-A A +A

Het Von Karman Instituut, een briesje voor de wetenschap

Sint-Genesius-Rode, 31 januari 2008. Het Von Karman Instituut (VKI) is een federale non-profit onderwijs- en onderzoeksinstelling. Er zijn drie belangrijke departementen: lucht- en ruimtevaart, turbomachines en aandrijving en tenslotte omgevingsstromingen en industriële toepassingen. Hangar Flying kreeg een rondleiding van de Italiaanse professor directeur  Mario Carbonaro en van professor Herman Deconinck.

  Professor directeur Mario Carbonaro geeft informatie over het onderzoek dat gebeurde voor de bouw van het Princess Elisabeth Antarctic Research Station. Met gekleurd zand werd de sneeuwophoping rond het station gesimuleerd. Op Antarctica heersen windsnelheden van 375 km/h. De sneeuw wordt door de opening tussen de vaste grond en de bodem van het station weggeblazen en zal de ingang dus niet versperren. Om het station goed te kunnen verankeren mocht de opening niet te groot zijn, men moest immers vermijden dat het station door de hevige windvlagen zou opgetild worden. Ook een model van de Umicore Solar Car van de Leuvense Groep T werd hier getest. De wagen haalde in 2007 een eervolle tweede plaats in de Australische Panasonic World Solar Challenge.

Beginjaren
In 1919 werd in België het Bestuur der Luchtvaart opgericht met kolonel Van Crombrugge als eerste directeur-generaal. Om ons land een volwaardige luchtvaartindustrie te bezorgen was er een wetenschappelijke onderzoeksinstelling nodig. Er werd een lap grond gekocht in Sint-Genesius-Rode. In 1922 werd daar de bouw beëindigd van het eerste instituut voor aerodynamisch onderzoek, het huidige Von Karman Instituut. In de beginjaren was het ministerie van defensie verantwoordelijk voor het centrum en bestond het kader vooral uit militairen. Later werd het overgedragen aan het ministerie van communicatie, het huidige ministerie van verkeerswezen. Sinds enkele jaren is het VKI afhankelijk van de federale dienst van wetenschapsbeleid. In 1935 werd een tweede gebouw geopend en in 1949 volgde een derde uitbreiding. Midden jaren vijftig kregen de studenten en werknemers ook toegang tot een aangrenzend recreatiedomein van het ministerie van verkeerswezen. Het sportterrein werd op het einde van de jaren negentig opgedoekt, het ligt er nu verlaten bij en de directie hoopt er in de toekomst de labo’s van het VKI te kunnen uitbreiden. Dankzij de internationale reputatie die het centrum geniet, kunnen hier veel gespecialiseerde onderzoeksopdrachten worden uitgevoerd. Aanvragen voor research komen o.a. van de luchtvaartbedrijven Embraer, MTU, Rolls-Royce, Snecma, Sonaca en Techspace Aero.

De ongeveer honderd studenten en onderzoekers worden gesteund door een even groot aantal vaste medewerkers. De meeste onderdelen van de testopstellingen worden door vakmensen gemaakt in de eigen ateliers van het VKI. Het hoeft geen betoog dat dit ook experten zijn in de behandeling van verschillende soorten van materialen. Hier wordt zowel gewerkt met kunststoffen, staal of aluminium.

Pioniers
De geschiedenis van het onderzoekscentrum is verbonden met luchtvaartpioniers waarvan de namen klinken als een klok. Professor Emile Allard (1883-1950) was de eerste directeur. Samen met Henri Farman leerde hij in 1909 vliegen in het Franse Mourmelon. Op 31 maart 1910 werd hij de vierde piloot die een Belgisch vliegbrevet mocht ontvangen. Samen met Léon de Brouckère bouwde Allard een eigen tweedekker. Tijdens de Eerste Wereldoorlog werd hij militair piloot. Allard zou een belangrijke rol spelen bij de ontwikkeling van de luchtvaart in Belgisch Congo. De professor gaf de eerste cursussen aerodynamica aan de Belgische universiteiten. Tijdens de afleveringsvlucht van een Handley Page W8f in 1924 hoorde een assistent hem zeggen “Een mens vraagt zich af hoe zoiets vliegt”.  

Een tweede luchtvaartpionier die zijn stempel drukte op dit centrum is Nicolas Florine (1891-1972). De jonge tot Belg genaturaliseerde wiskundige en ingenieur van Russische afkomst, kreeg de opdracht om het laboratorium uit te bouwen. Florine raakte gepassioneerd door helikopters. Piloot en ingenieur Robert Collin kon op 25 oktober 1933 een onofficiële recordvlucht uitvoeren met de Florine II. Deze duurde bijna tien minuten. Op de plaats waar de vlucht plaatsvond, aan de huidige ingang van het VKI, staat een kleine gedenkplaat.

Prins Nicolas van Roemenië bij een bezoek aan het labo te Sint-Genesius-Rode (1933). Merk de grote windtunnel, op de voorgrond staat de Florine II.

(Archief Alphonse Dumoulin) 

Theodore von Karman werd in 1881 in Budapest geboren als zoon van Joodse ouders. Het idee dat wetenschappers internationaal moesten samenwerken werd hem met de paplepel ingegeven. Na een korte periode als professor aan de Technische Universiteit van Aken emigreerde hij naar de Verenigde Staten en het pas opgerichte Guggenheim Aeronautical Laboratory van het California Institute of Technology (Los Angeles) stelde hem in 1930 aan als directeur. In 1955 adviseerde von Karman om een centrum op te richten dat open stond voor een internationaal gezelschap van onderzoekers. Onder de auspiciën van AGARD (Advisory Group for Aerospace Research and Development, nu de NATO Research and Technology Organisation) werd dit centrum in Sint-Genesius-Rode vanaf 1956 opgezet als een internationale onderwijs- en onderzoeksinstelling. Tot zijn dood in 1963 bleef von Karman voorzitter van de beheerraad van het instituut. Vanaf dan werd het instituut ook naar deze beroemde wetenschapper genoemd.

De grootste windtunnel in België heeft een diameter van drie meter en werd gebouwd door het Zwitserse Escher Wyss AG. Met contraroterende fanbladen die een diameter hebben van 4,2 meter kan een permanente windstroom van 220 km/h opgewekt worden. Ook de turbulente luchtstroom rond hoogbouw wordt hier gesimuleerd.

Tweede Wereldoorlog
Op het terrein van het VKI staan nog twee gebouwen die tijdens de Tweede Wereldoorlog opgetrokken werden als kwartieren voor Duitse soldaten. Een belangrijk deel van de grootste windtunnel werd door de Duitse bezetter vernietigd om plaats te maken voor een radarcentrum. Net voor de bevrijding werd de Duitse radarinstallatie grotendeels vernietigd. Ik vraag me af of de afgeschreven Würzburg-radar die in Humain (Marche-en-Famenne) staat misschien een overblijfsel is van de Duitse radarpost uit Sint-Genesius-Rode. De Würzburg is nu eigendom van de Koninklijke Sterrenwacht van België en smeekt om bescherming.

Professor Herman Deconinck (rechts) bij de testsectie van een Duitse windtunnel.

In het VKI staat ook nog een testsectie van een hypersone windtunnel (bedoeld voor zeer hoge supersone snelheden). Na de bombardementen op Peenemünde was het raketonderzoek door de Duitsers overgebracht naar het veiliger gelegen Kochel in de Beierse Alpen. Deze windtunnels werden na de Tweede Wereldoorlog door de Amerikanen meegenomen uit Kochel en overgebracht naar het Naval Ordnance Laboratory (White Oak/Maryland). Eén van deze tunnels werd in 1958 aan het VKI geschonken en bleef operationeel tot in 1980. In de testkamer werden snelheden gehaald tot mach 10. De Duitsers gebruikten dit soort van windtunnels voor het onderzoek naar hun Vergeltungswaffen. Als ik naast het overblijfsel van deze windtunnel sta besef ik maar al te goed hoe ver ze gevorderd waren in hun technologisch onderzoek. De huidige windtunnels werken nog steeds volgens dezelfde principes.

Natuurlijk zitten er tussen de onderzoekers ook enkele grapjassen. Op de longshot windtunnel werd een klein houten speelgoedkanon vastgebonden. In de 27 meter lange loop van de longshot wordt eigenlijk een schot afgevuurd dat een gas door een zeer kleine opening perst. Via een straalpijp volgend op deze opening wordt de maquette dan blootgesteld aan hypersonische luchtsnelheden.

Heden
In het VKI staan verschillende types van windtunnels. De proefopstellingen variëren van lage tot hypersonische snelheden. Naast de traditionele windtunnels vinden we er bv. ook een plasmatron. In de opgewekte plasmatoorts van 6000° C worden de tegels van het hitteschild van een ruimtetuig getest. Als twee professoren een geanimeerde discussie beginnen over de vraag of 10.000 °C op aarde hetzelfde is als 10.000° C op de zon, mengt ondergetekende zich niet al te veel in de academische discussie. Ondertussen zie ik dat de testsectie die ik van de plasmatron te zien krijg eigenlijk maar een klein onderdeel is van een erg groot apparaat. Van in de kelder tot op het dak bevinden zich vacuümpompen en waterkoelingssystemen om de toch wel zeer kleine testkamer af te koelen. In het VKI wordt ook fundamenteel onderzoek verricht rond vliegtuiglawaai, er staan waterbassins om stromingen te simuleren, enz. Ongeveer driekwart van het werk is bestemd voor de lucht- en ruimtevaartsector met inbegrip van vliegtuigmotoren en aandrijving.

De testkamer van een hypersonische windtunnel. Hier worden snelheden opgewekt tot mach 14. De voorbereiding van de test kan een dag duren. De fase waarin de maquette aan de hypersonische snelheid wordt blootgesteld duurt amper 15 milliseconden. De resultaten worden gefilmd door een camera van 70.000 FPS (frames per second, beelden per seconde.)  Een gewone 16mm filmcamera haalt amper 40 FPS.

Computers zijn natuurlijk alom vertegenwoordigd in het VKI. Numerieke Stromingsmechanica (Computational Fluid Dynamics) is een vrij jonge tak van de stromingsleer (ontstaan op het einde van de jaren ’60). Daarbij worden via complexe rekenprogramma’s (o.a. zelf ontwikkeld op het VKI) de meest complexe stromingen gesimuleerd op zgn. parallelle rekenplatformen. Ze vervangen de proeven in de windtunnels niet, ze zijn eerder complementair. Met computers wordt bv. eerst de proefopstelling in kaart gebracht alvorens tot het eigenlijke testen in windtunnels over te gaan. Naderhand worden de complexe computermodellen bijgestuurd. Het computercentrum huist in tijdelijke, houten kantoren. Expansie is dus dringend nodig. 

De maquettes die in de grote testinstallaties worden gebruikt zijn doorgaans erg klein.

In deze proefopstelling worden ondermeer de turbinebladen van straalmotoren getest. Ook de warmteoverdracht tussen hete gassen en koude bladen wordt nagebootst en gemeten via temperatuursensoren. De dunne buisjes maken de verbinding tussen de druk op het model in de testkamer en de druksensoren.

Het VKI wordt gefinancierd door de Belgische federale overheid en door belangrijke bijdragen van enkele NAVO-landen. De samenwerking met bedrijven en de sponsoring via projecten met ESA (Europese Ruimtevaart Organisatie), de Europese Unie en het IWT (Instituut voor de aanmoediging van Innovatie door Wetenschap en Technologie in Vlaanderen) zorgt voor de resterende 40% van de inkomsten. Hier kan een internationale schare studenten een postuniversitaire opleiding genieten (master na master). De academici hebben bovendien veel voeling met het bedrijfsleven. Tijdens mijn wandeling door dit wetenschappelijk instituut ondervind ik hoe gepassioneerd de studenten hier aan testbanken zitten en resultaten analyseren. Wetenschap is fun, denk ik dan.      

Frans Van Humbeek
Foto’s: Paul Van Caesbroeck