Überschallflug

CLOWEN · Gast

Meine Frage:
Wenn ein Flugzeug mit Überschall fliegt, wird dann auch die Luft direkt vor dem Flugzeug auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt oder langsamer zu den Seiten verdrängt?

Meine Ideen:
Die Schallgeschwindigkeit ist ja festgelegt durch die Bewegung und das aneinanderstoßen der Luftmoleküle. Wenn aber nun ein Gegenstand mit Überschallgeschwindigkeit durch ein Medium stößt, werden dann nicht auch Teile des Mediums auf Überschallgeschwindigkeit gebracht? Iwie kommt mir das paradox vor.

franz · Anmeldungsdatum: 04.04.2009 Beiträge: 11583

Bei der Bewegung von Körpern mit Überschall bildet sich eine Stoßfront, deren Beschreibung nicht ganz trivial ist. Sie breitet sich hinter einem Flugzeug kegelförmig mit Schallgeschwindigkeit aus (Überschallknall). Ähnlich dürfte es bei Blitzen, Explosionen und Geschossen sein.

Jacques · Anmeldungsdatum: 30.05.2019 Beiträge: 66

In Ergänzung zu franz' Ausführungen....

twb8t5 · Anmeldungsdatum: 10.08.2011 Beiträge: 70

twb8t5 · Anmeldungsdatum: 10.08.2011 Beiträge: 70

twb8t5 · Anmeldungsdatum: 10.08.2011 Beiträge: 70

Um die Vorgänge beim Flugzeug zu verstehen ist es hilfreich zunächst über eine
Explosion, Detonation nachzudenken.
Obwohl sich die Druckwelle in größerer Entfernung mit Schallgeschwindigkeit ausbreitet ist dies für die Explosion nicht der Fall.
Nach der Verbrennung des Sprengstoffs breiten sich die Produkte zunächst immer schneller und dann bis auf die Schallgeschwindigkeit der Umgebung abnehmend aus.
Weiteres steht unter:
Explosion
Detonation
Detonationswelle
Stoßwelle
Jetzt muss Du "nur noch" den zeitlichen Verlauf einer Explosion in die Bewegung eines Flugobjektes umwandeln, und Du hast Überschallflug. In einer zum Pfad senkrechten Schnittfläche ist Überschallflug eine Explosion die schnell abkühlt.

twb8t5 · Anmeldungsdatum: 10.08.2011 Beiträge: 70

Offenbar schreibe ich mit mir selbst Big Laugh

aber egal.

Ob die Luft vor dem Flugzeug nur zur Seite und nach hinten ausweichen muss oder auch nach vorne beschleunigt wird, hat vermutlich mit der Geschwindigkeit und Form des Flugobjektes zu tun.
Der Halbwinkel des Machkegels ist arcsin(1/M), wenn die Spitze des Objektes einen größeren Winkel hat löst sich die Stoßfront nach vorne von der Spitze ab. Der extremste Fall ist eine Wiedereintrittskapsel, diese bewegt sich mit Hyperschallgeschwindigkeit und hat eine stumpfe Front.
Der Bereich indem die Luft mit zur Umgebung hoher Geschwindigkeit strömt ist eng am Flugzeug und wird Grenzschicht genannt, innerhalb dieser Schicht ändert sich die Geschwindigkeit sehr schnell. Bei Überschallflugzeugen kann man die Dicke dieser Schicht am Abstand zwischen Rumpf und Triebwerkseinlass erkennen.
Wenn ein Flugzeug M=2.0 fliegt und die Spitze einen Halbwinkel von 15° hat bleiben 15° bis zur Stoßfront übrig, die vom Flugzeug verdrängte Luft muss in diese Lücke strömen. Die Seite der Spitze breitet sich nicht mit M=2.0 zu Seite aus, sondern mit M*tan(15°) also nur M=0.54 (nicht die lokale Machzahl). Die Luft muss sich innerhalb des Kegels nicht mit einer Geschwindigkeit oberhalb der externen Schallgeschwindigkeit bewegen da sie auch dichter werden kann. Am wichtigsten für die Schallgeschwindigkeit und somit die Machzahl ist die Temperatur. Die Schallgeschwindigkeit steigt mit der Wurzel der Temperatur. Je nach Geschwindigkeit herrschen Temperaturen die schon mal heißer als eine Flamme sein können und zu Ionisation führen.
Das eigentliche "Problem" ist also, dass die Luft von vor dem Flugzeug hinter das Flugzeug kommen muss. Als Analogie fällt mir da eine Bahn im Tunnel ein. Der Machkegel bietet nur begrenzt viel Platz um die Luft zur Seite zu schieben.
Schon bei hoher Unterschallgeschwindigkeit hat die Luft die Tendenz zur Seite abzuströmen, das ist der Grund für die Pfeilung von Tragflächen.
Waverider verstellen der Strömung den Raum zur Seite unter dem Flugzeug künstlich indem die Flächen nach außen nach Unten zeigen um den Druck und somit Auftrieb bei kleiner Tragfläche zu erhöhen.

CLOWEN · Gast

Hallo, vielen Dank für die ausgiebige Antwort. Eine einzige haarspaltende Frage habe ich noch dazu:
Die Schallgeschwindigkeit innerhalb des machschen Kegels ist nun aufgrund der Temperatur größer als außerhalb, wo sich die Auswirkungen der "Detonation" nur mit Schallgeschwindigkeit fortsetzen. Soweit verstanden, sogar das mit der Fourier Transformation.. ähnlich wie sich aus einem Knall Erregungen aller Frequnzen ableiten lassen ergibt die Überlagerung bei Überschall den Knall( ich bin kein Physiker- erkläre mir das alles in für euch bebiesprachlicher Form)
ABER: gibt es Teile der Luft innerhalb des machschen Kegels, die nun schneller als die lokale Schallgeschwindigkeit fließen? Also bewegt sich die Luft hier aufgrund von Reibung schneller weil sich die Schallgeschwindigkeit durch die Temperaturerhöhung ebenfalls erhöhen lässt, oder durchbrechen Teile der Luft die eigene Schallgeschwindigkeit?

twb8t5 · Anmeldungsdatum: 10.08.2011 Beiträge: 70

Freut mich, dass ich mir nicht nur selbst schreibe.

CLOWEN · Gast

UI, ich versuche es mal meine Frage zu präzisieren:
Angenommen die Luft, durch welche das Flugzeug später fliegt ruht in Bezug zum Untergrund darunter und es gibt keine Fluidbewegung zu diesem Zeitpunkt. Nun kommt ein überschallschnelles Flugzeug, meinetwegen mit mach2 und einer stumpf abgeflachten Nase und durchpflügt die Luft. Die Luft, die zuvor in Relation zum Untergrund geruht hat, bewegt sich direkt vor der Nase des Flugzeuges nun ebenfalls mit Mach 2 oder vielleicht mach 1,8 ( je nachdem wie stumpf die Front ist und wie die Luft abfließen kann) jetzt habe ich mir das so vorgestellt:
Die Luft vor der Nase hat relativ zur Luft( zb in 10 Meter Entfernung seitlich zum Flugzeug) eine erhöhte überschallschnelle Geschwindigkeit. Aber wie verhält es sich in direkter Nachbarschaft der ersten Luftschicht an der Flugzeugfront? Wird hier die Luft soweit komprimiert, dass Sie durch die Temperatur eine höhere Geschwindigkeit annehmen kann, als die Luftmoleküle in 10 Meter Entfernung, weil sich die Grenze der Schallgeschwindigkeit sich hier Temperatur und Druckabhängig verschiebt, oder überschreiten einige Moleküle die Schallgeschwindigkeit der Nachbarmoleküle?

twb8t5 · Anmeldungsdatum: 10.08.2011 Beiträge: 70

CLOWEN · Gast

Ok, vielen lieben Dank für die Mühe. Ich hab's... Ich hatte leider nie HÖMA oder auch nur Physik an einer Uni, außer Vorlesungen wie Physik für Nicht- Physiker im Optionalbereich in Bochum 😁 aber es macht auch auf eine laienhafte Art und Weise Spass die Welt etwas besser zu begreifen, da hast du mir gut bei geholfen ... eine schöne Woche noch.