Femtosekundenlaser misst Geschwindigkeit in Hyperschall-Plasmaströmung

Ingenieure, die Hitzeschilde am Boden testen, stehen vor einem unangenehmen Problem. Die Anlagen, die die Erwärmung beim Wiedereintritt am besten nachbilden, sind Arc-Jet-Windkanäle: Sie leiten elektrisch aufgeheizte, teilweise ionisierte Luft an einer Probe vorbei. Dieses Plasma ist heiß genug, um eine Sonde zu zerstören, und hell genug, um eine Kamera zu blenden. Ein Team des Aerodynamics Research Center der University of Texas at Arlington hat nun eine laserbasierte Geschwindigkeitsmessung veröffentlicht, die in genau dieser Umgebung gelungen ist. Die Arbeit erschien in Communications Engineering. Autoren sind die Doktoranden Aaron Gieder, Nikkhil Chander und Alyssa Velky sowie Professor Luca Maddalena, hinzu kommen Koautoren von Texas A&M, Hy-SET LLC und Speckodyne Inc. In Literaturverzeichnissen werden außerdem Laura und Arthur Dogariu sowie Daniel Palmquist als Autoren genannt.

Laut der Mitteilung der Universität reicht das Verfahren bis in die Stoßschicht. Das ist der dünne Bereich zwischen Bugstoßwelle und Fahrzeugoberfläche, in dem das Gas am heißesten ist und das Verhalten der Grenzschicht die Wärmelast bestimmt.

01Einen Tracer ins Gas schreiben

Die Methode heißt Femtosecond Laser Electronic Excitation Tagging, kurz FLEET. Die herkömmliche Geschwindigkeitsmessung impft eine Strömung mit Partikeln und verfolgt sie. Im Hyperschall scheitert das: Partikel hinken dem Gas hinter Stoßwellen hinterher, können den Windkanal verunreinigen und lassen sich nicht sauber in ein Plasma einbringen. FLEET umgeht das Problem, indem es den Tracer aus dem Gas selbst erzeugt.

Wie UT Arlington es beschreibt, spaltet eine Folge extrem kurzer Laserpulse von jeweils einer Billiardstel Sekunde Dauer Stickstoffmoleküle in der Luft auf. Wenn sich die Atome wieder zu Molekülen verbinden, senden sie Licht aus. So entsteht eine dünne Linie, die sich mit der Strömung bewegt, und eine Hochgeschwindigkeitskamera verfolgt sie über die Zeit. Ein NASA-Technikbericht zu FLEET erläutert die Rechnung dahinter: Die Markierung wird von einer zeitverzögerten, schnell getakteten Kamera aufgenommen, die Geschwindigkeit ergibt sich aus der Verschiebung während der Verzögerung. Eine separate chinesische Studie aus einem Hyperschallkanal hält fest, dass die Fluoreszenz in der Größenordnung von Mikrosekunden anhält, während das Kamerator auf Hunderte von Nanosekunden eingestellt wird. Die Markierung ist also sehr kurzlebig, und das Timing des Kamerators muss dazu passen.

Der Laser arbeitet zudem berührungslos. Maddalena sagte, mit der Methode könne das Team Turbulenz „ganz nah an der Oberfläche“ des Materials in der Stoßschicht messen, einem Bereich, den eine physische Sonde stören oder zerstören würde. Nach Angaben des Teams beeinflusst der Laser die Strömung nicht. Entlang einer Linie einen kleinen Teil des Stickstoffs aufzuspalten, ist ein sehr geringer Eingriff im Vergleich zu einer Sonde im Plasma.

FLEET ist in der Hyperschallforschung nicht neu. In großen Anlagen kam das Verfahren bereits zum Einsatz, etwa um die Geschwindigkeit in Strömungsrichtung bei Mach 8 im Hypersonic Wind Tunnel von Sandia zu messen. Die schwierigere Frage war, ob es in einem Arc-Jet mit seinem extremen Hintergrundlicht funktioniert.

02Warum Arc-Jets schwierig sind

Der Arc-Jet-Windkanal der UT Arlington, bekannt als Leste, ging 2019 in Betrieb. Die Universität bezeichnet ihn als den ersten seiner Art an einer Universität und als einen von nur wenigen Arc-Jet-Windkanälen in den Vereinigten Staaten. Die Gruppe berichtete 2021 über die erste FLEET-Messung in einem Arc-Jet. Die Anlage war ein Arc-Jet-Plasmakanal mit 1,6 MW, und die mittlere Gasgeschwindigkeit im Plume lag für den untersuchten Betriebspunkt bei 1,78 km/s.

Die Mitteilung von 2020 zu dieser ersten Demonstration nannte die zentrale Schwierigkeit: das schwache Nachleuchten des Tracers vom hellen Hintergrundleuchten des Plasmas zu trennen. Eine spätere Turbulenzstudie derselben Gruppe setzte dafür auf eine konventionelle optische Lösung. Sie verwendete einen Langpassfilter bei 725 nm und einen Algorithmus zur Hintergrundsubtraktion, um das FLEET-Signal von der Arc-Jet-Strahlung zu isolieren. Diese Arbeit fand in einer Mach-4-Düsenströmung mit Stickstoff statt, einem weit einfacheren Fall als Luft. Sie zeigt auch, wie selektiv die Daten sein können: Von 4.722 Bildern waren nur 563 für Geschwindigkeitsmessungen brauchbar.

Der Schritt von der freien Anströmung in die Stoßschicht in Luft ist aus zwei Gründen größer:

• Signal-Quenching. Sauerstoff in heißer Luft schwächt die Emission der Stickstoffmoleküle. Dadurch wird die Markierung dunkler und schwerer abzubilden, und das Markieren von Luft unter realistischen Bedingungen ist der schwierigere Fall als reiner Stickstoff.
• Hintergrund. In der Stoßschicht leuchtet das Plasma am stärksten, das Signal-Untergrund-Verhältnis ist dort also am schlechtesten.

Laut der Zusammenfassung auf Tech Xplore erhielt das Team trotz intensiver Plasmaemission und sauerstoffbedingter Signalverluste Geschwindigkeitsmessungen. Eine Zusammenfassung auf Bioengineer.org berichtet, die Geschwindigkeiten im Strahlkern stimmten mit den Betriebsbedingungen der Anlage und mit ergänzenden Diagnostiken überein; räumlich aufgelöste Profile hätten Strukturen gezeigt, die Punktmessungen wegmitteln würden. Auf die vollständige Arbeit hatte ich keinen Zugriff, daher kann ich weder Unsicherheiten noch räumliche Auflösung, Wiederholrate des Lasers oder die genauen Versuchsbedingungen nennen. Diese Zahlen entscheiden darüber, wie gut andere Labore das Ergebnis reproduzieren können.

03Warum Turbulenz die Dicke des Hitzeschilds bestimmt

Das praktische Interesse gilt dem Wärmeübergang. UT Arlington weist darauf hin, dass die Wärmelast auf ein Fahrzeug um das Zehnfache oder mehr steigen kann, wenn glatte Strömung turbulent wird. Thermalschutzsysteme müssen auf die höchste glaubhaft zu erwartende Erwärmung ausgelegt werden. Wenn Bodentests die Turbulenz über- oder unterschätzen oder Konstrukteure nicht überprüfen können, was der Windkanal erzeugt hat, muss die Sicherheitsmarge die Unsicherheit abdecken. Diese Marge kostet Masse, und Masse ist bei Raumfahrzeugen wie bei Hyperschallfahrzeugen teuer.

Bisher wurde vieles von dem, was in einem Plasmakanal an der Wand geschieht, nur erschlossen. Simulationen reagierender, ionisierter, turbulenter Strömungen sind mit großen Modellunsicherheiten behaftet und benötigen wandnahe Daten zur Überprüfung. Maddalenas Gruppe verfolgt dies mit Mitteln des Office of Naval Research. Eine Mitteilung der UT Arlington von 2022 beschrieb eine Förderung für die Untersuchung, wie turbulente Hyperschallströmung Thermalschutzmaterialien beeinflusst, insbesondere an Vorderkanten und Spitzen, mithilfe von Femtosekunden-TALIF, FLEET und kohärenter anti-Stokes-Raman-Spektroskopie (CARS). Die Webseite der Arc-Jet-Gruppe nennt eine weitere Förderung, um CARS in die Femtosekundenlaser-Diagnostik am Arc-Jet aufzunehmen. CARS misst Temperatur und Spezies statt Geschwindigkeit. Die Kombination der Verfahren würde Geschwindigkeit, Temperatur und Zusammensetzung in derselben Strömung liefern.

04Bodentests versus Flug

Maddalena macht einen ungewöhnlichen Punkt zur Realitätsnähe von Tests. In seinen Worten testet das Team „unter schlechteren Bedingungen“ als im tatsächlichen Flug, weil die in Bodenanlagen erzeugte Plasmaströmung turbulenter ist als das, was ein Fahrzeug erlebt. Ein Windkanal, der Turbulenz hinzufügt, schönt nichts: Er neigt dazu, die Erwärmung im Vergleich zum Flug zu überschätzen. Das Ziel der Gruppe ist, diesen Effekt zu quantifizieren, damit sich Daten aus jedem Windkanal in Richtung Flugbedingungen korrigieren lassen. Das gehe, so Maddalena, „unabhängig davon, welcher Windkanal verwendet wird“.

Das ist ein Ziel, kein Ergebnis. Die Arbeit zeigt, dass die Messung möglich ist. Sie zeigt nicht, dass die Korrektur funktioniert. Um aus wandnahen Geschwindigkeitsstatistiken eine validierte Methode zur Flug-Extrapolation zu machen, braucht es den Vergleich mit Rechenmodellen, Wärmestromdaten an realen Proben und idealerweise Flugdaten. Offene Fragen, die das öffentliche Material nicht beantwortet:

• wie dünn eine wandnahe Schicht noch aufgelöst werden kann;
• wie die Korrektur des Sauerstoff-Quenchings quantitativ gehandhabt wird;
• wie wiederholbar Einzelschussmessungen über verschiedene Kanalbedingungen hinweg sind.

Die Arbeit ist ein Meilenstein bei den Messmöglichkeiten. Sie macht eine bislang unsichtbare Größe in einer der härtesten verfügbaren Testumgebungen beobachtbar, und das ist die Voraussetzung für die oben beschriebene Arbeit an der Dimensionierung von Hitzeschilden.