Projekt Airbos: Nasa fotografiert Überschall-Druckwellen

Schneller als der Schall zu fliegen, ist vor allem laut: Ein Flugzeug, das die Schallmauer durchbricht, erzeugt einen Überschallknall. Die US-Luft- und Raumfahrtbehörde National Aeronautics And Space Administration (Nasa) hat faszinierende Bilder der Schockwellen aufgenommen, die Flugzeuge beim Durchbrechen der Schallmauer erzeugen.

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Ein Flugzeug durchbricht die Schallmauer und erzeugt Druckwellen. (Foto: Nasa)

Die Aufnahmetechnik, die die Nasa dafür eingesetzt hat, ist schon 150 Jahre alt: Die Schlierenfotografie wurde 1864 von dem deutschen Wissenschaftler August Toepler entwickelt und ermöglicht es, Verwirbelungen in der Luft abzubilden.

Schlieren werden sichtbar gemacht

Schlieren sind Schwankungen der optischen Dichte der Luft, wodurch sich der Brechungsindex verändert. Dadurch wird das Licht unregelmäßig abgelenkt. Mit einem relativ komplexen optischen Aufbau lassen sich die Schlieren sichtbar machen. Die Technik wird etwa im Windkanal angewandt.

Aktuell werden Verfahren eingesetzt, die auf Bildverarbeitung basieren, wie etwa Background Oriented Schlieren (BOS). Dabei wird zuerst ein Bild von einem gemusterten Hintergrund aufgenommen. Anschließend wird ein Objekt in einer Luftströmung vor dem gleichen Muster fotografiert. Aus den Verzerrungen des Musters lassen sich dann die Schockwellen ableiten.

Flugzeuge wurden im Flug fotografiert

Dieses Aufnahmeverfahren kommt mit einem einfacheren optischen Aufbau aus. Als Hintergrund können verschiedene Muster eingesetzt werden - auch solche in der Landschaft. Bisher wurde das Verfahren im Windkanal an Modellen eingesetzt. Die Nasa hat im Projekt Airbos damit Flugzeuge im Flug in Originalgröße abgebildet.

Als Hintergrundmuster diente der Wüstenboden, der dann herausretuschiert wurde, um die Schockwellen sichtbar zu machen. Damit diese auch sehr klar erkennbar sind, montierten die Forscher viele Bilder zu einem zusammen.

Ein Flugzeug wird zur fliegenden Kamera

Als Modelle in dem Nasa-Projekt Airbos wurden eine McDonnell Douglas F-15 und eine Northrop T-38 eingesetzt. Aufgenommen wurden die Bilder von einer Beechcraft King Air aus. Das Propellerflugzeug wurde dafür mit Hochgeschwindigkeitskameras ausgestattet, die 109 Bilder pro Sekunde aufnehmen. Die Beechcraft fotografierte die beiden Düsenflugzeuge, während diese wenige Hundert Meter mit einer Geschwindigkeit von Mach 1,09 unter ihr hindurch flogen.

Das erforderte eine sorgfältige Vorbereitung: Die Routen der Flugzeuge mussten koordiniert werden. Sie waren unterschiedlich schnell unterwegs und mussten beide gleichzeitig über dem Zielgebiet sein, das als Hintergrund diente.

Überschallflugzeuge sollen leise werden

Allerdings geht es nicht nur um die Ästhetik: Die Erkenntnisse der Nasa aus diesem Projekt sollen dazu dienen, leise Überschallflugzeuge zu entwickeln. Die Aufnahmetechnik sei sehr gut dazu geeignet, die Schockwellen, die von Überschallfahrzeugen ausgehen, sehr genau zu orten und zu beschreiben, sagte Dan Banks, wissenschaftlicher Leiter des Projekts. "Es erlaubt uns, die Stoßwellengeometrie in der Atmosphäre zu sehen, wenn das Flugzeug durch Temperatur- und Feuchteverläufe fliegt, die sich nicht im Windkanal simulieren lassen."

Wegen des Lärms durfte der britisch-französische Überschalljet Concorde nur über dem Atlantik mit Überschallgeschwindigkeit fliegen. Überschallflüge von der US-Ostküste an die Westküste waren verboten. Inzwischen arbeiten Hersteller wieder an Überschallflugzeugen. Diese sollen leiser werden: Airbus etwa schwebt eine waagerechte Ausbreitung der Schallwellen vor.