De los túneles de viento al espacio: vacío para la investigación aeroespacial

En el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) de Göttingen, los científicos están explorando los fenómenos de la mecánica de caudal comprimible en el túnel de viento de tubo más grande y potente de Europa utilizando una bomba de vacío de tornillo COBRA de Busch Vacuum Solutions. El objetivo es hacer que la industria aeroespacial del mañana sea más segura y eficiente.

Dos tubos acumuladores de más de 80 metros de longitud atraviesan un espacio abierto junto al edificio y atraviesan la sólida pared exterior hacia el interior: las enormes dimensiones de la instalación de investigación quedan claras en cuanto se accede a las instalaciones del Instituto de Aerodinámica y Tecnología de Caudal del DLR de Göttingen. En el interior, se conecta a los tubos un depósito de vacío gigante con un volumen de 50 m³. Allí se llevan a cabo estudios detallados y fundamentales para investigar los fenómenos de la mecánica de fluidos que son esenciales para predecir adecuadamente el rendimiento de las aeronaves supersónicas. ¿Cómo pueden los vehículos aeroespaciales del futuro ser más respetuosos con el medio ambiente, más seguros y más eficientes? ¿Y cómo se puede utilizar una simulación por ordenador precisa del vuelo supersónico para evaluar nuevas configuraciones mientras aún está en el proceso de diseño? Los científicos buscan dar respuestas a estas y muchas otras preguntas con el túnel de viento tubular.

Estas instalaciones de investigación a gran escala se inauguraron en la década de 1950. El físico e investigador de caudales de Göttingen, el profesor Hubert Ludwieg, desarrolló un revolucionario sistema de accionamiento para el funcionamiento intermitente de túneles de viento de alta velocidad, que permitió realizar estudios con caudales supersónicos e hipersónicos. Llamó a este principio un túnel de viento tubular, que hasta la fecha también se conoce en todo el mundo como el “Tubo de Ludwieg.” En 1968, se puso en funcionamiento el túnel de viento tubular de Ludwieg, Göttingen (RWG), la primera de estas grandes plantas de investigación aerodinámica del mundo. Todavía se utiliza en la DLR.

Experimentos a velocidad supersónica
El principio de funcionamiento del túnel de viento tubular utiliza la interacción de presión y vacío, donde los tubos del acumulador sirven como depósitos de presión en los que se comprime el aire. Para evitar la condensación de aire en la boquilla ultrasónica, que se produce debido a la fuerte expansión y el enfriamiento asociado del aire, los tubos del acumulador deben calentarse para simular altas velocidades supersónicas.
Los tubos del acumulador están conectados a la boquilla de ultrasonidos a través de una válvula corredera de acción rápida. La sección de medición se encuentra al final. Aquí es donde se realizan los experimentos. Al final de la sección de medición se encuentra el depósito de vacío al que está conectada la bomba de vacío. Una válvula corredera de vacío entre la sección de medición y el depósito de vacío permite el acceso a la sección de medición según sea necesario. El depósito de vacío se evacua con la bomba de vacío. Para ello, se utiliza una bomba de vacío de tornillo COBRA NX de Busch Vacuum Solutions. Genera un vacío de aproximadamente 10 a 40 mbar en el depósito de vacío. En los tubos del acumulador hay una sobrepresión de aproximadamente 2 a 40 bar.

Para realizar una prueba, el modelo de prueba se coloca en la sección de medición mediante un soporte de modelo móvil. Los modelos de prueba incluyen modelos de aeronaves, sensores o muestras de materiales. La apertura de la válvula de deslizamiento rápido crea una onda de dilución que fluye hacia el tubo del acumulador y acelera el caudal de aire del acumulador hacia la boquilla. Debido a la presión diferencial entre el tubo del acumulador y el depósito de vacío, y gracias a la boquilla ultrasónica de forma especial, se crea un caudal ultrasónico en el tramo de medición RWG. Se pueden alcanzar velocidades de hasta Mach 7, lo que corresponde a siete veces la velocidad del sonido. En el RWG se realizan tiempos de medición de hasta 350-400 milisegundos. Este es un valor máximo para túneles de viento de este tipo y ofrece a los investigadores suficiente tiempo para estudiar el caudal alrededor de los modelos de prueba. Durante este periodo de tiempo, se pueden registrar datos o secuencias de imágenes estadísticamente relevantes para permitir un promedio y un análisis fiables de los datos.

Pruebas más eficientes gracias al vacío
La tecnología de vacío no solo es importante para acelerar, sino también para reducir la velocidad de caudal. El aire del tubo del acumulador se recoge en el depósito de vacío durante la prueba y luego se descarga al exterior como aire ambiente normal. El doctor Erich Schülein, jefe de grupo y supervisor científico de la RWG en el Instituto de Aerodinámica y Tecnología de Caudal, explica: «Gracias a la tecnología de vacío, podemos realizar las pruebas de forma mucho más eficiente. Sin ella, no solo tendríamos que aumentar significativamente la presión de sobrealimentación en el tubo del acumulador, sino también los requisitos de estabilidad de todo el sistema y la tecnología de prueba para lograr la relación de presión necesaria en la boquilla ultrasónica. El esfuerzo técnico necesario para ello sería enorme. La bomba de vacío lo hace por nosotros. La aplicación combinada de acumuladores de presión y de vacío facilita el cambio del nivel de presión y, por lo tanto, del número Reynolds del caudal».

El túnel de viento de tubo de Göttingen se utiliza desde 1968 junto con una antigua bomba de vacío de paletas rotativas. En 2021, llegó el momento de sustituirlo. Busch consiguió el contrato en una licitación. A continuación, los expertos de la empresa proporcionaron asistencia con su experiencia en la selección y el dimensionamiento del sistema para encontrar una solución adecuada. La COBRA NX seca se convirtió rápidamente en la solución.

Karsten Pfeiffer, director técnico de RWG, explica: «Para nosotros, es crucial que la bomba de vacío utilizada funcione de forma fiable, ya que el caudal generado en el túnel de viento tubular debe ser limpio. Las pruebas se suelen realizar varias veces y es importante que las condiciones sean reproducibles en todo momento, por lo que nada debe interferir con el caudal». El rendimiento de la COBRA también causó una impresión muy positiva. En comparación con la bomba de paletas rotativas anterior, la bomba de vacío de tornillo de Busch evacua el depósito de vacío el doble de rápido. En lugar de media hora, en tan solo 15 minutos se alcanza la presión de 50 mbar que se suele requerir en el depósito. Estos tiempos de funcionamiento más cortos tienen un efecto muy positivo en el consumo energético de la planta. Además, un variador de frecuencia adapta la velocidad de rotación de la bomba de vacío a las condiciones de presión requeridas.

Los empleados del instituto también están satisfechos con la nueva solución de vacío. Anteriormente, no podían utilizar las salas de trabajo directamente encima de la planta durante las pruebas debido al alto nivel sonoro y a las vibraciones generadas por la antigua bomba de vacío. Con la COBRA, esto ya no es un problema, ya que funciona de forma muy silenciosa y con pocas vibraciones. «No se oye nada más que un ligero zumbido», se ríe Pfeiffer. Otro gran beneficio es el funcionamiento libre de aceite. «En el pasado, tenía que realizar trabajos prácticos con regularidad y cambiar el aceite, y luego también cambiarme la ropa sucia. Esto ya no es necesario. El mantenimiento lo realiza un técnico de servicio de Busch en el marco de un contrato de mantenimiento. Lo único que tengo que hacer es encender el interruptor y la bomba empieza a funcionar», afirma Pfeiffer contento.

Vacío limpio para el progreso tecnológico
La fiable solución de vacío de Busch desempeña un papel clave en el éxito de los experimentos en RWG y ofrece soporte al progreso tecnológico. El DLR pone los resultados de su investigación básica a disposición de las empresas de la industria aeroespacial para desarrollar y perfeccionar tecnologías para misiones corrientes y futuras. Los científicos de Göttingen también trabajan en estrecha colaboración con organizaciones internacionales como la NASA, la ESA y los otros centros de DLR en proyectos de investigación globales. En el pasado, por ejemplo, se probó un modelo de la nave espacial X-38 para la NASA y la ESA en el túnel de viento tubular Ludwieg de Göttingen. Esta nave estaba diseñada como vehículo de retorno de la tripulación (CRV) para poder llevar a los astronautas de la EEI de vuelta a la Tierra en caso de emergencia. Este tipo de nave espacial debe soportar enormes cargas térmicas y mecánicas al entrar en la atmósfera de la Tierra. Estas condiciones se replicaron con la mayor precisión posible en el túnel de viento tubular.

«A pesar de los enormes avances en la mecánica de caudal numérica, aún no se pueden predecir de forma adecuada y precisa muchos fenómenos en caudales turbulentos. En nuestros estudios, creamos una importante base de datos de validación que ayuda a mejorar los modelos existentes y a desarrollar nuevos métodos de cálculo numérico. Consideramos que este es el objetivo real de esta instalación de investigación», afirma Schülein. La tecnología de vacío de Busch es una pieza importante en este sentido.