Wie hoch fliegen Überschallflugzeuge?

Die Concorde flog im Reiseflug zwischen etwa 15.000 und 18.300 m (50.000 bis 60.000 Fuß) und stieg dabei typischerweise langsam weiter, während sie Treibstoff verbrauchte; 60.000 Fuß galten als zertifiziertes Maximum. Das liegt 5 bis 7 km über den verkehrsreichsten Flugflächen der Airlines, sodass keine Staffelung zum Unterschall-Verkehr nötig war und ein direkter Kurs über den Atlantik möglich wurde. Ihre Fenster waren klein, und die Kabinendruckhaltung war anspruchsvoller als bei einem gewöhnlichen Jet, denn in 18 km Höhe liegt der Außendruck unter einem Zehntel des Meereshöhenwerts, und eine schnelle Dekompression würde nur wenig Zeit nutzbaren Bewusstseins lassen.

Widerstand und strukturelle Belastungen hängen vom dynamischen Druck ab, der halben Luftdichte mal Geschwindigkeit im Quadrat. Bei Mach 2 in Meereshöhe wäre der dynamische Druck enorm, weit jenseits dessen, was eine praktikable Flugzeugzelle aushalten kann, und die Hauterwärmung wäre extrem. Der Aufstieg auf 17 km senkt die Luftdichte auf etwa ein Zehntel des Meereshöhenwerts, sodass das Flugzeug doppelt so schnell wie ein Linienflugzeug fliegen kann, ohne die Struktur stärker zu belasten als ein Jet in niedriger Höhe. Auch die Triebwerke profitieren: Kalte Luft verbessert die Verdichtung im Einlauf, und die geringe Dichte hält die Luftströmung durch das Triebwerk innerhalb der Grenzwerte. Es gibt neben einer Obergrenze auch eine Untergrenze, denn ein Flügel braucht genug dynamischen Druck, um das Flugzeug zu tragen – deshalb beschleunigte die Concorde erst oberhalb von etwa 9 km durch Mach 1.

Die Höhe mildert auch den Überschallknall. Die Drucksignatur schwächt sich ab, während sie sich über viele Kilometer Atmosphäre ausbreitet, und aus 17 km erreicht der Knall den Boden mit etwa 2 Pfund pro Quadratfuß – laut, aber über dem Ozean erträglich.

Aufklärungsflugzeuge flogen noch höher. Die Lockheed SR-71 operierte oberhalb von 24.000 m (80.000 Fuß) bei Mach 3,2, wo der Himmel dunkelblau erscheint und die Besatzung volle Druckanzüge trug. Jäger sind anders: Sie können Mach 1 in fast jeder Höhe oberhalb einiger tausend Meter überschreiten, tun dies aber typischerweise zwischen 10 und 15 km, wo ihnen noch Manövrierspielraum bleibt. In niedriger Höhe ist Überschallflug für kurze Vorstöße möglich, wie es bei Tornado und F-111 vorgesehen war, doch Treibstoffverbrauch und Belastung der Flugzeugzelle steigen dort so schnell, dass er nie aufrechterhalten wird.

Geplante Überschall-Linienflugzeuge folgen derselben Logik. Die Overture von Boom soll im Reiseflug bei etwa 18 km und Mach 1,7 fliegen, und der X-59-Demonstrator der NASA fliegt bei etwa 16,8 km und Mach 1,4 – so gewählt, dass der Knall am Boden schwach bleibt. Höhere Reiseflughöhen ziehen mehr Aufmerksamkeit für Emissionen in der unteren Stratosphäre nach sich, weshalb Umweltstudien sich auf diesen Höhenbereich konzentrieren.