Aerodynamic interaction of multiple bodies in hypersonic flow

Seltner, Patrick Matthias; Heufer, Karl Alexander; Gülhan, Ali

doi:10.57676/9890-qp63

Aerodynamic interaction of multiple bodies in hypersonic flow = Aerodynamische Wechselwirkung mehrerer Körper in Hyperschallströmungen

Seltner, Patrick Matthias^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Patrick Matthias Seltner

ImpressumKöln : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ReiheForschungsbericht / Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR ; 2026,2

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Heufer, Karl Alexander (Thesis advisor)^RWTH* ; Gülhan, Ali (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-10-30

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-02382
DOI: 10.57676/9890-qp63
10.57676/9890-qp63
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1029541/files/1029541.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Hochdruck-Gasdynamik (415510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Aerodynamische Wechselwirkung (frei) ; Asteroid (frei) ; Freiflugtechnik (frei) ; Gasdynamik (frei) ; Hyperschallwindkanal (frei) ; Shock-Wave Surfing (frei) ; Weltraumschrott (frei) ; Wiedereintrittstrajektorie (frei) ; aerodynamic interaction (frei) ; asteroid (frei) ; free-flight technique (frei) ; gasdynamics (frei) ; hypersonic wind tunnel (frei) ; re-entry trajectory (frei) ; shock-wave surfing (frei) ; space debris (frei) ; stereo tracking (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Asteroiden und Weltraummüll stellen eine erhebliche Bedrohung dar, die für den Schutz der Bevölkerung und für die sichere und nachhaltige Nutzung des Weltraums immer relevanter wird. Aerodynamische Effekte, die während des Eintritts dieser Objekte aus dem Weltraum in die Atmosphäre auftreten, sind entscheidend für die zuverlässige Vorhersage der Flugbahnen und der Aufprallfläche der überlebenden Fragmente. Die vorliegende Arbeit wirft einen neuen Blick darauf, wie das aerodynamische Verhalten von einzelnen und mehreren stumpfen Körpern mit Hyperschallgeschwindigkeit ihre Bewegung beeinflusst. Der Einfluss von Form und Orientierung des Körpers auf seine Aerodynamik und Stabilität steht im Mittelpunkt dieser Veröffentlichung. Im Hyperschallwindkanal H2K des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln wurden Freiflugexperimente mit Einzel- und Tandem-Körperanordnungen aus Kugeln, Würfeln und Zylindern durchgeführt. Dabei erfasste das Hochgeschwindigkeits-Stereotracking die Bewegungen des Modells während des Freiflugs und die Hochgeschwindigkeits-Schlieren-Videografie lieferte die Visualisierung der Strömungstopologie. Die Ableitungen der Bewegungsdaten und aerodynamische Koeffizienten wurden in einem umfangreichen Datenauswertung ermittelt. Die beobachteten Effekte für mehrere interagierender Körper umfassen verschiedene Arten von Stoß-Stoß-Interaktionen und Nachlauf-Stoß-Interaktionen. Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen, dass die Geometrie des Körpers einen immensen Einfluss auf die aerodynamischen Lasten und damit auf das Bewegungsverhalten hat. Es wurde festgestellt, dass die finale Quergeschwindigkeit beim Shock-Wave-Surfing von Würfeln um ein Vielfaches höher ist als die von Kugeln. Diese Studie hat gezeigt, dass der Luftwiderstandsbeiwert von zwei axial-ausgerichteten Objekten stark mit ihrem relativen Abstand in Strömungsrichtung variiert. Mehrere Datensätze aus diesen Experimenten wurden bereits erfolgreich zum Vergleich mit numerischen Simulationen verwendet.

Asteroids and space debris pose a significant threat, which is becoming more relevant for the protection of the population and for the safe and sustainable use of space. Aerodynamic phenomena that occur during the atmospheric entry of these objects from outer space are crucial for the reliable prediction of the flight trajectories and the impact footprint of surviving fragments. This work takes a new look at how the aerodynamic behavior of single and multiple blunt bodies traveling at hypersonic speed affect their motion. The influence of the body shape and orientation on its aerodynamics and stability is the focus of this publication. Freeflight experiments have been carried out in the hypersonic wind tunnel H2K at the German Aerospace Center (DLR) in Cologne with single and tandem body arrangements of spheres, cubes and cylinders. High-speed stereo-tracking captured the model motions during free-flight, and high-speed schlieren videography provided documentation of the flow topology. Motion derivatives and aerodynamic coefficients have been determined in an extensive post-processing. The observed phenomena for multiple objects include different types of shock-shock interactions and wake-shock interactions. In this research, the results show that the geometry of the body has an immense influence on the aerodynamic loads and thus on the motion behavior. The final lateral velocity of trailing cubes is found to be many times greater than that of spheres regarding shock-wave surfing. This study has identified that the trailing drag coefficient of two axially aligned objects varies strongly with their relative streamwise distance. Several datasets from these experiments have already been successfully used for comparison with numerical simulations.

OpenAccess:
PDF
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