Het Duitse lucht- en ruimtevaartcentrum (DLR) in Göttingen onderzoekt fenomenen in de vloeistofmechanica, die essentieel zijn voor het adequaat voorspellen van de prestaties van supersonische vliegtuigen. Bron: DLR.
Via windtunnels naar de ruimte | Vacuüm voor luchtvaartonderzoek
Duitse lucht- en ruimtevaartcentrum (DLR)
In het Duitse lucht- en ruimtevaartcentrum (DLR) in Göttingen onderzoeken wetenschappers in Europa's grootste en krachtigste windtunnel 'compressible flow-mechanica' Dit doen ze met behulp van een COBRA schroefvacuümpomp van Busch Vacuum Solutions. Het doel is om de lucht- en ruimtevaart veiliger en efficiënter te maken.
Twee accumulatorbuizen met een lengte van meer dan 80 meter lopen over een vrije ruimte naast het gebouw en komen via de muur naar binnen. Direct bij binnenkomst zijn de enorme afmetingen van het Instituut voor Aërodynamica en Flow-techniek van de DLR in Göttingen zichtbaar. Binnenin is een reusachtig vacuümvat met een volume van 50 m³ gekoppeld aan de buizen. Daar worden gedetailleerde en fundamentele studies uitgevoerd om fenomenen in de vloeistofmechanica te onderzoeken. En dan met name die fenomenen die essentieel zijn voor het adequaat voorspellen van de prestaties van supersonische vliegtuigen. Hoe kan de luchtvaart milieuvriendelijker, veiliger en efficiënter worden? En hoe kan je nauwkeurige computersimulatie van een supersonische vlucht gebruiken om nieuwe configuraties te toetsen terwijl je nog in het ontwerpproces bent? Deze en vele andere vragen willen de wetenschappers beantwoorden met de windtunnel.
In de jaren 50 is deze grootschalige onderzoeksfaciliteit opgezet. De in Göttingen gevestigde natuurkundige en flow-onderzoeker prof. Hubert Ludwieg ontwikkelt hier een revolutionair aandrijfsysteem voor intermitterend werkende hogesnelheidswindtunnels. Hiermee kunnen studies met supersonische en hypersonische flows worden uitgevoerd. Tot de dag van vandaag is dit principe wereldwijd bekend als de "Ludwieg Tube." In 1968 werd de Ludwieg Tube in Göttingen (RWG) als eerste van deze grootschalige installaties voor aërodynamisch onderzoek in gebruik genomen. En het is nog steeds in gebruik bij de DLR.
En hierbij is vacuümtechnologie van Busch een onmisbaar onderdeel.
In de jaren 50 is deze grootschalige onderzoeksfaciliteit opgezet. De in Göttingen gevestigde natuurkundige en flow-onderzoeker prof. Hubert Ludwieg ontwikkelt hier een revolutionair aandrijfsysteem voor intermitterend werkende hogesnelheidswindtunnels. Hiermee kunnen studies met supersonische en hypersonische flows worden uitgevoerd. Tot de dag van vandaag is dit principe wereldwijd bekend als de "Ludwieg Tube." In 1968 werd de Ludwieg Tube in Göttingen (RWG) als eerste van deze grootschalige installaties voor aërodynamisch onderzoek in gebruik genomen. En het is nog steeds in gebruik bij de DLR.
-
Constructie van de Ludwieg Tube, Göttingen. Bron: DLR.
-
Constructie van de Ludwieg Tube, Göttingen. Bron: DLR.
Experimenten op supersonische snelheid
De Ludwieg Tube maakt gebruik van de interactie tussen druk en vacuüm. Hierbij fungeren de accumulatorbuizen als drukvaten waarin lucht wordt gecomprimeerd. Lucht condenseert door de sterke uitzetting en de daarmee gepaard gaande afkoeling. Om hoge supersonische snelheden te simuleren en om condensatie in het ultrasone mondstuk te voorkomen, moeten de accumulatorbuizen worden verwarmd.
De accumulatorbuizen zijn via een snelwerkende afsluiter gekoppeld aan het ultrasone mondstuk. Het meetgedeelte bevindt zich aan het einde. Hier worden experimenten uitgevoerd. Aan het einde van het meetgedeelte bevindt zich ook het vacuümvat waarop de vacuümpomp is aangesloten. Een schuifafsluitertussen het meetgedeelte en het vacuümvat biedt toegang tot het meetgedeelte. Het vacuümvat wordt geëvacueerd met behulp van de vacuümpomp. Hiervoor wordt een COBRA NX schroefvacuümpomp van Busch Vacuum Solutions gebruikt. Het genereert een vacuüm van ongeveer 10 tot 40 mbar in het vacuümvat. In de accumulatorbuizen is er dan een overdruk van ongeveer 2 tot 40 bar.
Om een test uit te voeren, wordt het testmodel met behulp van een verplaatsbare houder in het meetgedeelte geplaatst. Testobjecten omvatten vliegtuigmodellen, sensoren of materiaalsjablonen. Het openen van de snelsluitende schuifafsluiter creëert een 'verdunningsgolf' die door de accumulatorbuis stroomt en de accumulatorlucht naar het mondstuk versnelt. Door het drukverschil tussen de accumulatorbuis en het vacuümvat en door het speciaal gevormde ultrasone mondstuk ontstaat in het meetgebied van de RWG een ultrasone flow. Er kunnen snelheden tot Mach 7 worden bereikt. Dit komt overeenkomt met zeven keer de snelheid van geluid. In de RWG worden metingen tot 350 - 400 milliseconden gerealiseerd. Een piekwaarde voor dit type windtunnel. Het geeft onderzoekers voldoende tijd om de flow rond de testmodellen te bestuderen. Gedurende deze periode kunnen statistisch relevante gegevens of beeldsequenties worden geregistreerd die een betrouwbare gegevensberekening en -analyse mogelijk maken.
De Ludwieg Tube maakt gebruik van de interactie tussen druk en vacuüm. Hierbij fungeren de accumulatorbuizen als drukvaten waarin lucht wordt gecomprimeerd. Lucht condenseert door de sterke uitzetting en de daarmee gepaard gaande afkoeling. Om hoge supersonische snelheden te simuleren en om condensatie in het ultrasone mondstuk te voorkomen, moeten de accumulatorbuizen worden verwarmd.
De accumulatorbuizen zijn via een snelwerkende afsluiter gekoppeld aan het ultrasone mondstuk. Het meetgedeelte bevindt zich aan het einde. Hier worden experimenten uitgevoerd. Aan het einde van het meetgedeelte bevindt zich ook het vacuümvat waarop de vacuümpomp is aangesloten. Een schuifafsluitertussen het meetgedeelte en het vacuümvat biedt toegang tot het meetgedeelte. Het vacuümvat wordt geëvacueerd met behulp van de vacuümpomp. Hiervoor wordt een COBRA NX schroefvacuümpomp van Busch Vacuum Solutions gebruikt. Het genereert een vacuüm van ongeveer 10 tot 40 mbar in het vacuümvat. In de accumulatorbuizen is er dan een overdruk van ongeveer 2 tot 40 bar.
Om een test uit te voeren, wordt het testmodel met behulp van een verplaatsbare houder in het meetgedeelte geplaatst. Testobjecten omvatten vliegtuigmodellen, sensoren of materiaalsjablonen. Het openen van de snelsluitende schuifafsluiter creëert een 'verdunningsgolf' die door de accumulatorbuis stroomt en de accumulatorlucht naar het mondstuk versnelt. Door het drukverschil tussen de accumulatorbuis en het vacuümvat en door het speciaal gevormde ultrasone mondstuk ontstaat in het meetgebied van de RWG een ultrasone flow. Er kunnen snelheden tot Mach 7 worden bereikt. Dit komt overeenkomt met zeven keer de snelheid van geluid. In de RWG worden metingen tot 350 - 400 milliseconden gerealiseerd. Een piekwaarde voor dit type windtunnel. Het geeft onderzoekers voldoende tijd om de flow rond de testmodellen te bestuderen. Gedurende deze periode kunnen statistisch relevante gegevens of beeldsequenties worden geregistreerd die een betrouwbare gegevensberekening en -analyse mogelijk maken.
-
Registratie van een testmodel in het meetbereik RWG. Bron: DLR.
-
Registratie van een testmodel in het meetbereik RWG. Bron: DLR.
Efficiënter testen dankzij vacuüm
Vacuümtechnologie is niet alleen belangrijk voor het versnellen, maar ook voor het vertragen van de flow. De lucht uit de accumulatorbuis wordt tijdens de test verzameld in het vacuümvat. Vervolgens wordt het naar buiten afgevoerd als normale omgevingslucht. Dr. Erich Schülein, teamleider en wetenschappelijk supervisor van de RWG bij het Instituut voor Aërodynamica en Flow-techniek, legt uit: "Dankzij vacuümtechnologie kunnen we de test veel efficiënter uitvoeren. Zonder deze techniek moeten we niet alleen de vuldruk in de accumulatorbuis aanzienlijk verhogen. Ook de eisen voor stabiliteit het hele systeem en de testtechniek om überhaupt de vereiste drukverhouding in het ultrasone mondstuk te bereiken. Zonder vacuümpomp zouden de technische inspanningen enorm zijn. Door de gecombineerde toepassing van druk- en vacuümaccumulatoren is het eenvoudig om het drukniveau en dus het Reynolds-nummer van de flow te wijzigen."
De windtunnel in Göttingen is sinds 1968 in gebruik, samen met een oude draaischuifvacuümpomp. Het is in 2021 dan ook echt tijd om hem te vervangen. Als onderdeel van een aanbesteding krijgt Busch het contract. Om de juiste oplossing te vinden wordt de expertise van Busch ingezet bij de selectie en dimensionering van het systeem. En dat is de droge COBRA NX.
Vacuümtechnologie is niet alleen belangrijk voor het versnellen, maar ook voor het vertragen van de flow. De lucht uit de accumulatorbuis wordt tijdens de test verzameld in het vacuümvat. Vervolgens wordt het naar buiten afgevoerd als normale omgevingslucht. Dr. Erich Schülein, teamleider en wetenschappelijk supervisor van de RWG bij het Instituut voor Aërodynamica en Flow-techniek, legt uit: "Dankzij vacuümtechnologie kunnen we de test veel efficiënter uitvoeren. Zonder deze techniek moeten we niet alleen de vuldruk in de accumulatorbuis aanzienlijk verhogen. Ook de eisen voor stabiliteit het hele systeem en de testtechniek om überhaupt de vereiste drukverhouding in het ultrasone mondstuk te bereiken. Zonder vacuümpomp zouden de technische inspanningen enorm zijn. Door de gecombineerde toepassing van druk- en vacuümaccumulatoren is het eenvoudig om het drukniveau en dus het Reynolds-nummer van de flow te wijzigen."
De windtunnel in Göttingen is sinds 1968 in gebruik, samen met een oude draaischuifvacuümpomp. Het is in 2021 dan ook echt tijd om hem te vervangen. Als onderdeel van een aanbesteding krijgt Busch het contract. Om de juiste oplossing te vinden wordt de expertise van Busch ingezet bij de selectie en dimensionering van het systeem. En dat is de droge COBRA NX.
-
De COBRA NX schroefvacuümpomp biedt betrouwbare en efficiënte testcondities. Bron: Busch Vacuum Solutions.
-
De COBRA NX schroefvacuümpomp biedt betrouwbare en efficiënte testcondities. Bron: Busch Vacuum Solutions.
Karsten Pfeiffer is technisch manager van de RWG. Hij legt uit: "De in de windtunnel gegenereerde flow moet schoon zijn. Daarom is het voor ons van cruciaal belang dat de vacuümpomp betrouwbaar werkt. De testen worden vaak meerdere keren uitgevoerd. Het is dus ook belangrijk dat de condities te allen tijde reproduceerbaar zijn. Niets mag de flow verstoren." De prestaties van de COBRA maken een zeer positieve indruk. In vergelijking met de vorige draaischuifvacuümpomp is de schroefvacuümpomp van Busch twee keer zo snel. De meest voorkomende nominale druk van 50 mbar in het vacuümvat wordt nu al na 15 minuten in plaats van een half uur bereikt. Deze kortere looptijden hebben een direct effect op het energieverbruik van de fabriek. Net als de frequentieregelaar die het toerental van de vacuümpomp aan de vereiste drukomstandigheden aanpast.
Ook de medewerkers van het instituut zijn content over de nieuwe vacuümoplossing. De werkruimtes bovenin de fabriek zijn nooit in gebruik geweest vanwege het geluidsniveau en de trillingen veroorzaakt door de oude vacuümpomp tijdens de tests. Dankzij de stille en vrijwel trillingsloze werking is dat met de COBRA geen probleem meer. "Het enige dat je hoort is een licht zoemend geluid", lacht Pfeiffer. Een ander groot voordeel is de olievrije werking. "In het verleden moest ik regelmatig olie vervangen – en daarna ook mijn vuile kleding. Dat hoeft nu niet meer. Als onderdeel van het servicecontract wordt het onderhoud uitgevoerd door een monteur van Busch. Het enige dat ik doe is de schakelaar omzetten en de pomp begint te draaien", zegt Pfeiffer tevreden. Busch is altijd dichtbij klanten.
Schoon vacuüm voor technologische vooruitgang
De betrouwbare vacuümoplossing van Busch speelt niet alleen een sleutelrol bij het succes van de experimenten in de RWG. Het ondersteunt ook de technologische vooruitgang. De DLR stelt de resultaten van haar fundamenteel onderzoek ter beschikking aan bedrijven in de lucht- en ruimtevaartindustrie. Hiermee ontwikkelen en verfijnen zij technieken voor huidige en toekomstige missies. In wereldwijde onderzoeksprojecten werken de wetenschappers uit Göttingen nauw samen met internationale organisaties zoals NASA, ESA en andere DLR-locaties. In het verleden werd bijvoorbeeld in opdracht van NASA en ESA een model van het ruimtevaartuig X-38 in de Ludwieg Tube van Göttingen getest. Dit crew return vehicle (CRV) moet in geval van nood ISS-astronauten terug naar aarde brengen. Het moet bestand zijn tegen enorme hitte en mechanische belastingen als het terugkeert in de atmosfeer van de aarde. Deze condities zijn zo nauwkeurig mogelijk nagebootst in de windtunnel.
Ook de medewerkers van het instituut zijn content over de nieuwe vacuümoplossing. De werkruimtes bovenin de fabriek zijn nooit in gebruik geweest vanwege het geluidsniveau en de trillingen veroorzaakt door de oude vacuümpomp tijdens de tests. Dankzij de stille en vrijwel trillingsloze werking is dat met de COBRA geen probleem meer. "Het enige dat je hoort is een licht zoemend geluid", lacht Pfeiffer. Een ander groot voordeel is de olievrije werking. "In het verleden moest ik regelmatig olie vervangen – en daarna ook mijn vuile kleding. Dat hoeft nu niet meer. Als onderdeel van het servicecontract wordt het onderhoud uitgevoerd door een monteur van Busch. Het enige dat ik doe is de schakelaar omzetten en de pomp begint te draaien", zegt Pfeiffer tevreden. Busch is altijd dichtbij klanten.
En dat is een belangrijk voordeel. Door het uitgebreide servicenetwerk is een lokale contactpersoon altijd zeer snel ter plekke.
Schoon vacuüm voor technologische vooruitgang
De betrouwbare vacuümoplossing van Busch speelt niet alleen een sleutelrol bij het succes van de experimenten in de RWG. Het ondersteunt ook de technologische vooruitgang. De DLR stelt de resultaten van haar fundamenteel onderzoek ter beschikking aan bedrijven in de lucht- en ruimtevaartindustrie. Hiermee ontwikkelen en verfijnen zij technieken voor huidige en toekomstige missies. In wereldwijde onderzoeksprojecten werken de wetenschappers uit Göttingen nauw samen met internationale organisaties zoals NASA, ESA en andere DLR-locaties. In het verleden werd bijvoorbeeld in opdracht van NASA en ESA een model van het ruimtevaartuig X-38 in de Ludwieg Tube van Göttingen getest. Dit crew return vehicle (CRV) moet in geval van nood ISS-astronauten terug naar aarde brengen. Het moet bestand zijn tegen enorme hitte en mechanische belastingen als het terugkeert in de atmosfeer van de aarde. Deze condities zijn zo nauwkeurig mogelijk nagebootst in de windtunnel.
-
Dit model van het ruimtevaartuig X-38 is namens ESA en NASA onderzocht in het RWG-systeem. Bron: DLR.
-
Dit model van het ruimtevaartuig X-38 is namens ESA en NASA onderzocht in het RWG-systeem. Bron: DLR.
"Ondanks enorme vooruitgang in de numerieke flow-mechanica kunnen veel fenomenen in turbulente stromingen nog steeds niet adequaat en nauwkeurig worden voorspeld. In onze studies maken we een belangrijke validatiedatabase. Deze helpt om bestaande modellen te verbeteren en nieuwe numerieke berekeningsmethoden te ontwikkelen. Dat zien we als het eigenlijke doel van deze onderzoeksfaciliteit", zegt Schülein. En de vacuümtechnologie van Busch is daar een belangrijk onderdeel van.