Eisige Rekordorkane

In Köln entsteht der modernste Windkanal der Welt

Von Anatol Johansen

Im Windmachen waren die Deutschen schon zu Kaisers Zeiten nicht zu schlagen. Der Göttinger Professor Ludwig Prandtl entwickelte Anfang des Jahrhunderts die moderne Strömungslehre, als deren Vater er heute gilt. Bereits 1908 errichtete er seinen ersten Windkanal. Heute erinnern an den Gelehrten neben Gedächtnis-Vorlesungen auch Geräte, die er ersonnen hat, zum Beispiel das Prandtl-Rohr, eine Sonde zur Messung des Staudrucks in einer Strömung. Die Physiker kennen auch das Zeichen Pr, eine Kennzahl für die Wärmeübertragung in Strömungen.

Die deutsche Tradition des großen Blasens setzte sich dann bis in den Zweiten Weltkrieg hinein fort: In Peenemünde entstand der seinerzeit leistungsfähigste Windtunnel. Er diente speziell der aerodynamischen Optimierung der ersten Großrakete der Welt, der V2, die dann wenig später auf London und andere europäische Ziele abgefeuert wurde. Noch kurz zuvor hatte Lord Cherwell, der wissenschaftliche Berater der englischen Regierung, erklärt, ein solches Ding könne aus rein physikalischen Gründen nicht fliegen und sei ein Propaganda-Coup der Deutschen.

Nach dem militärischen Mißbrauch der Aerodynamik war es kaum verwunderlich, daß 1945 die Siegermächte in Deutschland alles, was an Windkanäle erinnerte und den Krieg überstanden hatte, demontierten und teilweise bei sich selbst wieder aufbauten. So trat in den hiesigen Labors zunächst einmal eine völlige Windstille ein, die mehr als ein Jahrzehnt andauerte. Als dann schließlich wieder in recht bescheidenem Maße "angeblasen" wurde, waren andere Industrienationen mit ihren Kapazitäten zur Windherstellung für geschlossene Meßstrecken weit voraus.

Die erste, wirklich große Anlage mit deutscher Beteiligung wurde Ende der siebziger Jahre der deutsch-niederländische Windkanal (DNW), der 1980 im Noord-Oost-Polder am Rande des Ijsselmeeres in Betrieb ging. Dort kann ein gewaltiges Gebläse (Dauerleistung: dreizehn Megawatt) Luft mit einer Geschwindigkeit von 450 Kilometer pro Stunde durch eine zwanzig Meter lange Meßkammer jagen, deren Querschnitt acht mal sechs Meter beträgt. Damit schuf sich Europa eine Forschungsstätte, die mindestens so gut war wie vergleichbare Einrichtungen der USA. Kein Wunder, daß alsbald einige Modelle des europäischen Airbus im DNW aerodynamisch erfolgreich optimiert wurden.

Doch der DNW, in dem der Wind nur mit etwa 450 Kilometer pro Stunde bläst, konnte neben Start und Landungen nicht alle Flugzustände simulieren, denn moderne Düsenverkehrsmaschinen erreichen Geschwindigkeiten bis zu 1000 Kilometer pro Stunde. Alsbald gingen also die Vorbereitungen und das Gerangel um einen sogenannten Transschall-Windkanal los, den mehrere europäische Nationen auf ihrem Territorium errichtet sehen wollten, ehe die Bundesrepublik den Zuschlag erhielt. Ein solcher Windtunnel, dessen Grundstein kürzlich bei der Deutschen Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln-Porz gelegt wurde, soll Windgeschwindigkeiten bis über die Schallgrenze hinaus (Mach 1,3) ermöglichen und damit den gesamten Bereich des Fluges moderner Passagierjets abdecken – unerwartete Sturzphasen inklusive.

Eisige Rekordorkane

Das neue am Europäischen Transschall Windkanal (ETW) wird unter anderem sein, daß die Flugzeugmodelle nicht in einem Luftstrom vermessen werden wie bei herkömmlichen Anlagen. Statt dessen soll in der 2,4 mal 2 Meter großen Meßkammer ein eisiger Stickstoff-Sturm herrschen, der selbst die meteorologischen Verhältnisse der Antarktis als erquickende Sommerfrische erscheinen läßt: Der tiefgekühlte Stickstoff, der mit Temperaturen um 200 Grad minus in den Windtunnel gepumpt wird, steht innerhalb der Teststrecke unter 4,5 bar Überdruck und rast mit Geschwindigkeiten durch den Meßsektor, die bis in den Überschallbereich gehen.

Messen bei minus 200 Grad

Dadurch erhält man ein sehr dichtes Strömungsmedium, das über einen weiten Geschwindigkeitsbereich sehr exakte Messungen an Flugmodellen zuläßt. Eine kritische Größe ist dabei die sogenannte Reynolds-Zahl – so benannt nach dem renommierten englischen Strömungsforscher Osborne Reynolds, der sich speziell um die Erforschung der laminaren (glatten) und turbulenten Strömung verdient gemacht hat. Für die Praxis bedeutet die Reynolds-Zahl grob vereinfacht: Je höher ihr erreichbarer Wert ist, desto zuverlässiger sind die Messungen. (Genauer genommen, gibt sie das Verhältnis von Trägheits- zu Reibungskräften an und ist ein Maß für das Umschlagen einer laminaren in eine turbulente Strömung.)

So werden bei einem realen Flug etwa Reynolds-Zahlen von fünfzig Millionen erreicht, bei herkömmlichen Windkanal-Versuchen dagegen liegt der Wert bei nur etwa zehn Millionen. Der neue Europäische Transschall Windkanal soll aber künftig auch Reynolds-Zahlen von annähernd fünfzig Millionen erreichen und damit recht genaue Voraussagen des Flugbetriebes einer geplanten Maschine ermöglichen – ein äußerst wichtiges Verkaufsargument für in der Entwicklung stehende Verkehrsmaschinen, die ja heute schon lange vor dem Erstflug von den Fluglinien fest bestellt werden.

Der ETW, so heißt es im Bonner Forschungsministerium, sei "die mit Abstand anspruchsvollste Spitzentestanlage für Flugzeugmodelle". Sie werde "in ihrer Leistungsfähigkeit die entsprechende Anlage der NASA voraussichtlich übertreffen". Allerdings hat sie auch ihren Preis – 660 Millionen Mark, von denen die Bundesrepublik 38 Prozent, Frankreich und Großbritannien je 28 Prozent und die Niederlande 6 Prozent beisteuern. 1994 soll angeblasen werden, doch brauchen auch dann die amerikanischen Aerodynamiker angesichts des eisigen Sturms in der 68 Meter langen Betonröhre in Köln-Porz keine Beklemmungen bekommen: Die Anlage wird – wie im übrigen auch der DNW – allen potentiellen Benutzern offenstehen. Die Nachfrage dürfte allerdings sehr groß sein – man geht davon aus, daß sich der Betrieb der Forschungsanlage künftig selbst tragen wird.

Allerdings möchte ein Kunde möglichst nicht beim ETW Schlange stehen. Manfred Fuchs, Chef der kleinen Bremer Firma OHB-System, will ein neues Meßverfahren für den Transschall-Bereich entwickeln. Er plant, demnächst ein sieben Meter langes, mit Meßsonden bestücktes Raumtransporter-Modell über Südfrankreich von einem Stratosphären-Ballon in 40 bis 45 Kilometer Höhe tragen zu lassen und dort auszuklinken. Im freien Fall, der später (hoffentlich) mit einer weichen Landung endet, soll das Modell die Schallmauer durchbrechen, Mach 1,4 erreichen und dabei Meßdaten zur Erde funken. Ob und wieweit dieses Prinzip Windkanal-Messungen teilweise ersetzen oder ergänzen kann, muß sich noch zeigen.