Was ist ein Überschallknall? Ist es gefährlich?

Im Jahr 2009 verursachte ein Tarnkappenjäger vom Typ F-22 Raptor der US-Luftwaffe während des Fluges einen Überschallknall. © RONALD DEJARNETT, US NAVY/HANDOUT/REUTERS/REDUX

Leviathan Press:

Viele Menschen scheinen ein allgemeines Missverständnis hinsichtlich des Überschallknalls zu haben. Sie glauben, dass ein Überschallknall nur einmal auftritt, während er in Wirklichkeit während des gesamten Überschallflugs im Aufsetzbereich anhält. Wohin das Flugzeug auch fliegt, es wird die Lärmschockwelle hinter sich herziehen. Daher können Überschallflugzeuge nur über dem Meer oder in die Atmosphäre oberhalb von 25 Kilometern fliegen, da dort nahezu ein Vakuum herrscht und die Atmosphärendichte nur weniger als 5 % der Dichte am Boden beträgt. Andernfalls wird es bei dieser Streckenführung unweigerlich zu Lärmprotesten der Anwohner kommen. Das im Artikel erwähnte Concorde-Flugzeug war außer Betrieb, und Lärm war einer der Gründe dafür.

Ein Schlüssel zur Vermeidung von Überschallknallen ist die Gestaltung der Rumpfstruktur. Im Jahr 2018 baute Lockheed Martin ein Flugzeug mit niedrigem Boom. Das Flugzeug mit der Bezeichnung X-59 QueSST nutzt leise Überschalltechnologie und wird eine Geschwindigkeit von Mach 1,42 erreichen. Laut NASA ist der Lärm des Flugzeugs etwa so laut wie beim Schließen einer Autotür.

Wenn Sie ein Geräusch wie Donner hören und keine Wolken am Himmel sind, handelt es sich höchstwahrscheinlich um einen Überschallknall.

Ein Überschallknall ist das Geräusch, das entsteht, wenn ein Flugzeug oder ein anderes Objekt die Schallgeschwindigkeit überschreitet. Es ist tatsächlich so laut wie Donner oder eine Explosion und erreicht oft 110 Dezibel. Während SpaceX weiterhin Raketen testet, sind diese an der Space Coast in Zentralflorida ein immer häufigerer Anblick.

Was genau verursacht also einen Überschallknall und ist es gefährlich, sich in der Nähe eines solchen aufzuhalten? Um diese Probleme zu verstehen, müssen wir uns Luft zunächst als Flüssigkeit vorstellen.

Was verursacht einen Überschallknall?

Überschallknalls können durch kleine Objekte wie Kugeln und Bullenpeitschen verursacht werden, aber auch durch Naturphänomene wie Vulkanausbrüche, Meteorschauer und Erdbeben. Am häufigsten werden Überschallknalle jedoch mit Flugzeugen in Verbindung gebracht. warum ist das so?

Dieses NASA-Bild zeigt zwei US-Flugzeuge, die mit Überschallgeschwindigkeit in einem Abstand von etwa 9 Metern fliegen und dabei Stoßwellen erzeugen, die interagieren und als Überschallknall hörbar sind. © NASA, NAT GEO IMAGE COLLECTION

Wenn etwas (wie etwa ein Raumschiff) beschleunigt, erzeugt es Schallwellen, die in alle Richtungen ausgestrahlt werden, wie die Wellen eines Kieselsteins, der in einen See fällt. Als das Objekt jedoch beschleunigte, begannen sich die Wellen an der Vorderseite des Raumfahrzeugs aufzutürmen und zu verdichten, anstatt sich nach außen zu wellen. Gleichzeitig dringen die Schallwellen weiterhin von den Seiten und dem Heck des Fahrzeugs nach außen, ähnlich der Heckwelle eines vorbeifahrenden Schnellboots.

Wenn die Raumsonde weiter beschleunigt, wird sie irgendwann die Geschwindigkeit der vor ihr vorbeifliegenden Schallwelle überschreiten und dann 1.225 km/h erreichen.

Zu diesem Zeitpunkt baute sich vor dem Raumschiff so viel Druck auf, dass es eine gewaltige Schallwelle freisetzte, die wie eine Explosion klang. Es ist dieser „plötzliche Druckabfall“, den wir hören und der laut NASA als Überschallknall bezeichnet wird.

Der Moment, in dem der US-Kampfjet F/A-18 „Hornet“ einen Überschallknall erzeugt. © Techshots's Newsletter/Substack

Was ist die Überschallknall-Aufsetzzone?

Wenn das Raumfahrzeug weiterhin die Schallgeschwindigkeit überschreitet, bildet sich ein kegelförmiger Bereich aus komprimierten Luftmolekülen. Der Überschallknall bewegt sich also tatsächlich mit der Bewegung des Raumfahrzeugs und lenkt einige seiner Schallwellen in Richtung Boden, wo wir ihn hören können. Dies wird als „Überschallknall-Aufsetzzone“ bezeichnet.

Interessanterweise ist die Größe des Überschallknallbereichs proportional zur Flughöhe des Objekts, wobei sich die Aufsetzreichweite pro 304,8 Meter Höhenzunahme um etwa 1,6 Kilometer erhöht. Die NASA hat beispielsweise berechnet, dass ein Flugzeug, das in einer Höhe von 15,24 Kilometern fliegt, eine Überschallknall-Aufsetzzone mit einem Durchmesser von 80,5 Kilometern erzeugt. Diejenigen, die sich direkt unter der Flugroute des Flugzeugs befinden, werden den lautesten Überschallknall hören, während diejenigen am Rand der Aufsetzzone ein leiseres Geräusch hören werden.

© Tenor

Gleichzeitig wirken sich die Bewegung des Flugzeugs oder die geografischen Bedingungen des Gebiets auch auf die Intensität der von ihm erzeugten Schallwellen aus. Beispielsweise können plötzliche Beschleunigungen, S-Kurven, Hügel und Täler die Wirkung eines Überschallknalls verstärken.

Sind Überschallknalle gefährlich?

Die Stärke eines Überschallknalls wird in Pfund-Kraft pro Quadratfuß (psf) gemessen, ein Wert, der mit der Größe und Geschwindigkeit des Objekts, das den Knall erzeugt, zunimmt.

Die gute Nachricht ist, dass in fast allen Fällen, in denen Überschallknalle häufig zu hören sind, der erzeugte Lärm oder Überdruck (in der Größenordnung von 1 bis 2 Pfund) zu gering ist, um körperliche Verletzungen zu verursachen.[1]

Standbilder aus „Top Gun: Maverick“ (2022). © Der Spiegel

Laut NASA kann es bei einem Überdruck von 2 bis 5 Pfund zu Schäden an Gebäuden kommen. Dies tritt am wahrscheinlichsten bei großen Flugzeugen oder solchen auf, die in sehr geringer Höhe fliegen. Die NASA schätzt jedoch, dass die meisten Gebäude einem Überdruck von bis zu 11 Pfund pro Quadratfuß ohne Schaden standhalten können.[2]

Nach diesen Maßstäben sind menschliche Trommelfelle sicher: Um eine Trommelfellschädigung zu verursachen, müsste der Überdruck 600-mal größer sein als der bei der Landung eines Space Shuttles erzeugte.

Geschichte der Überschallknalle

Die Luft- und Raumfahrtindustrie muss bei bestimmten Vorgängen die Auswirkungen von Überschallknallen sorgfältig berücksichtigen.

Das erste Flugzeug, das einen Überschallknall erzeugen konnte, war das Raketenflugzeug Bell X-1, das 1947 beim Flug mit dem Testpiloten Charles „Chuck“ Yeager erstmals die Schallmauer durchbrach. Dieser Moment wurde in der Literatur und im Film durch Tom Wolfes gleichnamiges Buch und den gleichnamigen Film „Der Stoff, aus dem die Helden sind“ verewigt.

Raketenflugzeug Bell X-1. © Wikipedia

In den Jahren nach dieser Errungenschaft hofften die Flugzeughersteller, eine neue Ära des Überschallflugs einzuläuten, und 1976 nahm ein britisch-französisches Düsenflugzeug namens Concorde regelmäßige kommerzielle Flüge über den Atlantik auf. Mit schallmauerbrechender Geschwindigkeit konnte die Concorde Passagiere in nur dreieinhalb Stunden von der Ostküste der Vereinigten Staaten nach Europa befördern, eine Reise, die normalerweise acht Stunden dauern würde.

Die Concorde hatte ihren Erstflug im Jahr 1969 und wurde 1976 in Dienst gestellt, hauptsächlich auf transatlantischen Linienflügen von London Heathrow (British Airways) und Paris Charles de Gaulle (Air France) zum John F. Kennedy International Airport in New York. Das Flugzeug kann in einer Höhe von 18.000 Metern mit der 2,02-fachen Schallgeschwindigkeit fliegen und in etwa 3 Stunden und 20 Minuten von Paris nach New York fliegen. © Steam Community

Allerdings waren die durch die Concorde-Flüge verursachten Überschallknalls für die Anwohner unterhalb der Strecke zu unangenehm, sodass der Flugbetrieb im Jahr 2003 eingestellt wurde. In den Vereinigten Staaten sind Überschallflüge über Land seit 1973 durch die Federal Aviation Administration (FAA) verboten, obwohl es unter bestimmten Umständen Ausnahmen gibt, beispielsweise für das Militär und Raumfahrtbehörden.

Quellen:

[1]www.nasa.gov/centers/dryden/pdf/120274main_FS-016-DFRC.pdf

[2]www.nasa.gov/centers/armstrong/news/FactSheets/FS-016-DFRC.html

Von Jason Bittel

Übersetzt von Tim

Korrekturlesen/Rabbits leichte Schritte

Originalartikel/www.nationalgeographic.com/science/article/sonic-boom-cause-shock-wave-physics

Dieser Artikel basiert auf der Creative Commons License (BY-NC) und wird von Tim auf Leviathan veröffentlicht

Der Artikel spiegelt nur die Ansichten des Autors wider und stellt nicht unbedingt die Position von Leviathan dar