Tunele aerodynamiczne mają współcześnie wiele zastosowań. Najczęściej służą do prowadzenia szczegółowych badań modeli konstrukcji narażonych w trakcie eksploatacji na znaczne siły oporu powietrza występujące przy dużych prędkościach. Zaprojektowanie odpowiedniej aerodynamiki pozwala osiągnąć konstruktorom optymalną wydajność energetyczną, wysoki poziom bezpieczeństwa, pożądaną akustykę i komfort użytkowania. Pomimo coraz doskonalszych symulacji komputerowych, testowanie obiektów w warunkach fizycznych (nawet w pomniejszonej
skali) stanowi cenne źródło danych pomiarowych dla naukowców i konstruktorów z branży lotniczej, motoryzacyjnej, transportowej i innych.
Alternatywnym rodzajem tuneli są pionowe obiekty przeznaczone dla ludzi, napędzane ogromnymi wentylatorami, w których możliwe jest uzyskanie prędkości ruchu mas powietrza do około 320 km/h. Pierwszy obiekt tego rodzaju powstał w Las Vegas 40 lat temu i służył wyłącznie rozrywce. Szybko okazało się, że oprócz naśladowania skoku z samolotu bez spadochronu i wykonywania przeróżnych ewolucji w powietrzu, instalacje te znakomicie nadają się do szybkiego, taniego i bezpiecznego ćwiczenia skoczków spadochronowych, którzy polubili tzw. spadanie swobodne. Standardowe skoki są w takim przypadku wykonywane z wysokości 4 tys. metrów i trwają około 50 sekund. W tym czasie skoczkowie muszą odpowiednio balansować ciałem, wykonując kontrolowane figury oraz tworząc układy choreograficzne. To wszystko odbywa się przy prędkości spadania około 180 km/h.
Tymczasem w południowo-zachodnich Chinach uruchomiono największy na świecie tunel aerodynamiczny przeznaczony do badań obiektów w warunkach prędkości hipersonicznych (naddźwiękowych). Można w nim symulować prędkość poruszania się obiektów od 2,5 do 11,5 kilometrów na sekundę (ponad 41 tys. km/h), a więc do nawet 33-krotnej prędkości dźwięku.
Podstawowymi zastosowaniami tunelu będą badania nowych modeli samolotów naddźwiękowych, zagadnienia związane z osiąganiem pierwszej i drugiej prędkości kosmicznej oraz dotyczące kapsuł pojazdów kosmicznych. Średnica tunelu nie robi może wrażenia, bo wynosi tylko 80 cm, jest jednak dwukrotnie większa od innych tego rodzaju obiektów na świecie, np. X3 Expansion Tube Uniwersytetu w Queensland w Australii. Największym tunelem naddźwiękowym w Polsce jest z kolei instalacja o przekroju kwadratu o długości boku 60 cm w Laboratorium Badań Aerodynamicznych Instytutu Lotnictwa, należąca do Centrum Nowych Technologii w Sieci Badawczej Łukasiewicz. Tunel ten jest typu wydmuchowego, z częściową recyrkulacją powietrza. Umożliwia osiągnięcie prędkości do 2,3 Ma przez 3 minuty, dzięki dwóm zbiornikom sprężonego powietrza o objętości łącznej wynoszącej 2880 m3 i maksymalnym ciśnieniu 6,5 atm.
Wymuszanie dużych prędkości liniowego przepływu mas gazu było wyzwaniem dla naukowców od chwili, gdy 14 października 1947 roku samolot XS-1, pilotowany przez Chucka Yeagera, po raz pierwszy przekroczył prędkość dźwięku. Zachowanie pojazdów latających w warunkach prędkości naddźwiękowej stało się istotnym elementem rozwoju lotnictwa odrzutowego, pocisków rakietowych i rakiet kosmicznych. Początkowo stosowane w tym celu tunele były bardzo niedoskonałe, gdyż zamiast powietrza stosowano w nich niewygodny i niebezpieczny wodór.
Jako pierwszy tunel napędzany ruchomym tłokiem wypróbował w latach 60. biegłego stulecia australijski inżynier kosmiczny Raymond Stalker. Od jego nazwiska pochodzi nazwa tego rozwiązania – rura Stalkera. Zaproponował on zastosowanie w układzie azotu pod wysokim ciśnieniem jako napędu tłoka. W ten sposób tłok, rozpędzony do kilkuset km/h, przebijał kolejne membrany na jego drodze, w każdej kolejnej powodując powstanie gwałtownych, gorących od sprężania, fal uderzeniowych. Rozwiązanie Stalkera rozwinęli Chińczycy.
Innowacyjny jest sposób wymuszenia szybkiego ruchu powietrza. Jest nim tłok o masie aż 840 kg, który poruszając się musi wielokrotnie wytrzymać ogromne ciśnienie powodowane przez sprężanie powietrza w rurze tunelu. Wymagało to zastosowania najnowocześniejszych materiałów oraz pozwoliło na obniżenie kosztów eksploatacji tunelu za sprawą wysokiej trwałości jego kluczowego elementu. Sukcesem było też istotne ograniczenie wibracji powodowanych przez nagłe wprawienie w ruch tłoka dzięki opróżnieniu zbiornika z azotem pod wysokim ciśnieniem.
Wracająca popularność samolotów naddźwiękowych oraz rozwój systemów rakietowych powodują, że rośnie zapotrzebowanie na badania fizycznych obiektów w naddźwiękowych tunelach aerodynamicznych. Opór powietrza stanowi główny czynnik wpływający na zachowanie samochodów poruszających się z prędkościami już powyżej 65 km/h. Im większa prędkość, tym bardziej rośnie potrzeba zadbania o aerodynamikę obiektów oraz ich odpowiednie zabezpieczenie przed nadmiernym tarciem w atmosferze. Dodatkowym komplikatorem jest spadek ciśnienia atmosferycznego, a więc i ilości tlenu, wraz ze wzrostem wysokości nad poziomem morza. Powoduje to mnóstwo wyzwań dla projektantów np. samolotów naddźwiękowych, których silniki muszą zapewnić niezbędny ciąg w szerokim zakresie prędkości i wysokości, a skrzydła odpowiednią siłę nośną. Ale to już temat na inną opowieść.
Krzysztof Hajdrowski
