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Eiskalte Wissenschaft - der Kryokanal


Der Kölner Kryokanal von außen
Der Kryokanal ist ein Windkanal, der bei extrem niedrigen Temperaturen arbeitet (z.B.: 100 Kelvin oder - 173 Grad Celsius). So können verkleinerte Modelle im Windstrom unter realistischen Bedingungen gemessen werden. Herkömmliche Windkanäle liefern nämlich relativ ungenaue Ergebnisse die, bezogen auf die Realbedingungen noch einer Hochrechnung bedürfen.

Dies hängt vor allem mit der Reynolds-Zahl zusammen, einer physikalische Größe, die die Eigenschaften der Strömung um Flugzeuge in der oberflächennahen Strömungsschicht wiedergibt. Sie hängt von der Strömungsgeschwindigkeit, der Flügeltiefe sowie der Zähigkeit des umströmenden Mediums ab.

Im Windkanal können nur verkleinerte Modelle getestet werden. Dadurch wird auch die Reynolds-Zahl kleiner. Machzahl (eine Funktion von der Geschwindigkeit) und Reynoldszahl müssen aber konstant bleiben, damit die Messergebnisse auf die Großausführung des Modells übertragbar sind. Es bleibt also nur die Möglichkeit, die physikalische Eigenschaft des umströmenden Mediums zu verändern. Hier kommt die Kryotechnik zum Einsatz. Die Temperatur wird so weit abgesenkt, dass man bei der Messung mit einer optimalen Reynolds-Zahl arbeiten kann. Das heißt also, je kälter das Medium, desto höher die Reynolds-Zahl. Die Reynolds-Zahl wird im Windkanal so weit erhöht, bis sie mit der Zahl eines fliegenden oder startenden bzw. landenden Flugzeugs übereinstimmt.

Einer von dreien: Der Kryokanal in Köln-Porz

Der Kölner Kryokanal (KKK) der Deutschen Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) ist einer von nur drei Kryokanälen, die es weltweit gibt. Wenige hundert Meter weiter steht ein weiterer Kryokanal auf dem Porzer Gelände, Nummer drei wird von der NASA in den USA betrieben.


Eine gefrorenen Rose zersplittert, wenn man sie auf einen Gegenstand schlägt
Die eiskalten Temperaturen im Kölner Kryokanal werden durch flüssigen Stickstoff erzielt. Er hat eine Temperatur von -196 Grad Celsius. Wie eisig -196 Grad sind, verdeutlicht ein Experiment: Taucht man eine Rose in flüssigen Stickstoff gefriert sie augenblicklich. Sie zerspringt dann in kleinste Einzelteile, wenn man sie auf einen Gegenstand schlägt.

Der KKK ist ein geschlossenes System. Die Kanalröhre hat eine Gesamtlänge von ca. 135m.

Die Messstrecke, in der die getesteten Objekte sind, ist mit 2,40m x 2,40m x 5,40m die größte der drei existierenden Kryokanäle.

In einer Schleuse wird das Modell installiert. Schließlich wird die Temperatur abgesenkt und das Modell in den eiskalten Kanal gebracht. Um den Kanal auf eine Temperatur von 100 Kelvin herunterzukühlen werden insgesamt 50 Tonnen (62.000 Liter) Flüssigstickstoff in den Kanal eingespritzt, der dort verdampft. Übrigens: Der Stickstoffanteil von Luft beträgt: ca. 79%. Pro Stunde kühlt der Kanal um ca. 20 Kelvin ab. Um eine Messtemperatur von 100 Kelvin zu erreichen werden also rund 10 Stunden Abkühlungszeit benötigt. Ein enormer Zeitaufwand, wenn man bedenkt, dass die Messung eines Modells nicht unbedingt länger als 3 Minuten dauert. Treten Probleme beim Modell auf muss der Kanal wieder aufgewärmt werden muss, was ebenso viel Zeit in Anspruch nimmt, wie die Abkühlung.

Wenn die Messung beginnt, erzeugt ein Gebläse schließlich maximale Messgeschwindigkeiten bis zu 0,38 Mach. Dies entspricht rund 420 km/h.

Getestet werden können die Druckverhältnisse an Tragflächen oder Strömungszustände bei denen gefährliche Strömungsabrisse stattfinden, die zum augenblicklichen Verlust des Auftriebs führen.

Zur Zeit wird am KKK eine Vorentwicklungsstufe für den A3XX getestet, um die Position der Start- und Landeklappen zu optimieren. Im Kanal werden die beim Start vorhandene Reynolds-Zahl (14 Millionen) und Geschwindigkeit (0,17-0,25 Mach) simuliert. Modell ist ein zweidimensionales Profil eines Tragflächenausschnitts. Verändert man den Anstellwinkel bei Start oder Landung werden bis zu einem bestimmten Punkt höhere Auftriebswerte erreicht. Werden die Winkel allerdings immer steiler kommt es irgendwann zu einem Strömungsabriss, der durch fluoreszierende Wollfäden im Windstrom sichtbar gemacht wird.

Die Windkanäle der DLR:

Harald Raabe
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(c)  1999 Westdeutscher Rundfunk

Sendedatum: 08.06.1999