Hitzeschilde und Hyperschallmaterialien simulieren Es ist Raketenwissenschaft

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Hitzeschilde – auch als Wärmeschutzsysteme bezeichnet – sind zentral, geht es darum, Fahrzeuge vor der intensiven Hitze und Reibung beim Wiedereintritt in die Atmosphäre oder bei Reisen mit vielfacher Schallgeschwindigkeit zu schützen. Nun lassen sich neue Schutzmaterialien schnell simulieren und bewerten.

Nun hat ein Team von Ingenieuren der Sandia National Laboratories, eines von drei Forschungs- und Entwicklungslabors der National Nuclear Security Administration (NNSA) des US-Energieministeriums, Methoden entwickelt, um neue thermische Schutzmaterialien für Hyperschallfahrzeuge schnell zu bewerten. Ihr dreijähriges Forschungsprojekt kombinierte Computermodellierung, Laborexperimente und Flugtests, um besser zu verstehen, wie sich Hitzeschilde unter extremen Temperaturen und Drücken verhalten, und um ihre Leistung viel schneller als bisher vorherzusagen.

Hyperschallflug bedeutet, dass man sich mit einer Geschwindigkeit bewegt, die mindestens fünfmal so hoch ist wie die Schallgeschwindigkeit, also mehr als 3‘800 Meilen oder 6‘175 Kilometer pro Stunde. Andere Fahrzeuge, wie beispielsweise ballistische Raketen, können zwar ebenfalls so schnell fliegen, aber Hyperschallfahrzeuge sind weitaus wendiger und unberechenbarer. Das macht sie schwieriger abzufangen. Im Gegensatz zu wiederverwendbaren Raumfahrzeugen sind die Wärmeschutzsysteme, die bei US-Hyperschallraketen – sie transportieren ausschließlich konventionelle Waffen – zum Einsatz kommen, für den einmaligen Gebrauch ausgelegt.

Verhalten der Hitzeschilde vorhersagen

„Dieses Projekt entstand, weil ich mich eines Tages mit Jon Murray unterhielt und er mir erzählte, dass er die Reaktion von Hitzeschilden schneller vorhersagen müsse, um seine Kunden im Verteidigungsministerium zu unterstützen“, sagte Justin Wagner, Luft- und Raumfahrtingenieur und leitender Forscher des Projekts. „Er sagte: ‚Können wir einen Weg finden, die hier entwickelten wissenschaftlichen Werkzeuge zu nutzen und sie mit unserem Know-how im Bereich Systemintegration zu kombinieren?‘ Letztendlich konzentriert sich das Projekt darauf, schneller zu verstehen, was während des Fluges passieren wird. Dadurch wird die Anzahl der zu qualifizierenden Materialien begrenzt und wir können sie besser verstehen.“

Im Rahmen des Projekts wurden Materialien getestet, die von gewöhnlichem Graphit – dem gleichen Kohlenstoff, der auch in Bleistiften der Härte 2 verwendet wird – bis hin zu exotischeren Kohlenstoff- und Keramikverbundwerkstoffen reichten. Hunderte von Proben wurden vom Materialwissenschaftsteam unter der Leitung der Sandia-Forscherin Bernadette Hernandez-Sanchez mit Unterstützung des Oak Ridge National Laboratory hergestellt.

Labortests am Boden

Der starke Schock beim Wiedereintritt entsteht durch besondere aerodynamische Bedingungen wie hohe Temperaturen, starken Druck und Vibrationen. Diese Bedingungen lassen sich am Boden nicht vollständig nachbilden, aber Forscher können Experimente durchführen, die Teile davon imitieren, so Wagner.

Beispielsweise verwendete das Team einen induktiv gekoppelten Plasmabrenner, um die chemischen und physikalischen Veränderungen in kleinen Proben von Hitzeschildmaterialien zu untersuchen, während diese verbrennen oder abblättern. Die Ergebnisse wurden kürzlich im Journal des American Institute of Aeronautics and Astronautics veröffentlicht. Für dieses Experiment versengten die Forscher Materialien mit Plasma, das heißer war als die Oberfläche der Sonne. Diese Arbeit wurde hauptsächlich an der University of Texas in Austin durchgeführt, so Wagner.

Aerodynamik eines Fluges mit Mach 10

Um größere Platten potenzieller Hitzeschilde zu testen, wandte sich das Team an die Sandia National Solar Thermal Test Facility, die mit Hilfe von Spiegeln konzentriertes Sonnenlicht nutzt, um extreme Temperaturen zu erzeugen. Das Team verwendete außerdem einen Hyperschall-Stoßwindkanal, um die Aerodynamik eines Fluges mit Mach 10 nachzuahmen. Der Windkanal kann sowohl extrem hohe Temperaturen als auch Gasstöße mit Mach-Geschwindigkeit erzeugen, allerdings nur für den Bruchteil einer Sekunde.

Die Forschenden verglichen die Ergebnisse mit fortschrittlichen Ablationsmodellen, die von Mitarbeitern der University of Minnesota Twin Cities entwickelt wurden. Weitere materialwissenschaftliche Daten stammten von Mitarbeitern der University of Colorado Boulder, der University of Illinois Urbana-Champaign und Kratos Inc., so Wagner.

Bessere und schnellere Modelle für Hitzeschilde entwickeln

Das Modellierungsteam unter der Leitung des Chemieingenieurs Scott Roberts verwendete Daten aus den Laborexperimenten, um ein Computermodell der Eigenschaften des Hitzeschildmaterials, der Aerodynamik und der Wärmeübertragungsphysik eines Hyperschallfahrzeugs im Flug zu entwickeln.

Anschließend nutzte ein Team unter der Leitung des Luft- und Raumfahrtingenieurs Jon Murray die Ergebnisse des vollständigen Physikmodells, um ein Modell reduzierter Ordnung zu trainieren.

Wenn man das vollständige Physikmodell mit einer Bitmap-Version eines Bildes vergleicht – einer Datei, die Daten für jedes Pixel enthält –, dann ist das Modell reduzierter Ordnung wie ein JPEG, das weiterhin die wichtigen Merkmale zeigt, während die weniger wichtigen Bereiche komprimiert werden, erklärte Murray. Die große Herausforderung bestand darin, die beste Methode zur Identifizierung der wichtigsten Merkmale zu finden, und die Gleichungen, die deren Verhalten am besten beschreiben, fügt er hinzu.

Modell kann Reaktion eines Hitzeschildmaterials sehr schnell simulieren

Murrays Team trainierte das Modell reduzierter Ordnung anhand mehrerer Ergebnissätze aus dem vollständigen Physikmodell und nutzte dabei maschinelles Lernen, um die wichtigen Merkmale zu identifizieren, sagte er. Das resultierende Modell war im Vergleich zum vollständigen Physikmodell für Missionen und Fahrzeugkonstruktionen, die denen ähnelten, mit denen es trainiert wurde, zu 90 Prozent genau, fügte Wagner hinzu.

Das Modell reduzierter Ordnung kann die Reaktion des für die Hitzeschilde verwendeten Materials tausendmal schneller simulieren. Während das vollständige Physikmodell Tage brauchen kann, um Ergebnisse auf einem Supercomputer zu liefern, liefert das Modell reduzierter Ordnung Ergebnisse in Sekundenschnelle auf einem Desktop-Computer, sagte Murray. Dies ermöglicht es Forschern, schnell Fahrzeuge für neue Missionen zu entwerfen oder zu beurteilen, ob ein bestehendes Design für eine neue Mission geeignet ist.

„Wir versuchen, einen nahtlosen Übergang vom vollständigen Physikmodell zu diesem reduzierten Modell zu schaffen, sodass wir jede Änderung der Eigenschaften des Hitzeschildmaterials im vollständigen Modell mehr oder weniger automatisch in das reduzierte Modell einfließen lassen können“, erklärte Murray.

Validierung durch Flugtests

Um die Glaubwürdigkeit beider Modelle zu demonstrieren, flog das Team Proben der Hitzeschildmaterialien auf Raketen.

„Flugtests sind wirklich wichtig, weil sie die tatsächliche Umgebung bieten, für die Sie diese Materialien qualifizieren möchten“, sagte die Maschinenbauingenieurin Katya Casper, die die Flugtests koordinierte. „Wir tun zwar unser Bestes, um Teile des Fluges am Boden nachzubilden, aber wir können nicht alles gleichzeitig nachbilden. Der Flug liefert Ihnen alles.“

„Bislang hat das Team im Rahmen des Multi-Service Advanced Capability Hypersonics Test Bed-Programms Proben auf zwei suborbitalen Raketenstarts mitgeführt. Diese Raketen beherbergen Experimente von zehn bis 20 Forschungsteams pro Mission, da jeder Start teuer ist“, sagt Casper.

Für die Testflüge verwendete das Team Proben in der Größe von einem Viertel bis zu 4 Zoll langen Keilen. Beide Größen waren mit Temperatursensoren ausgestattet, um zu verfolgen, wie heiß die Materialien während des Fluges wurden.

Sensoren erfassen chemische Veränderungen der Proben

Das Flugtestteam verwendete auch Sensoren, um chemische Veränderungen während des Fluges zu untersuchen und die Ergebnisse der bodengestützten Experimente zu validieren. Der erste Flug umfasste ein optisches Emissionsspektrometer, und der zweite Flug umfasste ein Laserabsorptionsspektroskopiesystem, das in Zusammenarbeit mit der Purdue University und PSE Technology entwickelt wurde, so Casper.

Als Nächstes wird das Team eine neue Kachel mit mehreren Materialproben und Temperatursensoren an der Nase einer Wiedereintrittskapsel testen, deren Start für Sommer 2026 geplant ist. Dies wird ein vom Air Force Research Laboratory im Rahmen des Prometheus-Programms gesponserter Testflug sein.

Glaubwürdigere Modelle

„Dieser Flug ist spannend, denn wenn alles gut geht, bekommen wir die Kachel mit den Proben zurück“, sagte Casper. „Wir werden sehen, wie sie aussieht, und anschließend die Materialien charakterisieren.“ Dazu gehört die Messung der abgetragenen Materialmenge und die Untersuchung der Chemie des verbleibenden Materials, um die Modelle noch glaubwürdiger zu machen.

Weitere Informationen: https://www.sandia.gov/
Video: https://www.sandia.gov/app/uploads/sites/275/2025/12/Plasma-Torch-Social.mp4

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