Láser de femtosegundos mide la velocidad en el plasma hipersónico de un arc-jet

Los ingenieros que ensayan escudos térmicos en tierra se enfrentan a un problema incómodo. Las instalaciones que mejor reproducen el calentamiento de la reentrada son los túneles de arco de plasma (arc-jet), que hacen pasar aire calentado eléctricamente y parcialmente ionizado sobre una muestra. Ese plasma está lo bastante caliente como para destruir una sonda y es lo bastante brillante como para cegar una cámara. Un equipo del Aerodynamics Research Center de la Universidad de Texas en Arlington ha publicado ahora una medición de velocidad basada en láser realizada dentro de ese entorno. El artículo apareció en Communications Engineering. Los autores son los estudiantes de posgrado Aaron Gieder, Nikkhil Chander y Alyssa Velky y el profesor Luca Maddalena, con coautores de Texas A&M, Hy-SET LLC y Speckodyne Inc. Las listas de referencias también citan como autores a Laura y Arthur Dogariu y a Daniel Palmquist.

Según el anuncio de la universidad, la técnica llega hasta la capa de choque. Es la región delgada entre la onda de choque de proa y la superficie del vehículo, donde el gas alcanza su temperatura máxima y donde el comportamiento de la capa límite determina la carga térmica.

01Escribir un trazador en el gas

El método se denomina marcado por excitación electrónica con láser de femtosegundos, o FLEET (por sus siglas en inglés). La velocimetría convencional siembra el flujo con partículas y las sigue. Eso falla en flujo hipersónico porque las partículas se rezagan respecto al gas al atravesar los choques, pueden contaminar el túnel y no se pueden inyectar limpiamente en un plasma. FLEET evita el problema fabricando el trazador a partir del propio gas.

Tal como lo describe UT Arlington, un tren de pulsos láser extremadamente breves, de una milbillonésima de segundo cada uno, disocia las moléculas de nitrógeno del aire. Cuando los átomos se recombinan en moléculas, emiten luz y crean una línea delgada que se desplaza con el flujo de aire, y una cámara de alta velocidad sigue esa línea a lo largo del tiempo. Un informe técnico de la NASA sobre FLEET explica la aritmética: la marca se registra con una cámara de obturación rápida y retardo temporal, y la velocidad se obtiene del desplazamiento durante ese retardo. Otro estudio chino en un túnel hipersónico señala que la fluorescencia dura del orden de microsegundos, mientras que la apertura de la cámara se fija en cientos de nanosegundos. Es decir, la marca es un indicador de vida muy corta y la sincronización de la apertura debe ajustarse a ella.

El láser, además, no es intrusivo. Maddalena afirmó que el método permite al equipo medir la turbulencia «muy cerca de la superficie» del material en la capa de choque, una región que una sonda física perturbaría o destruiría. El equipo sostiene que el láser no altera el flujo. Disociar una pequeña fracción del nitrógeno a lo largo de una línea es un contacto levísimo en comparación con una sonda dentro de un plasma.

FLEET no es nuevo en hipersónica. Los investigadores lo han usado en grandes instalaciones, por ejemplo para medir la velocidad en la dirección de la corriente a Mach 8 en el túnel de viento hipersónico de Sandia. La pregunta más difícil era si funcionaría en un arc-jet, con su luz de fondo extrema.

02Por qué los arc-jets son difíciles

El túnel de arco de plasma de UT Arlington, conocido como Leste, entró en funcionamiento en 2019. La universidad lo describe como el primero de su tipo en un ámbito universitario y uno de los pocos túneles de viento de arco de plasma de Estados Unidos. El grupo comunicó la primera medición FLEET en un arc-jet en 2021. El túnel era una instalación de plasma de arco de 1,6 MW, y la velocidad media del gas en la pluma para la condición estudiada fue de 1,78 km/s.

El comunicado de 2020 sobre esa primera demostración señalaba la dificultad central: separar la tenue señal residual del trazador de la intensa emisión de fondo producida por el plasma. Un estudio posterior sobre turbulencia del mismo grupo recurrió a una solución óptica convencional: aplicó un filtro de paso largo de 725 nm y un algoritmo de sustracción de fondo para aislar la señal FLEET de la radiación del arc-jet. Aquel trabajo se hizo en un flujo de nitrógeno en una tobera a Mach 4, un caso mucho más sencillo que el del aire. También muestra lo selectivos que pueden ser los datos: de 4722 imágenes, solo 563 fueron utilizables para medir la velocidad.

Pasar de la corriente libre a la capa de choque en aire es un salto mayor, por dos motivos:

• Extinción de la señal (quenching). El oxígeno del aire caliente debilita la emisión de las moléculas de nitrógeno. Eso vuelve la marca más tenue y más difícil de captar, y marcar aire en condiciones realistas es más complicado que hacerlo en nitrógeno puro.
• Fondo. La capa de choque es donde el plasma brilla con más intensidad, de modo que la relación señal-fondo es la peor posible.

Según el resumen de Tech Xplore sobre el artículo, el equipo obtuvo mediciones de velocidad a pesar de la intensa emisión del plasma y de la pérdida de señal causada por el oxígeno. Un resumen de Bioengineer.org indica que las velocidades en el núcleo del chorro fueron coherentes con las condiciones de operación de la instalación y con diagnósticos complementarios, y que los perfiles con resolución espacial mostraron estructuras que las mediciones puntuales promediarían y ocultarían. No pude acceder al artículo completo, por lo que no puedo informar sobre las incertidumbres, la resolución espacial, la frecuencia de repetición del láser ni las condiciones exactas de los ensayos. Esas cifras determinan hasta qué punto otros laboratorios pueden reproducir el resultado.

03Por qué la turbulencia determina el espesor del escudo térmico

El interés práctico está en la transferencia de calor. UT Arlington señala que, cuando el flujo de aire suave se vuelve turbulento, la carga térmica sobre un vehículo puede multiplicarse por 10 o más. Los sistemas de protección térmica deben dimensionarse para el peor calentamiento verosímil. Si los ensayos en tierra sobrestiman o subestiman la turbulencia, o si los diseñadores no pueden verificar lo que produjo el túnel, el margen debe cubrir esa incertidumbre. Ese margen cuesta masa, y la masa es cara tanto en naves espaciales como en vehículos hipersónicos.

Hasta ahora, gran parte de lo que ocurre en la pared dentro de un túnel de plasma se ha inferido. Las simulaciones de flujo turbulento, ionizado y con reacciones químicas arrastran grandes incertidumbres de modelado y necesitan datos cercanos a la pared para validarse. El grupo de Maddalena ha abordado este problema con financiación de la Office of Naval Research. Un comunicado de UT Arlington de 2022 describió una subvención para estudiar cómo el flujo hipersónico turbulento afecta a los materiales de protección térmica, en particular en bordes de ataque y morros, mediante TALIF de femtosegundos, FLEET y espectroscopía Raman anti-Stokes coherente (CARS). El sitio web del propio grupo del arc-jet menciona otra subvención para incorporar CARS a los diagnósticos con láser de femtosegundos del arc-jet. CARS mide temperatura y especies, no velocidad. Combinar los diagnósticos permitiría obtener velocidad, temperatura y composición en el mismo flujo.

04Ensayos en tierra frente a vuelo

Maddalena plantea un argumento poco habitual sobre el realismo de los ensayos. En sus palabras, el equipo está «ensayando en condiciones peores» que las del vuelo real, porque el flujo de plasma generado en las instalaciones terrestres es más turbulento que el que experimenta un vehículo. Un túnel que añade turbulencia no favorece a nadie: tiende a sobrestimar el calentamiento respecto al vuelo. El objetivo del grupo es cuantificar ese efecto para poder corregir los datos de cualquier túnel hacia las condiciones de vuelo. Y añade: «sea cual sea el túnel de viento que se utilice».

Eso es un objetivo, no un resultado. El artículo demuestra que la medición es posible. No demuestra que la corrección funcione. Convertir las estadísticas de velocidad cercanas a la pared en un método validado de extrapolación al vuelo exigirá comparar con modelos computacionales, con datos de flujo de calor en muestras reales y, idealmente, con datos de vuelo. Entre las preguntas abiertas que el material público no responde figuran:

• qué espesor de capa junto a la pared puede resolverse;
• cómo se aborda cuantitativamente la corrección por extinción debida al oxígeno;
• qué repetibilidad tienen las mediciones de disparo único en distintas condiciones del túnel.

El artículo es un hito en capacidad de medición. Hace observable una magnitud antes invisible en uno de los entornos de ensayo más hostiles que existen, y ese es el requisito previo para el trabajo de dimensionamiento de escudos térmicos descrito más arriba.