Was sind NASA-Windkanäle?

Wie die Leser dieser Seiten wissen, lassen sich die meisten atmosphärischen Bedingungen im Raum einer Klimakammer, dem Laborinstrument, mit dem wir uns bei FDM – Environmental Makers beschäftigen.

Für Batterie- und Speichertests entdecken Sie die FDM Batterietestkammer, die für Tests unter kontrollierten Bedingungen entwickelt wurde.

Die meisten, aber nicht alle. Wenn wir die Auswirkungen großer Luftmassen auf ein Fahrzeug testen wollen, brauchen wir mehr. Genau dafür sind die Windkanäle der NASA da.

Wozu dienen die Windkanäle der NASA?

Wie Sie auf der NASA -Website nachlesen können , ist die Geschichte der Windkanäle so alt wie die Geschichte der Erforschung der Auswirkungen des Windes auf Fahrzeuge, also der Aerodynamik.

Lange bevor die ersten Flugzeuge das Licht der Welt erblickten, erkannten Wissenschaftler, dass Laborbedingungen erforderlich sind , um zu testen, wie Fahrzeuge mit der Luft interagieren.

Windkanäle sind nichts anderes als Labore, die die Luftströmung nachbilden, der Objekte – hauptsächlich Fahrzeuge, aber nicht nur – unter ihren Einsatzbedingungen ausgesetzt sein werden.

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Wie Windkanäle hergestellt werden

Windkanäle sind hohle Röhren, durch die Luft mit einer bestimmten Geschwindigkeit zirkuliert. 

Im Inneren befindet sich die Testkammer, in der das zu testende Objekt platziert wird. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Luft in den Windkanal einzuleiten, und zwei grundlegende Windkanaltypen: offene und geschlossene Windkanäle. Erstere stoßen die Luft aus, während letztere sie umwälzen und im Allgemeinen als präziser gelten.

Windkanaltests: Welche Sektoren werden abgedeckt?

Die Windkanäle der NASA, die zu den technologisch fortschrittlichsten der Welt zählen, werden hauptsächlich zum Testen von Flugzeugen und Raumfahrzeugen genutzt. Doch die Windkanaltests beschränken sich keineswegs darauf.

Windkanäle dienen dazu, die Aerodynamik von Objekten zu testen, die den Luftwiderstand überwinden müssen. Deshalb die gesamte Automobilindustrie in Windkanaltests, und die Serienfahrzeuge, die wir täglich fahren, werden während der Entwicklungsphase diesen Tests unterzogen. 

Sollen Autos Höchstleistungen erbringen, werden Windkanaltests noch gründlicher durchgeführt. Dies gilt beispielsweise für Formel-1-Wagen. Auch Rennmotorräder, Fahrräder und sogar Radsportbekleidung werden ähnlichen Tests unterzogen, da sie minimalen Luftwiderstand bieten müssen, um wertvolle Sekunden zu sparen.

Abschließend, um beim Thema Sport zu bleiben: Sogar Fußbälle und Rugbybälle werden in Windkanälen getestet, um das aerodynamisch bestmögliche Design zu erforschen.

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Die FDM-Umweltkammer

Windkanäle stellen einen extremen, aber wichtigen Fall von Klimatests , die mit herkömmlichen Laborinstrumenten nicht durchgeführt werden können.

Für alle anderen gibt es die Klimakammer. sind auf sogenannte „extreme“ Klimatestsund können alle Umgebungsbedingungen, die bei Produkt- und Materialprüfungen auftreten, präzise und zuverlässig simulieren.

Um mehr über die FDM-Umweltkammer, zögern Sie bitte nicht, uns zu schreiben.

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Referenzstandards

• AIAA S-071A — Empfohlene Vorgehensweise: Bewertung der Unsicherheit von Windkanalmessungen, ein Referenzstandard zur Quantifizierung der Unsicherheit bei aerodynamischen Messungen.
• AIAA R-092 — Empfohlene Vorgehensweise: Kalibrierung von Unterschall- und Transsonik-Windkanälen, Kalibrierverfahren für Unterschall-/Transsonik-Windkanäle.
• NASA SP-440 — Windkanalversuche: NASA-Referenzhandbuch für die Planung und Durchführung von Windkanalversuchen.
• ASME PTC 19.1 — Performance Test Codes: Test Uncertainty, ein technischer Standard für die Unsicherheitsanalyse bei experimentellen Tests.
• ISO 5801 — Ventilatoren: Leistungsprüfung mit standardisierten Luftwegen, anwendbar auf Tunnel zur Qualifizierung von Industrieventilatoren.

Autoritative Quellen

• AIAA – Amerikanisches Institut für Luft- und Raumfahrttechnik. Als führende Organisation für Luft- und Raumfahrttechnik veröffentlicht sie die AIAA-Normen S-071 und R-092.
• NASA – Nationale Luft- und Raumfahrtbehörde. Sie betreibt die modernsten Windkanalanlagen der Welt (Langley, Ames, Glenn).
• ASME – Amerikanische Gesellschaft der Maschinenbauingenieure. Veröffentlicht PTC 19.1 für die experimentelle Unsicherheitsanalyse.

Häufig gestellte Fragen zum NASA-Windkanal

Was ist der Unterschied zwischen Unterschall-, Transschall-, Überschall- und Hyperschallgeschwindigkeit?

Die Klassifizierung basiert auf der Mach-Zahl M = V/c, dem Verhältnis zwischen Strömungsgeschwindigkeit und lokaler Schallgeschwindigkeit. Unterschall (M < 0,8): Bedingungen für Verkehrsflugzeuge im Reiseflug, Drohnen, Landfahrzeuge und industrielle Aerodynamik. Inkompressible Strömung bei M < 0,3, geringe Kompressibilität bis 0,8. Transsonisch (0,8 < M < 1,2): Kritischer Bereich mit Koexistenz von Unterschall- und Überschallzonen im Profil, Bildung beweglicher Stoßwellen, Buffeting-Vibrationen und erhöhter Luftwiderstand. Erfordert perforierte oder poröswandige Tunnel zur Reflexionskontrolle. Überschall (1,2 < M < 5): Kompressible Strömung mit stabilen Stoßwellen, Prandtl-Meyer-Expansion, Anwendungen in Kampfflugzeugen und Raketen. In Tunneln werden typischerweise konvergent-divergente Laval-Düsen verwendet. Hyperschall (M > 5): Molekulare Dissoziationsphänomene, thermodynamisches Gleichgewicht wird nicht erreicht, extreme aerodynamische Erhitzung (Wiedereintritt des Space Shuttles: M = 25). Sie benötigen Impulstunnel (Stoßwellenrohre, Geschütztunnel) mit Testdauern von 1-100 ms. Jedes Regime erfordert völlig unterschiedliche Physik, Instrumentierung und Infrastruktur.

Was sind die wichtigsten NASA-Galerien?

Die NASA betreibt über 40 Windkanäle an drei großen Standorten. Langley Research Center (Virginia): Transsonischer Dynamikwindkanal (4,9 x 4,9 m, Mach 0–1,2 mit Freon), National Transonic Facility NTF (2,5 x 2,5 m, kryogener Stickstoff bis -150 °C für hohe Reynolds-Zahlen), 8-Fuß-Hochtemperaturwindkanal. Ames Research Center (Kalifornien): 40 x 80 Fuß und 80 x 120 Fuß (die größten der Welt, genutzt für Hubschrauber und Flugzeuge), Unitary Plan (M 0,2–3,5 im Modellmaßstab), Hyperschall-Luftforschung (M 7+). Glenn Research Center (Ohio): Vereisungsforschungswindkanal für die Zertifizierung von Flugzeugtriebwerksenteisungssystemen, 10 x 10 Fuß Überschallwindkanal, 8 x 6 Fuß Überschallwindkanal. Die historisch bekanntesten Tunnel sind der 16-Fuß-Transsoniktunnel in Langley (1946, getestet für Chuck Yeagers X-1) und der 40x80-Fuß-Vollmaßstabstunnel in Ames (getestet für Apollo, Shuttle und Skylab). Die Kosten für Tests in einem Tunnel der NASA-Klasse belaufen sich auf 5.000 bis 30.000 US-Dollar pro Stunde. Industriepartner und akademische Einrichtungen erhalten Zugang über NASA SBIR, NARI oder spezielle Beschaffungsverträge.

Wie kalibriert man einen Unterschalltunnel?

Die Kalibrierung eines Windkanals gemäß AIAA R-092 erfordert eine vollständige messtechnische Charakterisierung: (1) Strömungsmessung in einer Prüfkammer mit Pitot-Rohr und 5-Loch-Sonden mit einem Raster von 20x20 cm oder feiner; (2) typische Geschwindigkeitsgleichmäßigkeit ± 0,5 % im Messbereich; (3) Turbulenzmessung mit Hitzdrahtanemometrie, Werte zwischen 0,05 und 0,5 % Intensität, abhängig von der Klasse; (4) Anströmwinkel (Auf- und Seitenanströmung) < 0,1 Grad; (5) Umgebungsdruckgradient (statisch) < 0,2 % M/m; (6) Temperaturmessung mit geschirmten Thermoelementen für einen Gradienten < 1 °C; (7) Referenzsonde in einer Beruhigungskammer zur kontinuierlichen Korrektur der Referenzgeschwindigkeit. Der Windkanal wird außerdem hinsichtlich Blockierungseffekt (Modell belegt % des Messbereichs, Maskell/Pope-Korrekturen), Wandgrenzschicht (Dicke und Wachstum entlang des Windkanals) und Strömungswinkel für Flugzeugmodelle qualifiziert. Die endgültige Messunsicherheit der aerodynamischen Kräfte (Auftrieb, Widerstand, Nickmoment) muss gemäß GUM mit detaillierten Unsicherheitsbudgets für jeden Kanal dokumentiert werden.

Reynolds-Skalierung: Wie wird sie angewendet?

Die Reynolds-Zahl Re = rho*V*L/μ vergleicht die Trägheits- und Viskositätskräfte in der Strömung. Um die Aerodynamik eines Flugzeugs in Originalgröße in einem Windkanal mit einem Modell im Maßstab 1:10 originalgetreu nachzubilden, wäre eine identische Reynolds-Zahl erforderlich, was eine Geschwindigkeit V gleich dem Zehnfachen der realen Geschwindigkeit voraussetzen würde. Dies ist aufgrund technischer und wirtschaftlicher Beschränkungen oft nicht realisierbar. Strategien zur partiellen Anpassung: (1) Kryogene Windkanäle (NTF Langley) reduzieren die N₂-Viskosität bei -150 °C und erhöhen Re um das Fünffache; (2) Druckwindkanäle bis zu 5 atm erhöhen die Luftdichte und Re proportional; (3) Partielle Reynolds-Anpassung mit CFD-validierten Extrapolationen; (4) Fixierung des Übergangs mit Schleifstreifen, um die turbulente Grenzschicht auf eine reduzierte Reynolds-Zahl zu zwingen und so die Bedingungen im Originalmaßstab zu simulieren. Der kritische Parameter bei Luftfahrttests ist die Reynolds-Zahl (Re_c), basierend auf der Flügeltiefe: Im zivilen Transportwesen liegt sie im Freiland bei 20–60 Millionen, in typischen Windkanälen hingegen nur bei 1–5 Millionen. Der Reynolds-Effekt kann die Grenzschichtablösung je nach Maßstab um 10–20 % verändern und somit Widerstand, maximalen Auftrieb und Strömungsabrissverhalten beeinflussen. Für jedes Projekt ist ein Reynolds-Sweep-Plan erforderlich, um die Sensitivitätsergebnisse zu dokumentieren.