Tichý aerodynamický tunel pro Mach 6

Aerodynamické tunely pro hypersonické rychlosti jsou nezbytné pro návrh zcela nových typů letounů létajících rychlostmi mnohonásobně přesahujícími rychlost zvuku. S nimi obletíme celý svět za pár hodin. Ale ani konstrukce tunelu není nic snadného.

Proč je aerodynamický tunel tichý?

Aerodynamický tunel (někdy nazývaný větrný) musí být tichý proto, aby jeho hluk nenarušoval samotný experiment. Uvědomte si, že nemluvíme o svištění, které slyšíte při letu ve větroni nebo jízdě lepším autem, ale o aerodynamickém třesku mnohonásobně silnějším – podobném tomu, jaký vydávají letadla letící nadzvukovou rychlostí. To, že je tunel tichý, znamená, že na jeho začátku vzduch proudí laminárně (bez vírů). Při obtékání zkoušeného tělesa se samozřejmě v turbulentní (vírové hlučné) proudění změnit může. Zde již nejde o nežádoucí ovlivnění experimentu, nýbrž o jeho výsledek.

Obtížná výroba a levný provoz

Zvětšit
Laboratoř s tichým aerodynamickým tunelem pro rychlost Mach 6
Credit: Purdue Univesity

Je jasné, že vyrobit aerodynamický tunel, ve kterém vzduch překročí šestinásobně rychlost zvuku není snadné. Nejobtížnější je dosáhnout dokonalé hladkého povrchu uvnitř 37 m dlouhého tunelu.Problémovými místy jsou vstupní tryska, spoje jednotlivých částí a jakékoliv větší nečistoty uvnitř. Před uvedením do provozu musel rourou o průměru pouhých 65 cm prolézt student (speleolog – leze do jeskyní) a důkladně jí vyčistit.

Provoz je velmi levný díky tomu, že vítr nevytváří obří ventilátory či turbíny, ale vysoká rychlost vzniká pouhým rozdílem tlaků. Na jednom konci je nádrž s tlakovým vzduchem a na druhém vakuum (prázdná nádoba). Při otevření ventilů se tlak začne vyrovnávat a vzduch dosáhne vysoké rychlosti. Problémem mohou být přechodové jevy spojené s otevřením nádrží a také rychlost vzduchu v průběhu experimentu se obtížně bude udržovat konstantní. Vědci uvádějí, že maximální rychlosti bude dosaženo na nejvýše 8 sekund, ale díky špičkové měřící technice jim tento čas stačí na shromáždění všech potřebných dat.

Turbulentní proudění více zahřívá

Nový aerodynamický tunel výzkumníci využijí především ke studiu přechodu laminárního obtékání těles na turbulentní při vysokých nadzvukových rychlostech. Zájem o tento výzkum pramení z toho, že při laminárním obtékání se povrch tělesa zahřívá asi osmkrát méně než při turbulentním. Týká se to nadzvukových letounů nebo vesmírných lodí vstupujících do atmosféry. Když je návratový modul obtékán laminárně, může mít výrazně lehčí tepelný štít, a lze tak na oběžnou dráhu vynést více užitečného nákladu. Letoun je zase méně namáhán tepelnou roztažností a běžným konstrukčním materiálům z hlediska pevnosti také vyhovuje nižší teplota. Podobné problémy řeší konstruktéři i na novém Concorde a výsledky experimentů z tichého tunelu jim jistě pomohou.

Nejasnosti

Není mi jasné, jak chtějí vědci testovat části budoucích hypersonických letounů v tunelu o průměru pár desítek centimetrů, když skutečná letadla budou výrazně větší. Existují různá podobnostní čísla, která zohledňují velikost modelu oproti skutečné části (teď mám na mysli především Reynoldsovo číslo), takže můžete modelovat proudění vzduchu ve velké místnosti v malé krabičce, když použijete místo vzduchu tekutinu s výrazně nižší kinematickou viskozitou. Ovšem tisková zpráva výslovně uvádí, že se pracuje se vzduchem. Možná, že vzduch bude mít velmi nízkou teplotu nebo vhodný tlak. Nepodezírám vědce, že by stavěli nepoužitelný tunel, ale nejasnosti jistě pramení z mé neznalosti. Předpokládám, že u vysokých nadzvukových rychlostí budou běžné podobnostní koeficienty k ničemu nebo pomůže Towsendova hypotéza (U velkých Reynoldsových čísel už moc nezáleží na tom, jestli je Re jeden milión nebo sto miliónů). Snad se některý znalý čtenář v komentářích podělí o vysvětlení.

Hypersonické letouny na obzoru

Další etapou v letectví po nadzvukových letounech budou letadla hypersonická schopná překonat rychlost zvuku více než pětkrát. Taková se již vyvíjejí. Příkladem může X-43A, které při testování překonalo úspěšně rychlost zvuku desetinásobně. S takovou rychlostí byste se na druhý konec zeměkoule dostali za pouhé dvě a půl hodiny. Jde zatím pouze o miniaturu s rozpětím křídel 2,5 m, ale pro praktické nasazení se počítá s rozměrnějšími stroji. Ty by mohly vynášet vesmírné lodě na okraj vesmíru, tím výrazně ušetřit jejich palivo, a tak snížit náklady na start. Na to si budeme muset počkat ještě několik desetiletí.