81臺(tái)高功率風(fēng)機(jī)轟鳴中，一架四旋翼無(wú)人機(jī)在模擬8級(jí)突風(fēng)中劇烈顛簸，機(jī)翼載荷傳感器傳回的數(shù)據(jù)曲線如同心電圖般跳動(dòng)……這是近日在位于廣東省深圳市龍華區(qū)丹霞路1號(hào)的低空三維多物理場(chǎng)耦合引導(dǎo)風(fēng)洞（以下簡(jiǎn)稱“引導(dǎo)風(fēng)洞”）測(cè)試區(qū)的一幕。
引導(dǎo)風(fēng)洞是電子科技大學(xué)（深圳）高等研究院深思實(shí)驗(yàn)室全球首創(chuàng)的低空復(fù)雜環(huán)境模擬裝置，也是全球首個(gè)面向低空經(jīng)濟(jì)這一戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的風(fēng)洞裝置，被稱為低空飛行器的“氣象考場(chǎng)”。通過(guò)人工控制，該裝置能高精度復(fù)現(xiàn)城市峽谷風(fēng)場(chǎng)、熱島效應(yīng)、風(fēng)切變、下?lián)舯┝鞯瘸鞘械湫惋L(fēng)場(chǎng)及極端氣象，為飛行器安全性邊界劃定提供科學(xué)支撐。
中國(guó)航空學(xué)會(huì)發(fā)布的《2024年度航空領(lǐng)域重大科技問題、重大科技進(jìn)展》指出，低空飛行器復(fù)雜環(huán)境效應(yīng)是工程技術(shù)難題之一?！皞鹘y(tǒng)飛機(jī)的活動(dòng)區(qū)域多為平流層或開闊區(qū)域，流場(chǎng)較為簡(jiǎn)單，而未來(lái)城市低空飛行器則受地形、建筑物、植被、氣溫等多種因素影響，需面對(duì)對(duì)流層低空復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)?！鄙钏紝?shí)驗(yàn)室副主任郭秋泉介紹，尤其是高容積率城市、山地城市或沿海城市，在大氣環(huán)流和多種局地環(huán)流相互交互、疊加作用下，低空流場(chǎng)極為復(fù)雜。
如何幫助無(wú)人機(jī)、電動(dòng)垂直起降飛行器等在1000米以下的區(qū)域安全飛行？低空風(fēng)洞成為破題之鑰。然而，國(guó)內(nèi)外已建成的常規(guī)風(fēng)洞裝置只能模擬單一方向氣流，實(shí)際低空飛行則需應(yīng)對(duì)風(fēng)切變、下?lián)舯┝?、熱島效應(yīng)等復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)。與常規(guī)風(fēng)洞不同，引導(dǎo)風(fēng)洞包含內(nèi)外艙兩大部分，其中外艙直徑18米、內(nèi)艙直徑10米。它由3組不同方向的風(fēng)機(jī)矩陣和底部1組繞流風(fēng)機(jī)組成，可支持4米翼展航空器開展垂直起降、巡航、懸停等飛行姿態(tài)下的氣動(dòng)特性、飛控性能以及安全性能等研究。
郭秋泉介紹：“引導(dǎo)風(fēng)洞首次實(shí)現(xiàn)了‘X-Y-Z三向速度場(chǎng)’精準(zhǔn)控制，同時(shí)將風(fēng)機(jī)矩陣響應(yīng)時(shí)間縮短至2秒內(nèi)，風(fēng)速最高可達(dá)60米/秒，可集成雨雪、積冰凍雨、濕熱、高低溫、太陽(yáng)輻照等氣象環(huán)境因素，實(shí)現(xiàn)城市低空環(huán)境全要素模擬?！奔幽么蠊こ淘涸菏?、深思實(shí)驗(yàn)室主任楊軍說(shuō)，該裝置在風(fēng)切變、突風(fēng)/時(shí)變風(fēng)、垂直流（熱島風(fēng)場(chǎng)、下?lián)舯┝鳎?、城市特殊風(fēng)場(chǎng)四大類復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)模擬方面達(dá)到預(yù)期。當(dāng)前全球已建成的逾千座風(fēng)洞，主要集中在航空航天、交通、建筑工程等領(lǐng)域，深思實(shí)驗(yàn)室的引導(dǎo)風(fēng)洞投用前，全球沒有能夠模擬低空真實(shí)復(fù)雜環(huán)境、專門用于研究新型低空飛行器的風(fēng)洞設(shè)施。
據(jù)了解，引導(dǎo)風(fēng)洞已掛牌低空裝備三維多物理場(chǎng)耦合風(fēng)洞廣東省工程研究中心。自2024年9月投用以來(lái)，引導(dǎo)風(fēng)洞已為美團(tuán)科技有限公司、廣電計(jì)量檢測(cè)集團(tuán)股份有限公司、豐翼科技（深圳）有限公司、深圳海關(guān)等企事業(yè)單位提供小微型飛行器的研發(fā)測(cè)試服務(wù)。
利用引導(dǎo)風(fēng)洞，一家低空領(lǐng)域人工智能企業(yè)正在模擬海洋風(fēng)力環(huán)境的氣動(dòng)測(cè)試?！斑^(guò)去這項(xiàng)測(cè)試僅能在自然風(fēng)力環(huán)境中完成，由于受制于實(shí)際環(huán)境條件，無(wú)法實(shí)現(xiàn)可控測(cè)試。”深圳市多翼創(chuàng)新科技有限公司總經(jīng)理唐曉丹說(shuō)，現(xiàn)在可以隨時(shí)按需創(chuàng)造可控測(cè)試環(huán)境，極大節(jié)省了時(shí)間成本和人力成本。
當(dāng)前引導(dǎo)風(fēng)洞研制團(tuán)隊(duì)已在復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)模擬技術(shù)、風(fēng)機(jī)矩陣構(gòu)建與控制策略技術(shù)、高功率密度風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)等方面實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)突破?！暗涂諒?fù)雜風(fēng)場(chǎng)對(duì)飛行器空氣動(dòng)力特性產(chǎn)生的影響通常是不利的，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致飛行安全事故?！睏钴娊榻B，風(fēng)場(chǎng)的模擬技術(shù)至關(guān)重要，團(tuán)隊(duì)結(jié)合數(shù)值仿真先期研究，已在引導(dǎo)風(fēng)洞中初步建立了復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)模擬技術(shù)。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)基于國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)及典型地貌環(huán)境測(cè)得的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)了在裝置中準(zhǔn)確控制X、Y、Z三個(gè)方向的速度場(chǎng)，可模擬低空遇到的各種復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)。
而要使風(fēng)洞真正“呼風(fēng)喚雨”，風(fēng)機(jī)矩陣的構(gòu)建與控制是又一項(xiàng)核心技術(shù)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)全球首創(chuàng)了“固定-移動(dòng)-頂部”三組矩陣風(fēng)機(jī)墻布局，成功攻克大功率風(fēng)機(jī)耦合振動(dòng)難題，率先實(shí)現(xiàn)城市峽谷、風(fēng)切變、下?lián)舯┝鞯葟?fù)雜低空氣象場(chǎng)景的人工可控復(fù)現(xiàn)。其中，在風(fēng)機(jī)的葉輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)上，團(tuán)隊(duì)還采用彎掠組合正交型翼型扭轉(zhuǎn)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，精準(zhǔn)控制葉片氣動(dòng)造型參數(shù)，使風(fēng)機(jī)綜合性能達(dá)到最優(yōu)；葉輪輪轂采用全壽命周期無(wú)故障可靠性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)，引入結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)和固有頻率設(shè)計(jì)控制方法，確保風(fēng)機(jī)全使用周期無(wú)故障發(fā)生。
“很多人不知道，萊特兄弟在造飛機(jī)之前首先做了風(fēng)洞，在各種空氣動(dòng)力學(xué)構(gòu)型的支撐下才造出了飛機(jī)?！睏钴娊榻B，低空復(fù)雜環(huán)境的模擬裝置，不僅能界定飛行器的安全邊界，也能加快飛行器的適航認(rèn)定。目前，深思實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃建設(shè)外艙直徑65米、內(nèi)艙直徑45米的大型低空復(fù)雜環(huán)境模擬裝置，可實(shí)現(xiàn)翼展達(dá)17米的大中型全尺寸新型低空飛行器以及無(wú)人機(jī)群的研究、驗(yàn)證、測(cè)試。楊軍介紹：“這將是全球首個(gè)飛行器訓(xùn)練平臺(tái)以及低空經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)制定與驗(yàn)證平臺(tái)，與已有的引導(dǎo)風(fēng)洞共同形成低空飛行器研究測(cè)試的閉環(huán)?！?/p>
“深思實(shí)驗(yàn)室在低空復(fù)雜流場(chǎng)，特別是多向來(lái)流、可控復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)、氣象耦合這幾個(gè)方面具備獨(dú)特性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)城市極端和典型運(yùn)行場(chǎng)景的覆蓋?！睏钴娬f(shuō)，“目前，我們正不斷積累數(shù)據(jù)，提升模擬及預(yù)測(cè)精度，有望在城市微氣象模擬中獲得突破性成果?！?/p>
