Dalle gallerie del vento allo spazio: il vuoto per la ricerca aerospaziale

Presso il Centro aerospaziale tedesco (DLR) di Göttingen, gli scienziati stanno esplorando i fenomeni della meccanica del flusso comprimibile nella galleria del vento più grande e potente d'Europa -tunnel aerodinamico in circuito chiuso, utilizzando una pompa per vuoto a vite COBRA di Busch Vacuum Solutions. L'obiettivo è rendere l'industria aerospaziale di domani più sicura ed efficiente.

Due tubi accumulatori lunghi più di 80 metri scorrono su uno spazio aperto accanto all'edificio e attraversano la solida parete esterna per arrivare all'interno: le enormi dimensioni della struttura di ricerca diventano evidenti non appena si entra nel sito intorno all'Istituto di aerodinamica e tecnologia dei flussi presso il centro DLR di Göttingen. All'interno, ai tubi è collegato un gigantesco serbatoio di vuoto con un volume di 50 m³. Qui vengono condotti studi dettagliati e fondamentali per effettuare ricerche sui fenomeni della meccanica dei fluidi, essenziali per prevedere adeguatamente le prestazioni degli aerei supersonici. In che modo i veicoli aerospaziali di domani possono diventare più ecocompatibili, sicuri ed efficienti? E come si può utilizzare una precisa simulazione computerizzata del volo supersonico per valutare nuove configurazioni mentre si è ancora in fase di progettazione? Gli scienziati vogliono fornire risposte a queste e a molte altre domande con la galleria del vento a tubo.

La struttura di ricerca su larga scala è stata aperta negli anni '50 del secolo scorso. Il fisico e ricercatore di Göttingen, Prof. Hubert Ludwieg, ha sviluppato un sistema di azionamento rivoluzionario per gallerie del vento ad alta velocità a funzionamento intermittente, che ha consentito di eseguire studi con flussi supersonici e ipersonici. Chiamò questo principio galleria del vento a tubo e ancora oggi è nota in tutto il mondo anche come "tubo di Ludwieg." Nel 1968, la galleria del vento a tubo di Ludwieg di Göttingen (RWG) è stata la prima al mondo tra questi impianti di ricerca aerodinamica su larga scala a entrare in funzione. È ancora in uso presso il centro DLR.

Esperimenti a velocità supersonica
Il principio operativo della galleria del vento a tubo utilizza l'interazione di pressione e vuoto, dove i tubi dell'accumulatore fungono da serbatoi di pressione in cui viene compressa l'aria. Per prevenire la condensazione dell'aria nell'ugello ultrasonico, che si verifica a causa della forte espansione e del conseguente raffreddamento dell'aria, i tubi dell'accumulatore devono essere riscaldati per simulare alte velocità supersoniche.
I tubi dell'accumulatore sono collegati all'ugello ultrasonico tramite una valvola a cassetto ad apertura rapida. Il tratto di misurazione si trova alla fine. Qui vengono eseguiti gli esperimenti. Alla fine del tratto di misurazione si trova il serbatoio di vuoto al quale è collegata la pompa per vuoto. Una valvola a cassetto per vuoto tra il tratto di misurazione e il serbatoio di vuoto consente l'accesso al tratto di misurazione quando necessario. Il serbatoio di vuoto viene evacuato utilizzando la pompa per vuoto. A tale scopo viene utilizzata una pompa per vuoto a vite COBRA NX di Busch Vacuum Solutions. Genera un vuoto di circa 10-40 mbar nel serbatoio di vuoto. Sovrappressione di circa 2 - 40 bar nel tubo accumulatore.

Per eseguire una prova, il modello viene posizionato nel tratto di misurazione utilizzando un supporto mobile. I modelli di prova possono essere modelli di aeromobili, sensori o campioni di materiale. L'apertura della valvola a cassetto ad apertura rapida crea un'onda di diluizione che fluisce nel tubo dell'accumulatore e accelera il flusso d'aria verso l'ugello. A causa della pressione differenziale tra il tubo dell'accumulatore e il serbatoio di vuoto e grazie all'ugello ultrasonico dalla forma speciale, nel tratto di misurazione della galleria RWG viene generato un flusso ultrasonico. È possibile raggiungere velocità fino a Mach 7, corrispondenti a sette volte la velocità del suono. Nella galleria RWG si realizzano tempi di misurazione fino a 350-400 millisecondi. Si tratta di un valore di punta per gallerie del vento di questo tipo e offre ai ricercatori tempo sufficiente per studiare il flusso attorno ai modelli in prova. In questo intervallo di tempo è possibile registrare dati statisticamente rilevanti o sequenze di immagini per consentire di effettuare con affidabilità l'analisi e la media di tali dati.

Test più efficienti grazie al vuoto
La tecnologia del vuoto è importante non solo per accelerare, ma anche per rallentare l'elevata velocità di flusso. L'aria proveniente dal tubo dell'accumulatore viene raccolta nel serbatoio di vuoto durante la prova e quindi scaricata all'esterno come normale aria ambiente. Il dott. Erich Schülein, responsabile del gruppo e supervisore scientifico della RWG presso l'Istituto per l'aerodinamica e la tecnologia dei flussi, spiega: "Grazie alla tecnologia del vuoto, possiamo eseguire i test in modo molto più efficiente. Senza questa tecnologia, non solo dovremmo aumentare notevolmente la pressione di sovralimentazione nel tubo accumulatore, ma anche i requisiti di stabilità del sistema complessivo e della tecnologia per raggiungere il rapporto di pressione richiesto nell'ugello ultrasonico. Il dispendio tecnico richiesto sarebbe enorme. La pompa per vuoto fa tutto questo per noi. L'applicazione combinata di accumulatori di pressione e di vuoto consente di modificare facilmente il livello di pressione e quindi il numero Reynolds del flusso."

La galleria del vento a tubo di Göttingen è in funzione dal 1968 insieme a una vecchia pompa per vuoto rotativa a palette. Nel 2021 è arrivato il momento di sostituirla. Busch è stata in grado di aggiudicarsi il contratto come parte di una gara d'appalto. Gli esperti dell'azienda hanno quindi fornito assistenza con la loro esperienza nella selezione e nel dimensionamento del sistema per trovare una soluzione adatta. Una soluzione è stata trovata rapidamente con la pompa a secco COBRA NX.

Karsten Pfeiffer, direttore tecnico della RWG, spiega: "Per noi è fondamentale che la pompa per vuoto utilizzata funzioni in modo affidabile, perché il flusso generato nella galleria del vento a tubo deve essere pulito. I test vengono spesso eseguiti più volte ed è importante che le condizioni siano sempre riproducibili, motivo per cui nulla deve interferire con il flusso." Le prestazioni della pompa COBRA hanno lasciato un'impressione molto positiva. Rispetto alla pompa rotativa a palette precedente, la pompa per vuoto a vite Busch evacua il serbatoio di vuoto a una velocità raddoppiata. La pressione più comunemente richiesta di 50 mbar nel serbatoio viene ora raggiunta dopo soli 15 minuti invece che dopo mezz'ora. Questi tempi più brevi hanno un effetto molto positivo sul consumo di energia dell'impianto. Inoltre, un convertitore di frequenza adatta la velocità rotazionale della pompa per vuoto alle condizioni di pressione richieste.

Anche i dipendenti dell'istituto sono soddisfatti della nuova soluzione del vuoto. In precedenza, non erano in grado di utilizzare i locali direttamente sopra l'impianto durante i test a causa dell'elevato livello di rumorosità e delle vibrazioni generate dalla vecchia pompa per vuoto. Con la pompa COBRA questo non è più un problema, in quanto funziona in modo molto silenzioso e con basse vibrazioni. "Non si sente niente tranne un leggero ronzio", ride Pfeiffer. Un altro grande vantaggio è il funzionamento senza olio. "In passato dovevo regolarmente mettere mano al cambio d'olio... e poi cambiare anche i miei vestiti sporchi. Ora non serve più. La manutenzione viene eseguita da un tecnico dell'assistenza Busch come parte di un contratto di manutenzione. Tutto ciò che devo fare è accendere l'interruttore e la pompa inizia a funzionare", afferma Pfeiffer soddisfatto.

Vuoto pulito per il progresso tecnologico
L'affidabile soluzione del vuoto di Busch gioca un ruolo fondamentale nel successo degli esperimenti nella RWG e supporta il progresso tecnologico. Il centro DLR mette a disposizione delle aziende del settore aerospaziale i risultati della sua ricerca di base per sviluppare e perfezionare le tecnologie per le missioni correnti e future. Gli scienziati di Göttingen lavorano anche a stretto contatto con organizzazioni internazionali come la NASA, l'ESA e gli altri siti DLR su progetti di ricerca globali. In passato, ad esempio, per conto della NASA e dell'ESA, un modello dell'aeromobile spaziale X-38 è stato sottoposto a prove nella galleria del vento a tubo Ludwieg di Göttingen. Questo aeromobile è stato progettato come veicolo per il ritorno dell'equipaggio (CRV), ovvero per riportare gli astronauti ISS sulla Terra in caso di emergenza. Questo tipo di nave spaziale deve sopportare calore e carichi meccanici enormi quando rientra nell'atmosfera terrestre. Queste condizioni sono state replicate il più accuratamente possibile nella galleria del vento.

"Nonostante gli enormi progressi compiuti nella meccanica dei flussi numerici, non è ancora possibile prevedere in modo adeguato e accurato molti fenomeni dei flussi turbolenti. Nei nostri studi, creiamo un importante database di convalida che aiuta a migliorare i modelli esistenti e a sviluppare nuovi metodi di calcolo numerico. Consideriamo questo lo scopo effettivo di questa struttura di ricerca", afferma Schülein. La tecnologia del vuoto Busch è una parte importante di questo processo.