Durchbrechen der Schallmauer
Windkanäle zur Erforschung von Überschallflügen
Was haben ein Kampfjet, eine Rakete und eine Sternschnuppe gemeinsam? Sie fliegen alle schneller als der Schall! Doch wie untersuchen Wissenschaftler, was bei Überschallgeschwindigkeit passiert? Sie simulieren die extremen Bedingungen von Hochgeschwindigkeitsflügen in Experimenten. Vakuumtechnologie der Busch Group ist dabei unverzichtbar.
Auf ihrer Reise in den Weltraum erreicht eine Rakete durch schnelles Beschleunigen Überschallgeschwindigkeit. Diese Beschleunigung übt eine enorme Kraft auf das Raumschiff aus. Alle Bauteile und Materialien der Rakete müssen daher vorab geprüft werden, um sicherzugehen, dass sie diesen Kräften auch standhalten. So wird nicht nur gewährleistet, dass Astronauten sicher in den Weltraum fliegen können, sondern die Luftfahrt der Zukunft auch effizienter und umweltfreundlicher gestaltet. Doch wie lassen sich diese Bedingungen auf der Erde simulieren? Die Antwort: in einem Hochgeschwindigkeitswindkanal. Er nutzt das Zusammenspiel von Druck und Vakuum, um die extremen Flugbedingungen im Weltraum nachzuahmen. An einem Ende des Tunnels befinden sich ein oder mehrere große Speicherrohre, in denen Luft verdichtet wird. Am anderen Ende steht ein Vakuumbehälter, der von einer Vakuumpumpe evakuiert wird. Das Experiment selbst findet in der dazwischenliegenden Messstrecke statt.
Hyperschallgeschwindigkeit auf der Erde
Forscher positionieren Flugzeugmodelle, Sensoren oder Materialproben in der Messstrecke, um zu beobachten, wie sie sich in der Überschallströmung verhalten. So sammeln sie Daten, mit deren Hilfe Ingenieure das Design zukünftiger Flugzeuge und Raumfahrzeuge optimieren und damit deren Sicherheit, Effizienz und Nachhaltigkeit verbessern können. Für das Experiment wird das Ventil zum Speicherrohr geöffnet, wodurch eine Verdünnungswelle entsteht, die in das Speicherrohr hineinläuft und die Speicherluft in Richtung der Düse beschleunigt. Durch die Druckdifferenz zwischen dem Speicherrohr und dem Vakuumbehälter sowie dank der speziell geformten Überschalldüse stellt sich in der Messstrecke eine sogenannte Überschallströmung ein. Dieser Luftstrom erreicht bis zu siebenfache Schallgeschwindigkeit, also mehr als 8.600 km/h – das ist zwanzigmal schneller als ein Formel-1-Auto!
Das Geheimnis hinter der Überschallströmung: Vakuum
: Vakuumpumpen der Busch Group sind der Schlüssel zur Beschleunigung, aber auch zur Verlangsamung, der hohen Durchflussgeschwindigkeit. Sie erzeugen im Vakuumbehälter am Ende der Messstrecke die erforderlichen Vakuumbedingungen, um wirksam den benötigten Differenzdruck zu erzeugen. Ohne die Vakuumpumpe wäre ein wesentlich höherer technischer Aufwand erforderlich, um das erforderliche Druckverhältnis zu erzielen. Die Luft aus dem Speicherrohr wird während des Versuchs im Vakuumbehälter aufgefangen und anschließend als normale Umgebungsluft abgeführt.
Hyperschallgeschwindigkeit auf der Erde
Forscher positionieren Flugzeugmodelle, Sensoren oder Materialproben in der Messstrecke, um zu beobachten, wie sie sich in der Überschallströmung verhalten. So sammeln sie Daten, mit deren Hilfe Ingenieure das Design zukünftiger Flugzeuge und Raumfahrzeuge optimieren und damit deren Sicherheit, Effizienz und Nachhaltigkeit verbessern können. Für das Experiment wird das Ventil zum Speicherrohr geöffnet, wodurch eine Verdünnungswelle entsteht, die in das Speicherrohr hineinläuft und die Speicherluft in Richtung der Düse beschleunigt. Durch die Druckdifferenz zwischen dem Speicherrohr und dem Vakuumbehälter sowie dank der speziell geformten Überschalldüse stellt sich in der Messstrecke eine sogenannte Überschallströmung ein. Dieser Luftstrom erreicht bis zu siebenfache Schallgeschwindigkeit, also mehr als 8.600 km/h – das ist zwanzigmal schneller als ein Formel-1-Auto!
Das Geheimnis hinter der Überschallströmung: Vakuum
: Vakuumpumpen der Busch Group sind der Schlüssel zur Beschleunigung, aber auch zur Verlangsamung, der hohen Durchflussgeschwindigkeit. Sie erzeugen im Vakuumbehälter am Ende der Messstrecke die erforderlichen Vakuumbedingungen, um wirksam den benötigten Differenzdruck zu erzeugen. Ohne die Vakuumpumpe wäre ein wesentlich höherer technischer Aufwand erforderlich, um das erforderliche Druckverhältnis zu erzielen. Die Luft aus dem Speicherrohr wird während des Versuchs im Vakuumbehälter aufgefangen und anschließend als normale Umgebungsluft abgeführt.
Weiterlesen – Warum sich Raumfahrzeuge beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre aufheizen
Wenn ein Raumfahrzeug aus einer niedrigen Erdumlaufbahn wieder in die Atmosphäre eintritt, bewegt es sich mit rund 28.160 km/h, also etwa 25-facher Schallgeschwindigkeit. Dabei ist es Temperaturen ausgesetzt, die höher sind als die geschmolzener Lava – und manchmal über 1.600 °C liegen. Grund dafür ist ein Prozess namens Kompressionserwärmung.
Bei solch hohen Geschwindigkeiten haben die Luftmoleküle direkt vor dem Raumfahrzeug keine Zeit, es zu umströmen, da sie sich nicht schneller als mit Schallgeschwindigkeit (1.235 km/h) bewegen können. Stattdessen werden die Luftmoleküle zu einer Schockwelle verdichtet, wodurch ein Bereich mit hoher Temperatur und hohem Druck entsteht, der die Oberfläche des Raumfahrzeugs erhitzt. Daher sind Raketen und Kapseln mit Hitzeschilden ausgestattet, die so konstruiert sind, dass sie diese Energie sicher absorbieren und ableiten. Ohne sie wäre ein Wiedereintritt in die Atmosphäre unmöglich, da das Metall, aus dem die Rakete besteht, schmelzen würde. Bei der Entwicklung neuer Raumfahrzeuge müssen diese Effekte unbedingt berücksichtigt werden. Die gleichen Windkanäle, die zur Prüfung von Überschallflugzeugen verwendet wurden, helfen Wissenschaftlern auch bei der Simulation von Wiedereintrittsbedingungen, um sicherzustellen, dass künftige Raumfahrzeuge sicher zur Erde zurückkehren können.
Wenn ein Raumfahrzeug aus einer niedrigen Erdumlaufbahn wieder in die Atmosphäre eintritt, bewegt es sich mit rund 28.160 km/h, also etwa 25-facher Schallgeschwindigkeit. Dabei ist es Temperaturen ausgesetzt, die höher sind als die geschmolzener Lava – und manchmal über 1.600 °C liegen. Grund dafür ist ein Prozess namens Kompressionserwärmung.
Bei solch hohen Geschwindigkeiten haben die Luftmoleküle direkt vor dem Raumfahrzeug keine Zeit, es zu umströmen, da sie sich nicht schneller als mit Schallgeschwindigkeit (1.235 km/h) bewegen können. Stattdessen werden die Luftmoleküle zu einer Schockwelle verdichtet, wodurch ein Bereich mit hoher Temperatur und hohem Druck entsteht, der die Oberfläche des Raumfahrzeugs erhitzt. Daher sind Raketen und Kapseln mit Hitzeschilden ausgestattet, die so konstruiert sind, dass sie diese Energie sicher absorbieren und ableiten. Ohne sie wäre ein Wiedereintritt in die Atmosphäre unmöglich, da das Metall, aus dem die Rakete besteht, schmelzen würde. Bei der Entwicklung neuer Raumfahrzeuge müssen diese Effekte unbedingt berücksichtigt werden. Die gleichen Windkanäle, die zur Prüfung von Überschallflugzeugen verwendet wurden, helfen Wissenschaftlern auch bei der Simulation von Wiedereintrittsbedingungen, um sicherzustellen, dass künftige Raumfahrzeuge sicher zur Erde zurückkehren können.