Door de geluidsbarrière
Onderzoek supersonische ruimtevlucht in windtunnel
Een straaljager, een ruimteraket en een vallende ster... Alle drie sneller gaan ze sneller dan het geluid! Maar hoe onderzoekt de wetenschap de effecten van supersonische snelheden? Ze simuleren de extreme omstandigheden van hogesnelheidsvluchten in laboratoriumexperimenten. En daarbij is vacuümtechnologie onmisbaar.
Op weg naar de ruimte bereikt een raket al snel een snelheid boven de geluidsbarrière. Deze acceleratie oefent een enorme kracht uit op het ruimtevaartuig. Elke component en alle materialen moeten daarom vooraf grondig zijn getest. Om er zeker van te zijn dat ze bestand zijn tegen deze krachten. Dankzij deze testen maken astronauten een veilige ruimtereis. Bovendien wordt hierdoor de luchtvaart van de toekomst efficiënter en milieuvriendelijker. Maar hoe simuleer je deze omstandigheden op aarde? Het antwoord is: in een hoge snelheid windtunnel. Om de extreme vluchtomstandigheden in de ruimte na te bootsen maakt deze gebruik van de interactie tussen druk en vacuüm. Aan één uiteinde van de tunnel bevinden zich één of meerdere grote accumulatorbuizen waarin lucht wordt samengeperst. Aan het andere uiteinde zit een vacuümvat, dat door een vacuümpomp wordt geëvacueerd. Het eigenlijke experiment gebeurt in het midden, in het testgedeelte van de tunnel.
Hypersonische snelheid op aarde
In dit testgedeelte plaatsen onderzoekers schaalmodellen van vliegtuigen, sensoren of materiaalmonsters om te zien hoe die zich gedragen bij supersonische luchtstromen. De gegevens die ze zo verzamelen, helpen ingenieurs om toekomstige vliegtuigen en ruimtevaartuigen veiliger, efficiënter en duurzamer te maken. Tijdens het experiment wordt de afsluiter naar de opslagtank geopend. Hierdoor ontstaat een verdunningsgolf die in de accumulatorbuis stroomt en de accumulatorlucht versnelt richting een speciaal gevormd mondstuk. Door het drukverschil tussen de accumulatorbuis en het vacuümvat én door het speciaal gevormde ultrasone mondstuk ontstaat in het meetgebied een luchtstroom met supersonische snelheid. Deze luchtstroom bereikt tot zeven keer de snelheid van geluid. Dat is meer dan 8.600 km/h of twintig keer sneller dan een Formule 1-auto!
Geheim achter supersonische stroming: vacuüm
Vacuümpompen van de Busch Group spelen een sleutelrol. Niet alleen bij het versnellen, maar ook bij het beheersen van de luchtstroom. Ze zorgen aan het einde van de tunnel in het vacuümvat voor de juiste omstandigheden om het nodige drukverschil te creëren. Zonder vacuüm is veel meer en complexere techniek nodig om de vereiste drukverhouding te bereiken. De lucht uit de opslagbuis wordt tijdens de test opgevangen in het vacuümvat en na afloop als normale omgevingslucht afgevoerd.
Hypersonische snelheid op aarde
In dit testgedeelte plaatsen onderzoekers schaalmodellen van vliegtuigen, sensoren of materiaalmonsters om te zien hoe die zich gedragen bij supersonische luchtstromen. De gegevens die ze zo verzamelen, helpen ingenieurs om toekomstige vliegtuigen en ruimtevaartuigen veiliger, efficiënter en duurzamer te maken. Tijdens het experiment wordt de afsluiter naar de opslagtank geopend. Hierdoor ontstaat een verdunningsgolf die in de accumulatorbuis stroomt en de accumulatorlucht versnelt richting een speciaal gevormd mondstuk. Door het drukverschil tussen de accumulatorbuis en het vacuümvat én door het speciaal gevormde ultrasone mondstuk ontstaat in het meetgebied een luchtstroom met supersonische snelheid. Deze luchtstroom bereikt tot zeven keer de snelheid van geluid. Dat is meer dan 8.600 km/h of twintig keer sneller dan een Formule 1-auto!
Geheim achter supersonische stroming: vacuüm
Vacuümpompen van de Busch Group spelen een sleutelrol. Niet alleen bij het versnellen, maar ook bij het beheersen van de luchtstroom. Ze zorgen aan het einde van de tunnel in het vacuümvat voor de juiste omstandigheden om het nodige drukverschil te creëren. Zonder vacuüm is veel meer en complexere techniek nodig om de vereiste drukverhouding te bereiken. De lucht uit de opslagbuis wordt tijdens de test opgevangen in het vacuümvat en na afloop als normale omgevingslucht afgevoerd.
Lees meer – Waarom ruimtevaartuigen opwarmen bij terugkeer in de atmosfeer
Wanneer een ruimtecapsule vanuit een lage baan om de aarde terugkeert, vliegt die met ongeveer 28.160 km/h. Dat is zo'n 25 keer de snelheid van het geluid. Tijdens die terugkeer wordt het ruimtevaartuig blootgesteld aan temperaturen die hoger zijn dan gesmolten lava. Soms wel boven de 1.600 °C. De oorzaak is een fenomeen dat compressieverwarming heet.
Bij zulke hoge snelheden hebben de luchtmoleculen direct voor het ruimtevaartuig geen tijd om eromheen te stromen. Ze kunnen immers niet sneller dan het geluid. (1.235 km/u). In plaats daarvan worden de luchtmoleculen samengeperst tot een schokgolf. En die zorgt voor extreem hoge temperaturen en druk wat het oppervlak van het ruimteschip verhit. Daarom zijn ruimtecapsules uitgerust met hitteschilden, zodanig ontworpen dat ze energie kunnen absorberen en afvoeren. Zonder deze bescherming is het onmogelijk om in de atmosfeer terug te keren, zonder dat de raket smelt. Bij de ontwikkeling van nieuwe ruimtevaartuigen is het essentieel om rekening te houden met deze effecten. Dezelfde windtunnels die gebruikt worden voor het testen van supersonische vliegtuigen, helpen wetenschappers ook om de omstandigheden van terugkeer naar de aarde te simuleren – om zo ook in de toekomst te zorgen voor veilige terugkeer.
Wanneer een ruimtecapsule vanuit een lage baan om de aarde terugkeert, vliegt die met ongeveer 28.160 km/h. Dat is zo'n 25 keer de snelheid van het geluid. Tijdens die terugkeer wordt het ruimtevaartuig blootgesteld aan temperaturen die hoger zijn dan gesmolten lava. Soms wel boven de 1.600 °C. De oorzaak is een fenomeen dat compressieverwarming heet.
Bij zulke hoge snelheden hebben de luchtmoleculen direct voor het ruimtevaartuig geen tijd om eromheen te stromen. Ze kunnen immers niet sneller dan het geluid. (1.235 km/u). In plaats daarvan worden de luchtmoleculen samengeperst tot een schokgolf. En die zorgt voor extreem hoge temperaturen en druk wat het oppervlak van het ruimteschip verhit. Daarom zijn ruimtecapsules uitgerust met hitteschilden, zodanig ontworpen dat ze energie kunnen absorberen en afvoeren. Zonder deze bescherming is het onmogelijk om in de atmosfeer terug te keren, zonder dat de raket smelt. Bij de ontwikkeling van nieuwe ruimtevaartuigen is het essentieel om rekening te houden met deze effecten. Dezelfde windtunnels die gebruikt worden voor het testen van supersonische vliegtuigen, helpen wetenschappers ook om de omstandigheden van terugkeer naar de aarde te simuleren – om zo ook in de toekomst te zorgen voor veilige terugkeer.