Flugzeugradar: der Doppler-Effekt beim Flugverkehr
Beim Radar der Flugüberwachung werden auf den Leuchtschirmen in den Towern die augenblicklichen Orte der Flugzeuge angezeigt. Mit dem Dopplereffekt kann zudem auch die Geschwindigkeit angezeigt werden, was gleichzeitig dabei hilft, unbewegliche Objekte wie Gebäude oder Hügel nicht mit anzuzeigen. (Festzielunterdrückung)
Bei einem Rundsichtradar werden z.B. tausendmal in einer Sekunde für die Dauer einer Mikrosekunde Wellen einer Wellenlänge im Zentimeterbereich ausgesendet. Wie weit wandern Funkwellen in einer tausendstel Sekunde? In einer Sekunde 300.000 km, in einer tausendstel Sekunde daher 300 km.
Für ein Echo bei 1000 Impulsen/s darf ein Objekt also weniger als 150 km entfernt sein, da die Funkwellen den Hin- und den Rückweg zurücklegen müssen und dafür ist nur knapp eine tausendstel Sekunde Zeit.
Das Prinzip des Doppler-VOR
Das Doppler-VOR (sprich: vi-ou-ar) ist ein besonders genaues Drehfunkfeuer für den Luftverkehr. Man kann es mit einem Leuchtturm für Schiffe vergleichen:
Beim Leuchtturm dreht sich ein Scheinwerfer mit einer bestimmten Umdrehungszeit (Frequenz) und blinkt zusätzlich, wenn der Scheinwerfer nach Norden zeigt. An der Frequenz erkennt man einen bestimmten Leuchtturm. Aus dem Zeitvergleich zwischen der „Nordmarke“ und dem Aufleuchten des Scheinwerfers kann der Navigator am Schiff bestimmen, in welcher Richtung vom Leuchtturm aus gesehen sich das Schiff befindet. Aus der Helligkeit lässt sich die Entfernung abschätzen und zusammen mit der Fahrtrichtung des Schiffes lässt sich der Kurs des Schiffes erschließen.
Ein Doppler-VOR erzeugt einen rotierenden Funkstrahl im Frequenzbereich über 100 MHz und ein Rundumsignal beim Durchgang durch die Nordrichtung. So erhält man die genaue Richtung zur VOR-Station.
Zusätzlich sendet das Flugzeug ein Signal, das von der Bodenstation beantwortet wird. Aus der Dauer bis zum Echo wird die Entfernung bestimmt und aus der Frequenzverschiebung durch den Dopplereffekt die Geschwindigkeit (DME-Verfahren). Alle wichtigen Daten für die Navigation (Steuerung) des Flugzeugs sind damit bekannt.
Überschallgeschwindigkeit: Doppler-Effekt extrem
Dopplers Schüler Ernst Mach beschäftigte sich mit dem Fliegen bei Schallgeschwindigkeit (340m/s = 1 Mach, etwa 1200 km/h):
Das sich relativ zur Luft bewegende Flugzeug „schiebt“ die Schallwelle in Flugrichtung zusammen. Nähert sich das Flugzeug der Schallgeschwindigkeit, so verdichtet sich die Wellenfront vor dem Flugzeug zum sogenannten „Mach-Kegel“ („Schallmauer“). Beim Übertreffen der Schallgeschwindigkeit durchbricht das Flugzeug die Schallmauer, ein lauter Knall ist kilometerweit hörbar.
Fliegt ein Flugzeug schneller als 1 Mach, also mit Überschallgeschwindigkeit, so kann man es erst hören, wenn es schon vorbei ist. Auch eine Gewehrkugel fliegt schneller als der Schall (500 .. 800 m/s).
Verkehrsflugzeuge fliegen bis etwa 0,8 Mach Geschwindigkeit, Militärflugzeuge bis 2 oder 3 Mach.
