Schnell wie der Schall

Die Entwickung der Strahltriebwerke ermöglichte einen umfassenden Fortschritt im Bereich der Flugeschwindigkeit - Flug mit Geschwindigkeiten nahe der Schallgeschwindigkeit.
Zu Ehren des Österreichers Ernst Mach - einem bekannten Physiker, aber weniger bedeutenten Philosophen - wurde der Maßstab für die Schallgeschwindigkeit in der Luft von über 331 m/s^-1 unter Standardbedingungen mit dem Buchstaben M = Machzahl bezeichnet.

< 0,8 Mach	subsonisch
0,8 - 1,2 Mach	transsonisch
> 1,2 Mach	supersonisch

Die Fluggeschwindigkeiten unterteilt man allgemein in mehrere festgelegte Bereiche, wobei das Verhältnis der Fluggeschwindigkeit zur Schallgeschwindigkeit (Machzahl) als Kriterium dient. Fliegt ein Flugzeug z. B. mit doppelter Schallgeschwindigkeit, so ist dieses Verhältnis M = 2. Die Schallgeschwindigkeit in Meereshöhe betragt 1226,7 km/h (340,8 m/s), sinkt bis zur Flughöhe von 11 km auf 1064,9 km/h ab und bleibt dann bis in größere Höhen ebenso wie die Temperatur konstant.
Bis zu einer Machzahl von 0,8 spricht man vom Unterschallfiug (subsonisch), während das Übergangsgebiet von M 0,8 bis 1,2 als transsonischer Bereich bezeichnet wird. Bei M 1,2 beginnt das reine Überschallgebiet (supersonisch).
Für sehr hohe Fluggeschwindigkeiten, die den Wert M 3 bis 5 überschreiten, wird die Bezeichnung hypersonisch verwndet.

Theoretiker hatten schon vor 1939 einige aerodynamische Probleme der Überschallgeschwindigkeit untersucht. Vereinzelt wurde auch die Auffassung vertreten, daß die Schallgeschwindigkeit mit Flugzeugen nicht überschritten werden könne. Als sich dann nach 1945 auch die Praxis mit den neuen Triebwerken dem subsonischen Bereich näherte, traten unbekannte Erscheinungen auf. Bei einer bestimmten Geschwindigkeit begannen die Flugzeuge plötzlich zu flattern, veränderten ihre Lastigkeit und die Ruder sprachen kaum noch an. Wieder stand man vor einem Rätsel, doch die Stömungslehre und Hochgeschwindigkeits-Luftkanäle gaben Auskunft.

Stoßwellen an einem Geschoß im supersonnischen Bereich

Die wichtigste Erkenntniss war im Bereich der Annäherung an die Schallgeschwindigkeit die Luft als kopressibel zu betrachten. Denn Verdichtungserscheinungen führten zu den erwähnten Problemen.
Der Verdichtungsstoß beim Überwinden der Schallgeschwindigkeit ist so stark, daß ein Kanonenschuß ähnlicher Knall entsteht. Bei den ersten Flugzeuge mit luftatmenden Triebwerken, waren auf Grund des geringen Leistungsüberschusses die Piloten gezwungen die Schallgeschwindigkeit im Stechflug zu erreichen.
Erst die Berücksichtigung der Flächenregel und nach erheblichen Änderungen am Rumpf konnte als erstes Flugzeug die Convair YF-102A mit eigenen Triebwerken im Horizontalflug auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden.

Es mußten neue auftriebserhöhende Maßnahmen gefunden werden um die geringeren Profildicken und größeren Massen gerecht zu werden. Mit den zunehmenden Geschwindigkeiten wuchsen auch die auf die Ruder wirkenden Kräfte. Diese wurden so groß, daß der Pilot sie nicht mehr mit reiner Muskelkraft bewältigen konnte.
Ein weiteres Anfang der 1960-er Jahre war eine neue Barriere - die Hitzebarriere. Die Aufheizung der Flugzeugzelle durch die Reibung der Luft wurde so stark, das es zu Beeinträchtigungen der Festikeit kam.

Schallgeschwindigkeit in Luft

Die Schallgeschwindigkeit ist definiert durch $c={\sqrt {\kappa \,R_{{\mathrm {s}}}\,T}}$ , wobei κ (kappa) das Verhältnis der spezifischen Wärmen, $R_\mathrm{s}$ die spezifische Gaskonstante der Luft und T die thermodynamische Temperatur (gemessen in Kelvin) (Einheit K) sind. Sie ist also abhängig von der Temperatur, aber unabhängig vom Luftdruck. Die Luftfeuchtigkeit erhöht geringfügig das Produkt $\kappa \,R_{{\mathrm {s}}}$ , doch ist der Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit selbst unter tropischen Bedingungen geringer als 1 %. In trockener Luft ist $R_{{\mathrm {s}}}=287{,}058\ {\mathrm {{J}/({kg\,K})}}$ und $\kappa =1{,}402$ . Für $T=288{,}15\ {\mathrm {K}}=15\ ^{{\circ }}{\mathrm {C}}$ ergibt sich dann eine Schallgeschwindigkeit von $c=340{,}54\ {\mathrm {m/s}}=1225{,}94\ {\mathrm {km/h}}$ . Mit zunehmender Flughöhe nimmt die Schallgeschwindigkeit wegen der niedriger werdenden Temperaturen ab. Im Bereich der üblichen Flughöhen oberhalb 11 km hat die Normatmosphäre eine Temperatur von $T=216{,}65\ {\mathrm {K}}=-56{,}5\ ^{{\circ }}{\mathrm {C}}$ . Daraus ergibt sich eine Schallgeschwindigkeit von $c=295{,}1\ {\mathrm {m/s}}=1062\ {\mathrm {km/h}}$ .

Hitzebarriere

Hitzemauer

Der Begriff ist eine Analogbildung zu Schallmauer, steht allerdings im Gegensatz zu dieser nicht für eine fixe Anströmgeschwindigkeit, sondern für einen Geschwindigkeitsbereich. Bei mehrfacher Schallgeschwindigkeit heizt sich die Flugzeugaußenhaut durch Reibung einige Hundert Grad Celsius auf, so dass widerstandsfähige Metallverbindungen (Titan) die bisherigen Aluminiumlegierungen ersetzen müssen. Wirksame Kühlmaßnahmen sind beim Entwurf moderner Überschallflugzeuge zu berücksichtigen, um die Auswirkungen der aerodynamischen Reibungshitze zu verringern. Für die Lockheed SR-71 wurde in Zusammenarbeit mit Titanium Metals Corp. eine Titanlegierung mit der Bezeichnung Beta B-120 entwickelt - genau so fest wie Stahl aber nur halb so schwer. [vergl.: Materialien]
Die beim Betrieb der Concorde auftretenden Längenänderungen lagen im Bereich von mehreren Zentimetern und waren im Inneren des Cockpit durchaus sichtbar.

Im idealen Gas mit konstanter spezifischer Wärmekapazität c_p erhöht sich die Gastemperatur am Anströmpunkt, an dem das Gas von der Anströmgeschwindigkeit c auf c=0 adiabat verzögert wird, um c² / (2c_p). Die Temperaturerhöhung wächst also beim Aufstau an festen Konturen quadratisch mit der Anströmgeschwindigkeit. Bei Mach > 3 treten allerdings Realgaseffekte ein, wobei sich die Wärmekapazität c_p verändert. Dadurch wächst die Temperaturerhöhung jenseits von Mach 3 nicht mehr quadratisch mit der Anströmgeschwindigkeit.

Schallmauer

Machscher Kegel. Im Fall v>v_s bildet sich eine Stoßwelle (blau dargestellt). v_s bezeichnet hier die Schallgeschwindigkeit.

Nähert sich das Flugzeug der Schallgeschwindigkeit (Ma=1), kommt es durch die Kompressibilität der Luft zu Stoßwellen an verschiedenen Teilen des Flugzeugs (Siehe auch Verdichtungsstoß). Dadurch steigt der aerodynamische Widerstand (Winddruck) erheblich an, bis diese Grenze, bildhaft Schallmauer genannt, überwunden ist. Danach sinkt der Widerstand wieder ab (bleibt jedoch höher als im Unterschallbereich). Moderne militärische Triebwerke liefern im Normalbetrieb ausreichend Schub, um dauerhaft im Horizontalflug Überschall fliegen zu können, was als Supercruise bezeichnet wird.

Siehe auch

Machscher Kegel