Stel je voor dat je van Los Angeles naar Sydney vliegt, niet in een vermoeiende 15 uur, maar in slechts 60 minuten. Dit alles wordt mogelijk gemaakt door hypersonische vliegtuigen, die volgens de laatste berichten steeds dichter bij hun eerste vlucht komen.
Vliegtuigen die een snelheid van Mach 10 kunnen halen, oftewel 10 keer sneller dan de geluidssnelheid (1224 km/u), waren lange tijd een droom van constructeurs. Pas nu heeft een team van het Stevens Institute of Technology het eerste experimentele bewijs geleverd voor een fundamentele hypothese die het ontwerp van dergelijke machines radicaal zou kunnen veranderen. Dit is het moment waarop sciencefiction werkelijkheid begint te worden.
Wanneer bereiken we Mach 10?
De belangrijkste belemmering voor de ontwikkeling van ultrasnelle vluchten zijn extreme turbulentie en de enorme hoeveelheid warmte die tijdens de vlucht wordt gegenereerd. Bij lagere snelheden, onder ongeveer Mach 0,3 (361 km/u), blijft de luchtdichtheid vrijwel constant, wat het ontwerpproces aanzienlijk vergemakkelijkt. Hoewel moderne militaire vliegtuigen al snelheden van Mach 2 of Mach 3 halen, zijn ze nog ver verwijderd van de Mach 10 die nodig is om de route tussen Los Angeles en Sydney in een uur af te leggen.
Het doorbreken van de geluidsbarrière leidt tot een fenomeen dat compressieve stroming wordt genoemd, waarbij het gas wordt samengeperst, waardoor de manier waarop het om de constructie stroomt radicaal verandert. Dit heeft invloed op alle aspecten van de vlucht: de draagkracht, de luchtweerstand en de benodigde startkracht. Bij hypersonische snelheden van meer dan Mach 5 worden de druk- en dichtheidsschommelingen zo intens dat ze kunnen leiden tot lokale schokgolven rond turbulente wervelingen. Het begrijpen van deze verschijnselen bij snelheden van Mach 5-10 was tot nu toe een onopgelost raadsel.
In 1962 formuleerde Mark Morkovin een intrigerende hypothese, waarin hij suggereerde dat het gedrag van turbulentie bij snelheden van Mach 5-6 niet wezenlijk verschilt van dat bij lagere snelheden. Als deze theorie waar zou blijken te zijn, zouden ingenieurs dezelfde concepten en wiskundige modellen kunnen gebruiken die bij langzamere stromingen werken, zonder dat ze volledig nieuwe analysemethoden hoeven te ontwikkelen.
De gevolgen van de bevestiging van deze hypothese kunnen niet worden overschat. Moderne computers zijn niet in staat om alle kleine details van de stroming bij Mach 6 te simuleren vanwege de astronomische rekenvereisten. De hypothese van Morkovin maakt het mogelijk om vereenvoudigde aannames te doen, waardoor het ontwerpen van hypersonische voertuigen technisch haalbaar wordt. Gedurende meer dan zes decennia heeft echter niemand voldoende experimenteel bewijs geleverd om deze hypothese te ondersteunen.
Prof. Nicholaus Parziale van het Stevens Institute of Technology heeft zich ten doel gesteld dit wetenschappelijke raadsel op te lossen. Zijn team heeft een innovatieve methode ontwikkeld, genaamd Krypton Tagging Velocimetry (KTV), waarbij lasers worden gebruikt om krypton-gas te ioniseren dat in een windtunnel wordt geïnjecteerd. De ontstane fluorescentielijn beweegt mee met de luchtstroom, waardoor turbulente structuren kunnen worden waargenomen met behulp van camera’s die beelden registreren met een frequentie van 100 kHz. Het kostte Parziale elf jaar om deze geavanceerde apparatuur te bouwen.
Hypersonische vliegtuigen hoeven helemaal niet vanaf nul te worden gebouwd
De experimenten werden uitgevoerd in de Stevens Shock Tunnel, een tunnel die is ontworpen om een vlucht met een snelheid van Mach 6 op een hoogte van 20 km te simuleren. De metingen werden uitgevoerd bij Mach 6,4 en 6,0 onder verschillende thermodynamische omstandigheden, wat resulteerde in de eerste experimentele metingen ooit van snelheidsfluctuaties loodrecht op de wand onder hypersonische omstandigheden.
Eerdere meetmethoden, zoals Particle-Image Velocimetry (PIV), hadden een fundamentele beperking: de volgdeeltjes konden door verdunning en traagheid rond het gas glijden, waardoor ze de werkelijke beweging niet nauwkeurig weergeven. De KTV-techniek lost dit probleem op, omdat het het gas markeert dat van nature in de stroming aanwezig is.
De resultaten van het onderzoek, beschreven in Nature Communications, zijn ondubbelzinnig: de KTV-gegevens, vergeleken met directe numerieke simulaties, tonen overeenstemming met de gegevens van incompacte laser-Doppler-anemometrie na toepassing van Morkovina-schaalvergroting. De overeenstemming blijft bestaan tot 10 procent van de dikte van de wandlaag, wat betekent dat bij Mach 6 het gedrag van turbulentie inderdaad lijkt op incompacte stroming.
Hoewel de hypothese nog niet volledig is bevestigd, vormt het onderzoek een belangrijke stap in de richting van de realisatie van hypersonische vluchten. Het suggereert dat vliegtuigen geen volledig nieuw ontwerpconcept nodig hebben om met zulke extreme snelheden te vliegen. De mogelijkheid om vereenvoudigde aannames te gebruiken, maakt de rekenkundige vereisten realistischer, waardoor het perspectief verandert van onmogelijk naar moeilijk, maar haalbaar.
De implicaties van deze ontdekking reiken veel verder dan het passagiersvervoer. Voertuigen die in staat zijn tot hypersonische vluchten zouden in theorie de ruimte kunnen bereiken zonder een raketlancering, wat het transport naar een lage baan om de aarde en terug aanzienlijk zou vergemakkelijken. De doorbraak zou dus niet alleen betrekking hebben op reizen op aarde, maar ook op de toegang tot de ruimte.
