Untersuchung eines stationären Laserplasmas zur Beeinflussung starker Verdichtungsstöße für den Spezialfall eines stumpfen Flugkörpers in einer Argonüberschallströmung

Abstract

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.

This experimental and numerical thesis deals with the concept of highly concentrated energy deposition for shock wave control at blunt bodies in a supersonic flow. The concept is based on the maintenance of a plasma, which can be freely located around the flight vehicle by the use of (an onboard) continuous-wave laser. The main issue is to determine the appropriate laser parameters and whether the laser radiation is sufficiently absorbed for the compensation of plasma energy losses (forced convection, conduction and radiation). If a plasma is maintained upstream of a blunt body, a wake of high temperature, low density and reduced Mach number is formed. The wake hits the bow shock of the body and a separation region is built up. Subsequently the bow shock is transformed into an oblique shock wave, whereby the pressure and heat flux distribution can be efficiently controlled. The experimental set-up consists of pulse and continuous-wave lasers, laser optics and a wind tunnel facility. In supersonics the investigations are usually performed in argon atmosphere to reduce the requirements of the laser output power. The plasma state is evaluated by measurements of laser power, power absorption and exitation level. Moreover wind tunnel models are equipped with fast-response pressure and heat flux sensors to determine the drag reduction and the heat flux potential at the stagnation point. The plasma and flow parameters are compared with the numerical results of a customized ANSYS CFX model, which considers absorption of laser radiation and real gas effects. Experimental results indicate a threshold of about 2·10^7 W/cm² for maintenance of a Plasma in an argon atmosphere at Mach numbers M = 2.1 and 2.7. This threshold is valid for CO2 lasers of the wavelength 10.6 μm and total pressures of at least 0.25 MPa. If the laser of excellent beam quality is focused with a short focal length lens a minimum output power of about 550 W is required. The maintained plasma absorbs up to 60 % of incident laser power depending on pressure and focal length. Furthermore, spectrum analyses show that the mean excitation level of the argon plasma is always close to the state of single ionization. The excitation level is only weakly affected by laser power and intensity distribution of the focused laser beam. For variations of focal length and laser parameter the total absorbed power can be optimized, thereby the gas conditions in the plasma and in the thermal wake are about constant. Moreover wind tunnel tests of flow control are performed with a hemisphere of 6.5mm in diameter and Reynolds numbers of up to 5.5·10^5. The hemisphere is symmetrically placed into the thermal wake of the plasma. Based on the pressure distribution measurements, the total drag is reduced by up to 65 % and the stagnation pressure by up to 80 % due to the shock wave mitigation induced by the laser energy deposition. Heat flux measurements at the stagnation point show that the thermal loads increase due to the energy deposition independent of the laser focus parameters and flow conditions. In conclusion the power efficiency of stationary laser energy deposition and the influence of the gas and its conditions on the laser intensity threshold are evaluated. The power requirements for real super- or hypersonic flight conditions are estimated.