Wann wird die Schallmauer durchbrochen?

Die Schallgeschwindigkeit in der Luft hängt nur von der Temperatur ab, nicht von Druck oder Höhe an sich. Der Zusammenhang ist einfach: Sie steigt mit der Quadratwurzel der absoluten Temperatur. In der Standardatmosphäre auf Meereshöhe, bei 15 °C, bewegt sich der Schall mit 340,3 m/s, also 1.225 km/h (661 kn). An der Tropopause, auf 11.000 Metern und bei −56,5 °C, sinkt sie auf 295 m/s, etwa 1.062 km/h (573 kn), und bleibt darüber konstant, solange sich die Temperatur nicht ändert.

Deshalb ist die operative Bezugsgröße nicht die Geschwindigkeit in km/h, sondern die Machzahl: das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit des Flugzeugs und der Schallgeschwindigkeit in dieser bestimmten Luft. Ein Verkehrsflugzeug, das mit Mach 0,85 reist, bewegt sich mit etwa 900 km/h; derselbe Wert in niedriger Höhe wäre in absoluten Zahlen deutlich schneller.

Es gibt keine physische Barriere bei Mach 1, aber es gibt einen unangenehmen Übergang. Schon im transsonischen Bereich, ab Mach 0,7 oder 0,8, entstehen über den stärker gekrümmten Teilen der Tragfläche Zonen lokaler Überschallströmung und mit ihnen Stoßwellen, die einen starken Anstieg des Widerstands und Strömungsablösungen verursachen. Dieses Phänomen, Widerstandsdivergenz genannt, ließ mehrere Prototypen der 1940er Jahre heftige Vibrationen, Steuerungsverlust und sogar eine Umkehr der Höhenrudersteuerung erleiden, was die Vorstellung einer „Schallmauer" nährte.

Die Lösung war eine Frage der Konstruktion: Pfeilflügel, die das Auftreten von Stoßwellen verzögern; dünne Profile; Whitcombs Flächenregel, die den Rumpf am Flügel verengt, um die Verteilung der Querschnittsflächen zu glätten; und das voll bewegliche Höhenleitwerk, genau die Änderung, die die Bell X-1 steuerbar machte.

Oberhalb von Mach 1 fliegt das Flugzeug vor seinen eigenen Störungen her, die sich in einem Stoßkegel aufstauen, dessen Durchgang am Boden als Überschallknall wahrgenommen wird. Der Knall ist durchgehend, solange der Überschallflug dauert: Er zieht sich wie eine Spur hinterher, er geschieht nicht nur im Moment des Durchbrechens von Mach 1.

Der erste aufgezeichnete Überschallflug war der der Bell X-1, geflogen von Charles „Chuck" Yeager am 14. Oktober 1947 über der Mojave-Wüste, mit Mach 1,06 und etwa 13.000 Metern Höhe, nachdem sie von einer B-29 abgeworfen worden war. 1976 stellte die Lockheed SR-71 Blackbird den Geschwindigkeitsrekord für ein bemanntes, luftatmendes Flugzeug auf: 3.529,6 km/h. Der absolute Landrekord gehört dem ThrustSSC, der 1997 Mach 1 am Boden überschritt.

In der zivilen Luftfahrt war der Überschallflug eine kurze Ausnahme. Die Concorde flog zwischen 1976 und 2003 mit Mach 2,02, und die Tupolew Tu-144 hatte eine noch kürzere kommerzielle Laufbahn. Der Überschallknall führte zum Verbot ziviler Überschallflüge über dem Gebiet zahlreicher Länder, was diese Flugzeuge auf Ozeanrouten beschränkte und ihre Wirtschaftlichkeit zerstörte. Die aktuelle Forschung konzentriert sich genau darauf, diesen Knall durch Formen zu dämpfen, die die Stoßwellen streuen.