風洞到太空： 航空研究用真空
在位於哥廷根的德國航空航太中心 (DLR)，科學家們使用 Busch 真空解決方案的 COBRA 螺旋式真空泵浦在歐洲最大、功能最強的管風洞中探索可壓縮流體力學現象。目標是使未來的航空航太更安全且更有效率。
位於哥廷根的德國航空航太中心 (DLR) 正在研究流體力學現象，這對於充分預測超音波飛機的效能至關重要。來源：DLR。
兩條長度超過 80 公尺的蓄能器管橫跨建築物旁的空地，穿過堅固的外牆直達內部：一進入哥廷根 DLR 的空氣動力與流體技術研究所，研究設施的龐大規模就一目了然。在內部，一個容量為 50 m³ 的巨型真空桶與管道相連。用於進行詳細而基礎的研究，以調查對充分預測超音速飛機效能至關重要的流體力學現象。未來的航空航太飛行器如何才能更環保、更安全、更高效？如何使用精確的超音速飛行電腦模擬在設計製程中評估新的配置？科學家們希望利用管風洞為這些問題以及其他許多問題提供答案。Busch 的真空技術是這些研究專案中不可或缺的一環。
這座大型研究設施啟用於 1950 年代。哥廷根的物理學家和流體研究員 Hubert Ludwieg 教授為間歇運行的高速風洞開發了革命性的驅動裝置，使超音速和高超音速流體的研究得以進行。他將這個原理稱為管風洞，至今在世界各地也被稱為「Ludwieg 管」。1968 年，哥廷根 Ludwieg 管風洞 (RWG) 作為世界上第一座大規模空氣動力學研究工廠投入運行。至今仍在 DLR 使用。
超音速實驗
管風洞的運作原理是利用壓力與真空的交互作用，其中蓄能器管作為壓縮空氣的壓力容器。為了防止超音波噴嘴中的空氣凝結（因強烈膨脹和相關空氣冷卻而產生），必須加熱蓄能器管以模擬高超音速。
蓄能器管經由快動滑閥連接至超音波噴嘴。量測段位於末端。這是進行實驗的地方。量測段末端是真空桶，真空泵浦與之相連。量測段與真空桶之間的真空滑閥允許根據需要進入量測段。真空桶使用真空泵浦抽真空。為此使用 Busch 真空解決方案的 COBRA NX 螺旋式真空泵浦。它在真空桶中產生大約 10 至 40 mbar 的真空。蓄能器管內有大約 2 至 40 bar 的正壓。
執行測試時，使用可移動模型支架將測試模型放置在量測段中。測試模型包括飛機模型、感應器或材料樣本。開啟快速滑閥會產生流動的稀釋波，該稀釋波流入蓄能器管並加速蓄能器空氣流向噴嘴。由於蓄能器管和真空桶之間的壓差，以及特殊形狀的超音波噴嘴，在 RWG 量測段中產生超音波流。速度最高可達 7 馬赫 - 相當於音速的七倍。在 RWG 中已實現長達 350-400 毫秒的量測時間。這是此類風洞的峰值，讓研究人員有足夠時間研究測試模型周圍的流體。在此期間內，可記錄統計相關資料或影像序列，以實現可靠的資料平均和分析。
真空提高測試效率
真空技術的重要性不僅在於加速，也在於減緩高流速。測試期間，來自蓄能器管的空氣會被收集到真空桶中，然後以正常環境氣體的形式排出到外部。空氣力學與流體技術研究所的 RWG 組長兼科學監督 Erich Schülein 博士解釋說：「多虧了真空技術，我們可以更有效率地進行測試。如果沒有它，我們不僅要大幅提高蓄能器管中的增壓壓力，還要提高對整個系統穩定性和測試技術的要求，才能在超音波噴嘴中完全達到所需的壓力比。為此所需的技術努力將是巨大的。真空泵浦為我們完成了這些工作。壓力和真空蓄能器的結合應用實現了輕鬆變更壓力等級，從而變更流體的雷諾數」。
自 1968 年以來，哥廷根管風洞一直與舊的迴轉葉片真空泵浦一起使用。2021 年，是時候更換了。Busch 在招標中勝出。隨後，公司的專家憑藉其專業知識在系統選擇和尺寸確定方面提供支援，幫助尋找合適的解決方案。藉助乾式 COBRA NX 很快就找到了解決方案。
RWG 技術經理 Karsten Pfeiffer 解釋說：「對我們來說，真空泵浦的可靠運作至關重要，因為管風洞中產生的流體必須乾淨。測試通常會執行多次，重要的是條件必須始終可重現，因此不能有任何東西干擾流體。」 COBRA 的效能也給人留下了非常正面的印象。與先前的迴轉葉片真空泵浦相比，Busch 螺旋式真空泵浦對真空桶的抽真空速度提高了兩倍。容器中最常需要的 50 mbar 壓力現在只需要 15 分鐘就能達到，而不是半小時。這些較短的運行時間對工廠耗能量有極好的影響。此外，變頻器會根據所需壓力條件調整真空泵浦的轉速。
研究所的員工也對新的真空解決方案非常滿意。以前，由於舊式真空泵浦產生的高噪音級和震動，他們在測試期間無法使用工廠正上方的工作間。有了 COBRA，這不再是問題，因為它運行非常安靜且振動很小。Pfeiffer 笑著說：「除了微微的嗡嗡聲，你什麼都聽不到」。另一大優勢是無油工作。「過去我必須定期進行手動工作並換油，然後還要更換因此而弄髒的衣服。現在再也不需要這樣了。根據服務協議，維護工作由 Busch 服務技術人員進行。我所要做的就是打開泵浦，讓它開始運轉」，Pfeiffer 高興地說。最重要的是，Busch 貼近客戶是其主要優勢。得益於公司龐大的服務網路，當地聯絡人可在需要時快速到達現場。
潔淨真空助力技術進步
Busch 可靠的真空解決方案對 RWG 實驗的成功發揮了關鍵作用，並為技術進步提供了支援。DLR 將其基礎研究的成果提供給航空航太工業的公司，以開發並完善適用於當前和未來任務的技術。哥廷根的科學家們還與 NASA、ESA 和其他 DLR 研究中心等國際組織密切合作開展全球研究項目。例如，過去曾代表 NASA 和 ESA 在哥廷根 Ludwieg 管風洞測試 X-38 太空船的模型。這艘船的目的是作為乘員返回載具 (CRV)，以便在發生緊急情況時能將 ISS 太空人帶回地球。這類太空船在進入地球大氣層時必須承受巨大的熱量和機械負載。管風洞中盡可能精確地複製了這些條件。
「儘管數值流體力學取得了巨大的進步，但仍無法充分且準確地預測亂流中的許多現象。在我們的研究中，我們建立了一個重要的驗證資料庫，有助於改善現有模型並開發新的數值計算方法。我們將此視為本研究設施的實際目的」，Schülein 說道。Busch 的真空技術是其中重要的一環。
關於 Busch Group
Busch Group 是全球最大的真空泵浦、真空系統、鼓風機、壓縮機和氣體減排系統製造商之一。集團旗下擁有兩大知名品牌：Busch 真空解決方案 和 Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions。以前由 Busch Group 品牌 centrotherm clean solutions 提供的氣體減排系統，現在已成為 Pfeiffer 品牌的一部份。
豐富多樣的產品和服務組合包括所有行業領域（例如食品、半導體、分析、化學和塑膠）中的真空、正壓和減排應用解決方案。這還包括了設計和建造客製化真空系統以及全球服務網路。Busch Group 是由 Busch 家族管理的家族企業。集團在全球 44 個國家擁有 8,000 多名員工。Busch 總部位於巴登-符騰堡邦的馬爾堡，地處德國、法國和瑞士三國區域。
Busch Group 在中國、捷克共和國、法國、德國、印度、羅馬尼亞、韓國、瑞士、英國、美國和越南的 23 家專屬生產工廠進行製造。
Busch Group 的年度總收入接近 20 億歐元。
新聞聯絡
Fabian Fahlbusch 博士
媒介內容與傳播主管
Busch 真空解決方案
Schauinslandstrasse 1
79689 Maulburg，Germany
+49 (0)7622 681 - 3379
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DLR
位於哥廷根的德國航空航太中心 (DLR) 正在研究流體力學現象，這對於充分預測超音波飛機的效能至關重要。來源：DLR。
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