3.

Überschallakustik

Die Überschallakustik ist ein wichtiger Zweig der Aerodynamik. Das Hauptthema der Überschallakustik sind die Phänomene, die bei Überschallgeschwindigkeit auftreten. Die Geschwindigkeit des Schalles in der Atmosphäre ändert sich mit Feuchtigkeit, Temperatur und Druck. Weil diese so veränderliche Schallgeschwindigkeit ein kritischer Faktor in aerodynamischen Gleichungen ist, wird er durch die so genannte Mach-Zahl dargestellt. Sie wurde nach dem österreichischen Physiker und Philosophen Ernst Mach benannt, der als Pionier der Ballistik gilt. Die Mach-Zahl ist die Geschwindigkeit eines Geschosses oder Flugzeuges in der umgebenden Atmosphäre geteilt durch die Schallgeschwindigkeit im gleichen Medium unter den gleichen Bedingungen. So entspricht auf Meereshöhe unter Standardbedingungen für Feuchtigkeit und Temperatur eine Geschwindigkeit von ungefähr 1 234 Kilometern pro Stunde einer Mach-Zahl von 1. Die gleiche Geschwindigkeit entspricht aufgrund der Unterschiede hinsichtlich Dichte, Druck und Temperatur in der Stratosphäre einer Mach-Zahl von 1,16. Indem man Geschwindigkeiten nicht in Kilometern pro Stunde, sondern in Mach-Zahlen ausdrückt, lassen sich die tatsächlichen Verhältnisse in Flugsituationen darstellen.

1.

Stoßwellen

Beobachtungen von Artilleriegeschossen enthüllen das Wesen der atmosphärischen Störungen, die beim Flug auftreten. Im Bereich der Unterschallgeschwindigkeit, d. h. unter 0,85 Mach, ist die einzige atmosphärische Störung eine Turbulenz hinter dem Projektil. Im Bereich der Schallgeschwindigkeit von 0,85 Mach bis 1,3 Mach treten mit steigender Geschwindigkeit Stoßwellen auf. Im unteren Teil dieses Geschwindigkeitsbereichs entstehen Stoßwellen an allen Unebenheiten des glatten Projektilmantels. Wenn die Geschwindigkeit 1 Mach übersteigt, bilden sich vorne und hinten am Projektil Stoßwellen, die sich kegelförmig vom Projektil ausbreiten. Der Winkel an der Spitze ändert sich mit der Geschwindigkeit des Projektils. So ist bei 1 Mach die vordere Stoßwelle im Wesentlichen eine Ebene, bei 1,4 Mach beträgt der Winkel des Kegels ungefähr 90 Grad. Bei 2,48 Mach hat die Stoßwelle, die das Projektil nach sich zieht, an der Spitze einen Winkel von etwas weniger als 50 Grad. Diese Forschungsrichtung hat bereits den Bau von modernen Hochgeschwindigkeitsflugzeugen ermöglicht. Die Tragflächen dieser Flugzeuge lassen sich bis zu 60 Grad zurückschwenken. Dadurch geraten die Tragflächen nicht in die Stoßwelle.

2.

Effizienzmaximierung

Andere Faktoren umfassen die ideale Form von Geschossen und das Verhalten von Gas, wenn es mit hohen Geschwindigkeiten fließt. Die so genannte Tränenform, eine ideale Stromlinienform für Unterschallgeschwindigkeiten, ist im Überschallbereich wegen der großen Stirnfläche äußerst unökonomisch. Bei Überschallgeschwindigkeit führt diese Form zum Entstehen energieverzehrender Stoßwellen mit großer Amplitude.

Wenn Gas mit Überschallgeschwindigkeit durch eine verengte Röhre strömt, z. B. durch die Mündung einer Rakete, erhöht sich an der engsten Stelle die Strömungsgeschwindigkeit, und der Druck nimmt ab. Bei einer sich ausweitenden Röhre tritt die umgekehrte Erscheinung auf. Das Verbrennungsgas einer Rakete erhöht daher seinen Auftrieb durch den größeren Druck in der breiter werdenden Düsenöffnung. Eine weitere Tatsache, die den Raketenbauern schon lange bekannt ist, ist der direkte Einfluss des umgebenden atmosphärischen Druckes auf die Flugleistung im Überschallbereich. Je mehr sich das umgebende Medium einem vollkommenen Vakuum nähert, desto effizienter arbeitet das Triebwerk des Flugkörpers. Die Höchstgeschwindigkeit eines Überschallflugzeuges kann auch vergrößert werden, indem man die Stirnfläche bzw. den Querschnitt, der der ankommenden Luft entgegensteht, verringert. Die Erhöhung des Gewichts durch eine größere Länge sowie ein schlankerer Flugzeugrumpf mit einer nadelförmigen Spitze sind notwendige Konstruktionsmerkmale von Überschallflugzeugen. In den Jahren nach dem 2. Weltkrieg haben Forschungsinstitute für Aerodynamik Windkanäle gebaut, in denen Flugzeugmodelle und Flugzeugteile in Luftströmen mit Überschallgeschwindigkeit getestet werden können.

3.

Flächenregel

Ein größerer Fortschritt im Flugzeugbau, der auf Forschungsarbeit im Windkanal beruht, war die Entdeckung der Flächenregel durch den amerikanischen Physiker Richard Travis Whitcomb. Sie lieferte ein neues Prinzip für den Bau von Überschallflugzeugen. Nach diesem Grundsatz beruht der rasche Anstieg des Luftwiderstands im Bereich der Schallgeschwindigkeit auf der Verteilung der gesamten Querschnittsfläche entlang des Flugzeuges. Indem man den Rumpf dort einschnürt, wo die Tragflächen angebracht sind, verringert sich der für das Flugzeug typische Luftwiderstand. Whitcombs so genannte Wespentaillenbauweise ermöglichte eine Steigerung der Höchstgeschwindigkeit im Überschallbereich um 25 Prozent ohne zusätzliche Triebwerksleistung.

Der Ausdruck Überschallakustik wurde früher in umfassenderer Bedeutung verwendet. Sie umfasste auch den Zweig der Physik, der heute als Lehre vom Ultraschall bezeichnet wird. Diese beschäftigt sich mit hochfrequenten Schallwellen im Bereich ab circa 20 000 Hertz (Hz).

Siehe auch Strahlantrieb