// SCINEXX — SPAZIO & SCIENZA
Laser zeigen, wie extreme Luftströmungen vor Hyperschallkörpern abbremsen
Vor einem Flugkörper bei Hyperschallgeschwindigkeit staut sich extrem heiße Luft, doch ihre Bewegung ist kaum direkt zu messen. Mit ultrakurzen Laserpulsen ist es nun gelungen, die Strömung in einem Hochtemperatur-Windkanal berührungslos zu verfolgen. Die Messungen zeigen, wie stark das Gas in der Stoßschicht vor einer Modelloberfläche abgebremst wird.
Arlington (U.S.A.). Beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre drückt ein Raumfahrzeug die Luft vor sich zusammen und erhitzt sie stark. Vor seiner Oberfläche entsteht eine Stoßwelle, hinter der sich Geschwindigkeit, Dichte und Temperatur der Gase auf engem Raum verändern.
Für die Auslegung von Hitzeschilden ist entscheidend, was in dieser Stoßschicht geschieht. Klassische Messsonden können die Strömung aber selbst verändern oder die Belastung nicht überstehen, während die intensive Strahlung des heißen Plasmas optische Messungen erschwert.
Forscher der University of Texas at Arlington (UTA) um Aaron Gieder haben dafür die Femtosekunden-Lasermarkierung (FLEET) in einem Lichtbogen-Windkanal getestet. Dort erhitzt ein elektrischer Lichtbogen die Luft, die anschließend mit hoher Geschwindigkeit durch die Versuchsanlage strömt.
Ein Laserpuls von nur 90 Femtosekunden, also 90 Billiardstel Sekunden, regt Stickstoffmoleküle im Gas an und kann sie aufspalten. Bei ihrer Wiedervereinigung entsteht eine kurzlebige Leuchtspur, die eine Spezialkamera in zwei schnell aufeinanderfolgenden Aufnahmen erfasst.
Aus der Verschiebung dieser Linie zwischen den Aufnahmen lässt sich die örtliche Strömungsgeschwindigkeit berechnen. Weil die Markierung in der Luft selbst entsteht, sind weder zugesetzte Tracerpartikel noch Messsonden erforderlich, die den Luftstrom stören könnten.
Für den Versuch strömte die Luft bei einer Einstellung von Mach 6 an einem rund fünf Zentimeter großen Graphitmodell vorbei. Aus 600 Einzelmessungen im ungestörten Luftstrom ergab sich eine mittlere Geschwindigkeit von 2.650 Metern pro Sekunde, bei einer Gesamtunsicherheit von 1,41 Prozent.
In der Stoßschicht unmittelbar vor dem Modell ermittelte das Team entlang der Mittellinie hingegen nur noch 419 Meter pro Sekunde. Die Luft wurde dort beim Durchlaufen der Stoßwelle deutlich abgebremst, allerdings lag die Messunsicherheit mit 5,8 Prozent höher.
„Diese Methode erlaubt uns, Turbulenzen sehr nahe an der Materialoberfläche zu messen, in der Stoßschicht zwischen der Stoßwelle und dem Fahrzeugkörper“, erklärt Professor Luca Maddalena von der University of Texas at Arlington (UTA).
In den Kamerabildern ist der Geschwindigkeitsunterschied an der Verformung der leuchtenden Linie zu erkennen. Weiter seitlich von der Mittellinie lenkt die gebogene Stoßwelle das Gas jedoch auch quer ab, weshalb eine eindimensionale Geschwindigkeitsmessung dort kein zutreffendes Ergebnis liefert.