Überschallaerodynamik

Überschallgeschwindigkeit

Als Überschallgeschwindigkeit
wird die Geschwindigkeit von Objekten bezeichnet, die sich schneller bewegen,
als sich der Schall im gleichen Medium fortpflanzt.

In Luft beträgt die Schallgeschwindigkeit unter Normalbedingungen (Luft bei 15°C) 343 m/s, was etwa
1235 km/h entspricht. Die relative Geschwindigkeit eines
Objektes zur Schallgeschwindigkeit in Luft wird auch mit der dimensionslosen Mach-Zahl bezeichnet, so bedeutet Mach 1 die
Bewegung mit Schallgeschwindigkeit, Mach 2 diejenige mit der
doppelten Schallgeschwindigkeit usw.

Es handelt sich bei der Machzahl nicht um eine Geschwindigkeitseinheit, sondern
um das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeit zur Schallgeschwindigkeit
(temperaturabhängig).

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.

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.

Überschallknall

die akustische Erscheinung, die
bei einem mit Überschallgeschwindigkeit durch ein Gas bewegten Körper auftritt.
Das verdrängte Gas verursacht einen Druckanstieg, der sich mit
Schallgeschwindigkeit fortpflanzt. Da sich der Körper mit Überschallgeschwindigkeit
bewegt, erfolgt die Druckimpuls-Erzeugung schneller als die
Druckimpulsfortpflanzung. Dadurch entsteht ein vom bewegten Körper ausgehender
sprungartiger Druckanstieg (Verdichtungsstoß), der sich mit dem Körper
fortbewegt und vom Ohr als Knall wahrgenommen wird.