Überschallflugzeug
Ein Überschallflugzeug ist ein Flugzeug, das nach Durchbrechen der Schallmauer mit einer Geschwindigkeit größer als Mach 1, also schneller als der Schall fliegt. Geschwindigkeiten jenseits Mach 5 werden umgangssprachlich auch als „hyperschallschnell“ bezeichnet.
Meilensteine
Das erste Flugzeug, das im Horizontalflug nachweislich schneller als der Schall flog, war am 14. Oktober 1947 das Forschungsflugzeug Bell X-1 der amerikanischen Air Force und des National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). Das Flugzeug übertrat von Chuck Yeager gesteuert in einer Höhe von 45.000 Fuß (ca. 15 km) die Schallgrenze. Ein vorheriger Versuch mit einer deutschen Messerschmitt-Maschine gilt wissenschaftlich als umstritten und nicht anerkannt.<ref>Matthias Schulz: Flammenritt über dem Moor. In: Der Spiegel. 18. Februar 2001, ISSN 2195-1349 (spiegel.de [abgerufen am 20. Februar 2024]).</ref>
Chronologie
1941: Das deutsche Raketenflugzeug Messerschmitt Me 163 überschreitet im Horizontalflug erstmals die 1000 km/h-Grenze.<ref>Lars Reinhold: Messerschmitt Me 163: Komet ohne Strahlkraft. 4. Mai 2023, abgerufen am 20. Februar 2024: „Als Heini Dittmar am 2. Oktober 1941 ins Cockpit der Messerschmitt Me 163 A V-4 stieg, hatte er ein klares Ziel vor Augen: 1.000 km/h. Eine bis dato noch nie von einem Menschen erreichte Geschwindigkeit wollte Dittmar knacken, und er hatte dafür das vermutlich beste Flugzeug zur Verfügung. […] In der anschließenden Flugphase beschleunigte das ‚Kraftei‘ auf 1.003,67 km/h bzw. Mach 0.84. Die magische Grenze von 1000 Stundenkilometern war gefallen, die Schallmauer jedoch nicht durchbrochen.“</ref><ref>Alexander Lippisch: Germany and the Delta Wing. In: Aero Digest. Band 63, 1951, S. 68 (eingeschränkte Vorschau in der Google-BuchsucheSkriptfehler: Ein solches Modul „Vorlage:GoogleBook“ ist nicht vorhanden.): „This experimental high-speed sweptback type was designated as Me 163A and was test flown in 1941. On the second of October, 1941, Dittmar flew for the first time more than 1000 km/h in 3600 m. altitude, or 540 knots at 12,000 feet, corresponding to a Mach Number of 0.85.“</ref>
1944: Das deutsche Raketenflugzeug Messerschmitt Me 163 erreicht im Bahnneigungsflug 1130 km/h (entspricht in genügend großer Höhe bereits Überschallgeschwindigkeit).<ref>Friedrich List: Deutsche Flieger klopfen an die Schallmauer: Heini Dittmars Rekordflüge mit 1000 km/h. In: luftfahrt24. 18. Dezember 2017, abgerufen am 20. Februar 2024 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)): „Bei einem zweiten Rekordflug im Juli 1944 kam er sogar noch näher an Mach 1 heran. Er erreichte 1130 km/h, kam also in unmittelbare Nähe der einfachen Schallgeschwindigkeit von 1200 km/h.“</ref><ref></ref>
1945: Gemäß inoffiziellen Aussagen von Militärpiloten soll das deutsche Strahlflugzeug Me 262 im Bahnneigungsflug die Schallmauer durchbrochen haben.<ref>Peter O. K. Krehl: History of Shock Waves, Explosions and Impact – A Chronological and Biographical Reference. Springer, Berlin, Heidelberg 2009, ISBN 978-3-540-30421-0, S. 524–525 (eingeschränkte Vorschau in der Google-BuchsucheSkriptfehler: Ein solches Modul „Vorlage:GoogleBook“ ist nicht vorhanden. [abgerufen am 21. Februar 2024]): „According to a more recently published interview, Hans G. Mutke, a former German World War II test pilot of the Messerschmitt Me 262, reported in 2001 that during a test flight near Innsbruck (on April 9, 1945) his plane went into a steep dive of 40° at an altitude of 11,000 m, thereby passing the sound barrier for a duration of about seven seconds (his airspeed indicator was stuck against its limit of 1,100 km/h).“</ref>
1947: Das amerikanische Raketenflugzeug Bell X-1 durchbricht als erstes Flugzeug nachweislich die „Schallmauer“.
1948: Das englische Strahlflugzeug De Havilland DH.108 Swallow<ref>Faster Than Sound. In: The Aeroplane. Band 75. Temple Press, 1948, S. 371: „On September 6 he again reached a Mach number of 0.96 and then decided to increase the speed further. He continued progressively until he reached an indicated Mach number a fraction in excess of 1 (the Machmeter used in the aircraft is not calibrated above 1). […] The aircraft is fully equipped with camera-recording gear which subsequently proved that Derry's flight had, in fact, just exceeded the speed of sound, which at the altitude concerned was 675 m.p.h.“</ref><ref>Al Blackburn: Aces Wild – The Race for Mach 1. Rowman & Littlefield, Wilmington, Delaware 1999, ISBN 978-0-8420-2732-8, S. 275 (eingeschränkte Vorschau in der Google-BuchsucheSkriptfehler: Ein solches Modul „Vorlage:GoogleBook“ ist nicht vorhanden. [abgerufen am 20. Februar 2024]): „One of Geoffrey's successors at de Havilland, the quietly talented John Derry, who favored the hydraulic-powered pitch control, nursed the Swallow through an out-of-control dive from 45,000 feet that nonetheless took him supersonic. It is doubtful he would have survived the wild gyrations without the boosted control system. That was on September 6, 1948, nearly a year after the Americans had laid down their marker in a much more repeatable and far less ostentatious manner. Still, the Swallow was the first British design to fly supersonic.“</ref> und das amerikanische Düsenflugzeug F-86 Sabre<ref>Kenneth P. Werrell: Sabres Over MiG Alley – The F-86 and the Battle for Air Superiority in Korea. Naval Institute Press, Annapolis, Maryland 2005, ISBN 978-1-61251-344-7, S. 11 (eingeschränkte Vorschau in der Google-BuchsucheSkriptfehler: Ein solches Modul „Vorlage:GoogleBook“ ist nicht vorhanden.): „The USAF acknowledges that the F-86 broke the sound barrier, albeit in a dive, in April 1948. (The Air Force made this disclosure after an excited British pilot, Roland Beaumont, gave details over an open microphone that appeared in the June 1948 Aviation Week.) […] Some go further, claiming Welch was the first to go supersonic. Horkey implies Welch may have done so, since he was flying the same flight patterns prior to 14 October as he did when NACA registered his supersonic dive.“</ref> durchbrechen im Bahnneigungsflug die Schallmauer.
1953: Das amerikanische Strahlflugzeug Douglas F4D Skyray erreicht im Horizontalflug in etwa Mach 1.<ref>Peter Caygill: Sound Barrier – The Rocky Road to MACH 1.0+. Pen & Sword, Barnsley, South Yorkshire 2006, ISBN 978-1-84415-456-2, S. 157 (eingeschränkte Vorschau in der Google-BuchsucheSkriptfehler: Ein solches Modul „Vorlage:GoogleBook“ ist nicht vorhanden.): „Any hope of exceeding Mach 1.0 was delayed until the arrival of the J40 with the result that this feat was only achieved in August 1953 at Edwards AFB.“</ref>
1953 fliegt Scott Crossfield als erster Mensch am 20. November Mach 2,005.<ref>United States. National Aeronautics and Space Administration (Hrsg.): X-15 – Research at the Edge of Space (= NASA EP. Band 9). Washington, D.C., S. 6 (eingeschränkte Vorschau in der Google-BuchsucheSkriptfehler: Ein solches Modul „Vorlage:GoogleBook“ ist nicht vorhanden.): „Finally, in November 1953, the ‚Skyrocket‘ became the first airplane to fly at more than twice the speed of sound or Mach 2.005, when Scott Crossfield, flying as a research pilot for the National Advisory Committee for Aeronautics, attained a speed of 1,291 m.p.h.“</ref> Seine Maschine Douglas Skyrocket wurde jedoch wie schon die X-1 im Jahr 1947 von einem Mutterflugzeug in eine große Höhe getragen.
1955: Mit dem amerikanischen Strahlflugzeug North American F-100 Super Sabre erreicht der offizielle, horizontal geflogene Geschwindigkeitsrekord den Überschallbereich.<ref>Secretary of the Air Force (Hrsg.): Aerospace Information Handbook – Releasable Data on USAF Aerospace Vehicles. Band 3, Nr. 190. United States. Department of the Air Force, Washington, D.C. Juni 1964, F-100 Supersabre, S. 43 (eingeschränkte Vorschau in der Google-BuchsucheSkriptfehler: Ein solches Modul „Vorlage:GoogleBook“ ist nicht vorhanden.): „The F-100D Supersabre, originally a day-fighter, has become the workhorse of tactical air units. […] It was the first U.S. Air Force aircraft to fly at supersonic speed in level flight. […] The Supersabre once held a world's speed record of 822 m.p.h. set in August 1955 during a flight over the California desert.“</ref>
1956: In der britischen Fairey Delta 2 fliegt am 10. März der erste Mensch vom Boden aus schneller als die 1000-Meilen-Grenze und mit 1.811 km/h schneller als die Erdrotation am Äquator.
1961: Im August überschreitet eine Douglas DC-8 im Rahmen eines Testflugs auf der Edwards Air Force Base in Kalifornien Mach 1. Es war der einzige absichtliche Überschallflug eines anderen Verkehrsflugzeugs als der Concorde oder der Tu-144.<ref>Smithsonian Magazine: I Was There: When the DC-8 Went Supersonic. Abgerufen am 21. Februar 2024 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref>
1968: Die Tupolew Tu-144 fliegt als erstes für zivile Zwecke geeignetes Flugzeug Überschall.
1976: Mit der britisch-französischen Concorde nimmt das erste zivile Überschallflugzeug den Linienbetrieb auf.
Militärische Luftfahrt
Militärische Überschallflugzeuge finden sich ab den 1960er-Jahren vorwiegend im Bereich der Jagdflugzeuge und Jagdbomber, da es in diesen Rollen essenziell wichtig ist, den Einsatzort, mitunter ein fliegendes Ziel, in möglichst kurzer Zeit erreichen zu können.
Zivile Luftfahrt
Das erste Verkehrsflugzeug, das die Schallgeschwindigkeit überschritt, war eine DC-8 mit Mach 1,0124. Dies gelang am 21. August 1961. Die notwendige Geschwindigkeit konnte jedoch nur im Bahnneigungsflug erreicht werden.
Den ersten horizontalen Überschallflug absolvierte die sowjetischen Tupolew Tu-144 (Erstflug: 31. Dezember 1968). Wenig später gelang dies auch der britisch-französischen Concorde. Am 26. Mai 1970 war es wiederum die Tu-144, der es als erstem Verkehrsflugzeug gelang, die doppelte Schallgeschwindigkeit zu überschreiten.
Nur die Concorde wurde für längere Zeit für Passagierflüge eingesetzt. Sie wurde erst am 26. November 2003 außer Dienst gestellt. Ihr Betrieb war von Beginn an im Vergleich zu den gleichzeitig aufkommenden Großraumflugzeugen nicht wirtschaftlich, das Projekt wurde jedoch vor allem von französischer Seite aus Prestigegründen fortgeführt. Die beiden Fluggesellschaften Air France und British Airways mussten schließlich für die Flugzeuge keine Anschaffungskosten aufwenden. Die Tu-144 wurde bereits nach sieben Monaten Einsatz 1978 aus dem Verkehr gezogen. Sie konnte ihre Geschwindigkeit im Gegensatz zur Concorde nur mit eingeschaltetem Nachbrenner halten.
Am 17. Dezember 2003 überschritt mit dem SpaceShipOne erstmals ein vollständig privat finanziertes Flugzeug die Schallgeschwindigkeit. Pilot auf diesem Flug war Brian Binnie. Die Maschine stammte von der Firma Scaled Composites und wurde von dem für seine unkonventionellen Entwürfe bekannten Konstrukteur Burt Rutan entwickelt. Das Überschreiten der Schallgeschwindigkeit muss jedoch bei diesem Projekt als Nebeneffekt gelten, denn primäres Ziel war die Realisierung des ersten vollständig privat finanzierten, bemannten Weltraumfluges.
Seit 2003 ist kein ziviles Überschall-Verkehrsflugzeug mehr in Betrieb, es gibt jedoch weiterhin Bedarf an schnellen Interkontinentalreisen. Inzwischen wird bereits an Konzepten für die noch schnelleren Hyperschall-Flugzeuge gearbeitet, für die aber Entwicklungszeiträume von über 20 Jahren angesetzt werden. Die Projekte für Überschall-Flugzeuge könnten wesentlich schneller umgesetzt werden:
- 2015 wurde über Airbus-Patente zu einem ultraschnellen Flugzeug für 20 Passagiere berichtet. Bereits 2011 hatte Airbus das Konzeptflugzeug ZEHST (Zero Emission High Supersonic Transport) für bis zu 100 Passagiere vorgestellt.<ref name="welt-144823187">Nina Trentmann, Gesche Wüpper: Luftfahrt: Airbus patentiert Hyperschallflugzeug. In: welt.de. 4. August 2015, abgerufen am 12. April 2020.</ref>
- Die Aerion Corporation plante ursprünglich für 2021 ein neues Überschall-Geschäftsflugzeug mit dem Namen Aerion AS2. Doch im Mai 2021 hat sie ihren Betrieb eingestellt, nachdem es ihr nicht gelungen war, die notwendigen Mittel für den Bau der Flugzeuge aufzubringen.<ref>Texas Billionaire’s Supersonic-Jet Dream Dies as Aerion Folds. In: Bloomberg.com. 22. Mai 2021 (bloomberg.com [abgerufen am 6. Oktober 2023]).</ref>
- Die NASA hat 2016 bei Lockheed Martin das Konzept „Quiet Supersonic Technology (QueSST)“ (dt.: Leise Überschall-Technologie) in Auftrag gegeben. Die Lockheed Martin X-59 soll in 16 Kilometer Höhe mit 1500 km/h fliegen<ref name="SPON-1201126">vet/dpa: Überschall-Flugzeug: Nasa bestellt Concorde-Nachfolger bei Lockheed Martin. In: Spiegel Online. 4. April 2018, abgerufen am 12. April 2020.</ref> Dabei soll das kegelförmige Knallereignis hinter dem Flugzeug dank spezieller Formgebung minimiert werden und dadurch nicht bis zum Boden dringen.<ref>Sind wir bald wieder schneller unterwegs als der Schall?, Tagesanzeiger, 2. August 2020.</ref><ref>NASA Begins Work to Build a Quieter Supersonic Passenger Jet - NASA. Abgerufen am 6. Oktober 2023 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref>
- Das amerikanische Start-Up-Unternehmen Boom Technology arbeitet an einem 55-sitzigen Flugzeug Boom Overture, das ab 2023 über dem Ozean mit Mach 2,2 fliegen soll.<ref>heise online: 76 Bestellungen für Überschall-Passagierflugzeug Boom. 21. Juni 2017, abgerufen am 6. Oktober 2023.</ref>
- Rolls-Royce und Virgin Galactic wollen ein Mach-3-schnelles Flugzeug für knapp 20 Passagiere entwickeln.<ref>«Mach 3»: Auch Richard Branson plant einen Nachfolger für die Concorde, Handelszeitung, 4, August 2020.</ref>
- Hermeus erhielt im Sommer 2020 vom Direktorium Presidential and Executive Airlift der U.S. Air Force Unterstützungsmittel. Die Firma will ein Mach-5-Hyperschallflugzeug für 20 Passagiere entwickeln.
- Von der gleichen Dienststelle erhielt die Firma Exosonic Gelder für die Entwicklung eines 70-sitzigen Überschallflugzeuges. Dieses soll dank gedämpftem Überschallknall auch über Land mit Überschallgeschwindigkeit fliegen können.<ref>An Air Force One that flies at five times the speed of sound?, CNN, 7. September 2020.</ref>
- Die Firma Commercial Aircraft Corporation of China (COMAC) plant mit der C949 ein Überschallflugzeug für 28 bis 48 Passagiere, das mit Mach-1.8 fliegen und eine Reichweite von 7200 bis 10900 km haben soll. Der Fokus soll dabei auf einem möglichst leisen Betrieb liegen, um auch über Land fliegen zu können.<ref>heise online: Überschallflugzeug Comac C949: Deutlich mehr Reichweite und leiser als Concorde. 31. März 2025, abgerufen am 31. März 2025.</ref>
Problematik
Der Hauptgrund dafür, dass es in der zivilen Luftfahrt nie in bedeutendem Umfang zum Einsatz von Überschallflugzeugen kam, war deren Unwirtschaftlichkeit. Bei Reisegeschwindigkeit hatte die Concorde einen etwa doppelt so hohen Treibstoffverbrauch wie die Boeing 747, konnte dabei aber nur etwa ein Drittel der Passagiere transportieren. Hinzu kamen die höheren Ansprüche bezüglich Materialqualität und Wartung, die die Betriebskosten weiter steigerten. Als Vorteil steht diesen Nachteilen nur der Zeitgewinn gegenüber, der durch die höhere Geschwindigkeit erzielt wird.
Als weitere Ursache gilt der sogenannte Überschallknall, der beim Flug mit Überschallgeschwindigkeit entsteht. Dessen schädliche Wirkungen (Lärmbelästigung, in Extremfällen von Glasbruch bis zu Gebäudeschäden) legten nahe, Flugphasen, die mit Überschallgeschwindigkeit zurückgelegt wurden, über unbewohntes Gebiet zu verlegen. Im Jahr 1964 wurden in den USA eigens zur Erhebung der Lärm-Toleranz der Bevölkerung Versuchs-Überflüge mit Überschall unternommen. Über Oklahoma City flog die Air Force im Auftrag der Federal Aviation Agency ab 3. Februar täglich acht Mal mit Überschall über der Stadt. Diese bis 29. Juli 1964 insgesamt 1.253 Flüge fanden frühestens um 7 Uhr morgens statt und endeten am Nachmittag. Laut Befragungen hätten sich 73 oder 75 Prozent der Befragten an acht Flüge pro Tag gewöhnen können. Ziviler Überschallflug über den USA wurde 1973 trotzdem verboten. Ein wesentlicher Faktor war der Schutz der Atmosphäre.<ref>The New Supersonic Boom Aeronautical engineers strive for a fresh start two decades after Concorde's demise, spectrum, 16. August 2021</ref><ref>Boom and Bust, slate.com, 29. Juli 2014</ref>
Als technische Lösung für das Problem des Überschallknalls wird mit dem Versuchsflugzeug X-59 nach Möglichkeiten gesucht, die den Überschallknall verursachenden Druckwellen zu verkleinern.
Literatur
- Überschall ohne Knall: Mit neuen X-Flugzeug wollen die NASA und Lockheed Martin Technologien für leisere Überschallflüge erproben. Ende 2021 sollen die Testflüge beginnen. In: Flug Revue Juni 2018, S. 66–67
- R. During: NASA bestellt Low-Boom Flight Demonstrator bei Lockheed Martin: Statt lautem Knall nur noch ein leiser Schlag. In: FliegerRevue Nr. 6/2018, S. 14–15
Quellen
- „Weltrekordflugzeuge“ (Aviatic Verlag 1999)
- „Kampf um Mach 1“ (Hobby Bücherei 1965)
Einzelnachweise
<references responsive />
