Od aerodynamických tunelů do vesmíru: vakuum pro výzkum v letectví a kosmonautice

V Německém centru pro letectví a kosmonautiku (DLR) v Göttingenu, vědci zkoumají fenomén mechaniky stlačitelného proudění v největším a nejvýkonnějším trubkovém aerodynamickém tunelu v Evropě pomocí šroubové vývěvy COBRA od společnosti Busch Vacuum Solutions. Cílem je učinit letectví zítřka bezpečnějším a efektivnějším.

Dvě akumulátorová potrubí o délce více než 80 metrů vedou přes otevřený prostor vedle budovy a procházejí pevnou vnější stěnou dovnitř: Obrovské rozměry výzkumného zařízení jsou zřejmé, jakmile vstoupíte na pozemek kolem Ústavu aerodynamiky a technologie proudění v areálu DLR v Göttingenu. Uvnitř je k potrubím připojena obrovská vakuová nádoba o objemu 50 m³. Tam se provádějí podrobné a základní studie za účelem zkoumání fenoménů fluidní mechaniky, které jsou nezbytné pro adekvátní predikci výkonu nadzvukových letadel. Jak mohou být letecká a kosmická vozidla budoucnosti šetrnější k životnímu prostředí, bezpečnější a účinnější? A jak lze využít přesnou počítačovou simulaci nadzvukového letu k vyhodnocení nových konfigurací ještě v procesu návrhu? Na tyto a mnohé další otázky chtějí vědci odpovědět pomocí trubkového aerodynamického tunelu.

Rozsáhlé výzkumné zařízení bylo otevřeno v 50. letech 20. století. Göttingenský fyzik a výzkumník proudění Prof. Hubert Ludwieg vyvinul revoluční hnací systém pro nesouvislý provoz vysokorychlostních aerodynamických tunelů, který umožnil provádět studie nadzvukového a hypersonického proudění. Tento princip nazval trubkovým aerodynamickým tunelem – dodnes po celém světě známým jako „Ludwiegova trubka“. V roce 1968 byl jako první z těchto velkých aerodynamických výzkumných zařízení na světě uveden do provozu trubkový aerodynamický tunel Ludwieg v Göttingenu

Experimenty v nadzvukové rychlosti
Provozní princip trubkového aerodynamického tunelu využívá interakci tlaku a vakua, přičemž akumulátorové trubky slouží jako tlakové nádoby, ve kterých je stlačený vzduch. Aby se zabránilo kondenzaci vzduchu v ultrazvukové trysce, ke které dochází v důsledku silné expanze a s ní spojeného chlazení vzduchu, musí být akumulátorové trubky zahřáté, aby simulovaly vysoké nadzvukové rychlosti.
Akumulátorové trubky jsou připojeny k ultrazvukové trysce rychlouzavíracím šoupátkovým ventilem. Měřicí dráha se nachází na konci. Zde se provádějí experimenty. Na konci měřicí dráhy je vakuová nádoba, ke které je připojena vývěva. Vakuový šoupátkový ventil mezi měřicí dráhou a vakuovou nádobou umožňuje v případě potřeby přístup k měřicí dráze. Vakuová nádoba se vyprázdní pomocí vývěvy. K tomuto účelu se používá šroubová vývěva COBRA NX od společnosti Busch Vacuum Solutions. Ve vakuové nádobě vytváří podtlak přibližně 10 až 40 mbar. V akumulátorových trubkách je přetlak přibližně 2 až 40 barů.

Pro provedení zkoušky se testovací model umístí do měřicí dráhy pomocí posuvného držáku modelu. Testovací modely zahrnují modely letadel, senzory nebo vzorky materiálů. Otevřením rychlouzavíracího šoupátkového ventilu se vytvoří běžící ředicí vlna, která proudí do akumulátorové trubky a urychluje proudění akumulovaného vzduchu směrem k trysce. Díky rozdílovému tlaku mezi akumulátorovou trubkou a vakuovou nádobou a díky speciálně tvarované ultrazvukové trysce vzniká v měřicí dráze RWG ultrazvukové proudění. Lze dosáhnout rychlosti až Mach 7 – což odpovídá sedminásobku rychlosti zvuku. V RWG se dosahuje časů měření až 350–400 milisekund. To je pro aerodynamické tunely tohoto typu špičková hodnota, která výzkumníkům poskytuje dostatek času na studium proudění kolem testovacích modelů. Během této doby lze zaznamenávat statisticky relevantní data nebo obrazové sekvence, aby bylo možné provést spolehlivé zprůměrování a analýzu dat.

Efektivnější zkoušky díky vakuu
Vakuová technologie je důležitá nejen pro zrychlení, ale také pro zpomalení vysoké rychlosti proudění. Vzduch z akumulátorové trubky se během zkoušky shromažďuje ve vakuové nádobě a poté je vypouštěn ven jako normální okolní vzduch. Dr. Erich Schülein, vedoucí skupiny a vědecký supervizor RWG v Ústavu aerodynamiky a technologie proudění, vysvětluje: „Díky vakuové technologii můžeme testy provádět mnohem efektivněji. Bez ní bychom museli nejen výrazně zvýšit tlak v akumulátorové trubce, ale také požadavky na stabilitu celého systému a zkušební technologii, abychom vůbec dosáhli požadovaného tlakového poměru v ultrazvukové trysce. Technická náročnost by byla enormní. Vývěva to však zvládne za nás. Kombinované použití tlakových a vakuových akumulátorů usnadňuje změnu úrovně tlaku a tím i Reynoldsova čísla proudění.“

Trubkový aerodynamický tunel v Göttingenu se používá od roku 1968 spolu se starou rotační lamelovou vývěvou. V roce 2021 nastal nejvyšší čast na výměnu. Společnost Busch získala smlouvu v rámci výběrového řízení. Odborníci společnosti pak poskytli odbornou podporu při výběru a nadimenzování systému a nalezení vhodného řešení. Řešení bylo nalezeno rychle: suchoběžná vývěva COBRA NX.

Karsten Pfeiffer, technický ředitel RWG, vysvětluje: „Pro nás je rozhodující, aby použitá vývěva fungovala spolehlivě, protože proudění generované v trubkovém aerodynamickém tunelu musí být čisté. Zkoušky se často provádějí opakovaně a je důležité, aby byly podmínky vždy reprodukovatelné – proto by proudění nic nemělo narušovat.“ Výkon vývěvy COBRA také zanechal velmi pozitivní dojem. Ve srovnání s předchozí rotační lamelovou vývěvou vyprázdní šroubová vývěva Busch vakuovou nádobu dvakrát rychleji. Nejčastěji požadovaný tlak 50 mbar v nádobě je nyní dosažen již za 15 minut místo půl hodiny. Tyto kratší doby chodu mají velmi pozitivní vliv na spotřebu energie závodu. Kromě toho frekvenční měnič přizpůsobuje otáčky vývěvy požadovaným podmínkám jmenovitého tlaku.

Zaměstnanci ústavu jsou s novým vakuovým řešením také spokojeni. Dříve nemohli během zkoušek používat pracovní místnosti přímo nad závodem kvůli vysoké hladině hluku a vibracím generovaným starou vývěvou. S vývěvou COBRA to již není problém, protože pracuje velmi tiše a s nízkými vibracemi. „Neslyšíte nic kromě lehkého bzučení,“ směje se Pfeiffer. Další velkou výhodou je provoz bez oleje. „V minulosti jsem musel pravidelně provádět ruční práce a měnit olej – a pak také měnit znečištěné oblečení. To již není nutné. Údržbu provádí servisní technik společnosti Busch jako součást smlouvy o údržbě. Vše, co musím udělat, je zapnout tlačítko a vývěva se spustí,“ říká spokojeně Pfeiffer. Klíčovou výhodou je především blízkost společnosti Busch k zákazníkům.

Čisté vakuum pro technologický pokrok
Spolehlivé vakuové řešení od společnosti Busch hraje klíčovou roli v úspěšnosti experimentů v RWG a je podporou pro technologický pokrok. Centrum DLR zpřístupňuje výsledky svého základního výzkumu společnostem v leteckém a kosmickém průmyslu, aby mohly vyvíjet a zdokonalovat technologie pro současné a budoucí mise. Vědci z Göttingenu také úzce spolupracují s mezinárodními organizacemi, jako jsou NASA, ESA a další pracoviště DLR, na globálních výzkumných projektech. Například v minulosti prováděla NASA a ESA v trubkovém aerodynamickém tunelu Ludwieg v Göttingenu zkoušky modelu kosmické lodi X-38. Toto plavidlo bylo zamýšleno jako návratové vozidlo pro posádku (CRV), které mělo být schopno dopravit astronauty ISS zpět na Zemi v případě nouze. Tento typ kosmické lodi musí při vstupu do zemské atmosféry odolat enormnímu teplu a mechanickému zatížení. Tyto podmínky byly co nejpřesněji napodobeny v trubkovém aerodynamickém tunelu.

„Navzdory obrovskému pokroku v numerické mechanice proudění stále nelze mnohé jevy v turbulentním proudění adekvátně a přesně předpovědět. V našich studiích vytváříme důležitou validační databázi, která pomáhá zlepšovat stávající modely a vyvíjet nové numerické varianty výpočtu. To vnímáme jako skutečný účel tohoto výzkumného zařízení,“ říká Schülein. Důležitou součástí je vakuová technologie od společnosti Busch.