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Untersuchung eines stationären Laserplasmas zur Beeinflussung starker Verdichtungsstöße für den Spezialfall eines stumpfen Flugkörpers in einer Argonüberschallströmung
(2015) Sperber, David; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.)
Diese experimentelle und numerische Arbeit behandelt konzentrierte Energieeinträge zur Beeinflussung von Verdichtungsstößen an stumpfen Überschallflugkörpern. Das Konzept basiert auf der Erhaltung eines Plasmas durch kontinuierlich arbeitende Laser (cw-Laser). Die Energie soll dabei frei in der Strömung (idealerweise durch einen Laser im Flugkörper) eingetragen werden. Die Herausforderung liegt in der Bestimmung der geeigneten Laserparameter, unter welchen die Strahlung im Plasma ausreichend effizient absorbiert wird, um die Energieverluste durch Konvektion, Wärmeleitung und Abstrahlung auszugleichen. Wird dabei das Plasma stromaufwärts des Flugkörpers erhalten, so entsteht ein Heißgaskanal niedriger Dichte und verringerter Machzahl, der auf den Verdichtungsstoß trifft. Dadurch bildet sich an der Stirnfläche ein Ablösegebiet, sodass die senkrechte Stoßfront in einen Schrägstoß übergeht. Demzufolge beeinflusst der Eintrag von Energie die Druck- und Wärmestromverteilung des Flugkörpers. Der experimentelle Aufbau besteht aus Puls- und cw-Lasern, laseroptischen Komponenten sowie einem Windkanal. Die Versuche erfolgen hierbei hauptsächlich in Argonatmosphäre, um die Leistungsanforderungen an die cw-Laser zu senken. Zur Charakterisierung des Energieeintrags wird die Laserausgangsleistung, die Absorption der Laserstrahlung im Plasma sowie der Plasmaanregungszustand bestimmt. Des Weiteren erfassen Druck- und Wärmestromsensoren an Probekörpern die Widerstandsreduktion sowie die Wärmelasten im Staupunkt. Die plasmatechnischen und fluiddynamischen Messgrößen werden mit den numerischen Ergebnissen eines ANSYS CFX-Modells, in dem die Absorption von Laserstrahlung sowie die Realgaseigenschaften implementiert sind, verglichen. Die Untersuchungen zeigen die notwendigen Randbedingungen für die Plasmaerhaltung in einer Argonüberschallströmung auf. Bei den Machzahlen M = 2,1 und 2,7 sowie einem Totaldruck von mindestens 0,25 MPa ist hierbei eine Fokusintensität von mindestens 2·10^7 W/cm² erforderlich. Dieser Schwellenwert bezieht sich auf die Verwendung von CO2-Laserstrahlung der Wellenlänge 10,6 μm. Solche Leistungsdichten werden mit Lasern exzellenter Strahlqualität bei Ausgangsleistungen von mehr als 550 W erreicht, wenn zur Strahlfokussierung Linsen kurzer Brennweite verwendet werden. Die im Plasma absorbierte Laserleistung beträgt druck- und brennweitenabhängig bis zu 60 % der Ausgangsleistung. Außerdem wird mittels Plasmaemissionsspektroskopie für die untersuchten Optik- und Laserparameter ein konstantes, mittleres Anregungsniveau bestimmt, das stets im Bereich der fast vollständigen Einfachionisation liegt. Demzufolge wird durch eine Variation der Optik- und Laserparameter lediglich der Gesamtenergieeintrag optimiert, ohne dass die mittleren Zustandsgrößen im Plasma und im Heißgaskanal messbar verändert werden. Des Weiteren wird die Wirkung des Energieeintrags auf den abgelösten Verdichtungsstoß eines Probekörpers untersucht. Im Windkanal ist dafür eine Halbkugel mit dem Durchmesser 6,5 mm symmetrisch im Nachlauf des Plasmas positioniert. Aus der Druckverteilung wird eine Verringerung des Wellenwiderstands um bis zu 65 % und eine Verringerung des Staudrucks um bis zu 80% gegenüber einer Strömung ohne Energieeintrag ermittelt. Gleichzeitig steigt jedoch der Wärmestrom im Staupunkt für alle Fokussierungen und Strömungsbedingungen signifikant an. Abschließend wird mit den experimentellen und numerischen Ergebnissen eine Beurteilung der Wirtschaftlichkeit vorgenommen sowie die Übertragbarkeit auf reale Bedingungen im Über- und Hyperschallflug diskutiert.