Europa krijgt eigen windtunnel

Een van de belangrijkste hulpmiddelen van vliegtuigontwerpers is de windtunnel. Hierin kunnen zij modellen van hun geesteskinderen in een kunstmatige luchtstroom ophangen, om te zien hoe deze zich gedragen. Hierdoor krijgen zij een goed een inzicht in de aërodynamica van het werkelijke vliegtuig.

Goed kan echter altijd beter. Daarom is in Keulen de European Transonic Windtunnel (ETW) gebouwd, die op 8 juni is geopend. Thans wordt de meetapparatuur van de ETW getest en gecalibreerd. Medio volgend jaar kunnen de eerste windtunnelmodellen getest worden. Deelnemers aan dit 600 miljoen mark kostende project zijn Nederland, Duitsland, Frankrijk en Groot-Brittannië.

In de EWT kan het gecombineerde effect van vliegsnelheid en grootte van de grotere vliegtuigen goed onderzocht worden. In de huidige in Europese windtunnels kunnen alleen modellen van een kleine schaal getest worden. De invloed van details, zoals kleine uitsteeksels en de ruwheid van oppervlakken, kan daardoor niet gesimuleerd worden. Voor dergelijk onderzoek moesten de Europeanen uitwijken naar de Verenigde Staten. En dat voelt niet goed. "In de huidige, sterk concurrerende luchtvaartindustrie is het van doorslaggevend belang om toegang te hebben tot de modernste windtunneltechnologie', schrijft de directie van de EWT.

Om de prestaties van windtunnels te beschrijven worden de getallen van Mach en Reynolds gebruikt. Het getal van Mach geeft de snelheid van een vliegtuig aan ten opzichte van de geluidssnelheid. De laatste is niet constant. In het standaardmodel van de atmosfeer is de geluidssnelheid op zeeniveau 1226 km/h. Zij neemt af tot 1063 km/h op 11.000 meter hoogte. Daarboven is de geluidssnelheid constant. Een straalverkeersvliegtuig vliegt op een hoogte van tien tot dertien kilometer ongeveer Mach 0,9 ofwel 957 km/h. (In de luchtvaart spreekt iedereen van Mach 0,9. Juister is echter de notatie 0,9 Ma.)

Het getal van Reynolds (R) is minder eenvoudig samengesteld. Het kan als volgt omschreven worden:

L x s x D / h

Hierin is L de referentielengte, s de snelheid, D de luchtdichtheid, en h de viscositeit.

Met L (referentielengte) wordt de lengte van een object bedoeld. Dat kan de lengte van een vliegtuig zijn, maar ook de koorde van een vleugel. Verkeersvliegtuigen hebben een lengte tussen de 35 en 70 meter. Deze relatief grote lengte vertaalt zich in hoge waarden voor het getal van Reynolds: tussen de 20 en 50 miljoen.

Het gedrag van een vliegtuig kan alleen nauwkeurig gesimuleerd worden als het windtunnelmodel min of meer dezelfde R-waarde heeft als het vliegtuig. In de huidige Europese windtunnels is de hoogste bereikbare R 10 miljoen. Voor straaljagers voldoet dat. Voor verkeersvliegtuigen betekent dat echter, dat relatief kleine modellen gebruikt moeten worden. Zoals reeds is gezegd, kan de invloed van details daardoor niet onderzocht worden.

Er zijn tal van manieren om een in een windtunnel hoge R-waarden te verkrijgen. Zo kan de testsectie, het deel van de tunnel waar het model wordt opgehangen, zo groot worden gemaakt, dat er een compleet vliegtuig in past. De Amerikaanse lucht- en ruimtevaartorganisatie NASA heeft een windtunnel waar toestellen met een vleugelspanwijdte van 30 meter in passen. De kosten van de bouw en het gebruik zijn echter navenant.

Bij de ETW is voor een andere oplossing gekozen. De windtunnel opereert bij een hoge druk (4,5 bar) en een lage temperatuur (-183 ß8C). Door de druk te verhogen, neemt de luchtdichtheid toe, terwijl een lagere temperatuur leidt tot een geringere viscositeit. Wie dit betrekt op de bovenstaande formule, ziet dat het gecombineerde effect een vergroting van het getal van Reynolds is.

Bij -183 ß8C is het getal van Reynolds zes maal zo groot als bij +40 ß8C. Hierdoor kan in een testsectie met een doorsnede van slechts 2 bij 2,4 meter een R-waarde van 50 miljoen bereikt worden. Deze aanpak is overigens niet uniek. De NASA heeft al een dergelijke windtunnel, de National Transonic Facility.

Om de temperatuur te verlagen wordt bovenstrooms van de compressor vloeibare stikstof in de luchtstroom gespoten. Er kan maximaal 250 kg per seconde worden genjecteerd. De stikstof verdampt en koelt de lucht af. Vervolgens wordt de stikstof aan de windtunnel onttrokken, gemengd met lucht en via een vijftig meter hoge schoorsteen afgeblazen. Als de ETW op volle capaciteit werkt, is jaarlijks 75.000 ton vloeibare stikstof nodig.

In de ETW kunnen snelheden gesimuleerd worden tussen Mach 0,15 en Mach 1,3. In combinatie met het hoge getal van Reynolds maakt dat de windtunnel uitermate geschikt voor het testen van modellen van grote straalvliegtuigen. Dat zijn in de eerste plaats de toestellen van Airbus. Een andere kandidaat is de Future Large Aircraft, een militair transportvliegtuig waarop vijf Europese vliegtuigbouwers studeren.

De ETW heeft een hoge produktie. Per jaar kan maximaal 5000 "polar' gehaald worden. Een polar is een serie metingen van een variabele gedurende een minuut. Op een werkdag van acht uur kunnen drie series van tien polar gehaald worden. Uit kostenoverwegingen is besloten de produktie voorlopig te beperken tot 3000 polar per jaar. Als de vraag naar onderzoekscapaciteit toeneemt, kan dit worden uitgebreid.

    • Jan van den Berg