Polska ma tunel aerodynamiczny za 105 mln zł. Będą w nim puszczać bańki mydlane

Polska infrastruktura badawcza właśnie zyskała narzędzie, które może odegrać ważną rolę nie tylko w rozwoju lotnictwa, ale również przemysłu obronnego, sektora kosmicznego i nowoczesnych technologii wykorzystywanych zarówno do celów cywilnych, jak i wojskowych.

W Łukasiewicz - Instytucie Lotnictwa zakończyła się modernizacja tunelu aerodynamicznego T-3. Inwestycja o wartości 105 mln zł została sfinansowana z Krajowego Planu Odbudowy i praktycznie od podstaw odmieniła możliwości jednego z najważniejszych obiektów badawczych tego typu w Polsce.

Najbardziej zaskakujące jest jednak to, w jaki sposób naukowcy potrafią dziś "zobaczyć" niewidzialne powietrze. Zamiast tradycyjnej mgły olejowej wykorzystują miliony mikroskopijnych baniek mydlanych wypełnionych helem, które poruszają się z prędkością dochodzącą do 352 km/h. Dzięki nim można stworzyć niezwykle dokładną trójwymiarową mapę przepływu powietrza wokół badanego obiektu.

Tunel aerodynamiczny T-3 działa od około 70 lat i przez dekady był jednym z najważniejszych obiektów badawczych polskiego lotnictwa. Modernizacja pozostawiła jedynie betonową konstrukcję. Wymieniono praktycznie wszystkie najważniejsze elementy odpowiedzialne za prowadzenie badań.

Nowe okładziny, przebudowana przestrzeń pomiarowa, nowoczesne stanowiska badawcze oraz systemy pomiarowe sprawiły, że T-3 stał się laboratorium odpowiadającym światowym standardom. Celem inwestycji było nie tylko zwiększenie możliwości prowadzenia krajowych projektów badawczych, lecz także przyciągnięcie klientów zagranicznych oraz budowanie technologicznej niezależności Polski.

Z tunelu korzystać mogą firmy projektujące bezzałogowce, rakiety, pojazdy wojskowe, samochody, turbiny wiatrowe czy elementy statków kosmicznych. Coraz większe znaczenie mają również technologie dual use, czyli rozwiązania znajdujące zastosowanie jednocześnie w sektorze cywilnym i obronnym.

Zanim powstanie pełnowymiarowy samolot, samochód czy nowa łopata turbiny wiatrowej, konstruktorzy muszą sprawdzić, jak dany obiekt zachowuje się w przepływającym powietrzu. W praktyce oznacza to analizę sił aerodynamicznych, oporów oraz zawirowań powstających wokół konstrukcji.

Teoretycznie można byłoby rozpędzić testowany obiekt i obserwować go podczas jazdy lub lotu. W praktyce byłoby to bardzo kosztowne i trudne do kontrolowania. Dlatego w tunelu aerodynamicznym nieruchomy model umieszcza się w strumieniu bardzo szybko poruszającego się powietrza. Efekt fizyczny pozostaje taki sam, ale warunki eksperymentu można precyzyjnie kontrolować i wielokrotnie powtarzać.

Tunel T-3 pozwala rozpędzić powietrze do prędkości 100 m/s, czyli około 360 km/h.

Największym problemem podczas badań aerodynamicznych jest fakt, że samo powietrze jest całkowicie przezroczyste. Aby przeanalizować jego ruch, konieczne jest dodanie do niego cząstek, które będą wiernie podążały za przepływem.

Przez wiele lat wykorzystywano w tym celu mgłę olejową przypominającą efekt stosowany podczas koncertów czy pokazów scenicznych. Rozwiązanie miało jednak istotne ograniczenia. Bardzo drobne cząstki odbijały niewiele światła lasera, przez co możliwe było badanie jedynie niewielkich fragmentów przepływu.

Naukowcy z Łukasiewicz - Instytutu Lotnictwa postawili na zupełnie inne rozwiązanie. Wykorzystują mikroskopijne bańki mydlane wypełnione helem.

Brzmi nietypowo, ale stoi za tym bardzo precyzyjna fizyka.

Zwykła bańka mydlana jest cięższa od powietrza i po chwili opada. Balon napełniony helem z kolei szybko unosi się do góry. Badacze potrzebowali czegoś pomiędzy tymi dwoma stanami.

Rozwiązaniem okazały się niezwykle małe bańki o średnicy około 400 mikrometrów, których gęstość została dobrana praktycznie idealnie do gęstości otaczającego powietrza. Dzięki temu nie opadają ani nie unoszą się samodzielnie. Poruszają się dokładnie tam, gdzie prowadzi je przepływ powietrza.

Ich dodatkową zaletą jest bardzo silne odbijanie światła laserowego. Pojedyncza bańka odbija nawet około 10 tys. razy więcej energii niż drobinki stosowanej wcześniej mgły olejowej. To pozwala kamerom rejestrować znacznie większy obszar przepływu.

Do każdej z nich centralnym kanałem doprowadzany jest hel, kolejnym specjalna ciecz tworząca błonę mydlaną, natomiast zewnętrzny strumień powietrza odcina kolejne bańki. W efekcie powstają miliony niemal identycznych cząstek każdej sekundy.

Bańki są wystarczająco trwałe, aby przez kilka minut zachowywać swoje właściwości, jednak podczas eksperymentów muszą być stale produkowane razem z przepływającym powietrzem. Nie wykorzystuje się przy tym zwykłego płynu do naczyń, lecz specjalnie opracowany preparat o dokładnie określonych parametrach fizycznych.

W trakcie eksperymentu strumień baniek jest wielokrotnie oświetlany bardzo krótkimi impulsami lasera. Kamery wykonują serię zdjęć w ułamkach sekundy i rejestrują położenie każdej bańki.

Na podstawie zmian ich położenia specjalistyczne oprogramowanie oblicza prędkość oraz kierunek ruchu powietrza praktycznie w każdym punkcie przestrzeni pomiarowej. W ten sposób powstaje niezwykle dokładna trójwymiarowa mapa przepływu.

Technika ta nosi nazwę 3D Particle Tracking Velocimetry (3D-PTV). Jeszcze kilka lat temu podobne pomiary można było wykonywać jedynie na obszarze wielkości kartki A4. Rozwój technologii baniek wypełnionych helem oraz nowych algorytmów analizy obrazu pozwolił zwiększyć objętość pomiarową nawet do około jednego metra sześciennego.

Szczególnie istotną rolę odegrały nowoczesne algorytmy typu "Shake-the-Box", które potrafią śledzić jednocześnie ogromną liczbę poruszających się cząstek. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie rozdzielczości pomiarów liczonej w pojedynczych milimetrach.

Tak dokładne pomiary pozwalają konstruktorom szybciej wykrywać miejsca, w których powstają niekorzystne zawirowania powietrza lub nadmierne opory aerodynamiczne. To przekłada się na możliwość projektowania bardziej ekonomicznych samolotów, wydajniejszych turbin wiatrowych, cichszych dronów czy bardziej efektywnych rakiet.

W przypadku przemysłu obronnego oznacza to również możliwość opracowywania nowoczesnych bezzałogowców, pocisków oraz innych systemów, których osiągi w dużym stopniu zależą od właściwości aerodynamicznych.

Historia tunelu T-3 jest równie interesująca jak jego współczesne możliwości. Przez dziesięciolecia badano tu między innymi konstrukcje samolotów PZL-104 Wilga oraz M18 Dromader. Testowano również budynki wysokościowe, analizując wpływ silnego wiatru na ich konstrukcję.

Jednym z nowszych projektów była rakieta Bursztyn, która w 2024 r. przekroczyła granicę kosmosu. Zanim wzbiła się w powietrze, jej właściwości aerodynamiczne również sprawdzano właśnie w tunelu T-3.

Nietypowym zastosowaniem obiektu były treningi reprezentacji Polski w skokach narciarskich. Skoczkowie unosili się w strumieniu powietrza tak długo, jak pozwalała im wytrzymałość fizyczna, podczas gdy trenerzy mogli na bieżąco korygować ich pozycję. W przeciwieństwie do prawdziwego skoku, który trwa zaledwie kilka sekund, tutaj zawodnicy mogli przez długi czas ćwiczyć właściwe ułożenie ciała.

Po zakończonej modernizacji tunel T-3 otwiera nowy rozdział swojej historii. Dzięki połączeniu nowoczesnych technik obrazowania przepływu, dużej przestrzeni pomiarowej i możliwości prowadzenia badań przy prędkościach dochodzących do 360 km/h może stać się jednym z najważniejszych ośrodków badań aerodynamicznych w Europie Środkowej.

Dla polskiego przemysłu oznacza to łatwiejszy dostęp do zaawansowanych badań, a dla krajowych naukowców szansę na realizację projektów, które jeszcze kilka lat temu wymagały korzystania z zagranicznych laboratoriów.