Překonání zvukové bariéry
Využití aerodynamických tunelů pro výzkum nadzvukového letu
Co mají společného stíhací letadlo, vesmírná raketa a padající hvězda? Všechny se pohybují rychleji, než je rychlost zvuku! Ale jak vědci studují, co se děje při nadzvukové rychlosti? V experimentech simulují extrémní stavy vysokorychlostního letu. Nezbytnou součástí je vakuová technologie skupiny Busch Group.
Když raketa letí do vesmíru, dosahuje nadzvukové rychlosti, protože prudce zrychluje. Toto zrychlení působí na kosmickou loď obrovskou silou. Každá součástka a materiál, z nichž se raketa skládá, proto musí být předem otestovány, aby bylo zajištěno, že těmto silám odolají. Tyto testy zajišťují nejen bezpečnou cestu astronautů do vesmíru, ale také zefektivňují budoucí letecký průmysl a činí ho šetrnější k životnímu prostředí. Ale jak se dají tyto podmínky simulovat na zemi? Odpovědí je vysokorychlostní aerodynamický tunel. Využívá interakce tlaku a vakua k napodobení extrémních podmínek letu ve vesmíru. Na jednom konci tunelu je jedna nebo více velkých akumulačních trubek, ve kterých se stlačuje vzduch. Na druhém konci je vakuová nádoba, která je evakuována vývěvou. Samotný experiment se provádí v měřicí části mezi nimi.
Přenesení hypersonických rychlostí dolů na Zemi
Do měřicí části umísťují výzkumníci modely letadel, senzory nebo vzorky materiálů a sledují jejich interakci s ultrazvukovým prouděním. Shromážděná data pomáhají inženýrům zlepšovat design, zvyšovat bezpečnost, účinnost a trvalou udržitelnost budoucích letadel a kosmických lodí. Při provádění testu se otevře ventil trubky akumulátoru, čímž se vytvoří ředicí vlna, která proudí do trubky zásobníku a urychluje tok vzduchu zásobníku směrem k hubici. Díky rozdílovému tlaku mezi akumulátorovou trubkou a vakuovou nádobou a díky speciálně tvarované ultrazvukové trysce vzniká v měřicí dráze ultrazvukové proudění. Tento proud vzduchu dosahuje až sedminásobné rychlosti zvuku – více než 8 600 km/h nebo dvacetinásobku rychlosti vozu Formule 1!
Tajemství ultrazvukového proudění: vakuum
Klíčem ke zrychlení, ale také ke zpomalení vysoké rychlosti proudění jsou vývěvy od skupiny Busch Group. Tyto vývěvy vytvářejí ve vakuová nádobě umístěné v koncové poloze měřicí stanice potřebné vakuové podmínky, aby účinně vytvořily potřebný rozdílový tlak. Bez vývěvy by bylo k dosažení požadovaného tlakového poměru zapotřebí mnohem většího technického úsilí. Vzduch z akumulátoru se během zkoušky shromažďuje ve vakuové nádobě a poté je vypouštěn jako běžný okolní vzduch.
Přenesení hypersonických rychlostí dolů na Zemi
Do měřicí části umísťují výzkumníci modely letadel, senzory nebo vzorky materiálů a sledují jejich interakci s ultrazvukovým prouděním. Shromážděná data pomáhají inženýrům zlepšovat design, zvyšovat bezpečnost, účinnost a trvalou udržitelnost budoucích letadel a kosmických lodí. Při provádění testu se otevře ventil trubky akumulátoru, čímž se vytvoří ředicí vlna, která proudí do trubky zásobníku a urychluje tok vzduchu zásobníku směrem k hubici. Díky rozdílovému tlaku mezi akumulátorovou trubkou a vakuovou nádobou a díky speciálně tvarované ultrazvukové trysce vzniká v měřicí dráze ultrazvukové proudění. Tento proud vzduchu dosahuje až sedminásobné rychlosti zvuku – více než 8 600 km/h nebo dvacetinásobku rychlosti vozu Formule 1!
Tajemství ultrazvukového proudění: vakuum
Klíčem ke zrychlení, ale také ke zpomalení vysoké rychlosti proudění jsou vývěvy od skupiny Busch Group. Tyto vývěvy vytvářejí ve vakuová nádobě umístěné v koncové poloze měřicí stanice potřebné vakuové podmínky, aby účinně vytvořily potřebný rozdílový tlak. Bez vývěvy by bylo k dosažení požadovaného tlakového poměru zapotřebí mnohem většího technického úsilí. Vzduch z akumulátoru se během zkoušky shromažďuje ve vakuové nádobě a poté je vypouštěn jako běžný okolní vzduch.
Přečtěte si více – Proč se kosmická loď při návratu do atmosféry Země zahřívá
Když kosmická loď vstupuje z nízké oběžné dráhy Země zpět do atmosféry, pohybuje se rychlostí přibližně 28 160 km/h, což je přibližně 25násobek rychlosti zvuku. Přitom čelí teplotám vyšším než roztavená láva – někdy přesahujícím 1 600 °C. K tomu dochází v důsledku procesu zvaného kompresní ohřev.
Při tak vysoké rychlosti nemají molekuly vzduchu přímo před kosmickou lodí čas ji obletět, protože se mohou pohybovat pouze rychlostí zvuku (1 235 km/h). Namísto toho se molekuly vzduchu rychle stlačí do rázové vlny a vytvoří oblast vysoké teploty a tlaku, která zahřívá povrch kosmické lodi. Z tohoto důvodu jsou rakety a kapsle vybaveny tepelnými štíty, které tuto energii bezpečně pohlcují a odvádějí. Bez nich by byl návrat do atmosféry nemožný, protože kov, který raketu tvoří, by se roztavil. Pochopení těchto jevů je zásadní pro design kosmických lodí nové generace. Stejné aerodynamické tunely, které se používají k testování nadzvukových letadel, pomáhají vědcům simulovat podmínky při návratu do atmosféry, což zajišťuje bezpečný návrat budoucích kosmických lodí na Zemi.
Když kosmická loď vstupuje z nízké oběžné dráhy Země zpět do atmosféry, pohybuje se rychlostí přibližně 28 160 km/h, což je přibližně 25násobek rychlosti zvuku. Přitom čelí teplotám vyšším než roztavená láva – někdy přesahujícím 1 600 °C. K tomu dochází v důsledku procesu zvaného kompresní ohřev.
Při tak vysoké rychlosti nemají molekuly vzduchu přímo před kosmickou lodí čas ji obletět, protože se mohou pohybovat pouze rychlostí zvuku (1 235 km/h). Namísto toho se molekuly vzduchu rychle stlačí do rázové vlny a vytvoří oblast vysoké teploty a tlaku, která zahřívá povrch kosmické lodi. Z tohoto důvodu jsou rakety a kapsle vybaveny tepelnými štíty, které tuto energii bezpečně pohlcují a odvádějí. Bez nich by byl návrat do atmosféry nemožný, protože kov, který raketu tvoří, by se roztavil. Pochopení těchto jevů je zásadní pro design kosmických lodí nové generace. Stejné aerodynamické tunely, které se používají k testování nadzvukových letadel, pomáhají vědcům simulovat podmínky při návratu do atmosféry, což zajišťuje bezpečný návrat budoucích kosmických lodí na Zemi.