Warum gibt es die Schallmauer?

Der Ausdruck fand in den 1930er- und 1940er-Jahren Eingang in die Alltagssprache, als Flugzeuge erstmals schnell genug flogen, um beim Annähern an die Schallgeschwindigkeit in Schwierigkeiten zu geraten, und Journalisten machten aus dem Ingenieursbegriff einer Kompressibilitätsbarriere etwas, das wie eine Wand klang. Es gibt keine Wand. Was existiert, ist ein Bereich, etwa von Mach 0,8 bis Mach 1,2, in dem sich das Verhalten der Luft grundlegend ändert, und Flugzeuge, die für niedrigere Geschwindigkeiten ausgelegt waren, verhielten sich darin schlecht. Sturzflug-Jäger des Zweiten Weltkriegs wie die P-38 Lightning stießen zuerst darauf: heftiges Flattern, Steuerorgane, die sich verhärteten, und eine Nase, die sich nach unten neigte und sich nicht mehr hochziehen ließ.

Luft, die über einen gekrümmten Flügel strömt, wird beschleunigt, sodass die lokale Strömung Mach 1 erreicht, während das Flugzeug selbst noch deutlich darunter liegt. Wo die Strömung wieder auf Unterschallgeschwindigkeit abgebremst wird, geschieht dies über eine Stoßwelle, eine dünne Fläche, über die der Druck abrupt ansteigt. Hinter dem Stoß löst sich die Grenzschicht ab, der Auftrieb geht über diesem Teil des Flügels verloren, und der Widerstand steigt um ein Mehrfaches an, in dem, was Ingenieure den transsonischen Widerstandsanstieg nennen. Bei einem konventionellen Höhenleitwerk saß der Stoß genau dort, wo das Höhenruderscharnier war, sodass eine Ruderausschlag keine Wirkung mehr zeigte. Propeller, deren Blattspitzen schneller laufen als das Flugzeug, stoßen früher auf dasselbe Problem, was einer der Gründe ist, warum kein propellergetriebenes Flugzeug je im Horizontalflug Überschall erreicht hat.

Die Lösungen kamen aus der Theorie, aus Windkanälen und von einem berühmten Flug. Dünne Flügel und Flügelpfeilung verzögern das Einsetzen lokaler Überschallströmung; deutsche Forschung der 1930er-Jahre zu gepfeilten Flügeln wurde nach 1945 weltweit übernommen. Ein vollbewegliches Höhenleitwerk, das auf Anregung von NACA-Ingenieuren in die Bell X-1 eingebaut wurde, stellte die Nicksteuerung wieder her. Genügend Schub, von Raketen oder Nachbrennern, drückte durch den Widerstandsanstieg hindurch statt um ihn herum. Am 14. Oktober 1947 brachte Chuck Yeager die X-1 über der Mojave-Wüste im Horizontalflug auf Mach 1,06, und damit zeigte sich, dass die Barriere ein technisches Problem war und kein Naturgesetz. Richard Whitcombs Flächenregel, veröffentlicht 1952, erklärte dann, warum Rümpfe am Flügelansatz eingeschnürt werden müssen, und innerhalb eines Jahrzehnts flogen Jäger routinemäßig mit Mach 2.

Heute überlebt die Barriere hauptsächlich als Kostenfaktor. Der Überschall-Wellenwiderstand ist real und dauerhaft, sodass der Treibstoffverbrauch pro Kilometer im Vergleich zu einem Unterschall-Jet etwa doppelt so hoch ist. Der Überschallknall bleibt entlang der gesamten Bodenspur bestehen, und es ist die Regulierung, nicht die Physik, die zivile Flugzeuge über Land im Unterschallbereich hält.