Neue Erkenntnisse bei Mach 16: Hyperschallforschung im Umbruch

URBANA-CHAMPAIGN / MÜNCHEN (IT BOLTWISE) – Eine bahnbrechende Simulation von Forschern der University of Illinois Urbana-Champaign hat bisher unbekannte Strömungsinstabilitäten bei Hyperschallfahrzeugen, die mit Mach 16 fliegen, aufgedeckt. Diese Entdeckung stellt langjährige Annahmen über die Fluiddynamik bei extremen Geschwindigkeiten in Frage.

Die jüngste Studie, veröffentlicht im März 2025 in Physical Review Fluids, offenbart unerwartete Turbulenzmuster, die die Konstruktion zukünftiger Hyperschallfahrzeuge maßgeblich beeinflussen könnten. Mithilfe hochauflösender 3D-Modellierung und eines hochmodernen Supercomputers wurden diese Erkenntnisse gewonnen, die einen Wendepunkt im Verständnis des aerothermischen Verhaltens bei ultrahohen Geschwindigkeiten markieren.

Hyperschallflüge, definiert als Geschwindigkeiten jenseits von Mach 5, stellen Ingenieure vor immense Herausforderungen. Die komplexen Interaktionen zwischen Luftmolekülen und Fahrzeugoberflächen führen zu komprimierten Schockwellen und volatilen Grenzschichten. Bisherige Simulationen und Windkanaltests konnten diese Interaktionen in drei Dimensionen nicht vollständig erfassen.

Professorin Deborah Levin und Doktorandin Irmak Taylan Karpuzcu nutzten maßgeschneiderte Software und Frontera, einen der schnellsten akademischen Supercomputer der Welt, um den Luftstrom um kegelförmige Geometrien bei Mach 16 zu simulieren. Die Ergebnisse überraschten: Symmetrische Erwartungen wichen asymmetrischen Instabilitäten, wellenförmigen Trennlinien und Strömungsabbrüchen.

Entgegen der vorhergesagten glatten, konzentrischen Strömungsbänder zeigten die 3D-Simulationen chaotische Strukturen, insbesondere in der Nähe der Kegelspitzen. Bei Mach 16 umschließen Schockwellen die Fahrzeugoberfläche enger und komprimieren Luftmoleküle in viskose, instabile Schichten. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die axiale Symmetrie, die lange in Hyperschallentwürfen angenommen wurde, bei ultrahohen Geschwindigkeiten möglicherweise nicht zutrifft.

Tests bei Mach 6 zeigten keine dieser Unregelmäßigkeiten, was auf eine geschwindigkeitsabhängige Entstehung von Instabilitäten hinweist. Diese Erkenntnis unterstreicht das Risiko, Ergebnisse von Tests mit niedrigeren Geschwindigkeiten auf vollskalige Hyperschallsysteme zu extrapolieren.

Ein bedeutender Durchbruch des Projekts war die Anwendung der Direct Simulation Monte Carlo (DSMC)-Methode, eines statistischen Ansatzes, der einzelne Luftmoleküle durch Milliarden zufälliger Interaktionen verfolgt. Im Gegensatz zu traditionellen deterministischen Modellen führt DSMC Wahrscheinlichkeiten in die Kollisionsdynamik ein.

Diese Methode zeigte, dass das Strömungsfeld um eine Doppelkegelstruktur in zwei unterschiedliche turbulente Zonen zerfiel, die sich mit einer 180-Grad-Symmetrie wiederholten. Um diese Ergebnisse zu bestätigen, führten die Forscher eine lineare Stabilitätsanalyse mit der Triple-Deck-Theorie durch, was die physikalische Glaubwürdigkeit ihrer Beobachtungen untermauerte.

Das Doppelkegelmodell, ein Stellvertreter für viele Hyperschallfahrzeugnasen und Wiedereintrittskörper, offenbarte einen kritischen Konstruktionsfehler: Was einst als stabile aerodynamische Form galt, könnte unerwartete thermische und mechanische Belastungen erzeugen.

Diese Studie setzt neue Maßstäbe für das Verständnis der Fluiddynamik im Hyperschallbereich. Indem sie bewies, dass die Strömungssymmetrie bei Mach 16 zusammenbricht, hat das Team eine Neubewertung von Testmethoden, Entwurfsmodellen und Sicherheitsprotokollen erzwungen.

Mit wachsendem globalem Interesse an Hyperschallverteidigungssystemen, Raumflugzeugen und orbitalen Liefertechnologien hat die Dringlichkeit für präzise Simulationen einen neuen Höhepunkt erreicht. Diese Ergebnisse unterstreichen, dass 3D-Instabilität nun ein wesentlicher Bestandteil jedes Hyperschalldesignrahmens sein muss – etwas, das 2D-Modelle nicht zuverlässig bieten können.

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