12. Juli 2016

Sonnenfeuer für eine Millisekunde - Einzigartiger Windkanal des DLR simuliert seit 25 Jahren den Wiedereintritt von Raumfahrzeugen

25 Jahre Hochenthalpie-Kanal
Bild 1/6, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

25 Jahre Hochenthalpie-Kanal

Im Hochenthalpie-Kanal des DLR Göttingen haben die Forscher wertvolle Erkenntnisse für die Luft- und Raumfahrt gewonnen.

Freiflug-Experiment im HEG des DLR
Video 2/6, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Freiflug-Experiment im HEG des DLR

Eine Modell-Raumkapsel ist an Fäden aufgehängt. Mit mehreren tausend Kilometern pro Stunde wird das Test-Gas am Modell vorbeigeschossen. Die Fäden reißen für wenige tausendstel Sekunden „fliegt“ die Kapsel im Windkanal.

Schema des Hochenthalpie-Kanals Göttingen
Bild 3/6, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Schema des Hochenthalpie-Kanals Göttingen

62 Meter lang und 280 Tonnen schwer ist der Stoßrohrkanal im DLR-Göttingen.

Vorbereitungen für den Test im Windkanal
Bild 4/6, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Vorbereitungen für den Test im Windkanal

Industriemechaniker Mario Jünemann bereitet das Shefex-II-Modell für den Test im Göttinger Hochenthalpie-Windkanal vor. 50 Drucksensoren und 60 Thermo-Elemente wurden dafür in den Flugkörper integriert. Während des Versuchs werden in einer Tausendstel Sekunde tausend Mal Messdaten aufgezeichnet.

Stahlmembranen im Hochenthalpie-Windkanal Göttingen
Bild 5/6, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Stahlmembranen im Hochenthalpie-Windkanal Göttingen

Bis zu 1,6 Zentimeter dick sind die Stahlmembranen, die im Windkanal zwischen Kompressions- und Stoßrohr sitzen. Erst wenn im Kompressionsrohr ein extrem hoher Druck entsteht, platzt die Stahlmembran auf und gibt den Druck an das Gas im Stoßrohr weiter. Jeder Stahlmembran kann nur einmal verwendet werden.

Wissenschaftler am Windkanal
Bild 6/6, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Wissenschaftler am Windkanal

Untersuchen ein Modell im Maßstab 1:3 von SHEFEX II im Göttinger Windkanal: Versuchsleiter Alexander Wagner (links) und Dr. Klaus Hannemann.

Der Wiedereintritt in die Erdatmosphäre gilt als einer der kritischsten Momente der Raumfahrt. Um die gewaltigen Geschwindigkeiten und Temperaturen zu simulieren, die dabei auftreten, verfügt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Göttingen seit 25 Jahren über eine einzigartige Großanlage.

Der sogenannte Hochenthalpiekanal Göttingen (HEG) ist ein freikolbengetriebener Stoßkanal, quasi eine überdimensionale Luftpumpe, in der Raumschiff-Modelle mit bis zu 22.000 Kilometern pro Stunde umströmt werden. Dabei treten Temperaturen bis zu 10.000 Grad Celsius und Drücke bis 1000 bar auf. "In Europa ist die Anlage mit ihrem Einsatzspektrum einzigartig", sagt der Leiter der Abteilung Raumfahrzeuge im DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in Göttingen, Prof. Dr. Klaus Hannemann. Weltweit verfügen lediglich die USA, Japan und Australien über ähnliche Anlagen.

Zur Feier des 25jährigen Bestehens des Windkanals kamen 70 Forscher aus der ganzen Welt zusammen (IWSTT11 Workshop). Darunter Prof. Dr. Hans Hornung vom California Institute of Technology (Caltech), einer der führenden Hyperschallforscher, der als Pionier auf dem Gebiet der Entwicklung sogenannter Stalker-Stoßrohrwindkanäle zählt und in Australien eng mit dem Erfinder der flugkolbengetriebenen Stoßkanäle, Prof. Dr. Ray Stalker, zusammenarbeitete. In den 80er Jahren arbeitete Hornung im DLR Göttingen und hat während dieser Zeit den HEG maßgeblich entwickelt. "Wir brauchen solche Experimental-Anlagen - Computer allein können die Bedingungen des Wiedereintritts nicht simulieren", sagte Hornung.

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Freiflug im Windkanal

Ein wichtiger Grund für die Realisierung des HEG waren die ambitionierten Pläne der europäischen Raumfahrt in den 80er Jahren. Mit dem Raumgleiter Hermes sollte ein eigenständiger bemannter Zugang zum Weltraum ermöglicht werden. Mit dem HEG sollte der Einfluss der beim Wiedereintritt auftretenden hohen Temperaturen auf die Aerodynamik des Raumfahrzeuges untersucht werden. Bei mehreren tausend Grad werden beispielsweise die Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle aufgespalten - mit Auswirkungen auf die Aerodynamik.

Zwar wurde Hermes nicht realisiert, aber im HEG fanden in der Folgezeit grundlegende Untersuchungen im Rahmen zahlreicher internationaler Raumfahrtprojekte statt, bei denen es um den Wiedereintritt in die Erd- oder den Eintritt in die Atmosphäre eines anderen Planeten ging. Dazu zählen beispielsweise die SHEFEX Flugexperimente, mit denen das DLR erstmals ein scharfkantiges Raumfahrzeug erprobte. Für die europäische Mission Exomars testeten die Göttinger den Eintritt der Raumkapsel in die Marsatmosphäre. Außerdem ließen die Forscher ein zukünftiges luftatmendes Hyperschalltriebwerk, einen sogenannten Scramjet, für Bruchteile einer Sekunde frei in der Meßtrecke fliegen und sie untersuchten neue Konzepte zur Reduzierung von Luftwiderstand und Wärmelasten von Hyperschallflugzeugen.

Doppelt so heiß wie die Sonne

Die DLR-Forscher simulieren bei ihren Versuchen den Wiedereintritt von Raumfahrzeugen oder den Hyperschallflug durch die Atmosphäre an skalierten Windkanalmodellen. Ein wichtiger Aspekt dieser Arbeit ist es, Computermodelle für den Entwurf von Raumfahrzeugen zu kalibrieren. In dem 62 Meter langen und 280 Tonnen schweren Windkanal verdichtet zunächst ein Kolben ein Treibgas wie in einer riesigen Luftpumpe. Nach dem Platzen einer Stahlmembran komprimiert und heizt eine starke Stoßwelle ein Testgas, bevor es in einer Windkanaldüse bis auf 22.000 Kilometer pro Stunde beschleunigt wird. Anschließend strömt das Gas um das Modell. "Bei einem Versuch entstehen in der Testanlage Temperaturen von bis zu 10.000 Grad Celsius - doppelt so heiß wie die Oberfläche der Sonne", sagt Prof. Klaus Hannemann. Solche Temperaturen würden eigentlich jedes Material schmelzen lassen - wenn die Versuchsdauer nicht so kurz wäre. Durchschnittlich beträgt diese ca. drei Millisekunden (tausendstel Sekunden). Seit 1991 summiert sich die Messzeit auf insgesamt etwa fünf Sekunden. Hochgeschwindigkeitskameras und speziell entwickelte Messtechniken und Sensoren haben dafür gesorgt, dass aus diesen Sekunden wertvolle Erkenntnisse für die kommenden Jahrzehnte der Raumfahrt gewonnen werden konnten.

Kontakt
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    Kommunikation Göttingen und Hannover
    Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

    Politikbeziehungen und Kommunikation
    Telefon: +49 551 709-2108
    Fax: +49 551 709-12108
    Bunsenstr.  10
    37073 Göttingen
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  • Prof. Dr.-Ing. Klaus Hannemann

    Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik, Raumfahrzeuge
    Telefon: +49 551 709-2477
    Fax: +49 551 709-2870
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  • Dr. Jan Martinez-Schramm

    Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik, Raumfahrzeuge
    Telefon: +49 551 709-2323
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