Passive Hypersonic Boundary Layer Transition Control Using Ultrasonically Absorptive Carbon-Carbon Ceramic with Random Microstructure / Passive Kontrolle des Laminar-Turbulenten Grenzschichtumschlages durch Verwendung von ultraschallabsorbierendem, kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff mit zufälliger Mikrostruktur

Abstract

In the presented work ultrasonically absorptive carbon-carbon ceramic was shown for the first time to delay hypersonic laminar to turbulent boundary layer transition. Three 7° half-angle cones with nose radii between 0.1 mm and 5.0 mm were tested at zero angle of attack in the High Enthalpy Shock Tunnel Göttingen (HEG) of the German Aerospace Center (DLR) at Mach 7.5. One model was equipped with an inhouse manufactured ultrasonically absorptive carbon-carbon ceramic insert with random microstructure. The ultrasonic absorption properties of carbon-carbon ceramic (C/C) were assessed theoretically by means of the quasi-homogeneous absorber theory and experimentally by means of direct reflection coefficient measurements at varying ambient pressure levels. For the first time broadband ultrasonic sound transducers with resonance frequencies of up to 370 kHz were applied to directly cover the frequency range of interest with respect to the second mode instabilities observed on cone geometries in HEG. A distinctive attenuation of instability waves and a delay of boundary layer transition on the ultrasonically absorptive carbon-carbon insert was proven by means of fast-response surface pressure measurements, high speed schlieren visualization and surface heat flux measurement. / In der vorliegenden Studie wurde zum ersten Mal gezeigt, dass ultraschallabsorbierender, kohlenstoff-faserverstärkter Kohlenstoff (C/C) zur Verzögerung des laminar-turbulenten Grenzschichtumschlages in hypersonischen Strömungen eingesetzt werden kann. Dafür wurden drei Kegelmodelle mit einem Halböffnungswinkel von 7° und Nasenradien zwischen 0.1 mm und 5.0 mm ohne Anstellwinkel im Hochenthalpiekanal Göttingen (HEG) des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt bei Mach 7,5 untersucht. Eines der Modelle wurde mit einem im DLR gefertigtem ultraschallabsorbierendem C/C-Einsatz mit mikroporöser Oberfläche versehen. Die Absorptionseigenschaften von C/C im Ultraschall wurden zum einen theoretisch, mit Hilfe der Theorie für quasi-homogene Absorber, als auch experimentell durch die direkte Bestimmung des Reflexionskoeffizienten bei verschiedenen Umgebungsdrücken bestimmt. Zu diesem Zusammenhang wurden zum ersten Mal Breitband-schallwandler verwendet, welche eine Resonanzfrequenz von bis zu 370 kHz aufweisen. Damit konnte der Frequenzbereich der zuvor in Experimenten auf generischen Kegelmodellen im HEG nachgewiesenen akustischen Grenzschichtinstabilitäten direkt dupliziert werden. Durch die Verwendung von schnell ansprechenden Oberflächendrucksensoren, Strömungsvisualisierung mittels Hochgeschwindigkeits-schlierenaufnahmen und Wärmestrommessungen auf der Oberfläche konnte eine deutliche Dämpfung der Instabilitätswellen sowie eine Verzögerung des laminar-turbulenten Grenzschichtumschlages auf der porösen Oberfläche nachgewiesen werden.