Vom Windkanal ins Weltall

Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Göttingen forschen Wissenschaftler im größten und leistungsstärksten Rohrwindkanal Europas. Mit Untersuchungen zu den Phänomenen der kompressiblen Strömungsmechanik wollen sie die Luft- und Raumfahrt von morgen sicherer und effizienter machen.

Zwei über 80 m lange Speicherrohre verlaufen über eine Freifläche neben dem Gebäude und führen von dort durch die massive Außenwand nach innen: Schon beim Betreten des Geländes rund um das Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Göttingen wird die Dimension der Forschungsanlage deutlich.

Im Innenbereich steht ein riesiger Vakuumkessel mit einem Volumen von 50 m³, der mit den Rohren verbunden ist. Dort werden die strömungsmechanischen Phänomene erforscht, die maßgeblich für eine adäquate Vorhersage der Leistungsfähigkeit von Überschallfluggeräten verantwortlich sind. Wie können die Luft- und Raumfahrzeuge von morgen umweltverträglicher, sicherer und effizienter werden? Und wie kann man das Fliegen mit Überschallgeschwindigkeit möglichst präzise am Rechner simulieren, um die neuen Konfigurationen bereits im Entwurfsprozess zu bewerten? Zu diesen und vielen anderen Fragen möchten die Wissenschaftler mit dem Rohrwindkanal Antworten liefern. Wichtiger Bestandteil dieser Forschungsprojekte ist Vakuumtechnik von Busch, wie das Unternehmen mit Sitz in Maulburg berichtet.
Der Startschuss für die Großforschungsanlage fiel in den 1950er-Jahren. Der Göttinger Physiker und Strömungsforscher Prof. Hubert Ludwieg entwickelte ein damals revolutionäres Antriebssystem für intermittierend arbeitende Hochgeschwindigkeitswindkanäle, Erstmals ermöglichte es Untersuchungen mit Überschall- und Hyperschallströmungen. Er selbst nannte dieses Prinzip Rohrwindkanal – bis heute ist es in aller Welt auch als „Ludwieg-Tube“ bekannt. 1968 ging dann mit dem Rohrwindkanal Göttingen (RWG) die weltweit erste dieser aerodynamischen Großforschungsanlagen in Betrieb und ist beim DLR bis heute im Einsatz.

Experimente in Überschallgeschwindigkeit

Das Funktionsprinzip des Rohrwindkanals nutzt die Wechselwirkung von Über- und Unterdruck: Die Speicherrohre dienen als Druckbehälter, in denen die Luft komprimiert wird. Zur Verhinderung von Luftkondensation in der Überschalldüse, die aufgrund starker Expansion und der damit verbundenen Abkühlung der Luft entsteht, müssen die Speicherrohre zur Simulation hoher Überschallgeschwindigkeiten zusätzlich beheizt werden.

Die Speicherrohre sind über einen Schnellschieber mit der Überschalldüse verbunden, an deren Ende sich die Messstrecke befindet. In dieser werden die Experimente durchgeführt. Am Ende der Messstrecke befindet sich wiederum der Vakuumkessel, an den die Vakuumpumpe angeschlossen ist. Mit einem Vakuumschieber zwischen der Messstrecke und dem Vakuumkessel wird nach Bedarf ein Zugang zur Messstrecke ermöglicht. Der Vakuumkessel wird mithilfe der Vakuumpumpe evakuiert. Im Einsatz ist hierfür eine Schrauben-Vakuumpumpe des Modells Cobra NX 0950 A Plus von Busch Vacuum Solutions. Sie erzeugt im Vakuumkessel einen Unterdruck von circa 10 bis 40 mbar, während in den Speicherrohren ein Überdruck von circa 2 bis 40 bar herrscht.

Für eine Versuch wird das Testmodell mithilfe einer verschiebbaren Modellhalterung in der Messstrecke platziert. Dabei handelt es sich zum Beispiel um Modelle von Fluggeräten, Sensoren oder Materialproben. Mit dem Öffnen des Schnellschiebers entsteht eine laufende Verdünnungswelle, die in das Speicherrohr hineinläuft und die Speicherluft in Richtung der Düse beschleunigt. Durch die Druckdifferenz zwischen dem Speicherrohr und dem Vakuumkessel sowie dank der speziell geformten Überschalldüse stellt sich in der Messstrecke des RWG eine so genannte Überschallströmung ein. Dabei können Geschwindigkeiten bis Mach 7 erreicht werden – das entspricht dem Siebenfachen der Schallgeschwindigkeit. Im RWG werden Messzeiten bis zu 350-400 ms realisiert. Das ist laut Mitteilung ein Spitzenwert für Windkanäle dieses Typs und bietet den Forschern ausreichend Zeit, die Strömung um die Testmodelle zu untersuchen. In dieser Zeitspanne können sie statistisch relevante Daten- oder Bildsequenzen aufnehmen, die eine zuverlässige Mittelung und Analyse der Daten ermöglichen.

Sauberes Vakuum für technischen Fortschritt

Das zuverlässige Vakuumsystem von Busch trägt wesentlich zum Erfolg der Experimente im RWG bei und fördert den technischen Fortschritt, wie es in der Mitteilung des Herstellers heißt. Die Ergebnisse der Grundlagenforschung stellt das DLR den Unternehmen der Luft- und Raumfahrtindustrie zur Verfügung, um Technik für aktuelle und zukünftige Missionen zu entwickeln sowie zu verfeinern. Die Göttinger Wissenschaftler arbeiten außerdem mit internationalen Organisationen wie der Nasa, Esa und den anderen Standorten des DLR bei globalen Forschungsprojekten zusammen. So wurde in der Vergangenheit im Rohrwindkanal Göttingen beispielsweise im Auftrag der Nasa und Esa ein Modell des Raumgleiters X-38 getestet, der als Crew Return Vehicle (CRV) dazu gedacht war, Astronauten der ISS bei einem Notfall zurück zur Erde zu bringen. Ein solcher Raumgleiter muss beim Eintritt in die Erdatmosphäre hoher Hitze und mechanischen Lasten standhalten. Diese Bedingungen konnten die Forschenden im Rohrwindkanal so weit wie möglich nachstellen.

„Trotz enormer Fortschritte in der numerischen Strömungsmechanik lassen sich viele Phänomene in turbulenten Strömungen immer noch nicht adäquat und präzise vorhersagen. In unseren Studien schaffen wir eine wichtige Validierungsdatenbasis, die zur Verbesserung existierender Modelle und zur Entwicklung neuer numerischer Berechnungsverfahren beiträgt. Darin sehen wir die eigentliche Aufgabe dieser Forschungsanlage“, sagt Schülein. Die Vakuumtechnik von Busch ist dabei ein wichtiger Bestandteil, heißt es abschließend.