Zusammenfassung:

In dieser Untersuchung werden numerischen Simulationen von supersonischen Strömungen eingesetzt, um die Entwicklung eines auf Impaktion basierenden Partikelsammlers zu unterstützen. Dieser raketengetragene Kollektor dient der Entnahme von Submikron-Aerosolproben bei Überschallgeschwindigkeiten. Simulationen von Partikeltrajektorien und Partikelimpaktionen erlauben Vorhersagen über die Kollisionsprozesse und die Effizienz der Teilchenentnahme. Das übergeordnete Ziel des Entwicklungsprozesses ist es, mesosphärische Aerosole für ihre physikalisch-chemischen Analysen zu sammeln, um weitere Einblicke in Prozesse der hohen Atmosphäre zu gewinnen: z.B. von Aerosolpartikeln aus meteorischer Ablation und deren möglicher Einfluss auf die Bildung nachtleuchtender Wolken.

Ziel ist die Entwicklung eines auf Impaktion basierenden Partikelsammlers, der Aerosolimpakte im freien Überschallstrom radial neben dem Raketenkörper ermöglicht (Details zur Rakete siehe [2]). Numerische Simulationen mit der PDE-Software COMSOL Multiphysics unterstützen die Entwicklung des Designs des Sammlers. Von besonderem Interesse ist die Bewertung des sich entwickelnden Strömungsfeldes um die Nutzlast einer Höhenforschungsrakete bei hohen Machzahlen (mit Ma₁ = 1,31 und Ma₂ = 1,75 in 85 km) einschließlich der wesentlichen Strömungsgrößen (z.B. Geschwindigkeit, Druck). Weiterhin wird die Dicke der Grenzschicht untersucht, um zu verhindern, dass diese als Artefakt die Impaktionsprozesse beeinflusst. Weitere Fragen zielen auf das Design bzw. die Anordnung der Impaktorarme. Schließlich werden anhand der Umgebungsbedingungen Partikeltrajektorien berechnet, die zur Bestätigung möglicher Impaktionsprozesse führen.

Die Simulationen berücksichtigen drei verschiedene Fluglagen (d. h. Anstellwinkel) der Höhenforschungsrakete während des Flugs: 0° und ±30° (Winkel zwischen der Anströmrichtung und der Längsachse der Rakete). Die Simulationen werden für Fluggeschwindigkeiten von 300 m/s und 400 m/s durchgeführt. Die resultierenden Strömungsfelder zeigen entsprechende Stoßwellen, die sowohl an der Nutzlastspitze als auch an den Vorsprüngen erzeugt werden. Abbildung 1 zeigt die ausgewerteten Strömungsfeldgrößen bei der Anströmgeschwindigkeit von 400 m/s der endgültigen wissenschaftlichen Nutzlastgeometrie mit Messflächen. Temperatur, Luftdichte und Geschwindigkeit für einen Anstellwinkel von -30° sind in einer Schnittebene dargestellt. Sichtbar ist die an dieser Stelle entstehende asymmetrische Stoßwellenregion, in der steile Gradienten auftreten. Außerdem wird die Dicke der Grenzschichten an jeder der berechneten Raketenpositionen ausgewertet. Darauf aufbauend wird der Abstand der Impaktorarme von der Nutzlasthülle bestimmt, um Partikel in der freien Strömung zu beproben. Die Wolkeneispartikel von NLCs existieren vermutlich unter vergleichsweise instabilen Bedingungen in mesosphärischen Höhen. Temperaturschwankungen, wie sie im Strömungsfeld um den Raketenkörper auftreten, lassen das Eis wahrscheinlich sublimieren. Daher werden die Partikeltrajektorien für sehr kleine Eiskerne (mit einem Durchmesser von 1,2 nm) berechnet, die nach der vollständigen Sublimation des ehemaligen Eispartikels freigesetzt werden. Da die Konzentration von NLC-Wolkenpartikeln auf etwa 10 1/cm³ geschätzt wird [3], werden Simulationen mit einer Vielzahl von Partikelkonzentrationen (1 bis 38 1/cm³) durchgeführt. Die Ergebnisse der Partikelsimulationen zeigen Impaktionsprozesse (siehe Abbildung 1) auf den Impaktoroberflächen, was starke Hinweise darauf liefert, dass der Impaktmechanismus auch in der Realität ablaufen wird.

Die numerischen Simulationen ermöglichen die Analyse des Strömungsfeldes um die Nutzlast einer Höhenforschungsrakete, einschließlich der entsprechenden Strömungsgrößen und der sich entwickelnden Grenzschicht. Mit Hilfe dieser Analysen wird eine Messvorrichtung zur Impaktion der Partikel entworfen und die Wahrscheinlichkeit eines Auftreffens der Partikel auf die dafür vorgesehenen Sammelflächen wird anhand der berechneten Flugbahnen der Partikel hoch eingeschätzt.

REFERENZEN

[1] M. Süßen. Sikimedia commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?search=noctilucent&title= Special:MediaSearch&go=Go&type=image, 2019. Accessed: 2021-06-02.

[2] K. Naumann, C. Kirchberger, O. Drescher, D. Hargarten, M. Zurkaulen, A. Haubl, S. Rest, H. Niedermaier, J. Ramsel. Design of a hovering sounding rocket stage for measurements in the high atmosphere, 2020.

[3] R. P. Turco, O. B. Toon, R. C. Whitten, R. G. Keesee, D. Hollenbach. Noctilucent clouds: Simulation studies of their genesis, properties and global influences, Planetary and Space Science, 1982.