Überschallknall

Immer wieder geistern mehr oder weniger wahre Informationen in Sachen Überschallflug und –knall im Internet und leider auch in der Presse herum. Vielleicht kann ich mit diesem Blögli etwas gegen die Verbreitung von Fake-news beitragen.

An jedem Punkt der Atmosphäre wo die Ruhe der Luft gestört wird, werden Luftmoleküle bewegt und regen die Nachbarmoleküle an, dies ebenfalls zu tun. Die Information der Bewegung wird also weitergegeben ohne dass sich die Luft weiterbewegt. Man spricht von einer Schallwelle, analog zu den Wellen eines Bootes auf einem Gewässer. Solche Schallwellen, egal ob von einer Gitarre erzeugte Musik oder der Knall eines Feuerwerkkörpers erreichen unsere Ohren, bringen die Trommelfelle entsprechend zum Schwingen und bescheren uns einen Hörgenuss oder –ärger. Diese Schallwellen bewegen sich in unterschiedlichen Medien mehr oder weniger schnell. In unserer Umgebungsluft beträgt die Schallgeschwindigkeit ca. 340 Meter pro Sekunde, während wir den Blitz praktisch gleichzeitig mit dem Einschlag sehen (Lichtgeschwindigkeit ca. 300'000 km/s!). Verstreichen nach dem Blitz also beispielsweise 3 Sekunden bis zum Donner, sind wir etwa einen Kilometer vom Einschlag entfernt.

Lange Zeit war die Luftfahrt weit von der Schallgrenze entfernt. In der Schweizer Armee war der „Hunter“ der erste Kampfjet, welcher Überschall fliegen konnte, allerdings nur in einem Sturzflug und für entsprechend kurze Zeit. Als die ersten Jets die „Schallmauer durchbrachen“ zeigten sich zwei neue Phänomene. Beim Erreichen der Schallgeschwindigkeit (=Mach1) traten starke Vibrationen auf, welche etliche Flieger zum Absturz brachten. Zweitens hörten die überflogenen Zeugen einen typischen Doppelknall. Als Jugendlicher las ich in einem „SJW-Heftchen“ eine nette Erklärung zum Doppelknall: Der erste Knall entsteht, wenn die Schallmauer durchbrochen wird, der zweite wenn der Flieger die Schallgeschwindigkeit wieder unterschreitet.

Zeit, hier ein bisschen Physik in die Gedanken zu bringen. Die Vibrationen waren ein Resonanzproblem und verschwanden tatsächlich wieder, wenn man über Mach1 weiter beschleunigte. Trotzdem musste da natürlich eine Erklärung und vor allem eine Lösung her. Es stellte sich heraus, dass in rechtem Winkel zur Flugrichtung stehende Flügelkanten und Lufteinlässe für die Resonanzen verantwortlich waren, weshalb heute sämtliche Überschalljets Pfeilflügel und schräge Lufteinlässe haben. In der Swiss Army waren dafür die Mirages eine perfekte Illustration (Form wie ein Delta-Segler).

Dann fehlt da noch eine wissenschaftlich gestützte Erklärung des Überschalknalls: Einem fliegenden Flugzeug weicht die Luft aus, um dann wieder an ihren alten Platz zurückzuströmen. Bei Unterschall wird die Luft vor dem Flieger sozusagen „vorgewarnt“, weil der Schall schneller ist als der Flugkörper. Ab Mach1 kann aber der Schall dem Jet nicht mehr vorauseilen, die „Vorinformation“ fehlt. Daher kommt es vor dem Flugkörper zu einem Verdichtungsstoss, also einer schlagartigen Verdichtung, welche vom Ohr eben als Knall wahrgenommen wird. Ähnlich wie bei einem Boot wird diese „Welle“ auch am Heck in umgekehrter Richtung nochmals erzeugt (Bugwelle und Heckwelle). Deshalb der charakteristische Doppelknall.

Wenn ein Schiff vor einer Küste vorbeifährt, merkt man am Land so lange nichts, bis die sich pfeilförmig ausbreitenden Wellen das Ufer erreichen. Bei Überschall entsteht entsprechend ein, allerdings dreidimensionaler, „Mach'scher Kegel“, welcher beim Flugzeug laufend neu entsteht und sich anschliessend mit Schallgeschwindigkeit ausdehnt. Überall dort, wo dieser Kegel den Boden erreicht, hört man den Knall. Je grösser die Fluggeschwindigkeit, desto spitzer ist der Kegel. Wird die Machzahl 1 wieder unterschritten, bricht die laufende Neuproduktion des Kegels ab, während sich der bereits produzierte weiter austobt und sich schliesslich in der Atmosphäre verliert. Das bedeutet auch, dass der Überschallknall eines einzigen Flugzeugs nicht ein einmaliges Ereignis ist, sondern immer irgendwo stattfindet bis der Kerl wieder Unterschall fliegt. (Uff)