Neuer Windkanal arbeitet leise bei Mach 6 und gestaltet zukünftige Flugzeuge mit

Neuer Windkanal arbeitet leise bei Mach 6 und gestaltet zukünftige Flugzeuge mit

Video: 7 Incredible Aviation and Future Aircraft Possibilities (April 2020).

Anonim

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Die Ingenieure der Purdue University haben einen Windkanal entwickelt, der als weltweit einziger seiner Art in der Lage ist, leise mit "Überschallgeschwindigkeit" zu laufen und Forschern bei der Entwicklung fortschrittlicher Flugzeuge und Raketen zu helfen.

Kein anderer Windkanal läuft leise, während Experimente in Luftströmen mit Mach 6 durchgeführt werden - sechsmal so schnell wie der Schall, sagte Steven Schneider, Luft- und Raumfahrtingenieur und Professor an der Purdue School of Aeronautics and Astronautics.

Die Forscher werden den 1-Millionen-Dollar-Windkanal nutzen, um fortschrittliche Flugzeuge zu konstruieren, die mit Überschallgeschwindigkeit fliegen oder schneller als Mach 5 sind, was etwa 4.000 Meilen pro Stunde auf Meereshöhe entspricht.

Purdue-Ingenieure werden am Donnerstag (12. Januar) während des Meetings und der Ausstellung des American Institute of Aeronautics and Astronautics in Reno, Nevada, einen Vortrag über den Windkanal halten. Der Vortrag wurde von Schneider und den graduierten Forschungsassistenten Matthew P. Borg verfasst und Thomas J. Juliano.

Ein Team von Purdue-Ingenieuren unter der Leitung von Schneider beendete 2001 die Montage des Windkanals.

"Nach vier Jahren Debugging haben kürzlich durchgeführte Tests gezeigt, dass es bei Mach 6 tatsächlich leise läuft", sagte Schneider. "Der Windkanal-Luftstrom hat etwa ein Zehntel bis ein Dreißigstel des Geräusches in anderen Hochgeschwindigkeits-Windkanälen."

Der leise Betrieb ist entscheidend für die Wiederherstellung des reibungslosen oder laminaren Luftstroms über die Oberflächen von Flugzeugen, Raumfahrzeugen oder Raketen, die wieder in die Erdatmosphäre eintreten. Daten aus Tests mit Modellen, die im Windkanal untersucht wurden, werden zu einem besseren Verständnis führen, wann und wie sich die über eine Oberfläche strömende Luft von glatt zu turbulent ändert. Ingenieure müssen diesen Übergang von ruhiger zu turbulenter Strömung besser verstehen, wenn sie verbesserte Flugzeuge und Flugkörper konstruieren wollen. Ein Ziel ist es, Flugzeuge zu entwickeln, die sich bei ihrem Wiedereintritt in die Atmosphäre weniger durch atmosphärische Reibung erwärmen.

"Laminare Luftströme können achtmal weniger heizen als turbulente", sagte Schneider.

Konstruktionen, die sich weniger erwärmen, erfordern weniger Abschirmung, sodass Ingenieure leichtere und kostengünstigere Fahrzeuge bauen können.

"Designer erwägen ein neues Wiedereintrittsfahrzeug mit einer Metallhaut", sagte Schneider. "Dadurch würde das in der Wartung teure Kachelsystem des Space Shuttles entfallen."

Eine weitere wichtige Anwendung wird die Entwicklung einer Flugzeuggeneration sein, die mit "Scramjets" über 7.000 Meilen pro Stunde fliegen kann, um die Atmosphäre zu verlassen und in wenigen Stunden um die halbe Welt zu fliegen.

Eine zukünftige Flotte von Weltraumflugzeugen, die Scramjets einsetzen, ist möglicherweise weitaus kostengünstiger als die derzeitigen Weltraum-Shuttles, sodass Nutzlasten erschwinglicher in den Orbit befördert werden können. Im Gegensatz zu Raketen, die ihre eigene Versorgung mit flüssigem Sauerstoff zur Verbrennung von Kraftstoff benötigen, würden Scramjets Sauerstoff aus der Atmosphäre schöpfen.

Damit Scramjets richtig funktionieren, muss sich jedoch eine stetige, gleichmäßig fließende Luftzufuhr mit Überschallgeschwindigkeit kontinuierlich in den Brennraum des Motors bewegen. Eine unzureichende Kontrolle der Turbulenzen in der Nähe der Flugzeugoberfläche kann diese wichtige Luftzufuhr stören, und eine turbulente Strömung über die Fahrzeugfront würde zu einer übermäßigen Erwärmung führen.

Ingenieure benötigen hochwertige Daten, um vorhersagen zu können, wie gut bestimmte Scramjet-Designs funktionieren, so Schneider.

"Ein leiser Windkanal simuliert den Flug genauer", sagte er.

Windkanalforschung kann Ingenieuren auch dabei helfen, genauere Raketen zu konstruieren, da die Auswirkungen übermäßiger Erwärmung Raketen vom Kurs abbringen können.

Ein leiser Windkanalbetrieb erfordert laminare Strömung an den Wänden eines Tunnelsegments, das als Düse bezeichnet wird. Turbulente Strömungen in diesem Segment strahlen Geräusche auf das Testmodell aus und stören die Experimente. Manchmal treten jedoch Turbulenzen in der Düse auf, und die Forscher untersuchen den Übergang von laminaren zu Turbulenzen, um besser zu verstehen, wie dies verhindert werden kann, und um die Auswirkungen auf das Modell zu beobachten.

Die Forscher werden den Windkanal nutzen, um zu untersuchen, wie sich der Übergang von einem sanften zu einem turbulenten Luftstrom auf die hitzebeständigen Kacheln des aktuellen Space Shuttles auswirkt, wenn das Raumschiff wieder in die Atmosphäre eintritt.

Der leise Mach 6 Windkanal ist nicht der erste seiner Art. Die Nationale Luft- und Raumfahrtbehörde betrieb zuvor einen Windkanal mit vergleichbarer Leistung, der jedoch derzeit nicht in Betrieb ist.

Der Tunnel ist relativ kostengünstig zu betreiben, da jeder "Lauf" nur etwa acht Sekunden dauert. Zunächst wird Luft aus einem großen Tank gepumpt, der mit einem Ende des Windkanals verbunden ist, wodurch ein Vakuum im Tank entsteht. Dann wird ein Ventil zwischen dem Tank und dem Windkanal geöffnet und ein Luftstoß mit hoher Geschwindigkeit durch den Windkanal gesaugt. Die kurze Laufzeit erfordert weniger teure Ausrüstung als die großen Kompressoren, die für andere Windkanäle benötigt werden, die kontinuierlich Luft pumpen.

Moderne Computertechnologie und Sensoren haben den kostengünstigen Windkanal ermöglicht, so Schneider.

"Vor dreißig Jahren wären acht Sekunden Daten nutzlos gewesen, weil man in so kurzer Zeit nichts messen konnte", sagte er. "Aber heutzutage kann man mit all den Computern, der Elektronik und den Sensoren eine enorme Datenmenge in acht Sekunden sammeln."

Um einen ruhigen Fluss zu erzielen, muss der Hals der Mach 6-Düse auf ein nahezu perfektes Spiegelfinish poliert werden, um Rauigkeiten zu vermeiden, die den Fluss in der Nähe der Wand von laminar zu turbulent auslösen. Damit der Windkanal ruhig bleibt, muss er vollständig frei von Partikeln sein. Sogar ein einzelnes Stück Sand kann im Windkanal Turbulenzen verursachen, die das Finish beschädigen und den Leiseeffekt beeinträchtigen.

Um diesen ultra-sauberen Zustand zu gewährleisten, haben die Ingenieure die Hilfe eines Studenten in Anspruch genommen, der ein Höhlenforscher ist. Der schlanke Student kroch in einem Anzug, wie er von Technikern in Reinräumen getragen wurde, durch einen 120-Fuß-Abschnitt des Windkanals und wischte sich die Innenseite des Edelstahlrohrs ab. Das Rohr ist nur 18 Zoll im Durchmesser.

"Es ist ziemlich eng", sagte Schneider. "Wenn Sie klaustrophobisch sind, wäre dies nicht der richtige Job für Sie."

Der Windkanal, der vom Air Force Office of Scientific Research, der Ballistic Missile Defense Organization und der Boeing Co. finanziert wurde, heißt Boeing / AFOSR Mach 6 Quiet Tunnel.

Quelle: Purdue University