Reisen mit Mach fünf

Reisen mit Mach fünf

IR-Kamera verbessert Aerodynamik für Hyperschall-Anwendungen

Wissenschaftler haben Reisegeschwindigkeiten im Hyperschallbereich für Anwendungen zur Erkundung des Weltraums und zur Weiterentwicklung der Flugzeugtechnik untersucht. Die dabei erreichten Geschwindigkeiten liegen über Mach fünf, d.h. mehr als fünffache Schallgeschwindigkeit. Dies führt zu extremen aerodynamischen und thermischen Belastungen von Flugzeugen und deren Komponenten. Um zu testen, inwieweit Bauelemente in der Lage sind, Luftströmen bei solchen Geschwindigkeiten standzuhalten, hat die Universität Manchester ihren Hyperschall-Windkanal mit einer Wärmebildkamera ausgestattet.
Bei einer Reisegeschwindigkeit von Mach sechs, was ungefähr einer Geschwindigkeit von über 4.000km/h entspricht, fließen massive Luftströme an der Flugzeugoberfläche entlang, die Reibung verursachen. Laut Prof. Konstantinos Kontis, Leiter der Raumforschungsgruppe an der Universität Manchester, hat dies wiederum einen Temperaturanstieg zur Folge. „Wir können Modelle und Komponenten Luftströmen aussetzen, die den in der Realität herrschenden Bedingungen sehr nahe kommen. Die vorbei strömende Luft hat die Bildung heißer Stellen auf der Oberfläche des Testobjekts zur Folge, die sich mit einer Wärmebildkamera sichtbar machen lassen. Anhand dieser Informationen können wir unseren Kunden Empfehlungen zur Verbesserung des Designs geben.“

50mK thermische Empfindlichkeit

Bei der in diesem Versuchsaufbau eingesetzten Wärmebildkamera handelt es sich um eine Flir SC655. „Wir haben uns für dieses Kameramodell entschieden, da es Wärmebildkarten der gesamten Oberfläche des Testobjekts aufzeichnen kann“, sagt Prof. Kontis. „Die Kamera besitzt eine hervorragende thermische Empfindlichkeit, so dass wir auch geringe Temperaturunterschiede erkennen können. Mit dem optionalen, externen Triggermechanismus und der Fähigkeit zur Aufnahme von High-Speed-Videos eignet sie sich ideal für Versuche dieser Art.“ Die Wärmebildkamera ist mit einem ungekühlten Mikrobolometer-Detektor ausgestattet, der Wärmebilder mit einer Auflösung von 640x480Pixeln und einer thermischen Empfindlichkeit von 50mK (0,05°C) liefert. Die volle Auflösung kann mit einer Wiederholfrequenz von 50Bildern/s aufgezeichnet werden. Daneben stellt die Kamera jedoch auch Teilbildmodi zur Verfügung, mit denen der Bediener die Wiederholfrequenz auf 200Bilder/s mit 640x120Pixeln Auflösung steigern kann. Die Kamera ist kompatibel zu GenICam und GigE Vision und lässt sich ohne großen Aufwand in zahlreiche Analyse-Softwarepakete von Fremdherstellern integrieren.

Entscheidung war klare Sache

„Für uns war es keine Frage, dass wir eine Kamera von Flir Systems kaufen“, fährt Professor Kontis fort. „Das Angebot ist wirklich überzeugend, vor allem durch die Option eines Upgrades auf ein besseres Kameramodell, wenn unsere Forschungsaufgaben dies in der Zukunft unter Umständen erfordern.“ Zur Aufzeichnung der Wärmebilder und zur Durchführung einer ersten Analyse der Temperaturdaten verwenden Professor Kontis und sein Forscherkollege Dr. Erinc Erdem die Software ResearchIR. „Das Softwarepaket lässt sich einfach bedienen und bietet zahlreiche Optionen, die für Forscher relevant sind“, so Dr. Erdem. „Wir setzen es ein zur Erfassung der Daten, zur Festlegung spezieller relevanter Bereiche und zum Exportieren der Temperaturmessdaten in Software von Fremdherstellern für eine ausführliche Analyse. Die Möglichkeit, eingebettete Makros zu verwenden, macht den Export der Daten zu anderen Software-Programmen zu einer sehr einfachen Angelegenheit.“

Mach sechs im Hyperschall-Windkanal

Der Windkanal besteht aus drei Hauptkomponenten. An einem Ende des Windkanals ist eine Druckkammer, mit der die Luft auf einen Druck von bis zu 15bar gebracht werden kann. Am anderen Ende steht ein Vakuumtank, in dem ein Druck von 1mbar herrscht. Dazwischen liegt die Testkammer, in der sich das zu untersuchende Objekt befindet. Auf Knopfdruck fließt die mit Druck beaufschlagte Luft in die Vakuumkammer und strömt auf diesem Weg mit einer Geschwindigkeit von etwa 4.000km/h an dem Objekt vorbei. Die Wärmebildkamera ist auf der Testkammer positioniert und überwacht den Windkanal durch ein Germanium-Fenster. So kann sie die durch die Luftreibung entstehenden heißen Stellen exakt abbilden, ohne der Kraft der sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Luftströme ausgesetzt zu sein. „Im roten Bereich auf dem Wärmebild, den man auch als Aufprallfläche bezeichnet, verursacht die Luftreibung den größten Temperaturanstieg“, erläutert Dr. Erdem. „Hinter diesem Punkt sehen Sie Streifen auf dem Wärmebild, die den Übergang von laminaren zu turbulenten Strömungen anzeigen. Vor allem im Bereich der Aufprallfläche empfiehlt sich eine Verstärkung der Komponente mit zusätzlichem Isoliermaterial oder mit einer zusätzlichen Kunststoffbeschichtung. Durch diese Maßnahmen können die Bereiche mit hohem Wärmestrom der Hitze besser standhalten. Das wiederum verlängert die Lebensdauer des Bauteils.“

Fazit

Das mit diesen Windkanalversuchen gewonnene Know-how hilft bei der Optimierung des Designs von Hochgeschwindigkeitsflugzeugen und Raumfahrzeugen für den Wiedereintritt in die Atmosphäre. „Die Wärmebildkamera ist ein wichtiges Tool für diese Entwicklungen, die zu besseren Versionen von Flugzeugen wie der Boeing X-5 und der NASA X-43 führen“, fasst Professor Kontis abschließend

www.flir.com

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