Hyperschall-Windkanal
Ein Hyperschall-Windkanal ist eine Versuchseinrichtung, in der sich Strömungen mit Hyperschallgeschwindigkeit erzeugen lassen - mit ausgeprägten Grenzschichteinflüßen, stark verlustbehafteten Zonen und hohen Gesamttemperaturen. Die erreichbaren Geschwindigkeiten liegen im Bereich zwischen Mach 5 und 15. Die erforderliche Antriebsleistung eines Windkanals vergrößert sich mit dem Querschnitt, der Dichte und der dritten Potenz der Testgeschwindigkeit. Daher benötigen geschlossene, kontinuierlich betreibbare Windkanäle erhebliche Investitionen.
Technologische Entwicklung
Die erste entsprechend konzipierte Mach 7-10-Windkanalanlage mit 1x1 m-Versuchsstrecke und 57 MW hydraulischer Antriebsleistung war im 2. Weltkrieg in Kochel am See geplant. Sie wurde als 'Tunnel A' Ende der 1950er Jahre am Arnold Engineering Development Complex (AEDC) in Tullahoma, Tennessee, USA in Betrieb genommen.[1] Als Alternative zu diesen aufwändigen Großanlagen sind sogenannte Blow-down-Windkanäle für eine kurzzeitige Simulation von Hyperschallströmungen in Gebrauch. Hyperschall-Windkanäle besitzen als Hauptkomponenten Strömungs-Erhitzer und -Kühler, eine Lufttrocknungsanlage, eine konvergent/divergente Düse vor der eigentlichen Teststrecke mit nachfolgender zweiter Engstelle und anschließendem Diffusor. Während der Strömungskanal eines offenen, intermittierend betriebenen Blow-down-Kanals durch ein großes Vakuumreservoir abgeschlossen wird, ist das Kennzeichen geschlossener Hyperschall-Windkanäle stattdessen eine umfangreiche Hochleistungs-Verdichteranlage. Zum 'Starten' der Hyperschall-Windkanalanlage werden hohe Gesamtdruckverhältnisse benötigt, bis die Verdichtungs-Stoßkonfiguration in den Bereich nach der zweiten Engstelle geschoben ist. Hyperschall-Windkanäle arbeiten zum Teil in Abhängigkeit von der Simulationshöhe mit sehr hohen Drücken, und durch den starken Temperaturabfall der Strömung bei der Expansion in der Düse ist auch eine Vorwärmung des Gases notwendig, um eine Verflüssigung zu vermeiden. Durch die hohen Temperaturen ist die Materialbelastung kritisch, so dass eine Kühlung der Düse notwendig werden kann.
Technologische Probleme
Folgende Punkte sind bei der Auslegung eines Hyperschall-Windkanals entscheidend:
- Versorgung mit Gas von hoher Temperatur und Druck für die notwendige Versuchsdauer eines Blow-down-Kanals
- Genauigkeit der Ausgangsbedingungen und damit Reproduzierbarkeit der Messungen
- Versagen der Struktur durch Überhitzung
- Ausreichend schnelle Messdatenerfassung und Instrumentierung
- Energieversorgung
Beispiel: Die Erzeugung einer Strömung, die 5,5 km/s in 45 km Höhe entspricht, würde Temperaturen von etwa 9000 K und einen Druck von 3 MPa (30 bar) benötigen.
Siehe auch
Weblinks
- Mach14 Free Piston Hypersonic Wind Tunnel Longshot am Von Karman Institut für Strömungsmechanik
- Windkanalanlagen der Abteilung Windkanäle des DLR