Die Überschallaerodynamik ist einfacher als die Unterschallaerodynamik, da sich die Luftblätter an verschiedenen Punkten entlang der Ebene häufig nicht gegenseitig beeinflussen können. Überschalljets und Raketenfahrzeuge erfordern einen um ein Vielfaches höheren Schub, um den zusätzlichen Luftwiderstand im transsonischen Bereich (um Mach 0,85–1,2) zu überwinden. Bei diesen Geschwindigkeiten können Luft- und Raumfahrtingenieure Luft sanft um den Rumpf des Flugzeugs leiten, ohne neue Stoßwellen zu erzeugen. Jede Änderung der Querfläche weiter unten im Fahrzeug führt jedoch zu Stoßwellen entlang der Karosserie. Designer verwenden die Überschallbereichsregel und die Whitcomb-Bereichsregel, um plötzliche Größenänderungen zu minimieren.
Die Schallquelle hat nun die Schallgeschwindigkeitsbarriere durchbrochen und bewegt sich mit der 1,4-fachen Schallgeschwindigkeit c (Mach 1,4). Da sich die Quelle schneller bewegt als die von ihr erzeugten Schallwellen, führt sie tatsächlich die vorrückende Wellenfront an. Die Schallquelle wird von einem stationären Beobachter passiert, bevor der Beobachter den von ihm erzeugten Schall tatsächlich hört.
Konische Stoßwelle mit ihrer hyperbolaförmigen Bodenkontaktzone in Gelb
In praktischen Anwendungen muss ein Überschallflugzeug jedoch sowohl im Unterschall als auch im Überschall stabil arbeiten Profile, daher ist das aerodynamische Design komplexer.
Ein Problem beim anhaltenden Überschallflug ist die Erzeugung von Wärme im Flug. Bei hohen Geschwindigkeiten kann es zu einer aerodynamischen Erwärmung kommen. Daher muss ein Flugzeug so ausgelegt sein, dass es bei sehr hohen Temperaturen funktioniert. Duraluminium, ein traditionell im Flugzeugbau verwendetes Material, verliert bei relativ niedrigen Temperaturen an Festigkeit und Verformung und ist für den Dauereinsatz bei Geschwindigkeiten über Mach 2,2 bis 2,4 ungeeignet. Materialien wie Titan und Edelstahl ermöglichen den Betrieb bei viel höheren Temperaturen. Zum Beispiel könnte der Lockheed SR-71 Blackbird Jet kontinuierlich mit Mach 3.1 fliegen, was zu Temperaturen an einigen Teilen des Flugzeugs führen könnte, die über 315 ° C (600 ° F) liegen.
Ein weiterer Bereich, der Anlass zur Sorge gibt Ein anhaltender Hochgeschwindigkeitsflug ist ein Triebwerksbetrieb. Düsentriebwerke erzeugen Schub, indem sie die Temperatur der Luft erhöhen, die sie aufnehmen, und wenn das Flugzeug schneller wird, verursacht der Kompressionsprozess im Einlass einen Temperaturanstieg, bevor es die Triebwerke erreicht. Die maximal zulässige Temperatur des Abgases wird durch die Materialien in der Turbine am Heck des Triebwerks bestimmt. Wenn das Flugzeug schneller wird, nimmt der Unterschied in der Einlass- und Abgastemperatur, den das Triebwerk durch Verbrennen von Kraftstoff erzeugen kann, ebenso ab der Schub. Der für Überschallgeschwindigkeiten erforderliche höhere Schub musste durch Verbrennen von zusätzlichem Kraftstoff im Abgas wieder hergestellt werden.
Das Ansaugdesign war ebenfalls ein Hauptproblem. Ein Großteil der verfügbaren Energie in der einströmenden Luft muss zurückgewonnen werden, was als Einlassrückgewinnung bezeichnet wird, indem Stoßwellen im Überschallkompressionsprozess im Einlass verwendet werden. Bei Überschallgeschwindigkeit muss der Einlass sicherstellen, dass die Luft ohne übermäßigen Druckverlust langsamer wird. Es muss die richtige Art von Stoßwellen verwendet werden, schräg / eben, damit die Flugzeugkonstruktionsgeschwindigkeit die Luft komprimiert und auf Unterschallgeschwindigkeit verlangsamt, bevor sie den Motor erreicht. Die Stoßwellen werden mithilfe einer Rampe oder eines Kegels positioniert, die je nach Kompromiss zwischen Komplexität und erforderlicher Flugzeugleistung möglicherweise einstellbar sein müssen.
Ein Flugzeug, das über längere Zeiträume mit Überschallgeschwindigkeit betrieben werden kann, hat einen potenziellen Reichweitenvorteil gegenüber einem ähnlichen Design, das mit Unterschall betrieben wird. Der größte Teil des Luftwiderstands, den ein Flugzeug beim Beschleunigen auf Überschallgeschwindigkeit sieht, tritt aufgrund eines als Wellenwiderstand bezeichneten aerodynamischen Effekts knapp unterhalb der Schallgeschwindigkeit auf. Ein Flugzeug, das über diese Geschwindigkeit hinaus beschleunigen kann, sieht einen signifikanten Rückgang des Luftwiderstands und kann mit verbessertem Kraftstoffverbrauch im Überschall fliegen. Aufgrund der Art und Weise, wie Auftrieb im Überschall erzeugt wird, sinkt jedoch das Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand des gesamten Flugzeugs, was zu einer geringeren Reichweite führt, wodurch dieser Vorteil ausgeglichen oder aufgehoben wird.
Der Schlüssel zu einem niedrigen Überschall Der Luftwiderstand besteht darin, das gesamte Flugzeug so zu formen, dass es lang und dünn ist und einer „perfekten“ Form nahe kommt, dem von Karman Ogive oder dem Sears-Haack-Körper. Dies hat dazu geführt, dass fast jedes Überschallkreuzfahrtflugzeug einander sehr ähnlich sieht, mit einem sehr langen und schlanken Rumpf und großen Deltaflügeln, vgl. SR-71, Concorde usw. Obwohl diese Form nicht ideal für Passagierflugzeuge ist, ist sie für den Einsatz von Bombern durchaus anpassbar.
Geschichte des ÜberschallflugesEdit
Die Luftfahrtforschung während des Zweiten Weltkriegs führte zur Schaffung des ersten raketen- und strahlgetriebenen Flugzeugs. In der Folge tauchten mehrere Behauptungen auf, die Schallmauer während des Krieges durchbrochen zu haben.Der erste anerkannte Flug, der die Schallgeschwindigkeit eines bemannten Flugzeugs im kontrollierten Flug überschritt, wurde jedoch am 14. Oktober 1947 von dem experimentellen Forschungsraketenflugzeug Bell X-1 durchgeführt, das von Charles „Chuck“ Yeager gesteuert wurde. Das erste Produktionsflugzeug, das die Schallmauer durchbrach, war eine F-86 Canadair Sabre mit der ersten „Überschall“ -Pilotin, Jacqueline Cochran, an der Steuerung. Laut David Masters erreichte der von den Sowjets in Deutschland erbeutete DFS 346-Prototyp nach seiner Freigabe von einer B-29 auf 10000 m Ende 1945 1100 km / h, was Mach überschritten hätte 1 in dieser Höhe. Der Pilot auf diesen Flügen war der deutsche Wolfgang Ziese.
Am 21. August 1961 überschritt eine Douglas DC-8-43 (Registrierung N9604Z) Mach 1 in einem kontrollierten Tauchgang während eines Testfluges bei Edwards Air Force Base. Die Besatzung bestand aus William Magruder (Pilot), Paul Patten (Copilot), Joseph Tomich (Flugingenieur) und Richard H. Edwards (Flugtestingenieur). Dies war der erste Überschallflug eines anderen zivilen Verkehrsflugzeugs als der Concorde oder der Tu-144.