Fra vindtunneler til verdensrommet: Vakuum i luft- og romfartsforskning

Ved det tyske senteret for luft- og romfart (DLR) i Göttingen undersøker forskere fenomenet med komprimerbar strømningsmekanikk i Europas største og kraftigste vindrørtunnel ved hjelp av en COBRA skruevakuumpumpe fra Busch Vacuum Solutions. Målet er å gjøre morgendagens luftfart tryggere og mer effektiv.

To akkumulatorrør på mer enn 80 meter går over et åpent område ved siden av bygningen, gjennom den solide ytterveggen og til innsiden: De enorme dimensjonene på forskningsanlegget blir tydelige så snart du kommer inn på området rundt DLRs institutt for aerodynamikk og strømningsteknikk. På innsiden er en gigantisk vakuumbeholder med et volum på 50 m³ koblet til rørene. Detaljerte og grunnleggende studier utføres der for å undersøke de fluidmekaniske fenomenene som er avgjørende for å kunne forutsi ytelsen til supersoniske fly på en adekvat måte. Hvordan kan fremtidens luftfartøy bli mer miljøvennlige, tryggere og mer effektive? Og hvordan kan du bruke presis datasimulering av supersonisk flyvning til å evaluere nye konfigurasjoner mens du fortsatt er i designprosessen? Forskerne ønsker å gi svar på disse og mange andre spørsmål ved hjelp av vindrørtunnelen.

Det store forskningsanlegget ble åpnet på 1950-tallet. Den Göttingen-baserte fysikeren og strømningsforskeren prof. Hubert Ludwieg utviklet et revolusjonerende drivsystem for høyhastighets vindtunneler med intermitterende drift, noe som gjorde det mulig å utføre studier på supersoniske og hypersoniske strømninger. Han kalte dette prinsippet en vindrørtunnel – som den dag i dag også er kjent over hele verden som «Ludwieg-røret». I 1968 ble Ludwieg-vindrørtunnelen i Göttingen (RWG) satt i drift som det første av verdens store anlegg for aerodynamisk forskning. Den er fortsatt i bruk hos DLR.

Eksperimenter i supersonisk hastighet
Driftsprinsippet til vindrørtunnelen er basert på samspillet mellom trykk og vakuum, hvor akkumulatorrørene fungerer som trykkbeholdere der luften komprimeres. For å forhindre luftkondens i den ultrasoniske dysen som oppstår på grunn av den kraftige ekspansjonen og tilknyttede avkjøling av luften, må akkumulatorrørene varmes opp for å simulere høye supersoniske hastigheter.
Akkumulatorrørene er koblet til den ultrasoniske dysen via en hurtigvirkende sleideventil. Måleseksjonen er plassert i enden. Det er her eksperimentene utføres. I enden av måleseksjonen er vakuumbeholderen som vakuumpumpen er koblet til. En vakuumsleideventil mellom måleseksjonen og vakuumbeholderen gir tilgang til måleseksjonen etter behov. Vakuumbeholderen tømmes ved hjelp av vakuumpumpen. En COBRA NX skruevakuumpumpe fra Busch Vacuum Solutions brukes til dette. Den genererer et vakuum på ca. 10 til 40 mbar i vakuumbeholderen. Det er et overtrykk på ca. 2 til 40 bar i akkumulatorrørene.

For å utføre en test plasseres testmodellen i måleseksjonen ved hjelp av en bevegelig modellholder. Testmodeller inkluderer flymodeller, sensorer eller materialprøver. Åpning av sleide-hurtigventilen skaper en uttynningsbølge som strømmer inn i akkumulatorrøret og akselererer akkumulatorluften mot dysen. På grunn av trykkforskjellen mellom akkumulatorrøret og vakuumbeholderen og takket være den spesialformede ultrasoniske dysen, dannes en ultrasonisk strømning i RWG-måleseksjonen. Hastigheter på opptil Mach 7 kan oppnås – tilsvarende syv ganger lydens hastighet. Måletider på opptil 350–400 millisekunder realiseres i RWG. Dette er en toppverdi for vindtunneler av denne typen, og gir forskerne nok tid til å studere strømningen rundt testmodellene. I løpet av dette tidsrommet kan statistisk relevante data eller bildesekvenser registreres for å muliggjøre pålitelig gjennomsnittsberegning og analyse av data.

Mer effektiv testing takket være vakuum
Vakuumteknologi er viktig ikke bare for akselerasjon, men også for å redusere den høye strømningshastigheten. Luften fra akkumulatorrøret samles i vakuumbeholderen under testen og slippes deretter ut som vanlig omgivelsesluft. Dr. Erich Schülein, gruppeleder og vitenskapelig veileder for RWG ved Institutt for aerodynamikk og strømningsteknikk, forklarer: «Takket være vakuumteknologi kan vi gjennomføre testene mye mer effektivt. Uten den ville vi ikke bare måtte øke ladetrykket i akkumulatorrøret, men også kravene til stabiliteten for hele systemet og testteknologien for å oppnå det nødvendige trykkforholdet i den ultrasoniske dysen. Den tekniske innsatsen som kreves til dette, ville være enorm. Vakuumpumpen gjør arbeidet for oss. Det kombinerte bruksområdet for trykk- og vakuumakkumulatorer gjør det enkelt å endre trykknivået og dermed Reynoldstallet for strømningen».

Vindrørtunnelen i Göttingen har vært i bruk siden 1968 sammen med en gammel lamellvakuumpumpe. I 2021 var det på høy tid å skifte den ut. Busch vant kontrakten som en del av et anbud. Selskapets eksperter bisto deretter med sin ekspertise i valg og dimensjonering av systemet for å finne en egnet løsning. Det ble raskt funnet en løsning med den tørre COBRA NX.

Karsten Pfeiffer, teknisk sjef for RWG, forklarer: «For oss er det avgjørende at vakuumpumpen som brukes fungerer pålitelig, fordi strømningen som genereres i vindrørtunnelen må være ren. Testene utføres ofte flere ganger, og det er viktig at forholdene til enhver tid er reproduserbare – derfor skal ingenting forstyrre strømningen». Ytelsen til COBRA gjorde også et svært positivt inntrykk. Sammenlignet med den tidligere lamellvakuumpumpen, tømmer Busch-skruevakuumpumpen vakuumbeholderen dobbelt så raskt. Det vanligste trykket på 50 mbar i beholderen nås nå etter bare 15 minutter i stedet for en halv time. Disse kortere driftstidene har en svært positiv effekt på anleggets energiforbruk. I tillegg tilpasser en frekvensomformer vakuumpumpens rotasjonshastighet til de nødvendige trykkforholdene.

Instituttets ansatte er også fornøyde med den nye vakuumløsningen. Tidligere kunne de ikke bruke arbeidsrommene rett over anlegget under testene på grunn av det høye støynivået og vibrasjonene som ble generert av den gamle vakuumpumpen. Med COBRA er dette ikke lenger et problem, siden den er svært stillegående og har lave vibrasjoner. «Du kan ikke høre mer enn en liten summelyd», ler Pfeiffer. En annen stor fordel er oljefri drift. «Tidligere måtte jeg utføre fysisk arbeid regelmessig og skifte olje – og deretter også skifte de skitne klærne mine. Dette er ikke lenger nødvendig. Vedlikehold utføres av en servicetekniker fra Busch som del av en vedlikeholdskontrakt. Det eneste jeg trenger å gjøre er å slå på pumpen, så setter den i gang», sier Pfeiffer fornøyd. Fremfor alt er Busch sin nærhet til kundene en viktig fordel.

Rent vakuum for teknologisk fremgang
Den pålitelige vakuumløsningen fra Busch spiller en nøkkelrolle i suksessen til eksperimentene i RWG og støtter den teknologiske utviklingen. DLR gjør resultatene av grunnforskningen sin tilgjengelig for selskaper i luftfartsindustrien for å utvikle og raffinere teknologier for nåværende og fremtidige oppdrag. De Göttingen-baserte forskerne samarbeider også tett med internasjonale organisasjoner som NASA, ESA og de andre DLR-anleggene om globale forskningsprosjekter. Tidligere ble for eksempel en modell av romfartøyet X-38 testet i Ludwieg-vindrørtunnelen i Göttingen på vegne av NASA og ESA. Dette fartøyet var ment som et mannskapsreturfartøy (CRV) for å kunne bringe ISS-astronauter tilbake til jorden i en nødsituasjon. Denne typen romfartøy må tåle enorm varme og mekanisk belastning når de kommer inn i jordens atmosfære. Disse forholdene ble reprodusert så nøyaktig som mulig i vindrørtunnelen.

«Til tross for enorme fremskritt innen numerisk strømningsmekanikk, kan mange hvirvelstrømningsfenomener fortsatt ikke forutses tilstrekkelig og nøyaktig. I våre studier skaper vi en viktig valideringsdatabase som bidrar til å forbedre eksisterende modeller og utvikle nye numeriske beregningsmetoder. Dette ser vi som det egentlige formålet med dette forskningsanlegget», sier Schülein. Vakuumteknologi fra Busch er en viktig del av dette.