Aerodynamika vysokých rychlostí

Historie aerodynamiky vysokých rychlostí (AVR) v rámci Výzkumného a zkušebního leteckého ústavu (VZLÚ) nesahá až k samým počátkům této instituce, založené v roce 1922. V souladu s rozvojem letectví a českého leteckého průmyslu vyvstala potřeba intenzivního výzkumu vysokorychlostního proudění až v letech bezprostředně následujících po skončení 2. světové války. Samotné okolnosti výběru lokality pro AVR jsou natolik kuriózní, že jistě stojí za to je stručně zmínit. V době, kdy bylo již zcela zřejmé, že letectví nezadržitelně akceleruje směrem k magické rychlosti zvuku, pronesl jeden ze zahraničních návštěvníků letňanské centrály při pohledu na tehdy poškozený a nepoužívaný libeňský plynojem poznámku ve smyslu: "Tam by bylo možné vybudovat pěkný vysokorychlostní tunel." Psal se rok 1947. O dva roky později proběhly úvodní zkoušky prvního aerodynamického tunelu pro vysoké rychlosti v ČR. Od tohoto okamžiku se začalo pracoviště AVR prudce rozvíjet až do současné podoby, kdy pokrývá širokou škálu činností od letecké aerodynamiky přes aplikace v energetice až ke speciálním požadavkům ostatních odvětví průmyslu. ZAMĚŘENÍ PRACOVIŠTĚ Technická orientace AVR je definována především požadavky průmyslu na výzkum proudění plynů, při kterém nelze sledované médium považovat za nestlačitelné. Historicky nejstarší je vazba na český letecký průmysl, zejména na výrobce proudových letounů. Jen o málo mladší, avšak zdaleka neméně důležité, je spojení s oborem vnitřní aerodynamiky lopatkových strojů. Těmto dvěma směrům odpovídá také interní dělení AVR na "vnější" leteckou aerodynamiku a aerodynamiku "vnitřní", tj. proudění ve vnitřních částech strojů. Efektivní výzkum těchto stěžejních odvětví vyžaduje důsledné dodržování rovnováhy mezi třemi základními přístupy k řešení jednotlivých technických problémů, tedy mezi experimentem, teorií a matematickým modelováním. S ohledem na současný stav vědění a úroveň obdobných laboratoří v zahraničí je tedy nezbytné udržovat na jediném pracovišti nejen specialisty na vnější a vnitřní experimentální aerodynamiku, vědecké pracovníky zaměřené na teorii proudění, ale ve stále rostoucí míře i odborníky na matematické simulace a numerické výpočty. Se zvyšujícími se nároky na zpřesňování a vývoj nových měřicích metod nachází v aerodynamických laboratořích uplatnění též stále více teoretických fyziků, optiků, chemiků či absolventů z jiných technických oborů. TECHNICKÉ VYBAVENÍ VZLÚ - Aerodynamika vysokých rychlostí disponuje pro potřeby experimentu dvěma základními typy aerodynamických tunelů. Prvním z nich je aerodynamický tunel s přerušovaným chodem napojený na rezervoár podtlakového vzduchu - v případě laboratoře na pražské Palmovce je to bývalý kulový plynojem o průměru 20 m. Během provozu tunelů daného typu se nejprve odčerpá vzduch z rezervoáru a vytvoří se tak podtlak vzhledem k okolní atmosféře. Vlastní měření probíhá po otevření šoupěte ve vzduchovodu tunelu. Vlivem podtlaku je přes tunel nasáván atmosférický vzduch, který je ještě před vstupem do měřicího prostoru vysoušen a urychlován. Měření končí při poklesu rozdílu tlaků rezervoár-atmosféra na mez, při níž by již došlo k negativnímu ovlivnění (poklesu) rychlosti v měřicím prostoru. Vzhledem k energetickým a prostorovým možnostem jsou podtlakové tunely s přerušovaným chodem v laboratořích AVR využívány zejména pro potřeby letecké vnější aerodynamiky. Rozsah rychlostí v měřicím prostoru se pohybuje v závislosti na uspořádání tunelu (subsonické, transsonické, supersonické) v rozmezí daném Machovým číslem M = 0,3 - 2,2. V současné době je nejčastěji používán transsonický měřicí prostor, jehož příčný průřez činí 0,4 x 0,8 m. Druhým užitým typem jsou cirkulační aerodynamické tunely, v nichž je daný, víceméně konstantní objem vzduchu hnán pomocí výkonného kompresoru z výtlaku přes měřicí prostor a dále zpět do sání. V současnosti jsou tyto tunely na pražské Palmovce vybaveny měřicími prostory pro ověřování aerodynamických charakteristik přímých a kruhových axiálních lopatkových mříží. Modely přímých mříží se montují do kazety o rozměrech 0,1 x 0,4 m, zatímco kruhové lopatkové mříže mají vnější průměr cca 0,45 m, přičemž obvyklá délka jednotlivých lopatek je 2 - 4 cm. Vedle experimentálních aktivit tvoří velice důležitou část VZLÚ AVR i pracoviště zabývající se vývojem vlastního softwaru pro numerické výpočty aerodynamických úloh. Doposud byla vyvinuta řada programů od jednodušších, vycházejících z Eulerových rovnic (tj. stlačitelné proudění bez viskozity) přes software založený na řešení Navier-Stokesových rovnic pro laminární proudění až po Navier-Stokesovy rovnice s turbulentními modely mezní vrstvy. Nahlížíme-li technickou úroveň a celkový stav experimentálního vybavení pracoviště VZLÚ AVR, je na první pohled patrné, že nebývalý rozvoj v letech 60. a 70. minulého století se výrazně zbrzdil na přelomu let 80. a 90. Celé pracoviště bylo od počátku koncipováno na 25 let činnosti, během kterých mělo vzniknout oddělení AVR druhé generace přímo v areálu mateřského VZLÚ v Letňanech. Změna původních záměrů a výrazný útlum aktivit ve VZLÚ AVR v souvislosti s krizí průmyslových podniků a výzkumných pracovišť v první polovině 90. let způsobily, že tým pracovníků se zúžil z původních přibližně 25 na pouhých 8 včetně technického personálu. Přestože se technické vybavení udržovalo v provozuschopném stavu, díky nedostatku finančních prostředků v řadě specializací rychle zastarávalo, neboť nebylo možné reagovat na vývoj moderních měřicích metod ve světě. Díky výjimečné obětavosti zaměstnanců a mimořádnému úsilí managementu zůstaly nesmírně cenné know-how i vlastní pracoviště zachovány, aniž by byla přerušena kontinuita v předávání informací, zrušeny v České republice unikátní aerodynamické tunely a zpřetrhány vztahy s tradičními zákazníky. Přibližně od roku 2000 bylo tedy nejen možné začít s rozsáhlými rekonstrukcemi a razantní modernizací experimentální a výpočetní techniky, ale především se podařilo získat komerční zakázky i výzkumné úkoly, které umožnily další rozvoj AVR jako celku. Díky tomu je současný tým tvořen opět více než 20 odborníky a techniky a nadále se rozrůstá, zejména o mladé absolventy technických oborů a postgraduální studenty. VAZBA NA PRŮMYSL, VĚDU A VÝZKUM V NÁRODNÍM A EVROPSKÉM KONTEXTU Existence vysoce specializovaného, intelektuálně i technicky vyspělého a ekonomicky značně nákladného oboru musí být bezpodmínečně podložena zájmem o výsledky z průmyslové oblasti. Neméně důležité jsou i požadavky na celkovou národní vyspělost ve strategických odvětvích vědy a výzkumu, které pomáhají udržet ČR nezávislou a konkurenceschopnou v evropském a světovém měřítku. Aby bylo možné takových cílů dosáhnout, VZLÚ AVR velice těsně spolupracuje s českými vývojovými kancelářemi i finálními výrobci, díky čemuž se daným průmyslovým podnikům daří modifikovat stávající a stejně tak i vyvíjet zcela nové výrobky. Původní úzké zaměření na letectví a lopatkové stroje se nutně muselo rozšířit o další obory, v nichž se uplatňuje proudění tekutin, například o aplikace v textilním průmyslu (tryskové tkací a mykací stroje). S ohledem na budoucnost se tento trend jeví jako nezbytný pro udržení vysoké úrovně daného vědního odvětví u nás a je ze strany VZLÚ maximálně podporován. Samotné průmyslové aplikace však nejsou pro vědecký rozvoj postačující. Proto se tým AVR zapojuje do výzkumných projektů podporovaných různými ministerstvy České republiky i Evropskou unií. Vědečtí pracovníci se pravidelně aktivně účastní odborných konferencí, což jednak pomáhá zvýšit prestiž mateřské instituce (a tedy i vědy v ČR), jednak umožňuje efektivně získávat nejnovější informace o trendech a výsledcích ve světě. V současnosti je ve VZLÚ AVR řešen jeden výzkumný záměr MŠMT, jeden projekt v programu TANDEM (MPO), dva mezinárodní projekty zabývající se leteckými aplikacemi (integrovaný projekt FRIENDCOPTER a projekt kategorie STREP ADELINE). Společně s Aerodynamikou nízkých rychlostí je AVR zapojena do projektu Network of Excellence - European Windtunnel Association. Řešeny jsou grantové projekty GA ČR a AV ČR. VÝHLED DO BUDOUCNOSTI Zvažujeme-li možnosti dalšího působení pracoviště VZLÚ - Aerodynamika vysokých rychlostí v evropském výzkumném prostoru, můžeme konstatovat, že tato laboratoř má k dispozici velmi solidní technické vybavení, které se v některých případech řadí k evropské špičce (cirkulační tunely pro "vnitřní" aerodynamiku). V případě výzkumu vysokorychlostního proudění okolo modelů letounů, křídel či jednotlivých částí letadel nejsou naše měřicí prostory srovnatelné s největšími průmyslovými tunely zahraničních institucí. Nicméně zavádění nových měřicích metod a na evropské poměry nízké provozní náklady činí z těchto tunelů velice vhodné zařízení pro základní i aplikovaný výzkum či pro průmyslové zkušebnictví některých leteckých komponent, jako jsou například různé aerodynamické sondy atd. Jak bylo zmíněno dříve, efektivní rozvoj pracoviště není možný bez těsné spolupráce s různými průmyslovými odvětvími na všech hlavních tématech řešených v rámci výzkumných projektů i komerčních zakázek. Mezi velice důležité aktivity patří těsná spolupráce s technickými univerzitami. Jedná se nejen o společné projekty, ale stále častěji vypisují odborné katedry témata diplomových či disertačních prací v součinnosti sAVR a noví absolventi a doktorandi posléze přecházejí jako řádní zaměstnanci VZLÚ přímo do laboratoří na Palmovce. A právě tento fakt dává reálnou naději, že pracoviště vysokorychlostní aerodynamiky oslaví v rámci VZLÚ ještě řadu kulatých výročí. JIŘÍ ULRYCH VZLÚ, PRAHA