Überschallflug

Die Schallgeschwindigkeit ist in der Luft hauptsächlich von der absoluten Temperatur abhängig und beträgt bei 15°C in Bodennähe 340 m/s. Mit zunehmender Höhe nimmt sie ab, in 11 km bei –56,5°C sinkt der Wert auf 295 m/s.

Die Relation von wahrer Eigengeschwindigkeit zur örtlich vorliegenden Schallgeschwindigkeit bezeichnet man als Mach-Zahl. Während sich der Schall um ein in Ruhe befindliches Flugzeug in alle Richtungen ausdehnt, wird mit zunehmender Geschwindigkeit der Abstand der Wellenberge vor dem Flugzeug immer geringer. Bei Erreichen von Mach = 1 konzentrieren sich die Wellenberge zu einer einzigen Front mit hoher Energiedichte, der sogenannten Schallmauer. Diese Mauer ist eine scharfe begrenzte Ebene, verbunden mit einem statischen Druck- und Temperaturanstieg der Luft. Bei weiterem Geschwindigkeitsanstieg ist der Schallbereich auf einen kegelförmigen Raum hinter dem Flugzeug beschränkt, dem sogenannten Mach'schen Kegel, dessen Öffnungswinkel von der jeweiligen Überschallgeschwindigkeit abhängt.

Überschall bedeutet, es bildet sich eine Schockfront (Teile weichen nicht mehr aus), hinter der Front steigen statischer Druck und Luftdichte auf Kosten der kinetischen Energie der Luft an (= abrupte Abbremsung).

Ein scharfer Übergang zwischen Unterschall- und Überschallströmung tritt in der Praxis nicht auf. In Bereich Mach=1 treten am Flugzeug gleichzeitig beide Strömungen auf. Im hohen Unterschallbereich bildet sich an der Flügeloberseite an einem Punkt eine Überschallzone aus, die mit zunehmender Geschwindigkeit größer wird. Die Zone wird durch eine Linie begrenzt, in der die Strömung genau Schallgeschwindigkeit hat. Bei weiterem Geschwindigkeitsanstieg bildet sich hinter der Schall-Linie eine Schockzone, hinter der der Druck steil ansteigt. Diese Schockzone führt zu einem Ablösen der Luft-Grenzschicht am Profil. Im Bereich Mach = 1 haben die Schockfronten die Flügelvorderkante erreicht und an Intensität zugenommen. Die Flügeloberfläche liegen jetzt im Überschallbereich. Der Luftwiderstand ist steil angestiegen. Bei Überschreiten der Schallgeschwindigkeit bildet sich an der Flügelvorderkante eine gebogene Welle, die eine Unterschall-Stömungszone umschließt. Bei etwa Mach = 1,3 hat sich eine schräge Stoßfront am Flügel ausgebildet.

Ein Energieverlust tritt nicht ein, aber ein Teil der Energie wird in Wärme verwandelt – d.h. der Gesamtdruck sinkt. Hinter der Schockfront herrscht immer Unterschallgeschwindigkeit. Ein erzwungener Richtungswechsel um wenige Grad an Flugzeugteilen bedingt immer eine schräge Stoßfront, mit weniger Druckverlust als bei einer geraden Front. Dahinter herrscht noch Überschallgeschwindigkeit, aber mit geringerem Wert. Das Schrägstoß-Verfahren wird angewendet bei Triebwerkseinlauf-Kegel oder Keil.

In der Praxis tritt an der Tragfläche ein transsonischer Bereich auf. (Am Staupunkt ist die Geschwindigkeit klein, an dickster Profilstelle herrscht die höchste Geschwindigkeit.) An dieser Stelle bildet sich zuerst eine Überschallzone, die mit zunehmender Geschwindigkeit größer wird. Begrenzt wird diese durch Linie mit Mach = 1 (Achtung beschleunigte Strömung). Bei weiterer Erhöhung tritt im Hinterbereich eine Schockfront auf, die weiter nach vorn wandert. Hinter der Schockfront löst sich Luft vom Profil ab. Schock verursacht starken Widerstandsanstieg. Es bildet sich ein Mach-1 Bogen.

Durch veränderte Druckverteilung an der Flügelober– und –unterseite entsteht ein Widerstandsanstieg und Moment.

Schwenkflügel erlauben einen optimalen Einsatzbereich:
Hintere Position: Überschallflug, Tiefflug mit hoher Geschwindigkeit.
Mittlere Position: Transsonischer Bereich, Manöverbewegungen
Vordere Position: Langsamflug, Landung

Problematisch sind der plötzliche Widerstandsanstieg und ein Momentänderung durch unterschiedliche Schockbereiche an der Flügelober– und –unterseite. Der sogenannte Wellenwiderstand erreicht sein Maximum im Bereich von Mach 1,1 – 1,2 und fällt dann wieder ab. Die Ausbildung von Kompressionsfronten führt zu abrupten Druckveränderungen, die sich in Form von Vibrationen äußern können und das Flugzeug zum Schwingen bringen. Neben der Fluggeschwindigkeit hat vor allem der Anstellwinkel starken Einfluss auf die Bildung von solchen Schüttelbewegungen, die bis zu unkontrollierbaren Flugzuständen führen können.

Überschallknall

Ursache: Das Flugzeug bewegt sich schneller als der Schall, der Machkegel, der alle Schallabstrahlungen enthält, breitet sich hinter dem Flugzeug aus.

Sobald der Kegelrand auf den Boden trifft, wird die Schrägstoßfront wahrgenommen, d.h. ein plötzlicher Anstieg des Luftdrucks mit anschließender Expansion auf den Umgebungsdruck (also 2 Booms). Die Lautstärke ist abhängig von der Druckdifferenz, hörbar bis 100 km und am stärksten direkt unter dem Flugzeug.

Der Luftkampf beginnt bei transsonischer Geschwindigkeit in einer Höhe von 4 – 5 km. Die Begrenzungen des Flugzeugs werden hier besonders deutlich (Struktur, Aerodynamik...). Hauptprobleme sind auftretende Vibrationen durch unregelmäßige Ablösung der Grenzschicht an der Tragfläche bei hohen Anstellwinkeln mit der Folge, dass die Zielverfolgung nicht mehr möglich ist. Der Luftwiderstand nimmt quadratisch mit der Geschwindigkeit zu, aber in der Höhe deutlich ab (in 11 km nur etwa 1/4 bei Mach 2) – Widerstand steigt im Bereich Mach 0,95 – 1,2 stark an (Folge von 1/3 Reibung, 2/3 Wellenwiderstand, Strömungsablösung...).

Eine rein mathematische Beschreibung ist nicht vollständig möglich, es müssen immer umfangreiche Tests durchgeführt werden.