Überschallflug

Grundidee und physikalische Grundlage

Überschallflug bedeutet, dass ein Luftfahrzeug schneller fliegt als die Schallgeschwindigkeit in seiner Umgebung. Zur Beschreibung wird die Fluggeschwindigkeit durch die jeweilige Schallgeschwindigkeit geteilt. Diese dimensionslose Größe heißt Mach-Zahl (M oder Ma) und ist nach dem Physiker Ernst Mach benannt. Überschallflug liegt bei Ma > 1 vor.

Die Schallgeschwindigkeit hängt vor allem von der Temperatur der Luft ab. Deshalb ist dieselbe Fluggeschwindigkeit je nach Flughöhe und Wetter unterschiedlich zu bewerten. Beim Überschallflug wird die Luft stark komprimiert; dadurch entstehen Stoßwellen, die die Aerodynamik des Flugzeugs, seine Erwärmung und den hörbaren Überschallknall bestimmen.

Schallgeschwindigkeit in Luft

Die Schallgeschwindigkeit ist definiert durch c = √(κ R_s T). Dabei ist κ (Kappa) das Verhältnis der spezifischen Wärmen, R_s die spezifische Gaskonstante der Luft und T die thermodynamische Temperatur in Kelvin (K). Die Schallgeschwindigkeit ist somit von der Temperatur, nicht aber vom Luftdruck abhängig. Luftfeuchtigkeit erhöht das Produkt κ R_s geringfügig; selbst unter tropischen Bedingungen bleibt ihr Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit unter 1 %.

Für trockene Luft gelten R_s = 287,058 J/(kg K) und κ = 1,402. Bei T = 288,15 K = 15 °C beträgt die Schallgeschwindigkeit c = 340,54 m/s = 1225,94 km/h. Mit zunehmender Flughöhe sinkt sie wegen der niedrigeren Temperaturen. Oberhalb von 11 km hat die Normatmosphäre T = 216,65 K = −56,5 °C; dort beträgt c = 295,1 m/s = 1062 km/h.

Schallmauer, Transsonik und Erwärmung

Nähert sich ein Flugzeug Ma = 1, entstehen wegen der Kompressibilität der Luft an verschiedenen Teilen Stoßwellen. Der aerodynamische Widerstand steigt bis zum Überwinden dieser Grenze stark an und sinkt danach wieder, bleibt aber höher als im Unterschallbereich. Moderne militärische Triebwerke können im Normalbetrieb genügend Schub für dauerhaften Überschallflug im Horizontalflug liefern. Dieser Zustand heißt Supercruise. Ältere Flugzeuge benötigten dafür einen Nachbrenner oder einen Sturzflug.

Die ersten Überschallgebiete im Luftstrom können bereits unterhalb der Schallgeschwindigkeit des Flugzeugs auftreten. Der Bereich, in dem gleichzeitig Strömungsgebiete mit Geschwindigkeiten über und unter der Schallgeschwindigkeit vorkommen, heißt transsonisch und reicht ungefähr von Ma = 0,8 bis 1,2. Bei ausreichender Luftfeuchtigkeit können dort Kondensationswolken entstehen; ihr hinteres Ende ist durch einen Stoß gekennzeichnet. Dieser Wolkenscheibeneffekt ist auf Fotografien sichtbar.

Für die Überwindung der Schallmauer war der Pfeilflügel besonders wichtig, weil er den Widerstandsanstieg verringerte. Zusätzlich muss meist die Flächenregel berücksichtigt werden: Der Querschnitt des Flugzeugs darf sich entlang der axialen Position nur langsam ändern. Erst nach ihrer Anwendung und erheblichen Änderungen am Rumpf konnte die YF-102A mit eigenen Triebwerken im Horizontalflug Überschallgeschwindigkeit erreichen. Der erste Prototyp durchbrach am 20. Dezember 1954 bei seinem ersten Flug über Lindbergh Field bei San Diego sogar im Steigflug die Schallmauer.

Bei Überschallgeschwindigkeit breitet sich von Flugzeugnase und Tragflächen ausgehend der Machsche Kegel kegelförmig nach hinten aus. Zusätzlich führt der Staudruck, besonders an den Stirnflächen, zu einer verdichtungsbedingten Erwärmung von Luft und Flugkörper. Bei höherer Überschallgeschwindigkeit kann diese Erwärmung die Festigkeit von Aluminium so weit verringern, dass es versagt. Bei der SR-71 wurde deshalb Titan zur Bewältigung der Hitzeentwicklung eingesetzt.

Überschallknall und Stoßwellen

Der Überschallknall ist die hörbare Wirkung einer Stoßwelle, die entsteht, wenn sich ein Körper mit Überschallgeschwindigkeit durch ein Medium bewegt. Die Stoßwelle bildet zwei Kegel: einen an der Flugzeugnase und einen am Heck. Sie öffnen sich entgegen der Flugrichtung. Bei kleinen Flugzeugen oder Projektilen liegen die Stoßwellen so dicht zusammen, dass sie als ein Knall wahrgenommen werden. Bei großen Flugzeugen können sie als „Doppelknall“ im Abstand von wenigen Hundertstelsekunden hörbar sein. In großer Entfernung kann der Abstand mehrere Zehntelsekunden betragen, weil die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Stoßwellen – anders als bei normalen Schallwellen – von ihrer Amplitude abhängt.

Der Knall entsteht nicht nur einmal beim Durchbrechen der Schallmauer. Der Kegel bewegt sich während des Fluges weiter. Die untere Mantellinie bestimmt, wann die Druckwelle einen Beobachter erreicht. Der Überschallknall wird erst nach dem Überfliegen gehört, verzögert um die Flughöhe; bei 340 m beträgt die Verzögerung etwa eine Sekunde. So entsteht entlang der Flugbahn ein „Knallteppich“. Mit zunehmender Geschwindigkeit liegen die Kegel enger am Flugzeug, während ihre Amplitude und damit die Lautstärke wegen der höheren Energieübertragung an die Luft zunimmt. Auch die Größe des Flugzeugs beeinflusst die Lautstärke.

Die pro Wegstrecke s freigesetzte Energie beträgt ΔE = Δs · (c′_w/2) A ρ v². Dabei ist c′_w der Widerstandsbeiwert im Überschallbereich, der meist etwa doppelt so groß ist wie der Widerstandsbeiwert c_w im Unterschallbereich; A ist die Stirnfläche, ρ die Luftdichte und v die Fluggeschwindigkeit relativ zur Umgebungsluft. Bei konstanter Geschwindigkeit gilt für die Leistung P = dE/dt = (c′_w/2) A ρ v³. Die Energie pro Strecke bestimmt die Amplitude und Lautstärke des Knalls, die Leistung beeinflusst unmittelbar den Treibstoffverbrauch.

In sehr großer Höhe erreichen die Kegel den Boden nicht mehr, sondern wandeln sich in sehr niederfrequente Schallwellen um. Bei sehr großen Flugkörpern oder extrem hohen Geschwindigkeiten können dennoch hörbare Schallwellen oder Stoßwellen den Boden erreichen, etwa beim Wiedereintritt von Raumfähren oder beim Eintritt größerer Meteoroiden.

Geschichte und Überschallflug ohne Fluggerät

Die ersten von Menschenhand geschaffenen Objekte, die die Schallgeschwindigkeit überschritten, waren Peitschenenden und Schleudern. Am 1. Juli 1941 erreichte Heini Dittmar mit der Me 163 BV18 Komet VA+SP in großer Höhe 1004 km/h und als erster Pilot den Bereich der kritischen Machzahl. Propellerflugzeuge kamen in Sturzflügen bis etwa Ma = 0,9; höhere Geschwindigkeiten waren wegen des Widerstands des Propellers und der begrenzten Motorleistung nicht erreichbar.

Hans Guido Mutke behauptete, am 9. April 1945 mit einer Messerschmitt Me 262 die Schallmauer durchbrochen zu haben. Dafür fehlt jedoch jeder Beweis; auch der Testpilot Wolfgang Czaia hält die Behauptung für nicht realistisch. Bei frühen Düsenflugzeugen traten oberhalb von Ma = 0,95 schwere mechanische Belastungen und ein Verlust der Steuerungswirkung auf. George Welch durchbrach am 1. Oktober 1947 mit einem Prototyp der North American F-86 Sabre im 40-Grad-Sturzflug die Schallmauer, doch der Flug wurde wegen nicht passender Kalibrierung und fehlender Bodenmessung offiziell nicht gewertet.

Nachweislich gelang der erste Überschallflug eines Menschen Chuck Yeager am 14. Oktober 1947 mit der Bell X-1 in etwa 15.000 m Höhe. Probleme mit Stoßwellen und der verminderten Wirkung des Höhenruders wurden durch eine elektrisch bewegte Höhenflosse gelöst. Die X-1 besaß noch die aerodynamisch ungünstige Form eines vergrößerten Gewehrgeschosses. Regelmäßiger Überschallflug wurde erst mit gepfeilten Tragflächen und der Flächenregel möglich. Der Prototyp XP-86 Sabre erreichte am 26. April 1948 im leichten Sinkflug Überschallgeschwindigkeit; ein Prototyp der Convair F-102 schaffte dies am 20. Dezember 1954 erstmals mit eigenen Triebwerken im leichten Steigflug. Jacqueline Auriol flog im Sommer 1953 als erste Frau mit einer Dassault-Breguet Mystère Überschall. Den ersten offiziellen FAI-Geschwindigkeitsrekord mit Überschallgeschwindigkeit erzielte am 20. August 1955 eine North American F-100.

Militärflugzeuge mit Überschallfähigkeit gibt es seit den frühen 1950er-Jahren. Kampfflugzeuge erreichen etwa Mach 2, die MiG-25 kurzzeitig Mach 3 und die SR-71 dauerhaft Mach 3. Die X-15 erreichte die siebenfache Schallgeschwindigkeit; der Scramjet-Testflugkörper X-43A kam auf knapp Mach 10, nämlich Mach 9,6. Die XB-70 war als Überschallbomber für eine Dauergeschwindigkeit von Mach 3 ausgelegt. Das Space Shuttle flog beim Wiedereintritt antriebslos zunächst etwa mit dem 27-Fachen der Schallgeschwindigkeit, also ungefähr 33.300 km/h.

Auch ohne Fluggerät wurde Überschallgeschwindigkeit erreicht: Felix Baumgartner sprang am 14. Oktober 2012 im Projekt Red Bull Stratos aus 39 km Höhe (128.100 Fuß) und erreichte im freien Fall bis zu 1342,8 km/h beziehungsweise Mach 1,24.

Ziviler Überschallflug und praktische Grenzen

Das erste zivile Überschallflugzeug war die sowjetische Tu-144. Sie erreichte am 26. Mai 1970 als erstes Verkehrsflugzeug die doppelte Schallgeschwindigkeit von 2150 km/h. Wegen hoher Betriebskosten wurde sie 1978 außer Dienst gestellt. Die britisch-französische Concorde flog dagegen von 1976 bis 2003 erfolgreich im Linienbetrieb mit über Mach 2. Nach dem Absturz des Air-France-Flugs 4590 im Juli 2000, bei dem 113 Menschen starben, wurden die Flüge vorübergehend eingestellt und die Kerosintanks nachgebessert. Frankreich und England beendeten den Concorde-Betrieb 2001 endgültig; der letzte Flug fand am 26. November 2003 statt. Die wichtigen USA-Flugrouten waren wegen dortiger Widerstände bereits lange defizitär.

Zahlreiche weitere zivile Projekte wurden geplant, darunter Boeings Model 733/2707, Suchois 50-plätziges Modell von 1993, ein französisch-japanisches Forschungsabkommen von 2005, das ESA-Projekt Long-Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies sowie SpaceShipTwo. Projekte wie Aerion AS2 und Spike S-512 scheiterten beziehungsweise wurden eingestellt. Boom Technology kündigte 2017 ein Flugzeug für Mach 2,2 und 55 Passagiere an. Der Testflug der XB-1 fand am 22. März 2024 statt. In 13 Flügen bis Ende Januar 2025 wurde ein nahezu geräuschloser Überschallflug am Boden bei geringem Überschall demonstriert. Durch Echtzeit-Wetterdaten können Schallwellen beim sogenannten Mach cutoff nach oben gebogen werden. Dies soll bei über 9000 m Flughöhe, Ma = 1,1 bis 1,2 und höchstens Ma = 1,3 möglich sein. Bis Frühjahr 2025 lagen für geplante Flugzeuge mit bis zu Mach 1,7 Vorbestellungen von 132 Maschinen vor.

Die NASA beauftragte 2018 Lockheed Martin mit der Entwicklung der X-59 mit möglichst geringem Überschallknall. Bei etwa 1500 km/h in 16 km Höhe soll ihre Low-Boom-Technologie Schockwellen vermeiden oder vermindern; die Tests sollten 2025 beginnen. Gegen eine Wiederbelebung des zivilen Überschallflugs gibt es massive Umwelt- und Klimaschutzkritik. Studien zufolge verbraucht ein Überschalljet pro Passagier etwa das Fünf- bis Siebenfache des Kraftstoffs einer normalen Maschine.

Überschallflug ist mit hohem Kraftstoffverbrauch verbunden und wurde deshalb zivil wirtschaftlich nur begrenzt bedeutend. Wegen der hohen Geschwindigkeit ist er als Sichtflug verboten; es müssen Instrumentenflugregeln gelten. Sondergenehmigungen, beispielsweise für militärische Einsätze, sind möglich.