Zahlen, bitte! Über 343,2 Meter pro Sekunde – die Überwindung der Schallmauer

1. Zahlen, bitte! Über 343,2 Meter pro Sekunde – die Überwindung der Schallmauer
   • Flugzeug erreicht die Schallgrenze
   • Knallerzeugung durchgehend beim Überschallflug
   • Neue Konzepte für Passagier-Überschallflug

Man ist bei schönstem Wetter draußen unterwegs und ahnt nichts: Plötzlich erlebt man einen oder gar zwei ohrenbetäubende Knalle wie unsichtbare Kanonenschläge. Im betroffenen Gebiet setzen daraufhin oftmals verunsicherte Bürger Notrufe ab.

In dieser Rubrik stellen wir immer dienstags verblüffende, beeindruckende, informative und witzige Zahlen aus den Bereichen IT, Wissenschaft, Kunst, Wirtschaft, Politik und natürlich der Mathematik vor.

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Schuld daran sind Überschallflüge. Erst recht mit der angespannten Sicherheitslage nehmen diese Lärmereignisse zu, wenn etwa eine Alarmrotte von zwei Kampfflugzeugen aufsteigt und in den Überschallflug übergeht, um schnell eine unklare Flugsituation zu klären oder die Luftsicherheit wiederherzustellen. Doch wie entsteht ein Überschallknall?

Die Machzahl ist die Geschwindigkeit eines Körpers im Verhältnis zur Schallgeschwindigkeit. Dabei ist die Schallgeschwindigkeit von der Temperatur abhängig: Bei trockener Luft und 20 °C beträgt Mach 1 eine Geschwindigkeit des Flugzeugs von 343,2 Metern pro Sekunde oder 1235,5 km/h.

Der Schall ist dabei eine Druckwelle, die von aneinanderstoßenden Luftmolekülen übertragen wird. Je kälter die Luft ist, umso langsamer wird der Schall übertragen. So sinkt bei –50 °C in Reiseflughöhe von 10.000 Metern die Schallgeschwindigkeit auf 299,4 Meter pro Sekunde oder 1077,8 km/h.

Flugzeug erreicht die Schallgrenze

Wenn sich das Flugzeug unterhalb der Schallgeschwindigkeit bewegt, breiten sich die Schallwellen gleichmäßig in alle Richtungen aus. Je näher das Flugzeug der Schallmauer kommt, umso stärker staut sich die Luft vor dem Flieger: Die Schallwellen können dem Flugzeug kaum noch vorauseilen, sie überlagern sich und bilden eine Druckwelle.

Die Überwindung der Schallmauer erzeugt einen machschen Kegel. Dabei breitet sich eine Schockwelle aus, die, sobald sie den Zuhörer erreicht, den charakteristischen Knall erzeugt. Bei größeren Flugzeugen kann zudem ein Doppelknall entstehen: Bug- und Heckschockwelle sind dann im Abstand von bis zu einer halben Sekunde als zwei getrennte Knalle zu hören. Der Pilot kann den Knall übrigens nicht hören: Schließlich bewegt er sich schneller als der Schall.

Ein Missverständnis betrifft aber den Begriff „Schallmauer durchbrechen“: Die Schockwelle entsteht durchgehend, wenn das Flugzeug sich im Überschallflug befindet, und nicht nur in dem Moment, in dem es erstmals die Schallmauer durchbricht.

Knallerzeugung durchgehend beim Überschallflug

Stehen also zwei Personen 50 Kilometer voneinander entfernt und fliegt das Flugzeug gleichmäßig im Überschall weiter, hört die zweite Person den Knall genauso laut wie die erste, sobald der Schallkegel sie erreicht.

Der Knall ist das Problem: Er kann bis zu 120 Dezibel erreichen und ist in der Lage, Scheiben zum Zerbersten zu bringen. Auf Betreiben der Federal Aviation Administration (FAA) wurde Oklahoma City, eine Großstadt, zwischen Februar und Juli 1964 im Rahmen der Operation Bongo II insgesamt 1253 Überschallknallen ausgesetzt. So sollte sich zeigen, ob ein Gewöhnungseffekt eintritt.

Obwohl mit einem großen Regionalbüro der FAA und einer nahegelegenen Airbase viel Luftfahrtwirtschaft vor Ort angesiedelt war und man deshalb eine höhere Toleranzschwelle in der Bevölkerung erwartete, verliefen die Tests ernüchternd: Nach 9594 Beschwerden über Gebäudeschäden führte auch ein schlechtes Krisenmanagement der FAA dazu, dass sich die Stimmung in der Stadt gegen Überschallflüge richtete.

Das hatte Konsequenzen: Im Frühjahr 1971 wurde das SST-Projekt eingestampft, das einst die US-Regierung im Rennen um ein Überschall-Passagierflugzeug gegen die europäische Concorde und sowjetische TU-144 in Stellung brachte. Aber auch die im Linienflug eingesetzten Überschallflieger waren stets ein Zuschussgeschäft, was auch daran lag, dass Überschallflüge über Land streng reglementiert waren. Seit dem Ende der Concorde-Flüge im Jahr 2003 waren viele Konzepte von Reisen mit Überschall im Gespräch, aber die meisten kamen nicht über das Konzeptstadium hinaus.

Neue Konzepte für Passagier-Überschallflug

Das will die NASA mit dem Versuchsflugzeug Lockheed Martin X-59 QueSST (Quiet SuperSonic Technology) ändern. Die US-Luft- und Raumfahrtbehörde will durch konstruktive Maßnahmen wie etwa eine lange, spitze Nase den Überschallknall auf 75 PLdB (Perceived Level Decibel) reduzieren, was einer in einiger Entfernung zufallenden Autotür entspräche und Flüge über Land unproblematisch machen würde. Die X-59 fliegt seit Oktober 2025 und hat inzwischen die erste Testphase abgeschlossen; als Nächstes will die NASA ihre Überschallknalle untersuchen. Mit der Boom Overture soll zudem der erste Überschall-Passagierflieger nach der Concorde entstehen.

Bis dahin sind die Knalle am Himmel zumeist militärischer Art, wenn eine Alarmrotte zum Schutzflug aufsteigt. Das findet in Deutschland etwa ein- bis zweimal im Monat statt, wobei nicht jeder Einsatz zu Überschallflügen führt. Bei einem Renegade-Verdachtsfall, wenn bei einem Kommunikationsabbruch eine terroristische Lage nicht ausgeschlossen werden kann, zählt jedoch jede Sekunde und die Flieger machen lautstark auf sich aufmerksam.

(mawi)