Fra vindtunneller til rummet: Vakuum til luft- og rumfartsforskning

På det tyske luft- og rumfartscenter (DLR) i Göttingen undersøger forskere fænomenet komprimerbar flow mekanik i Europas største og mest kraftfulde rørvindtunnel ved hjælp af en COBRA skruevakuumpumpe fra Busch Vacuum Solutions. Målet er at gøre fremtidens luft- og rumfart mere sikker og effektiv.

To lange akkumulatorrør på mere end 80 meter løber over et åbent område ved siden af bygningen og ind gennem murværket: Forskningsfaciliteternes enorme størrelse træder tydeligt frem, så snart man træder ind på området ved Instituttet for Aerodynamik og Flowteknologi på DLR i Göttingen. På indersiden er en kæmpe vakuumbeholder med en volumen på 50 m³ forbundet med rørene. Der udføres detaljerede og grundlæggende studier for at undersøge de fluid mekaniske fænomener, der er afgørende for at kunne forudsige supersoniske flys ydeevne meget præcist. Hvordan kan fremtidens luftfartøjer blive mere miljøvenlige, mere sikre og mere effektive? Og hvordan kan man bruge præcise computersimuleringer af supersonisk flyvning til at evaluere nye konfigurationer, mens man stadig befinder sig i designprocessen? Forskerne ønsker at finde svarene på disse og mange andre spørgsmål ved hjælp af rørvindtunnellen.

De store forskningsfaciliteter blev åbnet i 1950'erne. Fysikeren og strømningsforskeren prof. Hubert Ludwieg fra Göttingen udviklede et banebrydende drivsystem til intermitterende drift af højhastigheds vindtunneller, som gjorde det muligt at gennemføre studier med supersoniske og hypersoniske strømninger. Han kaldte dette princip for en rørvindtunnel – som i dag er kendt over hele verden som "Ludwieg-røret." I 1968 blev Ludwieg-rørvindtunnellen i Göttingen (RWG) taget i brug som det første af disse store, aerodynamiske forskningsanlæg. Den er stadig i brug på DLR.

Eksperimenter ved supersonisk hastighed
Rørvindtunnelens funktionsprincip er baseret på samspillet mellem tryk og vakuum, hvor akkumulatorrørene fungerer som trykbeholdere, hvori luften komprimeres. For at forhindre luftkondensering i ultralydsdysen, som opstår på grund af den kraftige ekspansion og den dermed forbundne afkøling af luften, skal akkumulatorrørene opvarmes for at simulere høje supersoniske hastigheder.
Akkumulatorrørene er forbundet med ultralydsdysen via en hurtigvirkende skydeventil. Målesektionen befinder sig for enden. Det er hér, eksperimenterne foregår. For enden af målesektionen er der en vakuumbeholder, som vakuumpumpen er tilsluttet. En vakuumskydeventil mellem målesektionen og vakuumbeholderen giver adgang til målesektionen ved behov. Vakuumbeholderen tømmes ved hjælp af vakuumpumpen. Til dette formål anvendes en COBRA NX skruevakuumpumpe fra Busch Vacuum Solutions. Den genererer et vakuum på ca. 10-40 mbar i vakuumbeholderen. I akkumulatorrørene er der et overtryk på ca. 2-40 bar.

Når en test skal udføres, placeres testmodellen i målesektionen ved hjælp af en flytbar modeladapter. Testmodellerne omfatter flymodeller, sensorer eller materialeprøver. Åbning af den hurtiglukkende skydeventil skaber en løbende fortyndingsbølge, der strømmer ind i akkumulatorrøret og bevæger akkumulatorluften hurtigere mod dysen. På grund af differenstrykket mellem akkumulatorrøret og vakuumbeholderen og takket være den specialformede ultralydsdysse, skabes der et ultralydsflow i RWG-målesektionen. Der kan opnås hastigheder på op til Mach 7 – svarende til syv gange lydens hastighed. I RWG opnås der målingstider på op til 350-400 millisekunder. Dette er en spidsværdi for vindtunneller af denne type, og den giver forskerne tilstrækkelig tid til at studere flowet omkring testmodellerne. I dette tidsrum er det muligt at registrere statistisk relevante data eller billedsekvenser for at muliggøre pålidelige datagennemsnit og analyser.

Vakuum giver mere effektive tests
Vakuumteknologi er ikke kun vigtig for at accelerere, men også for at bremse den høje flowhastighed. Under testen opsamles luften fra akkumulatorrøret i vakuumbeholderen og ledes derefter ud som normal atmosfærisk luft. Dr. Erich Schülein, gruppeleder og videnskabelig leder af RWG ved Institute of Aerodynamics and Flow Technology, forklarer: Vakuumteknologien gør det muligt at gennemføre testene langt mere effektivt. Uden den ville vi ikke kun være nødt til at øge boost-trykket i akkumulatorrøret markant, men også stille højere krav til stabiliteten af hele systemet og testteknologien for overhovedet at opnå det nødvendige trykforhold i ultralydsdysen. Det ville kræve en enorm teknisk indsats. Vakuumpumpen klarer dette arbejde for os. Den kombinerede anvendelse af tryk- og vakuumakkumulatorer gør det nemt at ændre trykniveauet og dermed flowets Reynolds-tal."

Rørvindtunnellen i Göttingen havde været i brug siden 1968 sammen med en gammel lamelvakuumpumpe. I 2021 var det på høje tid at udskifte den. Det lykkedes Busch at vinde kontrakten, som en del af et udbud. Herefter bistod virksomhedens eksperter med rådgivning om valg og dimensionering af systemet for at finde en passende løsning baseret på deres ekspertise. Der blev hurtigt fundet en løsning i form af den tørtløbende COBRA NX.

Karsten Pfeiffer, teknisk chef for RWG, forklarer: "For os er det afgørende, at den anvendte vakuumpumpe fungerer pålideligt, fordi det flow, der genereres i rørvindtunnellen, skal være rent. Testene udføres ofte flere gange, og det er vigtigt, at betingelserne til enhver tid kan reproduceres – derfor bør intet forstyrre flowet." COBRA vakuumpumpens ydeevne gjorde også et meget positivt indtryk. Skruevakuumpumpen fra Busch tømmer vakuumbeholderen dobbelt så hurtigt som den tidligere lamelvakuumpumpe gjorde. I stedet for en halv time tager det nu kun 15 minutter at opnå et tryk på 50 mbar i beholderen, hvilket er det tryk, som oftest kræves ved tests. Den kortere driftstid har en meget positiv effekt på anlæggets energiforbrug. Derudover tilpasser en frekvensomformer vakuumpumpens rotationshastighed til de nødvendige trykforhold.

Instituttets medarbejdere er også tilfredse med den nye vakuumløsning. Tidligere kunne de, under testene, ikke bruge arbejdsrummene lige over anlægget på grund af det høje støjniveau og de vibrationer, som den gamle vakuumpumpe frembragte. Med COBRA er dette ikke længere et problem, da den arbejder meget lydløst og med lav vibration. "Du kan ikke høre andet end en svag summen", fortæller en grinende Pfeiffer. En anden stor fordel er oliefri drift. "Tidligere skulle jeg udføre manuelle opgaver med jævne mellemrum og skifte olie – og derefter også skifte mit snavsede tøj. Det er ikke længere nødvendigt. En servicetekniker fra Busch tager sig af vedligeholdelsen, som en del af en vedligeholdelseskontrakt. Det eneste, jeg skal gøre, er at tænde for pumpen, og så kører den," siger en glad Pfeiffer. Tæt kontakt mellem Busch og kunderne er en yderst vigtig fordel.

Teknologiske fremskridt med rent vakuum
Den pålidelige vakuumløsning fra Busch er helt afgørende for succesen af eksperimenterne i RWG, og understøtter den teknologiske udvikling. DLR stiller resultaterne af sin grundlæggende forskning til rådighed for virksomheder i luft- og rumfartsindustrien for at udvikle og optimere teknologier til nuværende og fremtidige missioner. Forskerne i Göttingen har også et tæt samarbejde om globale forskningsprojekter med internationale organisationer såsom NASA, ESA og de andre DLR-centre. Tidligere blev f.eks. en model af rumfartøjet X-38 testet i Ludwieg-rørvindtunnellen i Göttingen på vegne af NASA og ESA. Dette fartøj var beregnet som et returfartøj til besætningen (CRV) for at kunne bringe ISS-astronauter tilbage til jorden, hvis der opstod en nødsituation. Denne type rumfartøjer skal kunne modstå enorme varme- og mekaniske belastninger, når de rammer jordens atmosfære. Disse betingelser blev gengivet så nøjagtigt som muligt i rørvindtunnellen.

"Trods enorme fremskridt inden for numerisk strømningsmekanik kan mange fænomener i turbulente strømninger stadig ikke forudsiges nøjagtigt og i tilstrækkeligt omfang. I vores undersøgelser skaber vi en vigtig valideringsdatabase, der hjælper med at forbedre eksisterende modeller og udvikle nye numeriske beregningsmetoder. Det ser vi som det egentlige formål med dette forskningsanlæg", siger Schülein. Vakuumteknologi fra Busch er en vigtig del af dette.