从风洞到太空：真空助力航空航天研究

在德国哥廷根航空航天中心（DLR），科学家们正使用 Busch 普旭的 COBRA 螺杆真空泵，在欧洲最大、最强大的管式风洞中探索可压缩流体力学现象。目标是让未来的航空航天器更安全、更高效。

SHANGHAI, MINHANG DISTRICT, CHINA, April 9, 2025 /EINPresswire.com/ -- 两条超过 80 米长的蓄压管穿过大楼旁边的空地，并穿过坚固的外墙延伸至室内：当您踏入哥廷根 DLR 空气动力学与流体技术研究所时，这座研究设施的庞大规模便一览无余。在内部，管道连接着一个容积达 50 m³ 的巨型真空容器。这里开展的细致的基础研究旨在揭示流体力学现象，这些现象对精准预测超音速飞机性能具有决定性意义。未来航空航天器如何实现更环保、更安全、更高效？如何在设计阶段就能通过超音速飞行的精确计算机模拟评估新构型？科学家们希望借助管式风洞为这些问题及其他挑战找到答案。Busch 普旭的真空技术是这些研究项目中不可或缺的组成部分。

这座大型研究设施于 1950 年代投入使用。哥廷根物理学家、流体力学专家 Hubert Ludwieg 教授为间歇运行式高速风洞开发了革命性驱动系统，使超音速与高超音速流研究成为可能。他将此原理命名为管式风洞——至今该装置仍被全球称为“Ludwieg管”。1968 年，哥廷根 Ludwieg 管式风洞（RWG）作为全球首座同类大型空气动力学研究设施投入运行。时至今日，DLR 仍在使用该设备。

超音速实验
管式风洞的工作原理基于压力与真空的相互作用——蓄压管作为压力容器压缩空气。为防止超声波喷嘴中的空气因剧烈膨胀冷却而凝结，蓄压管需加热以模拟高超音速条件。

蓄压管通过快动滑阀连接超声波喷嘴。末端为测量段， 实验在此进行。测量段末端是连接真空泵的真空容器。测量段与真空容器之间的真空滑阀可按需开启测量段。真空泵负责排空真空容器， 此处使用的正是 Busch 普旭真空解决方案公司的 COBRA NX 螺杆真空泵。它在真空容器内产生约 10-40 mbar 的真空度。蓄压管内则保持约 2-40 bar 的正压。
测试时，测试模型通过可移动的模型支架置于测量段。测试模型包括飞机模型、传感器或材料样本。开启快动滑阀将产生流入蓄压管的稀释波，推动蓄压空气高速流向喷嘴。借助蓄压管与真空容器间的压差及特殊构型的超声速喷嘴，RWG 测量段内形成超音速气流。速度可达 7 马赫（相当于 7 倍音速）。RWG 的测量时间可达 350-400毫秒， 这是同类风洞的峰值水平，为研究人员提供了充足的时间来研究测试模型周围的气流。在此期间可记录统计相关数据或图像序列，确保可靠的数据平均与分析。

真空技术提升测试效率
真空技术不仅对于加速很重要，还可有效控制高速气流的减速。测试中，蓄压管空气被收集至真空容器，随后以常压排出。空气动力学与流体技术研究所的 RWG 负责人 Erich Schülein 博士解释道：“多亏真空技术，我们大幅提升了测试效率。若缺少它，我们不仅需要显著提高蓄压管增压压力，还需增强整个系统与测试技术的稳定性才能达到超声速喷嘴所需的压比—— 这会导致巨大的技术投入。而真空泵替代我们完成了这项工作。 压力与真空容器的联合应用使我们能轻松调节压力水平，从而改变流动的雷诺数。”

哥廷根管式风洞自 1968 年起与一台旧旋片真空泵配合使用。在 2021 年，更换设备势在必行。Busch 普旭通过招标成功签下合同。随后，其专家团队凭借专业经验协助完成系统选型与尺寸标注设计，最终快速确定了干式 COBRA NX 未合适的解决方案。

RWG 技术负责人 Karsten Pfeiffer 表示：“真空泵的可靠运行对我们至关重要，因为风洞中生成的气流必须纯净。测试经常要重复多次，必须确保条件始终可复现——任何干扰气流稳定性的因素都应排除。” COBRA 的性能同样令人印象深刻：相较于旧款旋片真空泵，Busch 普旭螺杆真空泵排空真空容器的速度提升了两倍。容器内最常用的 50 mbar 压力现在仅需 15 分钟即可达到（原来需半小时）。更短的运行时间显著降低了设备能耗。此外，变频器可根据所需压力条件调节真空泵转速。
研究所员工对新真空方案也赞誉有加。以前，旧真空泵的高噪音与振动曾导致测试期间无法使用设备正上方的工作室，而 COBRA 以低噪低振运行彻底解决了这一问题。“除了轻微嗡鸣，几乎听不到任何声音。”Pfeiffer 笑道。 另一大优势是无油操作。“过去我需要定期动手换油——还得更换弄脏的工作服。现在这些都不需要了。维护工作由 Busch 普旭维修技术人员按合同执行，我只需启动泵即可。”Pfeiffer 欣慰地说。尤其 Busch 普旭的本地化服务是关键优势。凭借公司广泛的服务网络，当地技术人员可在需要时快速抵达现场。

清洁真空驱动技术革新
Busch 普旭可靠的真空解决方案对 RWG 实验成功至关重要，并持续推动技术进步。DLR 将基础研究成果开放给航空航天企业，助力当前及未来任务的技术研发与优化。哥廷根科学家还与 NASA、ESA 等国际机构及其他 DLR 分部紧密合作。 例如，过去曾应 NASA 与 ESA 要求，在哥廷根 Ludwieg 管式风洞测试 X-38 航天器模型。该飞行器设计用作乘员返回飞行器（CRV），旨在为国际空间站宇航员提供紧急返回地球的能力。此类航天器必须能够承受重返地球大气层时产生的极端高温和巨大机械载荷。这些严苛条件在管式风洞中得到了高度精确的模拟复现。

“尽管数值流体力学取得巨大进步，但湍流中的许多现象仍无法被充分准确预测。我们的研究建立了关键验证数据库，用于改进现有模型并开发新数值计算方法。这正是该研究设施的核心使命。“Schülein 强调。而 Busch 普旭的真空技术正是这一使命的重要支柱。

Florian Held
Busch Vacuum Solutions
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