從風洞到太空：真空助力航空航天研究
在德國哥廷根航空航天中心（DLR），科學家們正使用 Busch 普旭的 COBRA 螺桿真空泵，在歐洲最大、最強大的管式風洞中探索可壓縮流體力學現(xiàn)象。目標是讓未來的航空航天器更安全、更高效。
德國哥廷根航空航天中心（DLR）正在研究流體力學現(xiàn)象，這對準確預測超音速飛機性能至關重要。來源：DLR。
兩條超過 80 米長的蓄壓管穿過大樓旁邊的空地，并穿過堅固的外墻延伸至室內(nèi)：當您踏入哥廷根 DLR 空氣動力學與流體技術研究所時，這座研究設施的龐大規(guī)模便一覽無余。在內(nèi)部，管道連接著一個容積達 50 m3 的巨型真空容器。這里開展的細致的基礎研究旨在揭示流體力學現(xiàn)象，這些現(xiàn)象對精準預測超音速飛機性能具有決定性意義。未來航空航天器如何實現(xiàn)更環(huán)保、更安全、更高效？如何在設計階段就能通過超音速飛行的精確計算機模擬評估新構型？科學家們希望借助管式風洞為這些問題及其他挑戰(zhàn)找到答案。Busch 普旭的真空技術是這些研究項目中不可或缺的組成部分。
這座大型研究設施于 1950 年代投入使用。哥廷根物理學家、流體力學專家 Hubert Ludwieg 教授為間歇運行式高速風洞開發(fā)了革命性驅動系統(tǒng)，使超音速與高超音速流研究成為可能。他將此原理命名為管式風洞——至今該裝置仍被全球稱為“Ludwieg管”。1968 年，哥廷根 Ludwieg 管式風洞（RWG）作為全球首座同類大型空氣動力學研究設施投入運行。時至今日，DLR 仍在使用該設備。
超音速實驗
管式風洞的工作原理基于壓力與真空的相互作用——蓄壓管作為壓力容器壓縮空氣。為防止超聲波噴嘴中的空氣因劇烈膨脹冷卻而凝結，蓄壓管需加熱以模擬高超音速條件。
蓄壓管通過快動滑閥連接超聲波噴嘴。末端為測量段， 實驗在此進行。測量段末端是連接真空泵的真空容器。測量段與真空容器之間的真空滑閥可按需開啟測量段。真空泵負責排空真空容器， 此處使用的正是 Busch 普旭真空解決方案公司的 COBRA NX 螺桿真空泵。它在真空容器內(nèi)產(chǎn)生約 10-40 mbar 的真空度。蓄壓管內(nèi)則保持約 2-40 bar 的正壓。
測試時，測試模型通過可移動的模型支架置于測量段。測試模型包括飛機模型、傳感器或材料樣本。開啟快動滑閥將產(chǎn)生流入蓄壓管的稀釋波，推動蓄壓空氣高速流向噴嘴。借助蓄壓管與真空容器間的壓差及特殊構型的超聲速噴嘴，RWG 測量段內(nèi)形成超音速氣流。速度可達 7 馬赫（相當于 7 倍音速）。RWG 的測量時間可達 350-400毫秒， 這是同類風洞的峰值水平，為研究人員提供了充足的時間來研究測試模型周圍的氣流。在此期間可記錄統(tǒng)計相關數(shù)據(jù)或圖像序列，確?？煽康臄?shù)據(jù)平均與分析。
真空技術提升測試效率
真空技術不僅對于加速很重要，還可有效控制高速氣流的減速。測試中，蓄壓管空氣被收集至真空容器，隨后以常壓排出。空氣動力學與流體技術研究所的 RWG 負責人 Erich Schülein 博士解釋道：“多虧真空技術，我們大幅提升了測試效率。若缺少它，我們不僅需要顯著提高蓄壓管增壓壓力，還需增強整個系統(tǒng)與測試技術的穩(wěn)定性才能達到超聲速噴嘴所需的壓比—— 這會導致巨大的技術投入。而真空泵替代我們完成了這項工作。 壓力與真空容器的聯(lián)合應用使我們能輕松調節(jié)壓力水平，從而改變流動的雷諾數(shù)。”
哥廷根管式風洞自 1968 年起與一臺舊旋片真空泵配合使用。在 2021 年，更換設備勢在必行。Busch 普旭通過招標成功簽下合同。隨后，其專家團隊憑借專業(yè)經(jīng)驗協(xié)助完成系統(tǒng)選型與尺寸標注設計，最終快速確定了干式 COBRA NX 未合適的解決方案。
RWG 技術負責人 Karsten Pfeiffer 表示：“真空泵的可靠運行對我們至關重要，因為風洞中生成的氣流必須純凈。測試經(jīng)常要重復多次，必須確保條件始終可復現(xiàn)——任何干擾氣流穩(wěn)定性的因素都應排除。” COBRA 的性能同樣令人印象深刻：相較于舊款旋片真空泵，Busch 普旭螺桿真空泵排空真空容器的速度提升了兩倍。容器內(nèi)最常用的 50 mbar 壓力現(xiàn)在僅需 15 分鐘即可達到（原來需半小時）。更短的運行時間顯著降低了設備能耗。此外，變頻器可根據(jù)所需壓力條件調節(jié)真空泵轉速。
研究所員工對新真空方案也贊譽有加。以前，舊真空泵的高噪音與振動曾導致測試期間無法使用設備正上方的工作室，而 COBRA 以低噪低振運行徹底解決了這一問題?！俺溯p微嗡鳴，幾乎聽不到任何聲音?！盤feiffer 笑道。 另一大優(yōu)勢是無油操作?！斑^去我需要定期動手換油——還得更換弄臟的工作服?，F(xiàn)在這些都不需要了。維護工作由 Busch 普旭維修技術人員按合同執(zhí)行，我只需啟動泵即可?！盤feiffer 欣慰地說。尤其 Busch 普旭的本地化服務是關鍵優(yōu)勢。憑借公司廣泛的服務網(wǎng)絡，當?shù)丶夹g人員可在需要時快速抵達現(xiàn)場。
清潔真空驅動技術革新
Busch 普旭可靠的真空解決方案對 RWG 實驗成功至關重要，并持續(xù)推動技術進步。DLR 將基礎研究成果開放給航空航天企業(yè)，助力當前及未來任務的技術研發(fā)與優(yōu)化。哥廷根科學家還與 NASA、ESA 等國際機構及其他 DLR 分部緊密合作。 例如，過去曾應 NASA 與 ESA 要求，在哥廷根 Ludwieg 管式風洞測試 X-38 航天器模型。該飛行器設計用作乘員返回飛行器（CRV），旨在為國際空間站宇航員提供緊急返回地球的能力。此類航天器必須能夠承受重返地球大氣層時產(chǎn)生的極端高溫和巨大機械載荷。這些嚴苛條件在管式風洞中得到了高度精確的模擬復現(xiàn)。
“盡管數(shù)值流體力學取得巨大進步，但湍流中的許多現(xiàn)象仍無法被充分準確預測。我們的研究建立了關鍵驗證數(shù)據(jù)庫，用于改進現(xiàn)有模型并開發(fā)新數(shù)值計算方法。這正是該研究設施的核心使命?！癝chülein 強調。而 Busch 普旭的真空技術正是這一使命的重要支柱。
關于 Busch Group
Busch Group 是全球主要的真空泵、真空系統(tǒng)、鼓風機、壓縮機和尾氣處理系統(tǒng)制造商之一。該集團旗下有兩個知名品牌：Busch Vacuum Solutions 和 Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions。 以前由 centrotherm clean solutions 商先創(chuàng)環(huán)?？萍迹ㄇ?Busch Group 品牌）提供的氣體減排系統(tǒng)現(xiàn)在是 Pfeiffer 普發(fā)產(chǎn)品組合的一部分。
廣泛的產(chǎn)品和服務包括適用于所有行業(yè)（如食品、半導體、分析、化學和塑料）的真空、正壓和減排應用解決方案。集團還能為客戶提供量身定制的真空系統(tǒng)以及覆蓋全球多個國家及地區(qū)的服務。
Busch Group 是一家家族企業(yè)，由 Busch 普旭家族管理， 在全球 44 個國家及地區(qū)擁有 8,000 多名員工。Busch Group 總部位于德國、法國和瑞士三國交界處的巴登符騰堡州馬爾堡市。
如今，Busch Group 在中國、捷克、法國、德國、印度、羅馬尼亞、韓國、瑞士、英國、美國和越南擁有 23 家生產(chǎn)工廠。
截止目前，Busch Group 年度營業(yè)額接近 20 億歐元。
媒體聯(lián)系人
Fabian Fahlbusch 博士
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