Anwendung der Pressure Sensitive Paint an Hyperschall- und Kurzzeit-Windkanälen
PSP (und TSP) soll zukünftig auch an Windkanälen, die in der Raumfahrt und der Hochgeschwindigkeitsaerodynamik zur Untersuchung der Themen Wiedereintrittstechnologie, Flugkörpern, Scramjet-Antriebe und ähnlich dienen, eingesetzt werden. Ein solcher Kanal ist, z. B. der freikolben-betriebene Stoßkanal HEG (Hochenthalpiekanal Göttingen).
Die folgenden besonderen Eigenschaften dieser Anlagen erschweren die Implementierung von PSP:
- hohe Machzahlen: Ma > 5
- hohe Strömungsgeschwindigkeiten: > 2000 m/s
- teilweise sehr kurze Messzeiten: bis 5 ms
- hohe Gas- und Oberflächentemperaturen: Gas 600 - 10.000 K (Oberfläche bis 400 K)
- Realgas- und Hochtemperatureffekte: Luftdissoziation [O2] = 0;
- verrauschte Signale
- generell nur gemittelte Messwerte möglich
Diese Eigenschaften müssen bei der Auslegung des PSP-Systems berücksichtigt werden.
Durch die kurzen Messzeiten in diesen Kanälen müssen die PSP-Farben kurze Fluoreszenz-Abklingzeiten haben, möglichst im Mikrosekunden-Bereich. Nach Anregung durch eine geeignete Lichtquelle (z.B. Blitzlampe, LED, Laser) muss weiterhin ihre Fluoreszenzintensität ausreichend sein, um große Signale (genauer: gute Signal-zu-Rauschverhältnisse) zu bekommen. Das Nachweissystem, bestehend aus Objektiv und Kamera, muss lichtempfindlich und schnell (hohe Aufnahmerate) sein, um diese Fluoreszenzsignale aufnehmen und eine quantitative Auswertung durchführen zu können. Verschiedene Kombinationen von PSP-Farben, Lichtquellen und Kamerasystemen wurden analysiert und teilweise im Labor und an einem kleinen Teststoßrohr ausprobiert.
Bei den ersten Versuchen sind erfolgreiche PSP-Messungen an zwei unterschiedlichen Scramjet-Düsen im DLR- Hyperschallkanal H2K bei einer Mach 7 Strömung und bei verschiedenen Reynoldszahlen und Düsenexpansionsverhältnissen durchgeführt worden. Der H2K besitzt lange Messzeiten (bis 20 s), sodass bei diesen ersten Versuchen die Problematik der Kurzzeitmessung nicht berücksichtigt werden musste. Druckverteilungen auf der Düsenrampe wurden gemessen (siehe obere Abbildung) und konnten verwendet werden, um die Methode der Gaseinbringung in die Düsenvorkammer zu optimieren. Es wurde weiterhin eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den PSP-Werten und den von den konventiellen, eingebauten PSI-Drucksensoren ermittelten Drücken erzielt, siehe untere Abbildung.