Laser a femtosecondi: misurata la velocità nel plasma ipersonico dell'arc-jet

Gli ingegneri che collaudano a terra gli scudi termici si trovano di fronte a un problema scomodo. Gli impianti che meglio riproducono il riscaldamento del rientro atmosferico sono le gallerie arc-jet, che spingono aria riscaldata elettricamente e parzialmente ionizzata contro un campione. Quel plasma è abbastanza caldo da distruggere una sonda e abbastanza luminoso da accecare una telecamera. Un gruppo dell'Aerodynamics Research Center della University of Texas at Arlington ha ora pubblicato una misura di velocità basata sul laser, eseguita all'interno di quell'ambiente. L'articolo è apparso su Communications Engineering. Gli autori sono gli studenti di dottorato Aaron Gieder, Nikkhil Chander e Alyssa Velky e il professor Luca Maddalena, con coautori di Texas A&M, Hy-SET LLC e Speckodyne Inc. Gli elenchi bibliografici citano tra gli autori anche Laura e Arthur Dogariu e Daniel Palmquist.

Secondo il comunicato dell'università, la tecnica arriva fino allo strato d'urto. È la sottile regione compresa tra l'onda d'urto a prua e la superficie del veicolo, dove il gas è più caldo e dove il comportamento dello strato limite determina il carico termico.

01Scrivere un tracciante nel gas

Il metodo è il FLEET (femtosecond laser electronic excitation tagging), cioè il tagging per eccitazione elettronica con laser a femtosecondi. La velocimetria convenzionale semina il flusso con particelle e le segue. Nel flusso ipersonico questo approccio fallisce, perché le particelle non seguono il gas attraverso gli urti, possono contaminare la galleria e non possono essere iniettate in modo pulito in un plasma. Il FLEET aggira il problema ricavando il tracciante dal gas stesso.

Come lo descrive la UT Arlington, un treno di impulsi laser brevissimi, ciascuno della durata di un milionesimo di miliardesimo di secondo, dissocia le molecole di azoto presenti nell'aria. Quando gli atomi si ricombinano in molecole, emettono luce e formano una sottile linea che si muove con il flusso d'aria; una telecamera ad alta velocità segue la linea nel tempo. Un rapporto tecnico della NASA sul FLEET spiega il calcolo. Il tag viene ripreso da una telecamera a gate rapido con ritardo temporale, e la velocità si ricava dallo spostamento avvenuto durante il ritardo. Uno studio cinese separato, condotto in una galleria ipersonica, osserva che la fluorescenza dura dell'ordine dei microsecondi, mentre il gate della telecamera è impostato su centinaia di nanosecondi. Il tag è dunque un marcatore di brevissima durata, e la temporizzazione del gate deve adattarsi a esso.

Il laser è inoltre non intrusivo. Maddalena ha dichiarato che il metodo consente al gruppo di misurare la turbolenza «molto vicino alla superficie» del materiale nello strato d'urto, una regione che una sonda fisica disturberebbe o distruggerebbe. Il gruppo afferma che il laser non perturba il flusso. Dissociare una piccola frazione di azoto lungo una linea è un intervento molto leggero rispetto a una sonda immersa in un plasma.

Il FLEET non è una novità in ambito ipersonico. I ricercatori lo hanno usato in grandi impianti, per esempio per misurare la velocità in direzione del flusso a Mach 8 nella Hypersonic Wind Tunnel dei Sandia. La domanda più difficile era se avrebbe funzionato in un arc-jet, con la sua luce di fondo estrema.

02Perché gli arc-jet sono difficili

La galleria arc-jet della UT Arlington, chiamata Leste, è entrata in funzione nel 2019. L'università la definisce la prima nel suo genere in un ateneo e una delle pochissime gallerie del vento arc-jet degli Stati Uniti. Nel 2021 il gruppo ha riportato la prima misura FLEET in un arc-jet. La galleria era un impianto a plasma arc-jet da 1,6 MW e la velocità media del gas nel pennacchio, per la condizione studiata, era di 1,78 km/s.

Il comunicato del 2020 su quella prima dimostrazione indicava la difficoltà centrale: separare il debole segnale di luminescenza residua del tracciante dalla luminosa emissione di fondo prodotta dal plasma. Un successivo studio sulla turbolenza dello stesso gruppo ha adottato una soluzione ottica convenzionale: un filtro passa-lungo a 725 nm e un algoritmo di sottrazione del fondo per isolare il segnale FLEET dalla radiazione dell'arc-jet. Quel lavoro riguardava un flusso in ugello di azoto a Mach 4, un caso molto più semplice dell'aria. Mostra anche quanto siano selettivi i dati: su 4.722 immagini, solo 563 erano utilizzabili per le misure di velocità.

Passare dalla corrente libera allo strato d'urto in aria è un salto più grande, per due ragioni:

• Quenching del segnale. L'ossigeno nell'aria calda indebolisce l'emissione delle molecole di azoto. Il tag diventa più debole e più difficile da riprendere, e marcare l'aria in condizioni realistiche è un caso più difficile rispetto all'azoto puro.
• Fondo. Lo strato d'urto è la zona in cui il plasma brilla di più, perciò il rapporto segnale/fondo è al suo minimo.

Secondo il riepilogo di Tech Xplore sull'articolo, il gruppo ha ottenuto misure di velocità nonostante l'intensa emissione del plasma e la perdita di segnale dovuta all'ossigeno. Un riepilogo su Bioengineer.org riferisce che le velocità nel nucleo del getto erano coerenti con le condizioni operative dell'impianto e con diagnostiche complementari, e che i profili risolti spazialmente mostravano strutture che le misure puntuali avrebbero mediato. Non ho potuto accedere all'articolo completo, quindi non posso riportare incertezze, risoluzione spaziale, frequenza di ripetizione del laser né le condizioni esatte dei test. Sono numeri che determinano quanto altri laboratori possano riprodurre il risultato.

03Perché la turbolenza determina lo spessore dello scudo termico

L'interesse pratico riguarda lo scambio termico. La UT Arlington osserva che, quando il flusso d'aria regolare diventa turbolento, il carico termico su un veicolo può aumentare di 10 volte o più. I sistemi di protezione termica devono essere dimensionati sul peggior riscaldamento plausibile. Se i test a terra sovrastimano o sottostimano la turbolenza, o se i progettisti non riescono a verificare che cosa abbia prodotto la galleria, il margine deve coprire l'incertezza. Quel margine costa massa, e la massa è costosa sia sui veicoli spaziali sia su quelli ipersonici.

Finora, gran parte di ciò che accade alla parete in una galleria al plasma è stato dedotto. Le simulazioni di flussi turbolenti, reagenti e ionizzati comportano grandi incertezze di modello e richiedono dati vicino alla parete per essere verificate. Il gruppo di Maddalena ha portato avanti questo lavoro con finanziamenti dell'Office of Naval Research. Un comunicato della UT Arlington del 2022 descriveva un finanziamento per studiare come il flusso ipersonico turbolento influisca sui materiali di protezione termica, in particolare su bordi d'attacco e ogive, usando TALIF a femtosecondi, FLEET e spettroscopia Raman anti-Stokes coerente (CARS). Il sito del gruppo arc-jet elenca un altro finanziamento per aggiungere la CARS alla diagnostica laser a femtosecondi dell'arc-jet. La CARS misura temperatura e specie chimiche, non la velocità. Combinando le diagnostiche si otterrebbero velocità, temperatura e composizione nello stesso flusso.

04Test a terra e volo

Maddalena sottolinea un aspetto insolito del realismo dei test. Per usare le sue parole, il gruppo sta «testando in condizioni peggiori» del volo reale, perché il flusso di plasma generato negli impianti a terra è più turbolento di quello che un veicolo sperimenta. Una galleria che aggiunge turbolenza non fa sconti: tende a sovrastimare il riscaldamento rispetto al volo. L'obiettivo del gruppo è quantificare questo effetto, in modo che i dati di qualsiasi galleria possano essere corretti verso le condizioni di volo. Dice: «indipendentemente dalla galleria del vento utilizzata».

Questo è un obiettivo, non un risultato. L'articolo dimostra che la misura è possibile. Non dimostra che la correzione funzioni. Trasformare le statistiche di velocità vicino alla parete in un metodo validato di estrapolazione al volo richiederà il confronto con modelli computazionali, dati di flusso termico su campioni reali e, idealmente, dati di volo. Tra le questioni aperte a cui il materiale pubblico non risponde:

• quanto sottile possa essere lo strato adiacente alla parete che si riesce a risolvere;
• come venga gestita quantitativamente la correzione del quenching da ossigeno;
• quanto siano ripetibili le misure a singolo colpo al variare delle condizioni della galleria.

L'articolo segna una tappa nella capacità di misura. Rende osservabile una grandezza finora invisibile in uno degli ambienti di prova più estremi disponibili, ed è il presupposto per il lavoro di dimensionamento degli scudi termici descritto sopra.