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Schlieren-Effekt: NASA schießt beeindruckende Überschall-Fotos

Die NASA hat den 150 Jahre alten Schlieren-Effekt weiterentwickelt, um bei modernen Überschall-Jets die Druckwelle sichtbar zu machen. Derzeit sind Überschallflüge sehr laut – das neue Verfahren könnte den Weg zu leiseren Überschallflugzeugen ebnen.

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Schlieren-Effekt

(Bild: NASA Photo)

Mit Hilfe eines über 150 Jahre alten Verfahrens hat es die NASA bei dem Projekt AirBOS geschafft, die Druckwellen bei Überschallflügen in bisher nicht gekannter Genauigkeit fotografisch festzuhalten. Hierfür wurde der im Jahr 1864 vom deutschen Physiker August Toepler entdeckte Schlieren-Effekt vom Armstrong Flight Research Center in Moffett Field über einen Zeitraum von fünf Jahren weiter erforscht. Spezielle Verfahren der Bildbearbeitung waren letztlich der Schlüssel für eine signifikant verbesserte Schlierenfotografie und damit auch für eine klare Darstellung der Druckwelle.

(Bild: NASA Photo)

Zwei Flugzeuge pro Shooting

Die NASA hat pro Shooting zwei Flugzeuge eingesetzt. Seit 2011 fanden mehrere Shootings statt; die aktuellen Bilder stammen aus der AirBOS3-Aufnahmeserie vom Februar 2015. Ein Flugzeug dient immer als Modell: Es durchbricht die Schallmauer, um eine entsprechende Druckwelle zu erzeugen. Als Überschall-Flugzeuge und Fotomotive kamen abwechselnd die Flugzeugtypen F-15 und T-38 zum Einsatz. Über ihnen flog während der Aufnahmen ein zweites Flugzeug mit installierter Kamera. Hierbei handelt es sich um eine King Air, welche die Schallmauer nicht durchbrechen kann und deutlich langsamer ist als ihre Fotomotive. Die Navigation während der Aufnahmen war der NASA zufolge anspruchsvoll und nicht ungefährlich. Die Flugzeugtypen flogen mit einer erheblichen Geschwindigkeitsdifferenz und durften sich vertikal dennoch nicht zu weit voneinander entfernen, um eine gute Bildqualität zu gewährleisten. Für die Aufnahmen wurde eine Hochgeschwindigkeitskamera mit 109 Bildern pro Sekunde eingesetzt.

Verbesserte Aufnahmetechnik

Die Schlieren-Fotografie wird bei Windkanal-Tests schon länger eingesetzt. Dort eignet sich die Methode "Background-Oriented Schlieren" (BOS) sehr gut zur Visualisierung des Schlieren-Effektes. Das hierfür erforderliche per Zufallsverfahren erzeugte Punktmuster läßt sich allerdings nur unter Laborbedingungen erzeugen. Das Ziel der NASA bestand darin, das Verfahren auch im Luftraum nutzbar zu machen. Es handelt sich also um eine Weiterentwicklung von BOS, woraus sich der Projektname AirBOS ergab. Die Bildbearbeitung selbst war laut NASA eher unaufwendig. Per Laptop wurden die einzelnen Frames der Kamera ausgewertet. Weil die Testflüge über der Wüste stattfanden, ersetzte die Wüstenvegetation das bei den Windkanaltests erzeugte Punktmuster. Die jetzt vorgestellten Aufnahmen wurden aus vielen Einzel-Frames zusammengesetzt.

Derzeit sind Überschall-Flüge nicht nur in den USA, sondern auch in Deutschland wegen der damit verbundenen Lärmbelastung untersagt. NASA will die neue Aufnahmetechnik von Ingenieuren einsetzen lassen, um zukünftig leisere Überschall-Flugzeuge für den Überland-Einsatz zu konstruieren. (sts)