Was passiert, wenn ein Flugzeug Überschall erreicht?

Schall ist eine Druckwelle, und bei Unterschallgeschwindigkeit erhält die Luft vor einem Flugzeug durch diese Wellen eine Vorwarnung: Die Strömung beginnt, um Nase und Tragflächen auszuweichen, noch bevor diese dort ankommen. Bei Mach 1 bewegt sich das Flugzeug so schnell wie die Vorwarnung selbst, und die Störungen können sich nicht mehr nach vorn ausbreiten. Sie stauen sich in extrem dünnen Bereichen, in denen Druck, Temperatur und Dichte fast unstetig ansteigen. Das sind Stoßwellen, und jedes Überschallflugzeug trägt eine Reihe davon an Nase, Cockpitkanzel, Tragflächenvorderkanten, Lufteinläufen und Heck.

Das Unangenehme ist nicht der Überschallflug selbst, sondern der Weg dorthin. Die Luft beschleunigt, während sie sich über eine Tragfläche krümmt, sodass Teile der Strömung Mach 1 erreichen, während das Flugzeug noch bei etwa Mach 0,8 liegt. Lokale Stoßwellen bilden sich auf der Oberseite, die Grenzschicht dahinter löst sich ab, und der Widerstand steigt stark an. Bei den frühen Flugzeugen, die diesen Bereich erforschten, waren die Effekte dramatisch: Vibrationen, eine abwärts gerichtete Nickentendenz namens Mach Tuck, Querruder mit umgekehrter Wirkung und Höhenruder, die durch die auf dem Leitwerk sitzende Stoßwelle blockiert wurden. Die Bell X-1 löste Letzteres mit einem vollbeweglichen Höhenleitwerk, und die darauf folgenden Entwurfswerkzeuge, Pfeilflügel, dünne Profile und die Flächenregel, erlaubten späteren Flugzeugen, diesen Bereich reibungslos zu durchqueren.

Ist das Flugzeug vollständig im Überschallbereich, wird die Strömung geordneter. Die Stoßwellen stabilisieren sich, der Widerstand pendelt sich auf einem höheren, aber vorhersagbaren Niveau ein, und der Druckpunkt verschiebt sich nach hinten, was bei der Concorde durch das Pumpen von Treibstoff in einen Trimmtank im Heck ausgeglichen wurde. Die durch die Stoßwellen verdichtete Luft erhitzt sich zudem: Bei Mach 2 erreichte die Nase der Concorde etwa 127 °C, und die Zellenstruktur dehnte sich im Reiseflug um rund 25 cm aus. Die Triebwerkseinläufe benötigen bewegliche Rampen oder Spikes, um die einströmende Luft vor dem Verdichter auf Unterschallgeschwindigkeit abzubremsen. Die Piloten spüren wenig davon; der Machmeter ist das einzige klare Zeichen dafür, dass sich etwas geändert hat.

Die Stoßwellen bleiben nicht am Flugzeug haften. Sie breiten sich kegelförmig nach außen aus und erreichen den Boden als plötzlichen Druckanstieg, gefolgt von einem Abfall, der als doppelter Knall zu hören ist. Der Knall ist entlang der gesamten Überschallstrecke durchgehend vorhanden, weshalb Überschallflüge über Land seit den 1970er-Jahren in den meisten Ländern verboten sind und weshalb die X-59 der NASA eine Form testet, die die Signatur abschwächt.