Warum durchbricht man die Schallmauer?

Luft überträgt Druckstörungen mit Schallgeschwindigkeit, etwa 340 m/s (1.225 km/h, 661 kn) auf Meereshöhe und eher 295 m/s (1.062 km/h) in der kalten Luft auf Reiseflughöhe von Verkehrsflugzeugen. Ein Flugzeug, das sich langsamer bewegt, sendet eine Warnung vor sich her: Sein Druckfeld erreicht die Luft davor, und die Strömung teilt sich glatt. Nähert sich das Flugzeug Mach 1, kommt die Warnung mit immer weniger Vorlaufzeit an, und bei Mach 1 kommt sie gar nicht mehr an. Die Luft wird unangekündigt getroffen, und ihr Druck, ihre Dichte und ihre Temperatur ändern sich fast augenblicklich über eine dünne Fläche hinweg: eine Stoßwelle.

Schon lange bevor das Flugzeug als Ganzes Mach 1 erreicht, wird die Luft, die über die gewölbte Oberseite des Flügels beschleunigt, lokal Überschall, sodass bei Fluggeschwindigkeiten von etwa Mach 0,8 bereits kleine Verdichtungsstöße am Flügel auftreten. Der Bereich zwischen etwa Mach 0,8 und 1,2 ist das transsonische Regime, und dort liegt das Problem.

Im transsonischen Regime steigt der Widerstand steil an, manchmal um ein Mehrfaches, weil die Verdichtungsstöße Energie kosten und die Grenzschicht dahinter verdicken. Schlimmer noch: Die Stöße wandern mit der Geschwindigkeit über den Flügel, verschieben den Auftriebsschwerpunkt nach hinten und entziehen dem Leitwerk die saubere Anströmung. Piloten später Kolbenjäger des Kriegsendes, die mit hoher Geschwindigkeit ins Steilen gingen, erlebten starkes Abtauchen der Nase, scheinbar eingefrorene Steuerungen und heftiges Flattern; manche Flugzeuge brachen auseinander. Für die Ingenieure der 1940er-Jahre sah der Widerstandsanstieg im Diagramm wie eine Wand aus, und die Presse nannte es die Schallmauer.

Die Lösung lag nicht allein in roher Kraft, sondern in der Geometrie: dünne Flügel, Pfeilung, um die vom Flügel wahrgenommene effektive Machzahl zu verringern, ein vollbewegliches Höhenleitwerk, um die Nickkontrolle zu erhalten, und später die Flächenregel, die den Querschnittsverlauf entlang des Rumpfes glättet. Am 14. Oktober 1947 brachte Chuck Yeager die raketengetriebene Bell X-1, geformt wie eine Patrone vom Kaliber .50 mit geraden, dünnen Flügeln, auf Mach 1,06 in etwa 13.000 m (43.000 ft) Höhe. Die Mauer war durchbrochen, und die andere Seite erwies sich als ruhiger: Sobald die Strömung vollständig Überschall erreicht hat, beruhigt sie sich, und der Widerstand, obwohl hoch, steigt nicht mehr so steil an.

Die Stoßwellen verschwinden nicht, sobald ein Flugzeug Mach 1 überschritten hat; sie ziehen sich hinter ihm als Kegel her, dessen Öffnungswinkel von der Machzahl abhängt. Wo der Kegel den Boden berührt, hören Menschen einen Überschallknall, typischerweise einen doppelten Knall, weil der Bugstoß und der Heckstoß mit einem Bruchteil einer Sekunde Abstand ankommen. Deshalb heißt es meist, man „durchbreche“ die Mauer, statt sie zu „überschreiten“: Das hörbare Ereignis ist eine echte, plötzliche Energiefreisetzung, und sie begleitet das Flugzeug, solange es Überschallgeschwindigkeit hält.