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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.
Bild: 2/6, 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.
Video über 25 Jahre Hochenthalpie-Windkanal Göttingen (HEG)
25 Jahre Hochenthalpie-Windkanal Göttingen (HEG)
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25 Jahre Hochenthalpie-Windkanal Göttingen (HEG)
Video über 25 Jahre Hochenthalpie-Windkanal Göttingen (HEG)
Credit:
DLR
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.
