Hyperschall-Windkanäle erklärt

Worte von Eric Tegler

Als das Jahr 2021 zu Ende ging, lösten Berichte, dass China bald einen fortschrittlichen Hyperschall-Windkanal vorstellen würde, der mit Mach 30 fliegende Objekte simulieren könne, sowohl im Westen Besorgnis aus als auch die Behauptung von Experten, dass ein solcher Tunnel wirklich nicht in Sicht sei.

Selbst wenn Chinas gemunkelter JF-22-Tunnel mit 15 GW-Antrieb real ist, kann er einfach nicht das Entwicklungsspektrum abdecken, das im Wettlauf um den Einsatz von Hyperschallwaffen und Hyperschallflugzeugen erforderlich ist. Joseph Jewell, Professor für Luft- und Raumfahrt an der Purdue University, sagt: „Keine einzige Einrichtung am Boden kann alle Aspekte des atmosphärischen Hyperschallflugs reproduzieren.“

Die Purdue University verfügt über eine langjährige Abteilung für Hyperschallforschung und eine neue Hyperschall- und angewandte Forschungseinrichtung (HARF), die sich auf ihrem Campus in West Lafayette, Indiana, im Bau befindet. Sie sind ein Sinnbild für den Vorstoß, insbesondere in den USA, bestehende und neu entstehende chinesische und russische Hyperschallwaffen abzuschrecken, indem bis Mitte der 2020er Jahre Hunderte von Hyperschallwaffen verschiedener Typen gegenentwickelt und eingesetzt werden.

Bereits im April bestätigte Mark Lewis, Direktor für Forschung und Technik für Modernisierung im US-Verteidigungsministerium, Hyperschall als eine der obersten Prioritäten des Pentagons. Die Entwicklungspläne reichen von raketengetriebenen Boost-Glide-Raketen der Stärke Mach 10 bis hin zu luftatmenden Marschflugkörpern der Stärke Mach 5 auf dem Tisch.

Angesichts der Dringlichkeit der Hyperschallforschung besteht Bedarf an Test- und Entwicklungseinrichtungen, insbesondere an fortschrittlichen Hyperschall-Windkanälen. Sie sind der Schlüssel zum Verständnis, wie Projektile so konfiguriert werden, dass sie den beispiellosen Temperaturen und Luftströmen um Hyperschallfahrzeuge während des Fluges standhalten. Der Schwellenwert für die sogenannte Hyperschallgeschwindigkeit liegt allgemein bei etwa Mach 5, und große Hyperschall-Windkanäle sind selten. Die meisten bestehenden Anlagen in den USA wurden in den 1950er bis 1970er Jahren entworfen und gebaut, als Amerika stark in die Raketenentwicklung und das Weltraumprogramm investierte. Die Tunnel können Hyperschallströme erzeugen, die kalt, stark störend, klein und relativ kurz sind.

Diese Tunnel eignen sich zwar gut für die Grundlagenforschung und einen kompartimentierten Ansatz zur Lösung von Hyperschallflugproblemen, sie können jedoch nicht gleichzeitig heiße, störungsarme und langwierige Strömungen im großen Maßstab erzeugen. Experten sagen, dass nichts außer tatsächlichen Flugtests möglich ist.

Es gibt jedoch eine kleine und wachsende Gruppe von US-amerikanischen Anlagen, die die oben genannten Qualitäten einzeln oder in mehreren Stücken herstellen können. Diese fortschrittlichen Hyperschall-Windkanäle und ihre traditionelleren Vorgänger sind wichtige Teile der nationalen Infrastruktur in den USA und Europa.

Studenten arbeiten im Sommer mit dem leisen Windkanal Mach 6 von Purdue. Ein fortschrittlicherer, leiser Mach-8-Windkanal wird Teil des neuen Hyperschall-Forschungsgebäudes sein, das in Purdue errichtet werden soll. (Purdue University/John Underwood)

Es gibt fünf gängige Arten von Hyperschall-Windkanälen. Ruhige Tunnel sind vielleicht die gefragteste Art. Leise Tunnel werden so genannt, weil sie in der Lage sind, Luft mit Überschallgeschwindigkeit ohne die Turbulenzen zu strömen, die durch die Grenzschicht entstehen, die sich bei solchen Geschwindigkeiten entwickelt. Das Langley Research Center der NASA entwickelte in den 1980er Jahren die ersten leisen Windkanäle für die Überschall- und Hyperschallforschung. Sie befassen sich mit einer der größten Herausforderungen in der Hyperschallströmungsforschung – der genauen Vorhersage des Übergangs.

Beim Übergang entsteht ein glatter oder laminarer Luftstrom über eine Oberfläche, der mit zunehmender Luftstromgeschwindigkeit gestört oder turbulent wird. Ein solcher Übergang erzeugt einen erheblichen Anstieg des viskosen Widerstands und des Wärmeflusses, was zu erheblichen Einschränkungen der Leistung und des Wärmeschutzes von Hyperschallfahrzeugen führt. Purdue baute einen der ersten nicht von der NASA stammenden leisen Tunnel, den Boeing / AFOSR Mach-6 Quiet Tunnel Ende der 1990er Jahre. Der Tunnel basiert auf einem Ludwieg-Röhrendesign – einem langen zylindrischen Rohr, das einem großen Lufttank und einer konvergent-divergenten Düse nachgeschaltet ist, die durch eine Membran oder ein Ventil gesteuert wird – und erstmals in den 1950er Jahren entwickelt wurde.

Das Innere der Hyperschalltestanlage an der Plum Brook Station der NASA (Bild: NASA)

Ein ruhiger Tunnel saugt turbulente Luft durch einen Entlüftungsschlitz im Tunnel ab oder saugt sie an. Dies erzeugt einen gleichmäßigeren, leiseren Luftstrom stromabwärts, wo er über einen Testgegenstand wie einen Einlass, einen Flügel oder einen Rumpf strömt. Nicht-leise Tunnel wie der Hyperschall-Windkanal Mach 6-plus HTFD an der Technischen Universität Delft in den Niederlanden, der auch ein Ludwieg ist Die Rohrkonstruktion erzeugt durch ihre Strömungsdüsen eine Luftströmungsstörung von 2 % oder mehr. Dies bedeutet im Endeffekt, dass die Testobjekte praktisch durch einen Luftstrom mit unerwünschten Geräuschen fliegen, was es schwierig macht, verschiedene Messungen vom Hintergrund zu isolieren.

„Unsere Superkraft“, sagt Jewell, „besteht darin, dass wir durch sehr sorgfältige Planung des Tunnels und jahrzehntelange Arbeit Hyperschallströmungen erzeugen können, die eine Strömungsstörung von etwa 0,02 % aufweisen, im Grunde genommen 100-mal kleiner.“ Es ist viel repräsentativer für die Bedingungen, die ein echtes Fluggerät in der Atmosphäre sieht.“ Purdues Mach-6-Tunnel ist immer noch der größte leise Hyperschall-Windkanal der Welt mit einer mäßig langen Strömungszeit von etwa zwei Sekunden. Eine längere Fließzeit bietet Ingenieuren mehr Möglichkeiten zum Messen und Beobachten. Jewell weist darauf hin, dass „wenn sich der Luftstrom mit 1000 Metern pro Sekunde bewegt, ein Testobjekt in zwei Sekunden zwei Kilometer im Windkanal geflogen ist“.

Der stille Tunnel wurde regelmäßig für grundlegende physikalische Untersuchungen und die Entwicklung von Hyperschallmodellen genutzt, wobei Testobjekte, darunter Kegel und Gegenstände mit unterschiedlicher Geometrie, die oft für Raketenformen repräsentativ sind, in seinem Testabschnitt mit einem Durchmesser von zwei Fuß (0,60 m) platziert wurden. In jüngerer Zeit wurden Objekte mit fiktiven Steuerflächen wie Keilen untersucht.

Laut Jewell haben Purdue-Forscher Vorrichtungen wie Reaktionskontrolldüsen untersucht, die in der Lage sind, ein Fahrzeug in die Richtung zu lenken. Zwei aktuelle, vom Air Force Research Laboratory finanzierte Projekte befassen sich mit der Luftströmungsinstabilität, die sich an Ansauglippen bildet.

Dem leisen Mach-6-Tunnel werden in Kürze zwei weitere in der neuen 41 Millionen US-Dollar teuren, 65.000 Fuß2 großen HARF-Anlage in Purdue hinzugefügt. Es wird die einzige Mach-8-Hyperschall-Ruhetunnelanlage der Welt beherbergen, die ebenfalls eine Ludwieg-Röhrenkonfiguration aufweist, sowie einen fortschrittlichen Material- und Fertigungssensor namens HAMTC (Hypersonics Advanced Manufacturing Test Capability).

HARF wird auch einen der anderen großen Typen von Hyperschalltunneln beherbergen, einen Hyperschall-Pulsschocktunnel namens HYPULSE.

Schocktunnel, manchmal auch Explosionsexpansionstunnel genannt, verwenden Ventile oder Berstmembranen mit einer schnellen Auslösung, um Hyperschall-Stoßwellen durch den Tunnel zu schicken, was die Untersuchung von Strömungen mit hoher Machzahl an Testobjekten für etwa 0,5 bis 5,0 Millisekunden ermöglicht. „Dahinter „Stoßwellen sind die Bedingungen, nach denen Sie suchen“, sagt Karen Berger, Leiterin einer Hyperschall-Windkanalanlage bei NASA Langley in Virginia, USA.

Die Langley Research Facility der NASA beherbergt zahlreiche Unterschall-, Transschall-, Überschall- und Hyperschalltunnel. Berger verwaltet drei Blowdown-Hyperschall-Windkanäle in Langley. Sie können Luft mit Mach 6 und Mach 10 strömen lassen und wurden in den 1960er Jahren gebaut. Blowdown-Tunnel sind die gebräuchlichste Hyperschall-Tunnelkonstruktion.

HARF an der Purdue University wird einen der Haupttypen von Hyperschalltunneln beherbergen, einen Pulsschocktunnel namens HYPULSE (Foto: Northrop Grumman)

HYPULSE und andere Schocktunnel wie der große Schocktunnel der CUBRC Aerosciences Group in Buffalo, New York, der Schocktunnel des Arnold Engineering Development Complex der US Air Force in White Oak, Maryland, der britische T6 Stalker Tunnel (T6) am Osney Mead Estate der Universität Oxford und der modernisierte X3R-Tunnel an der University of Queensland in Australien haben ein grundlegendes Design wie der Blowdown-Tunnel. In einem Blowdown-Tunnel beginnt der Strömungsprozess damit, dass Luft durch einen Trockner geleitet wird, um Wassermoleküle zu entfernen. Vom Trockner gelangt es in eine Hochdruckkammer, wo sich beim Einspritzen über eine Pumpe Druck aufbaut. Sobald ein Zieldruck erreicht ist, wird ein Ventil geöffnet, um die Luft in einen Sammelraum zu lassen, der ebenfalls auf hohen Druck geregelt wird. Die Luft strömt dann durch eine konvergierende-divergierende Düse, die sich am Eintritt verengt und am Austritt erweitert. Dadurch wird die Hochdruckluft auf Hyperschallgeschwindigkeit beschleunigt.

Der Hyperschallstrom breitet sich einige Fuß weiter aus, während sich der Tunnel zu einem Testabschnitt erweitert, wo er an jedem Testgegenstand vorbeiströmt, der darin platziert wird.

Der Strom strömt weiter in eine weitere größere Düse, wo er abgebremst wird und durch einen Wärmetauscher strömt, um ihn abzukühlen. Die verlangsamte Luft gelangt in ein Austrittsplenum und dann in eine Niederdruckkammer.

Wenn Luft die Hochdruckkammer verlässt, sinkt der Druck in der Kammer. Ebenso steigt der Druck in dieser Kammer, wenn Luft in die Niederdruckkammer eintritt. Schließlich gleicht sich der Druck in den beiden Kammern aus, der Durchfluss stoppt und der Test ist beendet. Die Luft oder andere Gase wie Helium oder Stickstoff in der Niederdruckkammer werden über eine Vakuumpumpe oder einen Strahlejektor abgesaugt und entweder in die Atmosphäre abgegeben oder zur wiederholten Verwendung wieder aufgefangen. Blowdown-Tunnel eignen sich zur Untersuchung der Hyperschall-Aerodynamik und der Erwärmungsumgebung um verschiedene Formen herum.

„Wir schauen uns an, wie das Fahrzeug fliegt und auf welche aerodynamische Erwärmungsumgebung es stoßen könnte“, sagt Berger. Forscher, die HYPULSE verwenden, das 2020 von Northrop Grumman an Purdue gespendet wurde, können dasselbe tun.

HYPULSE kann auch im reflektierten Schockmodus betrieben werden. In diesem Modus wird eine Stoßwelle durch einen Hochgeschwindigkeitskolben oder, wie bei HYPULSE, durch eine Detonation von Treibergas erzeugt, das durch eine Membran in ein nachgeschaltetes, mit Testgas gefülltes Stoßwellenrohr strömt. Wenn die Stoßwelle in das Stoßwellenrohr eindringt, wird sie von einer Endwand reflektiert und bildet einen stationären Bereich aus Testgas mit hoher Temperatur und hohem Druck. Das entstehende heiße Hochdruckgas wird dann durch eine Düse auf eine angestrebte Mach-Zahl expandiert und strömt über einen Testgegenstand.

Im reflektierten Schockmodus kann HYPULSE Hyperschallströme mit hoher Temperatur erzeugen, jedoch nur für eine sehr kurze Dauer von 1 bis 10 Millisekunden. Dies wird genutzt, um die Aerothermodynamik des Hyperschallflugs zu untersuchen und Materialien/Oberflächen zu entwickeln, die damit umgehen können. Aber zum Testen kann HYPULSE nicht mit der vierten Art von Hyperschalltunnel mithalten – dem Arc Jet.

Arc-Jet-Hyperschalltunnel, wie dieser an der University of Texas Arlington, strömen superheiße Luft an Testobjekten vorbei, um Reibung bei Hyperschallgeschwindigkeit zu simulieren

Arc-Jet-Hyperschalltunnel strömen superheiße Luft und Plasma an Testobjekten vorbei, um die Reibung mit Hyperschallgeschwindigkeit zu simulieren, die zu einer Erwärmung der Oberflächen auf mehr als 8.000 K (ca. 15.000 °F) führt. Sie können dies im Sekunden- bis Minutenbereich tun und sind daher ein optimales und entscheidendes Werkzeug für die Hyperschall-Materialtechnik.

Die University of Texas-Arlington hat 2019 einen Arc-Jet-Hyperschalltunnel fertiggestellt. Sein Gasstrom von 3000 bis 5000 K und die maximale Betriebsdauer von 90 bis 200 Sekunden bedeuten, dass er bei Forschern sehr gefragt ist. Weniger gefragt, aber vielleicht die höchste Wiedergabetreue von Bei allen Hyperschall-Windkanälen handelt es sich um die ballistische Reichweite. Ballistische Reichweiten werden zur Untersuchung der Aerothermodynamik oder der Aufpralldynamik verwendet. Anstatt Hyperschallluft an einem Testgegenstand vorbeiströmen zu lassen, wird das Objekt selbst durch den Tunnel geschleudert. Da das Modell im Wesentlichen frei fliegt, müssen Ingenieure die Strömung um eine Montagevorrichtung herum nicht kompensieren, wodurch die Daten repräsentativer für die reale Welt werden. Der Nachteil besteht darin, dass das Testobjekt mit einer Sprengmischung oder einer Waffe abgefeuert werden muss. Testobjekte behalten möglicherweise während ihres Fluges nicht die gewünschte Fluglage bei und wackeln möglicherweise durch den Tunnel. Das Ames Research Center der NASA und das Aberdeen Proving Ground der Armee betreiben Tunnel für ballistische Reichweiten. Da sich Objekte mit so hoher Geschwindigkeit durch sie bewegen, ist die Messung von Variablen wie Strömungseigenschaften, Ablösung, Temperatur oder Grenzschichten schwierig. Das Fotografieren des vorbeifahrenden Testobjekts durch ein kleines Fenster ist eine Zeitarbeit und die Möglichkeit, Sensoren am Objekt selbst anzubringen, ist begrenzt.

Im Allgemeinen können Hyperschalltunnel- und Modellinstrumente diskret sein, beispielsweise Thermoelemente, oder global, beispielsweise Oberflächenfarben oder Strömungsfeldmessungen mithilfe von Lasern. Die Instrumentierung hilft Ingenieuren, die Tunnelbedingungen und die Auswirkungen der Bedingungen auf das zu testende Modell zu verstehen. Dazu können Geschwindigkeit, Dichte, Druck und Erwärmung gehören.

„In letzter Zeit gibt es viel mehr Einrichtungen, die optische Tests durchführen“, erklärt Berger. Temperaturempfindliche Lacke, Infrarotsensoren oder Zweifarben-Phosphor-Thermografie helfen Ingenieuren dabei, zu erkennen, wo Problempunkte auf einer Oberfläche entstehen könnten.

Bei echten Flugtests handelt es sich offensichtlich um den realsten Hyperschalltiegel, aber er ist teuer, schwer abzubilden und verwendet im Allgemeinen eine kleine Anzahl von Sensoren im Fahrzeug. Die Datenerfassung wird meist durch unzureichende Downlink-Bandbreiten eingeschränkt. Zudem werden Testfahrzeuge häufig nicht geborgen. „Viele von ihnen planschen einfach im Meer“, sagt Jewell.

Hyperschall ist einfach schwer. Da keine einzige Bodenanlage alle Parameter eines Flugs mit Mach 5+ realistisch simulieren oder messen kann, benötigt der Westen so viele verschiedene Arten von Hyperschalltunneln, wie er nur bekommen kann. Das bedeutet große Investitionen.

Die University of Notre Dame ist dabei, Amerikas größten leisen Mach-6-Tunnel mit einem Testabschnitt von 24 Zoll (60 cm) Durchmesser zu errichten. Notre Dame beziffert den Preis auf 4,7 Millionen US-Dollar. Laut Berger bräuchte man wahrscheinlich eine große Fläche an Grundstücken, um es zu errichten. Die Unterstützungsausrüstung für die Hyperschalltunnel sei „wirklich laut“. Und sie fügt hinzu, dass die Luft, die während eines Laufs aus einem anderen Hyperschalltunnel der NASA Langley – dem 8-Fuß-Hochtemperaturtunnel – ausströmt, „sehr laut“ ist!