Was passiert, wenn ein Flugzeug die Schallmauer durchbricht?

Der Ausdruck "Schallmauer" entstand vor vielleicht 70 Jahren, als Flugzeuge bei Annäherung an Schallgeschwindigkeit auf unerwartete Weise reagierten. Tatsächlich gibt es keine feste Barriere, und in der Realität kann der Übergang ziemlich glatt sein, vorausgesetzt, das Flugzeug und sein Pilot sind darauf vorbereitet .

Die Schallgeschwindigkeit ist die maximale Geschwindigkeit, mit der sich kleine Druckänderungen durch ein Medium ausbreiten, sodass die Luft vor dem Flugzeug mit Unterschallgeschwindigkeit auf das sich nähernde Flugzeug reagieren kann. Während sich die lokale Luftdichte bei Unterschallgeschwindigkeit nur wenig ändert, werden Luftdichteänderungen bei Überschallgeschwindigkeit dominant. Um Platz für ein sich näherndes Flugzeug zu machen, wird Unterschallluft beschleunigt, während Überschallluft langsamer wird, so dass die Dichte zunimmt, um Platz für das Überschallflugzeug zu machen.

Bei Unterschallgeschwindigkeit ändern sich Druck und Geschwindigkeit sanft, während Luft um das Flugzeug herumströmt. Infolgedessen wirkt das Zentrum lokaler Druckänderungen (seine Auftriebskraft) bei etwa einem Viertel der Sehne, so dass das Flugzeug im Gleichgewicht ist, wenn sich sein Schwerpunkt an derselben Stelle befindet.

Bei Überschallgeschwindigkeit wird die Luft überrascht - in einem Moment war alles ruhig und still, und plötzlich werden die Luftmoleküle von einem unbekannten Eindringling herumgeschleudert. Der Druck ändert sich plötzlich durch einen Stoß, sodass anstelle eines sanften Übergangs bei Überschallgeschwindigkeit Bereiche mit ähnlichem Druck vorhanden sind, die durch plötzliche Einbrüche oder Sprünge getrennt sind. Als Folge davon verschiebt sich der Druckmittelpunkt nach hinten auf 50 % der Sehne. Bleibt der Schwerpunkt bei einer Viertelsehne, ist die Folge ein starkes Pitch-down-Moment: Das Flugzeug stürzt ab.

Erschwerend kommt hinzu, dass eine Ruderauslenkung, die den Auftrieb zwischen Flügel und Leitwerk umverteilen könnte, nicht unbedingt so funktioniert wie bei Unterschallgeschwindigkeit: Das Flugzeug könnte unkontrollierbar werden. Siehe diese Antwort für eine detaillierte Erklärung des Modus.

Der Kegel, den Sie im rechten Bild sehen, ist ein Mach-Kegel, der von einem Überschallflugzeug verursacht würde. Das Bild wurde schamlos von diesem Blog kopiert .

Der Trick besteht nun darin, die Luft dort vorzuwarnen, wo es darauf ankommt, auch wenn das Flugzeug mit Überschallgeschwindigkeit fliegt. Dies kann mit Wing Sweep erreicht werden, denn wenn der Sweep-Winkel größer ist als der Kegelwinkel, in dem sich Druckänderungen bei Überschallfluggeschwindigkeit ausbreiten, wird die über den Flügel strömende Luft vorgewarnt und reagiert somit ähnlich wie bei Unterschallströmung. Um die unvermeidliche Verschiebung des Druckzentrums zu korrigieren, sind die Leitwerksflächen in Überschallflugzeugen größer und voll fliegend, sodass sie in Trans- und Überschallströmung arbeiten. Außerdem kann durch das Pumpen von Kraftstoff der Schwerpunkt nach hinten verschoben werden, sodass weniger Trimmänderungen erforderlich sind.

Die Schallmauer kann in jeder Höhe durchbrochen werden, wenn das Flugzeug einen ausreichend starken Motor hat und steif genug ist. Um Gewicht zu sparen, setzen die Konstrukteure normalerweise eine Grenze für den maximalen dynamischen Druck (= Luftdichte mal Luftgeschwindigkeit im Quadrat, dividiert durch zwei), sodass die strukturelle Verformung bei diesem maximalen dynamischen Druck klein genug ist. Beachten Sie, dass die Auslenkung der Querruder den Flügel des Eurofighters bei maximalem Staudruck so stark verformt, dass drei Viertel der Querruderwirksamkeit verloren gehen – die Querruder verursachen ein Torsionsmoment, das den Flügel so verwindet, dass er wie der Flügelverwindungsmechanismus funktioniert Wright Flyer, nur in entgegengesetzter Richtung zum Querrudereingang.

Da die Dichte mit zunehmender Höhe abnimmt, wird derselbe Staudruck bei höherer Geschwindigkeit erreicht, wodurch Flugzeuge schneller fliegen können, je höher sie fliegen. Die nächste Grenze ist durch die lokale Hitze in der Nähe der Stagnationslinie gegeben. Wenn Luft abgebremst wird, steigt ihre Temperatur mit dem Quadrat der Geschwindigkeitsdifferenz . Die maximale Dauergeschwindigkeit der F-22 wurde von Mach 1,8 auf Mach 1,6 reduziert, um eine Überhitzung der empfindlichen Tragflächenstruktur aus Verbundwerkstoff zu vermeiden.

Dies ist eine ziemlich weit gefasste Frage, daher werde ich versuchen, sie kurz zu halten. Zufällig behandelte Scientific American Ihre Frage ausführlich in einem Artikel vom 11. März 2002 . Obwohl ich denke, dass die Wikipedia-Seite es besser beschreibt als der SciAm-Artikel, ist es aber eher eine Geschichte. Die Union University kommt jedoch auf den Punkt . Einige der wichtigsten Dinge, die passieren, sind:

Ein Flugzeug erzeugt Schall, der von dem Flugzeug in alle Richtungen abgestrahlt wird. Die Wellen, die sich vor dem Flugzeug ausbreiten, werden durch die Bewegung des Flugzeugs zusammengedrängt. Wenn sich das Flugzeug der Schallgeschwindigkeit nähert, stauen sich die Schalldruck-"Wellen" aufeinander und komprimieren die Luft. Die Luft vor dem Flugzeug übt eine Kraft auf das Flugzeug aus, die seine Bewegung behindert. Wenn sich das Flugzeug der Schallgeschwindigkeit nähert, nähert es sich dieser unsichtbaren Druckbarriere, die von den Schallwellen direkt vor dem Flugzeug aufgebaut wird. Die Druckluft vor dem Flugzeug übt eine viel größere Kraft als üblich auf das Flugzeug aus. An diesem Punkt steigt der Luftwiderstand des Flugzeugs merklich an, daher die Vorstellung, die "Schallmauer" zu durchbrechen. Wenn ein Flugzeug die Schallgeschwindigkeit überschreitet, spricht man von Überschall.

Alles, was die Schallgeschwindigkeit überschreitet, erzeugt einen "Überschallknall", nicht nur Flugzeuge. Ein Flugzeug, eine Kugel oder die Spitze einer Peitsche können diesen Effekt erzeugen; sie alle erzeugen einen Knall. Diese durch den Überschallknall erzeugte Druckänderung kann ziemlich schädlich sein. Im Falle von Flugzeugen ist bekannt, dass Stoßwellen Fenster in Gebäuden zerbrechen.

Das Offensichtlichste, was passiert, ist der Überschallknall .

Viele der Bilder, die Sie im Internet von Flugzeugen sehen, die die Schallmauer durchbrechen, sind in Wirklichkeit nur Schockwellen (Kondensation), die auftreten, bevor sie die Schallgeschwindigkeit erreichen. Die Ausbreitung von Stoßwellen beginnt, bevor sie tatsächlich überschallt, da Grenzschichten und die Luft dem Flugzeug aus dem Weg gehen müssen (wie ich es verstehe). Aber die Bilder sehen wirklich, wirklich cool aus!

Hier ist eine schöne Physikbuch-Diskussion über Stoßwellen: http://physics.info/shock/

Und tatsächlich sind Flugzeuge durchaus in der Lage, die Schallmauer in Bodennähe zu durchbrechen. Es ist nur schwieriger, wie Ratchet Freak in seinem Kommentar feststellt, und es gibt auch viele Regeln dagegen.

Warum kann es die Schallmauer nicht in Bodennähe durchbrechen?

Frühere Antworten haben dies nicht wirklich beantwortet.

Es gibt eine körperliche Grenze. Wenn die Schallstoßwelle auf den Boden trifft, wird sie wieder nach oben reflektiert. Wenn das Flugzeug zu tief fliegt, prallt der Nasenstoß zurück und trifft auf das Heck des Flugzeugs, wodurch es die Richtungskontrolle verliert und abstürzt.

Die Low-Level-Varianten des Überschall-Mehrzweck-Kampfflugzeugs Panavia Tornado wurden kürzer als sonst optimal gemacht, damit es tiefer fliegen konnte, ohne auf seine eigene Schockwelle zu treffen. Dies beeinträchtigte seine Aerodynamik und verringerte seine Höchstgeschwindigkeit. Die höher gelegene ADV-Variante hatte einen längeren Rumpf und konnte schneller fliegen.

Die grundlegendste und einfachste Antwort ist

Luft wird an der Oberfläche dicker. Ein Körper bewegt sich vorwärts, indem er die Luft von seinem Weg wegdrückt. Egal ob Auto oder Fahrrad. Je niedriger das Auto arbeitet, desto mehr Luft muss es verteilen, um sich nach vorne auszubreiten.

Um sich vorwärts zu bewegen, muss eine bestimmte Menge an Energie aufgewendet werden, entweder am Boden, um sich vorwärts zu bewegen, oder durch Düsentriebwerke, um die gesamte Luft vor sich anzusaugen und sie mit Kraft zurück aus dem Fahrzeug zu drücken.

Wenn ein Flugzeug die Schallmauer in niedrigen Höhen durchbrechen muss, muss es 3- oder 4-mal mehr Luft (schwere Gase) abgeben, da das Luftvolumen in niedrigeren Höhen hoch ist. Es könnte die Fähigkeiten des Motors übersteigen. In großen Höhen, wo die Luft dünner und leichter ist, könnte es jedoch leicht erreicht werden. ZB: Sich mit einem fußlangen Sub zu ersticken ist schwieriger, aber Sie können den ganzen Tag über einen fußlangen Pommes Frites essen.

Das Schwimmen in schwerem Salzwasser ist schwierig, in Meerwasser jedoch etwas einfach und in einem See viel einfacher. Die Salzzusammensetzung erschwert die Bewegung.

Der Motor kann große Luftmengen in niedrigeren Höhenniveaus nicht komprimieren. Machbar, aber teuer. Es werden viel größere Motoren benötigt, die weniger komprimieren und mehr Luft bewegen und mehr Benzin verbrauchen. Aber eine solche Triebwerks-/Flugzeugverwendbarkeit ist geringer.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Temperatur und ihre Auswirkung auf die Materialien des Flugzeugs. Wenn Sie sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegen, müssen die Materialien dem Druck standhalten, der auf die gesamte Ebene ausgeübt wird. Außerdem sind sie extremen Temperaturen ausgesetzt, die dazu führen, dass sich die Metalle auf ihr maximales Niveau ausdehnen und zusammenziehen. Um sicherzustellen, dass ein solches Flugzeug die harten Bedingungen übersteht, müssen die Materialien extrem flexibel sein und eine ausreichende Steifigkeit bieten, um das gesamte Flugzeug zusammenzuhalten. Lesen Sie irgendwo, dass sich die Mighty Concorde bei Überschallniveau um über 3 Fuß ausdehnte und sich bei niedrigeren Geschwindigkeiten um die gleiche Länge zusammenzog. Metalle bieten keine so extremen Elastizitätsniveaus. Es sei denn, sie sind dafür konstruiert.