Militärflugzeuge im Windkanal – so wurde die ETH zur Aerodynamik-Pionierin
Fünf Männer sind konzentriert bei der Arbeit. Sie messen, rechnen, zeichnen, wägen. Vermutlich sind sie angehende oder ausgebildete Flugingenieure. Sie sitzen, stehen, knien und sind nicht nur umgeben von Zeichenutensilien, Rechenmaschinen und Waagen, sondern auch von einigen Flugzeug- und Flügelmodellen.
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Das gezeigte Bild wurde am 22. Juni 1955 vom Photographischen Institut der ETH Zürich aufgenommen. Es zeigt den Messraum oberhalb des Windkanals des Aerodynamischen Instituts der ETH. Heute wissen wir, dass die Fotografien aus dieser Reihe inszeniert und die Aufstellung der messenden Männer choreographiert wurden.
Die abgebildeten Modelle existieren immer noch, sie gehören heute zur Sammlung wissenschaftlicher Instrumente und Lehrmittel der ETH-Bibliothek. Die Sammlung gilt als materielles Gedächtnis der ETH und umfasst Objekte, die dort in Lehre und Forschung seit ihrer Gründung 1855 verwendet wurden. Diese stammen aus den unterschiedlichsten Disziplinen, wie beispielsweise der Informatik, der Mathematik, der Astronomie, der Geobotanik oder eben auch der Aerodynamik.
Der erste Lauf am Silvesterabend
Die Geschichte der Aerodynamik an der ETH Zürich begann in den 1920er-Jahren. Zunächst äusserte das Schweizer Militär das Bedürfnis nach einer aerodynamischen Forschungs- und Prüfanstalt. Als der 1928/29 erstmals dort angebotene Jahreskurs für Flugingenieure auf sehr grosses Interesse stiess, galt dies als Bestätigung dafür, wie wichtig das Flugwesen geworden war. 1931 beschloss die ETH-Leitung trotz finanzieller Engpässe, im Maschinenlaboratorium ein aerodynamisches Labor einzurichten. Ein Kostenaufstellungsbericht von 1933 zeigt, dass es sowohl für die Forschung und Lehre als auch für die Nutzung von Privaten und Behörden geplant war.
Der bereits als Privatdozent an der ETH wirksame Jakob Ackeret (1898‒1981) wurde mit dessen Aufbau beauftragt. Ackeret wurde zur zentralen Figur für die Zürcher Aerodynamik. Er hatte am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen bei einem der bekanntesten Aerodynamiker, Ludwig Prandtl (1875‒1953), studiert. 1934 wurde Ackeret zum ordentlichen Professor an der ETH ernannt und übernahm die Leitung des bisherigen Labors, das inzwischen zum Institut für Aerodynamik ausgebaut worden war. Er förderte nachhaltig die praktische Anwendung der Strömungswissenschaften im Flugwesen und im Maschinenbau. Zusammen mit seinen Mitarbeitenden leistete er einen entscheidenden Beitrag zur Entwicklung der Aerodynamik und der Strömungsphysik. Damit schuf er wichtige Grundlagen für diese damals noch junge Wissenschaft.
Das Herzstück des neuen Instituts war der Windkanal, der bereits 1934 in Betrieb genommen wurde. Trotz einigem Planungsvorlauf, aber auch Hindernissen, schienen der Bau und die Inbetriebnahme schliesslich zügig voran gegangen zu sein, wie in einem Bericht von 1935 zu lesen ist: «Die ganze Anlage [Windkanal] wurde schon vor zwei Jahren entworfen. Aus allgemeinen Gründen konnte mit dem Bau erst im Februar 1934 begonnen werden. In der Folge gelang es dann die Arbeiten so zu fördern, dass der erste Lauf noch am Sylvesterabend 1934 erfolgen konnte.»
Der Windkanal konnte einen gleichmässigen Luftstrom mit einem Querschnitt von 3 × 2,1 Metern und Geschwindigkeiten von maximal 320 km/h erzeugen. Noch bevor die Kalibrierungen vollständig abgeschlossen waren, testete das Schweizer Militär bereits ein erstes Modell seines Kampfflugzeuges C-35. Das Flugzeug C-35 war ein Doppeldecker, das ab 1936 bei den Eidgenössischen Konstruktionswerkstätten in Thun produziert wurde. Ausgelegt auf Aufklärungsflüge konnte ein C-35 aber auch Bomben abwerfen.
Bis zum Ende des Zweiten Weltkriegs standen insgesamt 88 Flugzeuge dieses Typs im Dienst. Dass sie bereits zu Beginn des Krieges eigentlich veraltet waren, sieht man auch am Nachfolgemodell C-36, dessen Entwicklung ab 1939 ebenfalls in Thun begann. Auch Modelle dieses Typs wurden an der ETH getestet. Von 1942 bis 1952 waren 142 solcher C-36 im Einsatz, anschliessend wurden sie zu Zielschleppern umgerüstet und waren so für Schiessübungen bis in die 1970er-Jahre in Verwendung.
Ab den 1940er-Jahren wurden sämtliche militärischen Flugzeuge im ETH-Windkanal getestet. Diese anfänglich enge Verbindung zu militärischen Aufgaben verschaffte dem jungen Fach an der ETH einen rasanten Höheflug und einen deutlich anwendungsorientierten Charakter. Auch in der Lehre verstand die Hochschule es als Teil ihres Auftrags, im Rahmen der nationalen Landesverteidigung «tüchtige Flugingenieure» auszubilden.
Der erste geschlossene Überschallkanal
1935 richtete das Institut für Aerodynamik gemeinsam mit der lokalen Maschinenindustrie einen Überschall-Windkanal ein. Er erreichte Windgeschwindigkeiten von bis zu 2450 km/h – etwa Mach 2, somit die doppelte Schallgeschwindigkeit. Die Einheit «Mach», welche die Geschwindigkeit eines Flugobjekts im Verhältnis zur Schallgeschwindigkeit angibt, führte Jakob Ackeret in seiner Habilitationsschrift 1928 ein. Dank Ackerets Idee eines luftdicht geschlossenen Kreislaufs konnte er eine konstante Luftströmung erzeugen, eine damals weltweit einzigartige Lösung. Das Prinzip wurde international zum Standard und wird bis heute verwendet.
Im Überschallkanal wurden sehr kleine Modelle getestet. Bei den hohen Strömungsgeschwindigkeiten veränderten sich Luftdruck und Luftdichte rund um die Modelle stark. Dabei entstanden unter anderem unsichtbare Stosswellen. Mit der sogenannten Schlierenmethode liessen sich diese Veränderungen sichtbar machen: Lichtstrahlen wurden beim Durchgang durch unterschiedlich dichte Luft leicht abgelenkt. Eine besondere optische Versuchsanordnung verstärkt diesen Effekt, sodass Dichteunterschiede auf Bildern als helle und dunkle Linien erscheinen. So liess sich nachvollziehen, wie die Luft um das Modell strömte.
Anders im grossen Windkanal: Dabei untersuchten die Wissenschaftler nicht nur die Luftströmung, sondern massen auch direkt, welche Kräfte auf ein verkleinertes Flugzeugmodell wirkten. Dazu hing das Modell kopfüber im Kanal. Die Flügel waren über dünne Messfühler mit Waagen oberhalb des Kanals verbunden. Strömte Luft am Modell vorbei, übte sie Kraft auf die Flügel aus. Da das Modell umgedreht aufgehängt war, zog diese Kraft nach unten an den Waagen. Beim Flugzeug in normaler Lage wirkt dieselbe Kraft nach oben: Es handelt sich um den Auftrieb, der ein Flugzeug in der Luft trägt.
Weitere Messfühler führten zu Manometern, mit denen sich der Luftdruck an verschiedenen Stellen des Flügels bestimmen liess. Wollfäden auf den Flügeln machten ausserdem sichtbar, wie die Luft über deren Oberfläche strömte. So konnten die Forschenden ungünstige Luftströmungen an den Modellen früh erkennen, Verbesserungen vergleichsweise kostengünstig erproben und die Erkenntnisse anschliessend auf das Flugzeug in Originalgrösse übertragen.
Der Windkanal diente nie nur der Flugzeugforschung. Die Wissenschaftler untersuchten damit auch, wie Wind auf Hochhäuser wirkt, wie Strassentunnel wirksam belüftet werden können oder wie sich Autos im Luftstrom verhalten. Für das Testen von Flugzeugen, Hochhäusern und Autos brauchte es im Windkanal Modelle. Diese waren meist Massanfertigungen für die jeweiligen Forschungsprojekte und wurden in den Werkstätten der ETH gebaut.
Nach Abschluss der Versuche wurden solche Forschungsmodelle aus Platzgründen oft entsorgt, denn sie galten lange nur als Hilfsmittel und nicht als eigenständige Forschungsobjekte. Trotz ihrer grossen Bedeutung für die Wissenschaftsgeschichte gingen deshalb viele Modelle im Lauf der Zeit verloren. An vielen Hochschulen sind heute vor allem Sammlungen von Lehrmodellen erhalten, während Forschungsmodelle fehlen.
Dass die Sammlung wissenschaftlicher Instrumente und Lehrmittel der ETH-Bibliothek noch so viele aerodynamische Forschungsmodelle umfasst, ist daher eine Seltenheit. Dies ist der Umsicht von Professoren sowie Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern zu verdanken, die den Wert der Modelle auch über das Experiment hinaus erkannten. Zusammen mit den überlieferten Bildern im ETH-Bildarchiv und den Akten im Hochschularchiv entsteht so ein vielfältiges Bild der aerodynamischen Forschung an der ETH Zürich.
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Was bleibt
Die Geschichte des Wind- und Überschallkanals der ETH ist nicht nur eine Erfolgsgeschichte. Jakob Ackerets Traum war ein Überschallverkehrsflugzeug. Auch wenn er in den 1960er-Jahren dafür bereits mit der Swissair im Austausch stand, wurde dieser Traum nie Wirklichkeit. Schon damals überwogen wirtschaftliche und ökologische Bedenken. Seine Abschiedsvorlesung vom 10. Juli 1967 markierte den Abschluss dieses Themas.
In den 1980er-Jahren wurde der Überschallkanal abgerissen. Der grosse Windkanal ist bis heute erhalten und steht inzwischen unter Denkmalschutz. Nach wie vor wird er auch für Forschungsarbeiten am Institute of Fluid Dynamics verwendet. Die Modelle aus dem Windkanal erzählen diese Geschichte auf anschauliche Weise: von den Pionierjahren in den 1930er-Jahren, in denen die ETH die internationale Forschung mitprägte, bis zu den unerfüllten Visionen der Überschallfliegerei.
extract ETH Zürich
Die Ausstellung im extract präsentiert mehr als 500 historische und aktuelle Lehr- und Forschungsmodelle aus den wissenschaftlichen Sammlungen der ETH und der Universität Zürich – viele davon sind erstmals öffentlich zu sehen. Sie bietet einen umfassenden Einblick in die Vielfalt der Modelle: von der Anatomie über die Geometrie bis hin zur Kristallographie und Aerodynamik. Jedes Objekt erzählt eine Geschichte darüber, wie Forschende komplexe Zusammenhänge veranschaulichen und am Modell neues Wissen gewinnen.
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