Wirkung sogar um. Diese Zone, etwa zwischen Mach 0,8 und 1,2, zerriss in den 1940er-Jahren mehrere Flugzeuge und ließ die Vorstellung einer unüberwindbaren Mauer entstehen. Die Bell X-1, gesteuert von Chuck Yeager, bewies im Oktober 1947, dass es diese Mauer nicht gab: Mit einem an eine Gewehrkugel angelehnten Rumpf, einem voll beweglichen Höhenleitwerk und einem Raketentriebwerk durchbrach sie Mach 1 im Horizontalflug.

Schneller als der Schall zu fliegen erfordert drei Dinge. Erstens reichlich Schub: Der Wellenwiderstand ist so groß, dass viele Kampfflugzeuge ihn nur mit Nachbrenner überwinden, wobei manche modernen Entwürfe den Überschallreiseflug auch ohne ihn erreichen. Zweitens Formen, die die Stoßwellen verzögern und abmildern: gepfeilte oder Deltaflügel, dünne Profile, spitze Nasen und die Flächenregel, nach der sich die Gesamtquerschnittsfläche des Flugzeugs von der Nase bis zum Heck gleichmäßig ändern muss. Drittens Steuerungen und eine Struktur, die den Verschiebungen des Druckpunkts und den Belastungen des Überschallregimes standhalten.

Die Stoßwellen, die das Flugzeug begleiten, breiten sich kegelförmig bis zum Boden aus und werden als doppelter Knall wahrgenommen, einer von der Nase und einer vom Heck. Dieser Lärm ist der Grund, warum die Concorde nur über dem Meer Überschall fliegen durfte, und warum heute an Rumpfformen geforscht wird, die den Knall auf ein gedämpftes Poltern reduzieren, wie beim NASA-Demonstrator X-59.