Från vindtunnlar till rymden: Vakuum för flyg- rymdforskning

På German Aerospace Center (DLR) i Göttingen undersöker forskare fenomenet med kompressibel strömning i Europas största och mest kraftfulla rörvindtunnel med hjälp av en COBRA skruvvakuumpump från Busch Vacuum Solutions. Målet är att göra morgondagens flygindustri säkrare och effektivare.

Två över 80 meter långa ackumulatorrör löper över en öppen yta bredvid byggnaden och går in genom den massiva ytterväggen: När man beträder området runt DLR i Göttingens institut för aerodynamik och strömningsteknologi blir forskningsanläggningens enorma dimensioner tydliga. På insidan finns ett gigantiskt vakuumkärl med en volym på 50 m³ som anslutet till rören. Där utförs detaljerade och grundläggande studier för att undersöka de strömningsfenomen som är nödvändiga för att på ett korrekt sätt kunna förutsäga prestandan hos supersoniska flygplan. Hur kan morgondagens flygplan bli mer miljövänliga, säkrare och effektivare? Och hur kan man använda exakt datorsimulering av överljudsflygning för att utvärdera nya konfigurationer medan man fortfarande befinner sig i designprocessen? Dessa och många andra frågor vill forskarna få svar på med hjälp av rörvindtunneln.


Den stora forskningsanläggningen öppnades på 1950-talet. Den Göttingenbaserade fysikern och strömningsforskaren prof. Hubert Ludwieg utvecklade ett revolutionerande drivsystem för periodisk drift av höghastighetsvindtunnlar, vilket gjorde det möjligt att utföra studier med supersoniska och hypersoniska flöden. Han kallade denna princip för en rörvindtunnel – som än idag är känd över hela världen som ett "Ludwieg-rör." 1968 togs Ludwiegs rörvindtunnel i Göttingen (RWG) i drift som den första storskaliga anläggningen för aerodynamisk forskning. Den används fortfarande på DLR.

Experiment i överljudshastighet
Rörvindtunnelns driftsprincip utnyttjar samspelet mellan tryck och vakuum, där ackumulatorrören fungerar som tryckkärl där luften komprimeras. För att förhindra luftkondens i ultraljudsmunstycket, som uppstår på grund av den kraftiga expansionen och tillhörande kylning av luften, måste ackumulatorrören värmas upp för att simulera höga supersoniska hastigheter.
Ackumulatorrören är anslutna till ultraljudsmunstycket via en snabbverkande skjutventil. Mätsektionen finns i slutet. Det är här experimenten utförs. I slutet av mätsektionen finns vakuumkärlet som vakuumpumpen är ansluten till. En vakuumslidventil mellan mätsektionen och vakuumkärlet möjliggör åtkomst till mätsektionen vid behov. Vakuumkärlet evakueras med hjälp av vakuumpumpen. För detta används en COBRA NX skruvvakuumpump från Busch Vacuum Solutions. Den genererar ett vakuum på cirka 10 till 40 mbar i vakuumkärlet. I ackumulatorrören finns ett övertryck på cirka 2 till 40 bar.

För att utföra ett test placeras testmodellen i mätsektionen med hjälp av en rörlig modellhållare. Testmodeller inkluderar flygplansmodeller, sensorer eller materialprover. När snabbslidventilen öppnas skapas en spädningsvåg som flödar in i ackumulatorröret och accelererar ackumulatorluften mot munstycket. På grund av differenstrycket mellan ackumulatorröret och vakuumkärlet och tack vare det specialformade ultraljudsmunstycket skapas ett ultraljudsflöde i RWG-mätsektionen. Hastigheter på upp till Mach 7 kan uppnås – vilket motsvarar sju gånger ljudets hastighet. I RWG realiseras mätningar på upp till 350-400 millisekunder. Detta är ett toppvärde för vindtunnlar av den här typen och ger forskarna tillräckligt med tid att studera flödet runt testmodellerna. Under denna tidsperiod kan statistiskt relevanta data eller bildsekvenser registreras för att möjliggöra pålitlig datamedelvärdesberäkning och analys.

Effektivare testning tack vare vakuum
Vakuumtekniken är inte bara viktig för att accelerera, utan även för att sakta ned den höga flödeshastigheten. Luften från ackumulatorröret samlas i vakuumkärlet under test och släpps sedan ut utomhus som normal omgivningsluft. Dr Erich Schülein, gruppledare och vetenskaplig chef för RWG vid Institute of Aerodynamics and Flow Technology (institutet för aerodynamik och flödesteknik), förklarar: "Tack vare vakuumteknik kan vi utföra tester mycket effektivare. Utan den skulle vi inte bara behöva öka laddtrycket i ackumulatorröret avsevärt, utan även kraven på stabiliteten i hela systemet och test-teknologin för att uppnå det nödvändiga tryckförhållandet i ultraljudsmunstycket. Det tekniska arbetet för att uppnå detta skulle vara enormt. Vakuumpumpen tar hand om detta för oss. Den kombinerade tillämpningen av tryck- och vakuumackumulatorer gör det enkelt att ändra trycknivån och därmed flödets Reynoldstal.”

Rörvindtunneln i Göttingen har varit i drift sedan 1968 tillsammans med en gammal lamellvakuumpump. 2021 var det hög tid att byta ut den. Busch vann avtalet som en del av en upphandling. Företagets experter bidrog sedan med sin expertis vid val och dimensionering av systemet för att hitta en lämplig lösning. En lösning hittades snabbt med den torrgående COBRA NX.

Karsten Pfeiffer, teknisk chef på RWG, förklarar: ”För oss är det avgörande att vakuumpumpen fungerar tillförlitligt eftersom flödet som genereras i rörvindtunneln måste vara rent. Testerna utförs ofta flera gånger och det är viktigt att förhållandena alltid är reproducerbara – därför får inget påverka flödet.” Prestandan hos COBRA gjorde också ett mycket positivt intryck. Jämfört med den tidigare lamellvakuumpumpen evakuerar Busch skruvvakuumpump vakuumkärlet dubbelt så snabbt. Det tryck som oftast behövs på 50 mbar i kärlet uppnås nu efter bara 15 minuter istället för en halvtimme. Dessa kortare drifttider har en mycket positiv effekt på anläggningens energiförbrukning. Dessutom anpassar en frekvensomvandlare vakuumpumpens varvtal till de nödvändiga trycktillstånden.

Även institutets medarbetare är nöjda med den nya vakuumlösningen. Tidigare kunde de inte använda arbetsrummen direkt ovanför anläggningen under testerna på grund av den höga ljudnivån och vibrationerna som genererades av den gamla vakuumpumpen. Med COBRA är detta inte längre något problem, eftersom den arbetar mycket tyst och med låga vibrationer. ”Man hör inget annat än ett litet surr”, skrattar Pfeiffer. En annan stor fördel är oljefri drift. ”Tidigare behövde jag utföra praktiskt arbete regelbundet och byta olja – och sedan även byta mina smutsiga kläder. Detta är inte längre nödvändigt. Underhåll utförs av en servicetekniker från Busch som en del av ett underhållsavtal. Allt jag behöver göra är att starta pumpen också startar den”, säger Pfeiffer glatt.



Rent vakuum för tekniska framsteg
Den pålitliga vakuumlösningen från Busch spelar en viktig roll för att experimenten i RWG ska lyckas och stödjer den tekniska utvecklingen. DLR gör resultaten av sin grundläggande forskning tillgängliga för företag inom rymd- flygindustrin för att utveckla och förfina teknologier för nuvarande och framtida uppdrag. Forskarna i Göttingen har också ett nära samarbete med internationella organisationer som NASA, ESA och de andra DLR-anläggningarna i globala forskningsprojekt. Tidigare har till exempel en modell av rymdfarkosten X-38 testats på uppdrag av NASA och ESA i Göttingens rörvindtunnel. Den här farkosten avsedd att användas som returfordon (CRV) för att kunna föra tillbaka ISS-astronauter till jorden vid en nödsituation. Den här typen av rymdfarkoster måste tåla enorm värme och mekanisk belastning när de kommer in i jordens atmosfär. Dessa förhållanden replikerades så exakt som möjligt i rörvindtunneln.

”Trots enorma framsteg inom numerisk flödesmekanik kan många fenomen i turbulenta strömningar fortfarande inte förutsägas på ett adekvat och korrekt sätt. I våra studier skapar vi en viktig valideringsdatabas som hjälper till att förbättra befintliga modeller och utveckla nya numeriska beräkningsmetoder. Det ser vi som själva syftet med den här forskningsanläggningen”, säger Schülein. Vakuumteknik från Busch är en viktig del av detta.