Am 7. Juni konnten die Menschen im nördlichen Burgenland akustisch und danach der Rest Österreichs Medial feststellen, dass - entgegen den Behauptungen so mancher "böser" Zunge - die österreichischen Draken doch Überschallgeschwindigkeiten erreichen.
Auf der Jagd nach einer zivilen Boeing 737 die zwischen einem norditalienischen und einem polnischen Militärflugplatz pendelte, und nicht die erforderliche Genehmigung für einen militärischen Überflug besaß, durchstießen zwei Draken des Bundesheeres die Schallmauer.
Diese Geschwindigkeiten, normalerweise nur in Höhen über 10.000m gestattet um die Lärmbelastung für die Bevölkerung zu minimieren, wurde notwendig weil der zivile Jet bei Sopron den österreichischen Luftraum verließ und die Draken den ungarischen Luftraum mit hoher Geschwindigkeit umfliegen mussten um die 737 im Seewinkel, knapp vor dem Verlassen Österreichs, stellen und identifizieren zu können.
Von Martin Rosenkranz für www.airpower.at.
Überschallakustik
Die Geschwindigkeit des Schalls ist abhängig vom Medium in dem er sich bewegt.
In der Atmosphäre bedeutet das, dass Feuchtigkeit, Temperatur und Druck erheblichen Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit haben, diese somit eine variable Größe ist. Als fester Wert für diese variable und in der Aerodynamik kritische Geschwindigkeit verwendet man das "Mach". Ernst Mach, nach ihm wurde diese Zahl benannt, war österreichischen Physiker und Pionier der Ballistik. Die Machzahl ist die Geschwindigkeit eines Körpers relativ zu der ihn umgebenden Atmosphäre.
Auf Meereshöhe und unter normalen Umweltbedingungen entspricht die Schallgeschwindigkeit einer Geschwindigkeit von etwa 1.220 km/h, man spricht von Mach 1. Die selben 1.220 km/h entsprechen in der Stratosphäre, eine Schicht der Atmosphäre die je nach Breitengrad bei etwa 10-18 km Höhe beginnt und bis in eine Höhe von etwa 30 km reicht, einer Geschwindigkeit von Mach 1,16.
In dem in Flugzeugen Geschwindigkeiten nicht relativ zum Erdboden sondern relativ zur umgebenden Luft gemessen werden erhalten Piloten absolut lebensnotwendige Daten welche die tatsächlichen Verhältnisse korrekt darstellen.
In kritischen Flugsituationen wie bei Start- oder Landung sowie im Langsam- oder Kurvenflug oder auch im Bereich der Schallgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit des Flugzeuges im Verhältnis zur umgebenden Luft von entscheidender Bedeutung.
Störungen
Ein Körper der durch die Luft fliegt erzeugt Störungen in der Atmosphäre. Unterhalb von Mach 0,85 treten solche Turbulenzen nur hinter dem Körper auf, im gegenständlichen Fall ein Flugzeug.
Nähert sich das Flugzeug der Schallgeschwindigkeit weiter an, bilden sich Stosswellen vor dem Flugzeug.
Die Luft kann nicht mehr ausweichen und wird vor dem Flugzeug hergeschoben.
Die ersten Flugversuchen mit bemannten Flugzeugen nahe der Schallgeschwindigkeit fanden in den 40er Jahren statt.
Die noch unausgereiften Konstruktionen waren nicht ausreichend für die aerodynamischen Phänomene im Bereich um Mach 1 konstruiert und waren schweren Belastungen durch diese heftigen Stosswellen ausgesetzt.
Ist unterhalb vom Mach 0,85 die Tropfenform eine ideale Stromlinienform, ist diese Form im Überschallbereich wegen der großen Stirnfläche unökonomisch und äußerst energieverzehrend. Die Form des Rumpfes, die relative Dicke der Flügel und der Winkel der Flügelvorderkante waren für diese Geschwindigkeitsbereiche nicht geeignet, wurden zum Teil über ihre konstruktive Grenze hinaus belastet, zerbrachen oder erlitten Strömungsabrisse.
Ab Mach 0,85 entstehen Stoßwellen an allen Unebenheiten des Flugzeuges und in einigen Bereichen der Oberfläche überschreitet die Fließgeschwindigkeit der Luft bereits die Schallgeschwindigkeit.
Bei hoher Luftfeuchtigkeit sind die Druckstörungen rund um Flugzeuge besonders gut zu beobachten.
Oberhalb durchstößt eine F/A-18 "Hornet" die Schallmauer, am Video rechts ist es eine F-14 "Tomcat".
Foto: Boeing
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Schallgeschwindigkeit
Erreicht das Flugzeug die Schallgeschwindigkeit und übersteigt es diese, bilden sich vor und hinter dem Flugzeug Stoßwellen, die sich kegelförmig ausbreiten.
Bei Mach1 ist die vordere Stoßwelle beinahe eine Ebene, bei zunehmender Geschwindigkeit wird der Winkel jedoch spitzer.
Bei Mach 1,4 beträgt der Winkel des vorderen Stoßwellen-Kegels ungefähr 90 Grad.
Und diese Stoßwelle ist es die, dort wo sie auf den Boden trifft, als Überschallknall wahrgenommen wird.
Allerdings kann das Flugzeug schon weit entfernt sein wenn am Boden der Überschallknall wahrgenommen wird. Da bei Mach 1,4 der Winkel des Kegels ca. 90 Grad beträgt bedeutet das, dass die Stosswelle den ersten Bodenkontakt in einer Entfernung hinter dem Flugzeug bekommt die etwa der aktuellen Flughöhe entspricht.
Bei einer Flughöhe von 6 km und einer Geschwindigkeit von Mach 1,4 ist der Überschallknall erst wahrnehmbar wenn das Flugzeug schon 6 km entfernt ist, die seitlichen Ausläufer des Kegels sind entsprechend weiter entfernt.
Somit kann der Knall je nach Geschwindigkeit und Flughöhe unter Umständen auch in einer Breite von 10km und erheblich mehr wahrgenommen werden.
Mit zunehmender Entfernung vom Flugzeug nehmen die Auswirkungen der Stoßwelle naturgemäß ab und mit zunehmender Höhe verliert diese den Bodenkontakt.
Deshalb sind die Draken-Piloten angewiesen im Normalbetrieb nur in Höhen von 10km und darüber Überschallgeschwindigkeiten zu fliegen, eine Vorschrift die im Regelfall peinlich genau Beachtung findet.
Überschallaerodynamik
Um die Überschallgeschwindigkeit zu erreichen und übersteigen zu können muss die Stirnfläche des Flugzeuges, die der ankommenden Luft entgegensteht, verringert werden.
Eine nadelförmigen Spitze, größere Länge und ein schlankerer Flugzeugrumpf sind notwendige Konstruktionsmerkmale von Überschallflugzeugen.
Ebenfalls wichtig ist, dass die Flügelenden nicht in den Bereich des Stoßwellen-Kegels ragen. Erreicht wird das durch eine relativ geringe Spannweite bzw. durch Flügel die im Flug zurückgeschwenkt werden können.
Einen der größten Sprünge im Bereich der Überschallaerodynamik war die Entdeckung der Flächenregel durch den amerikanischen Physiker Richard Travis Whitcomb.
Flugzeuge welche dieses Prinzip berücksichtigen erkennt man an der "Wespentaille".
Schnürt man den Rumpf dort ein, wo die Tragflächen angebracht sind, verringert sich der Luftwiderstand da sich die gesamten Querschnittsfläche entlang des Flugzeuges nicht erheblich ändert.
Überschall in der militärischen Praxis
Trotzdem moderne Kampfflugzeuge Spitzengeschwindigkeiten im Bereich der zweifachen Schallgeschwindigkeit erreichen können und einige wenige Typen sogar erheblich mehr, werden Überschallgeschwindigkeiten weit weniger oft geflogen als man eigentlich annehmen könnte.
Der Grund dafür ist einerseits der enorm hohe Treibstoffverbrauch, andererseits der extrem ansteigende Kurvenradius.
Schon um eine Geschwindigkeit von Mach 1.5 zu erreichen wird eine Menge an Treibstoff verbraucht die zum zurücklegen der mehrfachen Distanz ausgereicht hätte.
Schlussendlich befindet sich der Pilot dann in einer Situation in der die engste Kurve die er fliegen kann einen Radius von mehreren Kilometern aufweißt, anstatt nur wenige hundert Meter zu benötigen wie im Bereich der hohen Unterschallgeschwindigkeit.
Die Überschallfähigkeit ist viel mehr ein Nebenprodukt der erwünscht hohen Beschleunigungswerte und nicht Mittel zur Erreichung einer möglichst hohen Endgeschwindigkeit.
In den allermeisten Fällen bleiben die erreichten Geschwindigkeiten unterhalb von Mach 1.5, und nur höchst selten werden Spitzenwerte von Mach 1.8 erreicht.
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