O Centro Aeroespacial Alemão (DLR) em Göttingen está pesquisando os fenômenos da mecânica de fluidos, que são essenciais para prever adequadamente o desempenho de aeronaves supersônicas. Fonte: DLR.
De túneis de vento ao espaço: vácuo para a pesquisa aeroespacial
Centro Aeroespacial Alemão (DLR)
No Centro Aeroespacial Alemão (DLR) em Göttingen, cientistas estão explorando os fenômenos da mecânica de fluxo compressível no maior e mais potente túnel de vento tubular da Europa usando uma bomba de vácuo de parafuso COBRA da Busch Vacuum Solutions. O objetivo é tornar o setor aeroespacial do futuro mais seguro e eficiente.
Dois tubos do acumulador com mais de 80 metros de comprimento passam por um espaço aberto ao lado do edifício e atravessam a parede externa sólida para dentro: as enormes dimensões da instalação de pesquisa se tornam evidentes assim que você entra no local ao redor do Instituto de Aerodinâmica e Tecnologia de Fluxo no DLR em Göttingen. Dentro, um vaso de vácuo gigante com um volume de 50 m³ é conectado aos tubos. Ali, estudos detalhados e fundamentais são realizados para investigar os fenômenos da mecânica de fluidos que são essenciais para prever adequadamente o desempenho das aeronaves supersônicas. Como os veículos aeroespaciais do futuro podem se tornar mais ecológicos, seguros e eficientes? E como você pode usar a simulação precisa por computador de voo supersônico para avaliar novas configurações enquanto ainda está no processo de projeto? Os cientistas querem fornecer respostas a essas perguntas, e muitas outras, com o túnel de vento tubular.
A instalação de pesquisa em grande escala foi inaugurada na década de 1950. O físico e pesquisador de fluxo Prof. Hubert Ludwieg, baseado em Göttingen, desenvolveu um sistema de acionamento revolucionário para túneis de vento de alta velocidade operando intermitentemente, o que permitiu a realização de estudos com fluxos supersônicos e hipersônicos. Ele chamou este princípio de túnel de vento tubular – que até hoje também é conhecido em todo o mundo como "Ludwieg Tube." Em 1968, o túnel de vento Ludwieg Tube, Göttingen (RWG) foi o primeiro dos grandes centros de pesquisa aerodinâmica do mundo a ser colocado em operação. Ele ainda é utilizado no DLR até hoje.
A tecnologia de vácuo da Busch é uma parte indispensável desses projetos de pesquisa.
A instalação de pesquisa em grande escala foi inaugurada na década de 1950. O físico e pesquisador de fluxo Prof. Hubert Ludwieg, baseado em Göttingen, desenvolveu um sistema de acionamento revolucionário para túneis de vento de alta velocidade operando intermitentemente, o que permitiu a realização de estudos com fluxos supersônicos e hipersônicos. Ele chamou este princípio de túnel de vento tubular – que até hoje também é conhecido em todo o mundo como "Ludwieg Tube." Em 1968, o túnel de vento Ludwieg Tube, Göttingen (RWG) foi o primeiro dos grandes centros de pesquisa aerodinâmica do mundo a ser colocado em operação. Ele ainda é utilizado no DLR até hoje.
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Construção do túnel de vento Ludwieg Tube, Göttingen. Fonte: DLR.
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Construção do túnel de vento Ludwieg Tube, Göttingen. Fonte: DLR.
Experimentos em velocidade supersônica
O princípio de operação do túnel de vento tubular utiliza a interação de pressão e vácuo, em que os tubos do acumulador servem como vasos de pressão nos quais o ar é comprimido. Para evitar a condensação de ar no bico ultrassônico, que ocorre devido à forte expansão e ao resfriamento associado do ar, os tubos do acumulador devem ser aquecidos para simular altas velocidades supersônicas.
Os tubos do acumulador são conectados ao bico ultrassônico por meio de uma válvula corrediça de ação rápida. A seção de medição encontra-se no final. É aqui que os experimentos são realizados. No final da seção de medição está o vaso de vácuo, ao qual a bomba de vácuo está conectada. Uma válvula corrediça de vácuo entre a seção de medição e o vaso de vácuo permite o acesso à seção de medição conforme necessário. O vaso de vácuo é evacuado usando a bomba de vácuo. Uma bomba de vácuo de parafuso COBRA NX da Busch Vacuum Solutions é usada para isso. Ela gera vácuo de aproximadamente 10 a 40 mbar no vaso de vácuo. Nos tubos do acumulador, há sobrepressão de aproximadamente 2 a 40 bar.
Para realizar um teste, o modelo de teste é colocado na seção de medição usando um suporte de modelo móvel. Os modelos de teste incluem modelos de aeronaves, sensores ou amostras de materiais. A abertura da válvula corrediça de ação rápida cria uma onda de diluição que flui para o tubo do acumulador e acelera o fluxo de ar do acumulador em direção ao bico. Devido à pressão diferencial entre o tubo do acumulador e o vaso de vácuo, e graças ao bico ultrassônico com formato especial, é criado um fluxo ultrassônico na seção de medição do RWG. Velocidades de até Mach 7 podem ser alcançadas – o que corresponde a sete vezes a velocidade do som. Tempos de medição de até 350-400 milissegundos são realizados no RWG. Este é um valor de pico para túneis de vento deste tipo e dá aos pesquisadores tempo suficiente para estudar o fluxo em torno dos modelos de teste. Durante esse período, dados estatisticamente relevantes ou sequências de imagens podem ser registrados para permitir uma média e análise de dados confiável.
O princípio de operação do túnel de vento tubular utiliza a interação de pressão e vácuo, em que os tubos do acumulador servem como vasos de pressão nos quais o ar é comprimido. Para evitar a condensação de ar no bico ultrassônico, que ocorre devido à forte expansão e ao resfriamento associado do ar, os tubos do acumulador devem ser aquecidos para simular altas velocidades supersônicas.
Os tubos do acumulador são conectados ao bico ultrassônico por meio de uma válvula corrediça de ação rápida. A seção de medição encontra-se no final. É aqui que os experimentos são realizados. No final da seção de medição está o vaso de vácuo, ao qual a bomba de vácuo está conectada. Uma válvula corrediça de vácuo entre a seção de medição e o vaso de vácuo permite o acesso à seção de medição conforme necessário. O vaso de vácuo é evacuado usando a bomba de vácuo. Uma bomba de vácuo de parafuso COBRA NX da Busch Vacuum Solutions é usada para isso. Ela gera vácuo de aproximadamente 10 a 40 mbar no vaso de vácuo. Nos tubos do acumulador, há sobrepressão de aproximadamente 2 a 40 bar.
Para realizar um teste, o modelo de teste é colocado na seção de medição usando um suporte de modelo móvel. Os modelos de teste incluem modelos de aeronaves, sensores ou amostras de materiais. A abertura da válvula corrediça de ação rápida cria uma onda de diluição que flui para o tubo do acumulador e acelera o fluxo de ar do acumulador em direção ao bico. Devido à pressão diferencial entre o tubo do acumulador e o vaso de vácuo, e graças ao bico ultrassônico com formato especial, é criado um fluxo ultrassônico na seção de medição do RWG. Velocidades de até Mach 7 podem ser alcançadas – o que corresponde a sete vezes a velocidade do som. Tempos de medição de até 350-400 milissegundos são realizados no RWG. Este é um valor de pico para túneis de vento deste tipo e dá aos pesquisadores tempo suficiente para estudar o fluxo em torno dos modelos de teste. Durante esse período, dados estatisticamente relevantes ou sequências de imagens podem ser registrados para permitir uma média e análise de dados confiável.
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Registro de um modelo de teste na seção de medição do RWG. Fonte: DLR.
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Registro de um modelo de teste na seção de medição do RWG. Fonte: DLR.
Testes mais eficientes graças ao vácuo
A tecnologia de vácuo é importante não apenas para acelerar, mas também para desacelerar a velocidade de fluxo alto. O ar do tubo do acumulador é coletado no vaso de vácuo durante o teste e, em seguida, descarregado para fora como ar ambiente normal. O Dr. Erich Schülein, líder do grupo e supervisor científico do RWG no Instituto de Aerodinâmica e Tecnologia de Fluxo, explica: "Graças à tecnologia de vácuo, podemos realizar os testes de forma muito mais eficiente. Sem ele, não apenas teríamos que aumentar significativamente a pressão de impulso no tubo do acumulador, como também os requisitos para a estabilidade de todo o sistema e a tecnologia de teste, a fim de alcançar a relação de pressão necessária no bico ultrassônico. O esforço técnico necessário para isso seria enorme. A bomba de vácuo faz isso para nós. A aplicação combinada de acumuladores de pressão e vácuo facilita a alteração do nível de pressão e, portanto, do número de Reynolds do fluxo."
O túnel de vento tubular em Göttingen está em uso desde 1968, juntamente com uma antiga bomba de vácuo de palhetas rotativas. Em 2021, chegou a hora de substituí-la. A Busch conseguiu ganhar o contrato como parte de uma licitação. Com sua experiência na seleção e dimensionamento do sistema, os especialistas da empresa forneceram suporte para encontrar uma solução adequada. Uma solução foi encontrada rapidamente com a bomba de vácuo de parafuso a seco COBRA NX.
A tecnologia de vácuo é importante não apenas para acelerar, mas também para desacelerar a velocidade de fluxo alto. O ar do tubo do acumulador é coletado no vaso de vácuo durante o teste e, em seguida, descarregado para fora como ar ambiente normal. O Dr. Erich Schülein, líder do grupo e supervisor científico do RWG no Instituto de Aerodinâmica e Tecnologia de Fluxo, explica: "Graças à tecnologia de vácuo, podemos realizar os testes de forma muito mais eficiente. Sem ele, não apenas teríamos que aumentar significativamente a pressão de impulso no tubo do acumulador, como também os requisitos para a estabilidade de todo o sistema e a tecnologia de teste, a fim de alcançar a relação de pressão necessária no bico ultrassônico. O esforço técnico necessário para isso seria enorme. A bomba de vácuo faz isso para nós. A aplicação combinada de acumuladores de pressão e vácuo facilita a alteração do nível de pressão e, portanto, do número de Reynolds do fluxo."
O túnel de vento tubular em Göttingen está em uso desde 1968, juntamente com uma antiga bomba de vácuo de palhetas rotativas. Em 2021, chegou a hora de substituí-la. A Busch conseguiu ganhar o contrato como parte de uma licitação. Com sua experiência na seleção e dimensionamento do sistema, os especialistas da empresa forneceram suporte para encontrar uma solução adequada. Uma solução foi encontrada rapidamente com a bomba de vácuo de parafuso a seco COBRA NX.
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A bomba de vácuo de parafuso COBRA NX oferece condições de teste confiáveis e eficientes. Fonte: Busch Vacuum Solutions.
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A bomba de vácuo de parafuso COBRA NX oferece condições de teste confiáveis e eficientes. Fonte: Busch Vacuum Solutions.
Karsten Pfeiffer, gerente técnico do RWG, explica: "Para nós, é crucial que a bomba de vácuo usada funcione de forma confiável, porque o fluxo gerado no túnel de vento deve ser limpo. Os testes são frequentemente realizados várias vezes e é importante que as condições sejam reproduzíveis em todos os momentos – é por isso que nada deve interferir no fluxo." O desempenho da COBRA também passou uma impressão muito positiva. Em comparação com a bomba de palhetas rotativas anterior, a bomba de vácuo de parafuso da Busch evacua o vaso de vácuo duas vezes mais rápido. Agora, a pressão de 50 mbar mais comumente necessária no vaso é atingida após apenas 15 minutos, em vez de meia hora. Esses tempos de execução mais curtos têm um efeito muito positivo no consumo de energia da fábrica. Além disso, um conversor de frequência adapta a velocidade de rotação da bomba de vácuo às condições de pressão necessárias.
Os funcionários do instituto também estão satisfeitos com a nova solução de vácuo. Anteriormente, eles não podiam usar as salas de trabalho diretamente acima da fábrica durante os testes devido ao alto nível de ruídos e vibrações gerado pela antiga bomba de vácuo. Com a COBRA, isso não é mais um problema, pois ela opera muito silenciosamente e com baixa vibração. "Não se ouve nada além de um ligeiro zumbido", ri Pfeiffer. Outro grande benefício é a operação sem óleo. "No passado, eu tinha que fazer trabalhos práticos regularmente e trocar o óleo – e depois trocar minhas roupas sujas. Isso não é mais necessário. A manutenção é realizada por um técnico de serviço da Busch como parte de um contrato de manutenção. Tudo o que tenho que fazer é ligar a bomba e ela começa a funcionar", afirma Pfeiffer, contente.
Vácuo limpo para o progresso tecnológico
A solução de vácuo confiável da Busch desempenha um papel fundamental no sucesso dos experimentos no RWG e apoia o progresso tecnológico. O DLR coloca os resultados de sua pesquisa básica à disposição das empresas do setor aeroespacial para desenvolver e aprimorar tecnologias para missões atuais e futuras. Os cientistas de Göttingen também trabalham em estreita colaboração com organizações internacionais como a NASA, a ESA e as outras unidades DLR em projetos de pesquisa globais. No passado, por exemplo, um modelo da nave espacial X-38 foi testado no túnel de vento Ludwieg Tube Göttingen em nome da NASA e da ESA. Esta nave foi concebida como um veículo de retorno da tripulação (CRV) para poder trazer os astronautas da ISS de volta à Terra em caso de emergência. Este tipo de nave espacial deve suportar enormes cargas térmicas e mecânicas ao entrar na atmosfera da Terra. Essas condições foram replicadas com a maior precisão possível no túnel de vento tubular.
Os funcionários do instituto também estão satisfeitos com a nova solução de vácuo. Anteriormente, eles não podiam usar as salas de trabalho diretamente acima da fábrica durante os testes devido ao alto nível de ruídos e vibrações gerado pela antiga bomba de vácuo. Com a COBRA, isso não é mais um problema, pois ela opera muito silenciosamente e com baixa vibração. "Não se ouve nada além de um ligeiro zumbido", ri Pfeiffer. Outro grande benefício é a operação sem óleo. "No passado, eu tinha que fazer trabalhos práticos regularmente e trocar o óleo – e depois trocar minhas roupas sujas. Isso não é mais necessário. A manutenção é realizada por um técnico de serviço da Busch como parte de um contrato de manutenção. Tudo o que tenho que fazer é ligar a bomba e ela começa a funcionar", afirma Pfeiffer, contente.
Acima de tudo, a proximidade da Busch com os clientes é um benefício chave. Graças à extensa rede de serviços da empresa, a pessoa de contato local pode chegar muito rapidamente quando necessário.
Vácuo limpo para o progresso tecnológico
A solução de vácuo confiável da Busch desempenha um papel fundamental no sucesso dos experimentos no RWG e apoia o progresso tecnológico. O DLR coloca os resultados de sua pesquisa básica à disposição das empresas do setor aeroespacial para desenvolver e aprimorar tecnologias para missões atuais e futuras. Os cientistas de Göttingen também trabalham em estreita colaboração com organizações internacionais como a NASA, a ESA e as outras unidades DLR em projetos de pesquisa globais. No passado, por exemplo, um modelo da nave espacial X-38 foi testado no túnel de vento Ludwieg Tube Göttingen em nome da NASA e da ESA. Esta nave foi concebida como um veículo de retorno da tripulação (CRV) para poder trazer os astronautas da ISS de volta à Terra em caso de emergência. Este tipo de nave espacial deve suportar enormes cargas térmicas e mecânicas ao entrar na atmosfera da Terra. Essas condições foram replicadas com a maior precisão possível no túnel de vento tubular.
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Este modelo da nave espacial X-38 foi examinado no sistema RWG em nome da ESA e da NASA. Fonte: DLR.
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Este modelo da nave espacial X-38 foi examinado no sistema RWG em nome da ESA e da NASA. Fonte: DLR.
"Apesar dos enormes avanços na mecânica de fluxo numérico, muitos fenômenos em fluxos turbulentos ainda não podem ser previstos de forma adequada e precisa. Em nossos estudos, criamos um importante banco de dados de validação que ajuda a melhorar os modelos existentes e a desenvolver novos métodos de cálculo numérico. Consideramos este o objetivo real desta instalação de pesquisa", diz Schülein. A tecnologia de vácuo da Busch é uma parte importante disso.