Fra vindtunneller til rumfart: Vakuum til rumfarts undersøgelser

To akkumulatorrør med en længde på mere end 80 meter løber over et åbent område ved siden af bygningen og går ind gennem ydervæggen af mursten: Så snart man træder ind på DLR i Göttingen omkring Instituttet for Aerodynamik og Flow-teknologi, bliver undersøgelsesanlæggets enorme dimensioner tydelige. Indvendigt er en kæmpe vakuumbeholder med en volumen på 50 m³ forbundet med rørene. Der udføres detaljerede og grundforskning for at undersøge de fluidmekaniske fænomener, der er afgørende for en tilstrækkelig forudsigelse af supersoniske flys ydeevne. Hvordan kan fremtidens luftfart blive mere miljøvenlig, sikker og effektiv? Og hvordan kan man bruge præcis computersimulering af supersonisk flyvning til at evaluere nye konfigurationer, mens man stadig er i designprocessen? Forskerne vil give svar på disse og mange andre spørgsmål med rørvindtunnellen. Vakuumteknologi fra Busch er en uundværlig del af disse undersøgelser. 

I 1950'erne blev der åbnet et anlæg til omfattende undersøgelser. Den Göttingen-baserede fysiker og strømningsforsker prof. Hubert Ludwieg udviklede et revolutionerende drivsystem til højhastighedsvindtunneller i intermitterende drift, som gjorde det muligt at udføre undersøgelser med supersoniske og hypersoniske strømninger. Han kaldte dette princip for en rørvindtunnel – som den dag i dag også er kendt over hele verden som "Ludwieg-røret." I 1968 blev vindtunnellen med Ludwieg-rør i Göttingen (RWG) taget i brug som det første af disse store anlæg til aerodynamisk undersøgelse. Den er stadig i brug på DLR.

Eksperimenter med overlydshastighed

Rørvindtunnelens funktionsprincip anvender interaktionen mellem tryk og vakuum, hvor akkumulatorrørene fungerer som trykbeholdere, hvori luften komprimeres. For at forhindre luftkondensering i ultralydsdysen, som opstår på grund af den kraftige ekspansion, og den dermed forbundne afkøling af luften, skal akkumulatorrørene opvarmes for at simulere høje supersoniske hastigheder. 

Akkumulatorrørene er forbundet med ultralydsdysen via en hurtigvirkende skydeventil. Målesektionen findes for enden. Det er her, eksperimenterne foregår. For enden af målesektionen er vakuumbeholderen, som vakuumpumpen er tilsluttet. En vakuum-skydeventil mellem målesektionen og vakuumbeholderen giver adgang til målesektionen efter behov. Vakuumbeholderen evakueres ved hjælp af vakuumpumpen. Til dette formål anvendes en COBRA NX skruevakuumpumpe fra Busch Vacuum Solutions. Den genererer et vakuum på ca. 10 til 40 mbar i vakuumbeholderen. I akkumulatorrørene er der et overtryk på ca. 2 til 40 bar.

For at udføre en test placeres testmodellen i målesektionen ved hjælp af en bevægelig modelholder. Testmodeller omfatter flymodeller, sensorer eller materialeprøver. Åbning af hurtigglideventilen skaber en løbende fortyndingsbølge, der strømmer ind i akkumulatorrøret og accelererer akkumulatorluften mod dysen. På grund af differenstrykket mellem akkumulatorrøret og vakuum-beholderen og den specielt udformede ultralyds-dyse skabes der et ultralydsflow i RWG-målesektionen. Der kan opnås hastigheder på op til Mach 7 – svarende til syv gange lydens hastighed. I RWG realiseres målingstider på op til 350-400 millisekunder. Dette er en topværdi for vindtunneller af denne type og giver forskerne tilstrækkelig tid til at studere flowet omkring testmodellerne. I dette tidsrum kan statistisk relevante data eller billedsekvenser optages for at muliggøre et pålideligt datagennemsnit og analyse.

Mere effektiv testning takket være vakuum

Vakuumteknologi er ikke kun vigtig for at accelerere, men også for at bremse den høje flowhastighed. Luften fra akkumulatorrøret opsamles i vakuumbeholderen under testen og udledes derefter udenfor som normal atmosfærisk luft. Dr. Erich Schülein, gruppeleder og videnskabelig leder af RWG ved Institut for Aerodynamik og Flow-teknologi, forklarer: "Takket være vakuumteknologien kan vi udføre testene meget mere effektivt. Uden den ville vi ikke kun være nødt til at øge ladetrykket i akkumulatorrøret betydeligt, men også kravene til stabiliteten af hele systemet og test-teknologien for overhovedet at opnå det nødvendige trykforhold i ultralydsdysen. Den tekniske indsats ville være enorm. Det klarer vakuumpumpen for os. Den kombinerede anvendelse af tryk- og vakuumakkumulatorer gør det nemt at ændre trykniveauet og dermed flowets Reynolds-tal."

Rørvindtunnellen i Göttingen har været i brug siden 1968 sammen med en gammel lamelvakuumpumpe. I 2021 var det på høje tid at udskifte den. Busch vandt kontrakten som en del af et udbud. Derefter støttede virksomhedens eksperter med deres ekspertise i valg og dimensionering af systemet for at finde en passende løsning. Der blev hurtigt fundet en løsning med den tørre COBRA NX.

Karsten Pfeiffer, teknisk leder hos RWG, forklarer: "For os er det afgørende, at den anvendte vakuumpumpe fungerer pålideligt, fordi det flow, der genereres i rørvindtunnellen, skal være rent. Testene udføres ofte flere gange, og det er vigtigt, at betingelserne altid er reproducerbare – derfor bør intet forstyrre flowet." COBRA'ens ydeevne gjorde også et meget positivt indtryk. Skruevakuumpumpe fra Busch evakuerer vakuum-beholderen dobbelt så hurtigt som den tidligere lamel-vakuumpumpe. Det oftest krævede tryk på 50 mbar i beholderen nås nu efter kun 15 minutter i stedet for en halv time. Disse kortslutninger har en meget positiv effekt på anlæggets energiforbrug. Derudover tilpasser en frekvensomformer vakuumpumpens rotationshastighed til de påkrævede trykbetingelser.

Instituttets medarbejdere er også tilfredse med den nye vakuumløsning. Tidligere kunne de ikke bruge arbejdsrummene direkte over anlægget under testene på grund af det høje støjniveau og de vibrationer, der genereredes af den gamle vakuumpumpe. Med COBRA er dette ikke længere et problem, da den arbejder meget støjsvagt og med lave vibrationer. "Du kan ikke høre andet end en lille summen," griner Pfeiffer. En anden stor fordel er oliefri drift. "Tidligere skulle jeg regelmæssigt udføre håndarbejde og skifte olie – og derefter også skifte mit snavsede tøj. Dette er ikke længere nødvendigt. Vedligeholdelse udføres af en servicetekniker fra Busch som en del af en vedligeholdelseskontrakt. Det eneste, jeg skal gøre, er at tænde for pumpen, så begynder den at køre," siger Pfeiffer glad. Frem for alt er Busch' nærhed til kunderne en vigtig fordel. Takket være virksomhedens omfattende servicenetværk kan den lokale kontaktperson være på stedet meget hurtigt, når der er behov for det.

Rent vakuum til teknologiske fremskridt

Den pålidelige vakuumløsning fra Busch spiller en nøglerolle i succesen af eksperimenterne i RWG og holder den teknologiske udvikling i gang. DLR stiller resultaterne af sin grundlæggende undersøgelse til rådighed for virksomheder i luftfartsindustrien for at udvikle og forfine teknologier til nuværende og fremtidige missioner. De Göttingen-baserede forskere arbejder også tæt sammen med internationale organisationer som NASA, ESA og de andre DLR-centre om globale undersøgelser. Tidligere blev f.eks. en modelaf rumfartøjet X-38 testet i Göttingen Ludwieg-rørets vindtunnel på vegne af NASA og ESA. Dette fartøj var beregnet som et besætningsreturfartøj (CRV) for at kunne bringe ISS-astronauter tilbage til jorden i tilfælde af en nødsituation. Denne type rumfartøjer skal kunne modstå enorm varme og mekaniske belastninger, når de kommer ind i jordens atmosfære. Disse betingelser blev gengivet så nøjagtigt som muligt i rørets vindtunnel.

 "Trods enorme fremskridt inden for numerisk strømningsmekanik kan mange fænomener i turbulente strømninger stadig ikke forudsiges tilstrækkeligt og nøjagtigt. I vores undersøgelser skaber vi en vigtig valideringsdatabase, der hjælper med at forbedre eksisterende modeller og udvikle nye numeriske beregningsmetoder. Det ser vi, som det egentlige formål med denne undersøgelse," siger Schülein. Vakuumteknologi fra Busch er en vigtig del af dette.