Die Frage der Woche: "Wie schnell ist Mach 5?"

Jeden Samstag beantworten wir euch Fragen zu allen möglichen Themen. Heute fragt uns Stephan R. aus Stadthagen: "Wie schnell ist Mach 5?" Hier erfahrt ihr die Antwort

Wer sich mit Flugzeugen und Jets beschäftigt, stößt immer wieder über die Angabe Mach. Wenn ein Jet mit mehr als Mach 1 fliegen kann, dann spricht man auch von einem Überschalljet. Das bedeutet, dass das Flugzeug schneller als die Schallgeschwindigkeit fliegen kann. Aber was heißt das genau?

Schall breitet sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit aus. Das kennst du von Gewittern: Man zählt die Sekunden zwischen einem Gewitterblitz und dem Donner. Durch drei geteilt ergibt diese Zahl die ungefähre Entfernung des Gewitters in Kilometern.

Wenn sechs Sekunden zwischen Blitz und Donner vergehen, dann ist das Gewitter etwa zwei Kilometer entfernt. Man teilt durch drei, weil man die Entfernung in Kilometern errechnen möchte.

Und die Schallgeschwindigkeit beträgt am Boden bei einer Lufttemperatur von 20 °C ungefähr 330 Meter pro Sekunde. Der Schall des Donners legt also in drei Sekunden etwa einen Kilometer zurück. Umgerechnet sind das knapp 1.200 km/h.

Ein Flugzeug, das mit Schallgeschwindigkeit und damit Mach 1 fliegt, legt also scheinbar etwa 1.200 Kilometer pro Stunde zurück. Genau genommen ist die Mach-Zahl aber keine Geschwindigkeitsangabe. Denn Geschwindigkeit wird als Wegstrecke pro Zeiteinheit angegeben. Die Angabe 100 km/h bedeutet, dass man in einer Stunde 100 Kilometer zurücklegt.

Mach ist keine Geschwindigkeitsangabe

Die Angabe Mach ist nur eine Zahl, ohne weitere Angabe dahinter. Eine solche Zahl nennt man auch dimensionslos. Die Zahl gibt an, wie schnell sich zum Beispiel ein Flugzeug im Verhältnis zur Schallgeschwindigkeit in der Umgebungsluft bewegt.

Und die Schallgeschwindigkeit in der Umgebungsluft des Flugzeugs hängt hauptsächlich von der Lufttemperatur ab. Bei niedriger Temperatur ist die Schallgeschwindigkeit geringer als bei hoher Temperatur. Bei 0 °C beträgt sie 1.193 km/h, bei 100 °C 1.394 km/h.

Das heißt, dass ein Flugzeug mit Mach 1 in 1.000 Metern Höhe bei einer Lufttemperatur von etwa 0 °C 1.193 Kilometer in der Stunde zurücklegt. Ein Flugzeug mit Mach 1 in zehn Kilometern Höhe bei einer Lufttemperatur von -50 °C legt aber nur 1.076 Kilometer in der Stunde zurück immerhin fast 120 Kilometer weniger!

Die Concorde war das einzige zivile Überschallflugzeug. 2003 wurde der Betrieb eingestellt.

Die Mach-Zahl ist also ein Verhältniswert und keine absolute Angabe wie 100 km/h. Mach 1 bezeichnet dabei die Schallgeschwindigkeit. Eine Zahl größer eins ist das entsprechende mehrfache davon. Mach 2 ist also doppelte Schallgeschwindigkeit.

Wie schnell ist also Mach 5?

In einer angenommenen Flughöhe von 10.000 Metern liegt die Lufttemperatur bei etwa -50 °C. Die Schallgeschwindigkeit beträgt bei dieser Temperatur 1.076 km/h. Multipliziert mit fünf ergibt sich also für Mach 5 eine Geschwindigkeit von 5.380 km/h. Eine absolute Angabe kann man aber aus den oben genannten Gründen nicht nennen.

Was ist die Schallmauer?

Um ein fliegendes Flugzeug breiten sich Druckwellen in alle Richtungen aus. Ist es langsamer als die Schallgeschwindigkeit, dann befindet sich das Flugzeug innerhalb dieses Druckwellenbereichs. Je schneller es wird, desto mehr nähert es sich den Druckwellen an, die sich in Flugrichtung ausbreiten.

Links ist ein Flugzeug dargestellt, das langsamer als Schallgeschwindigkeit fliegt, in der Mitte fliegt es gerade mit Schallgeschwindigkeit, und rechts hat es diese überschritten. Dabei kommt es zur Ausbildung des sogenanntenMach-Kegels und ein Überschallknall entsteht.

Erreicht ein Flugzeug die Schallgeschwindigkeit, dann ist das Flugzeug genauso schnell wie seine Druckwellen. Sie verdichten sich immer mehr zu einer sogenannten Schockwelle das ist die Schallmauer. Sie existiert nur als stark verdichtete Luft.

Bewegt sich das Flugzeug schneller als der Schall, dann durchbricht es diese verdichtete Schockwelle. Bei diesem Durchbrechen der Schallmauer kommt es zu einem lauten Knall, dem Überschallknall.

Mit Hilfe einer speziellen Fotografiertechnik, der sogenantenn Schlierenfotografie, können unterschiedlich dichte Luftmassen aufgenommen werden. Den Schliereneffekt kennst du von heißen Sonnentagen, wenn die Luft zu wabern scheint und entfernte Gegenstände nur verschwommen zu erkennen sind. Hier wurde die Stoßwelle einer Northrop T-38 Talon bei Mach 1,1 in etwa 4 Kilometern Höhe aufgenommen.

In den Anfangstagen der Düsenflieger war die Schallmauer gefürchtet. Auch war nicht klar, ob sie sicher durchbrochen werden konnte. Die Flugzeuge fingen stark zu rütteln an und auch die Steuerung machte Probleme.

Nach der Schallmauer folgt aber sogleich das nächste Problem: Durch die Luftreibung erhitzt sich ein Flugzeug bei einer Geschwindigkeit von über Mach 2 sehr stark. Es können dabei mehrere hundert Grad auftreten, sodass neue Baumaterialien und neue Bauweisen nötig sind.

Mittlerweile ist der Überschallflug für Kampfflugzeuge selbstverständlich. Für normale Flugreisen mit Überschall stand die Concorde zur Verfügung. Der kostspielige Betrieb wurde aber 2003 aus Sicherheitsgründen eingestellt.

Der Wolkenscheibeneffekt

Hier wird der Mach-Kegel aus der Zeichnung oben sichtbar. In diesem Bereich kondensiert die Luftfeuchtigkeit und zeigt sich als eine Art Wolke.

Man findet im Internet einige beeindruckende Bilder des sogenannten Wolkenscheibeneffekts. Dabei bildet sich um einen Flugkörper, der mit Schallgeschwindigkeit fliegt, eine Hülle aus kondensierter Luftfeuchtigkeit eben eine Art Wolke.

Übrigens

Unterschiedliche Materialien haben auch unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten: In Wasser beträgt sie 1.484 Meter pro Sekunde, in Buchenholz 3.300 m/s. Diamant besitzt die höchste Schallgeschwindigkeit aller natürlich vorkommenden Medien: 18.000 m/s!

Einen Überschallknall kannst du auch zu Hause erzeugen: Wenn eine Peitsche knallt, dann durchbricht das Ende der Peitsche die Schallmauer was als Peitschenknall zu hören ist.

Aktuell erforscht das US-Militär mit der X51-A Waverider ein Flugzeug für den Hyperschallbereich. Es soll mit Mach 6 fliegen, das entspricht etwa 6.400 km/h (siehe Bild rechts).

Thrust SSC war das erste Landfahrzeug, das die Schallmauer durchbrach. Mit zwei Triebwerken und 100.000 PS erreichte das Fahrzeug mit mehr als 1.200 km/h Überschallgeschwindigkeit.

Text: -jj- 17.8.2012 // Bilder: F/A 18 Hornet US Navy/PD; Blitz: NOAA/PD; Waverider US Air Force/PD; Concorde Arpingstone/PD; Schlierenfotografie NASA/PD;

Hinweis: Im Archiv wurden alle Bilder und Links entfernt