Forscher untersuchen Aerodynamik irregulär geformter Körper bei extremen Geschwindigkeiten

Der überraschend schnelle Fall des Felix Baumgartner

Mit seinem Sprung aus der Stratosphäre stellte Felix Baumgartner am 14. Oktober 2012 einen Weltrekord auf: Nie zuvor hatte ein Mensch im freien Fall die Schallmauer durchbrochen. Prof. Ulrich Walter, Leiter des Lehrstuhls für Raumfahrttechnik an der TUM, sah in Baumgartners Rekord-Sprung aber auch die einzigartige Gelegenheit, den Fall eines unregelmäßig geformten Objekts zu studieren: „Bisher wusste niemand, welchen Einfluss raue und ungleichmäßig geformte Oberflächen – beispielsweise die Falten des Schutzanzugs und der Rucksack, den Baumgartner trug – auf die Strömungsdynamik haben.“

Ein Sprung, viele Fragen

Die Überraschung kam schon kurz nach der Landung, erinnert sich Walter, der als wissenschaftlicher Berater des Stratos-Teams den Sprung live mitverfolgt hat: „Unsere Berechnungen, die auf der Strömungsdynamik eines glatten Körpers basierten, hatten ergeben, dass Baumgartner eine Sprunghöhe von etwa 37 Kilometern benötigen würde, um die Schallmauer zu durchbrechen, also schneller zu fallen als Mach 1, was etwa 1200 Stundenkilometern entspricht. Tatsächlich erreichte Baumgartner jedoch weit mehr, nämlich eine Geschwindigkeit von 1,25 Mach.“

Doch wie kann es sein, dass ein Sportler, der mit einem Schutzanzug und einem Rucksack ausgerüstet ist, schneller fällt als ein symmetrisches Objekt mit glatten Oberflächen? Mit Hilfe der aufgezeichneten Daten, wie den Druck- und Temperaturwerten in der Atmosphäre, der Geschwindigkeit Baumgartners und seiner Lage im Raum in jedem Moment des Falls, gelang es, erstmals die Aerodynamik irregulär geformter Körper bei extremen Geschwindigkeiten untersuchen.

Wenn Luft starr wird

Die Berechnung der Strömungsdynamik im transsonischen Bereich nahe der Schallgrenze ist komplex. Es überlagern sich dabei unterschiedliche physikalische Phänomene: Bei Geschwindigkeiten zwischen 0,7 und 1,3 Mach weicht Luft einem bewegten Objekt nicht mehr elastisch aus, sondern reagiert starr – es bilden sich Schockwellen, die zu Turbulenzen führen. Diese wiederum absorbieren Energie, was zu einem Anstieg des Luftwiderstands nahe der Schallgeschwindigkeit führt. Umgekehrt können bei bestimmten Strömungsverhältnissen Unebenheiten an der Oberfläche den Luftwiderstand verringern – so wie ein Golfball, der kleine Dellen in der Oberfläche hat, besser fliegt, kann auch ein Körper, der sich im freien Fall befindet, schneller sein, wenn er keine glatte Oberfläche hat.

Daten von Sensoren und Videos

In einer theoretischen Analyse hat Walter zunächst die mathematische Grundlage zur direkten Bestimmung des Strömungswiderstands eines beliebig geformten Körpers aus Messdaten geschaffen. Damit konnten dann aus den Messdaten des Rekordsprungs Baumgartners der sogenannte Strömungswiderstandskoeffizient berechnet und die Aerodynamik abgeleitet werden.

„Dabei mussten wir Daten aus verschiedenen Quellen zusammentragen, die in unterschiedlichen Formaten vorlagen – zum Teil waren es Messwerte, zum Teil mussten wir die Informationen aus Videos extrahieren“ berichtet Markus Gürster, der in seiner Bachelor-Arbeit die Daten aufbereitet und mit verschiedenen Analysemethoden ausgewertet hat.

„Das Ergebnis hat uns sehr überrascht“, erinnert sich der Luft- und Raumfahrtingenieur, der gerade seine Masterarbeit am MIT abgeschlossen hat und dort nun Doktorand ist: „Während der Strömungswiderstandskoeffizient eines glatten Kubus ab 0,6 Mach kontinuierlich bis 1,1 Mach ansteigt, blieb er bei Baumgartners Flug gemäß unseren Ergebnissen nahezu unverändert – die Schallmauer erzeugte in seinem Fall also kaum eine zusätzliche Abbremsung.“

Dellen und Beulen machen schnell

„Die Untersuchung zeigt, dass beliebige Dellen, Falten und Unregelmäßigkeiten der Oberfläche im transsonischen Bereich den Luftwiderstand deutlich senken“, erläutert Walter. Irregulär geformte Oberflächen machen also schneller. Verglichen mit einem glatten Objekt ist ihr Strömungswiderstandskoeffizient und somit auch ihr Luftwiderstand annähernd halbiert.

Noch seien diese Berechnungen reine Grundlagenforschung, doch wenn beispielsweise die Reisegeschwindigkeit von Flugzeugen weiter ansteige, könnten die Ergebnisse eines Tages nützlich werden, resümiert Walter: „Wenn man sich der Schallgeschwindigkeit annähern will, dann können Beulen und Dellen durchaus hilfreich sein.“

Publikation:

Markus Guerster, Ulrich Walter. Aerodyamics of a Highly Irregular Body at Transonic Speeds - Analysis of STRATOS Flight Data. PLOS One, December 7, 2017.
doi.org/10.1371/journal.pone.0187798

Kontakt:

Prof. Ulrich Walter
Technische Universität München
Lehrstuhl für Raumfahrtechnik
+49 (0) 89 289 160 03
walter@tum.de