81臺高功率風機轟鳴中，一架四旋翼無人機在模擬8級突風中劇烈顛簸，機翼載荷傳感器傳回的數(shù)據(jù)曲線如同心電圖般跳動……這是近日在位于廣東省深圳市龍華區(qū)丹霞路1號的低空三維多物理場耦合引導風洞（以下簡稱“引導風洞”）測試區(qū)的一幕。
引導風洞是電子科技大學（深圳）高等研究院深思實驗室全球首創(chuàng)的低空復雜環(huán)境模擬裝置，也是全球首個面向低空經(jīng)濟這一戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的風洞裝置，被稱為低空飛行器的“氣象考場”。通過人工控制，該裝置能高精度復現(xiàn)城市峽谷風場、熱島效應(yīng)、風切變、下?lián)舯┝鞯瘸鞘械湫惋L場及極端氣象，為飛行器安全性邊界劃定提供科學支撐。
中國航空學會發(fā)布的《2024年度航空領(lǐng)域重大科技問題、重大科技進展》指出，低空飛行器復雜環(huán)境效應(yīng)是工程技術(shù)難題之一。“傳統(tǒng)飛機的活動區(qū)域多為平流層或開闊區(qū)域，流場較為簡單，而未來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，需面對對流層低空復雜風場?！鄙钏紝嶒炇腋敝魅喂锶榻B，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，低空流場極為復雜。
如何幫助無人機、電動垂直起降飛行器等在1000米以下的區(qū)域安全飛行？低空風洞成為破題之鑰。然而，國內(nèi)外已建成的常規(guī)風洞裝置只能模擬單一方向氣流，實際低空飛行則需應(yīng)對風切變、下?lián)舯┝鳌釐u效應(yīng)等復雜風場。與常規(guī)風洞不同，引導風洞包含內(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組不同方向的風機矩陣和底部1組繞流風機組成，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)下的氣動特性、飛控性能以及安全性能等研究。
郭秋泉介紹：“引導風洞首次實現(xiàn)了‘X-Y-Z三向速度場’精準控制，同時將風機矩陣響應(yīng)時間縮短至2秒內(nèi)，風速最高可達60米/秒，可集成雨雪、積冰凍雨、濕熱、高低溫、太陽輻照等氣象環(huán)境因素，實現(xiàn)城市低空環(huán)境全要素模擬。”加拿大工程院院士、深思實驗室主任楊軍說，該裝置在風切變、突風/時變風、垂直流（熱島風場、下?lián)舯┝鳎⒊鞘刑厥怙L場四大類復雜風場模擬方面達到預期。當前全球已建成的逾千座風洞，主要集中在航空航天、交通、建筑工程等領(lǐng)域，深思實驗室的引導風洞投用前，全球沒有能夠模擬低空真實復雜環(huán)境、專門用于研究新型低空飛行器的風洞設(shè)施。
據(jù)了解，引導風洞已掛牌低空裝備三維多物理場耦合風洞廣東省工程研究中心。自2024年9月投用以來，引導風洞已為美團科技有限公司、廣電計量檢測集團股份有限公司、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)測試服務(wù)。
利用引導風洞，一家低空領(lǐng)域人工智能企業(yè)正在模擬海洋風力環(huán)境的氣動測試?！斑^去這項測試僅能在自然風力環(huán)境中完成，由于受制于實際環(huán)境條件，無法實現(xiàn)可控測試。”深圳市多翼創(chuàng)新科技有限公司總經(jīng)理唐曉丹說，現(xiàn)在可以隨時按需創(chuàng)造可控測試環(huán)境，極大節(jié)省了時間成本和人力成本。
當前引導風洞研制團隊已在復雜風場模擬技術(shù)、風機矩陣構(gòu)建與控制策略技術(shù)、高功率密度風機設(shè)計與制造技術(shù)等方面實現(xiàn)多項突破。“低空復雜風場對飛行器空氣動力特性產(chǎn)生的影響通常是不利的，嚴重時甚至會導致飛行安全事故?！睏钴娊榻B，風場的模擬技術(shù)至關(guān)重要，團隊結(jié)合數(shù)值仿真先期研究，已在引導風洞中初步建立了復雜風場模擬技術(shù)。同時，團隊基于國內(nèi)機場及典型地貌環(huán)境測得的風場數(shù)據(jù)進行仿真，實現(xiàn)了在裝置中準確控制X、Y、Z三個方向的速度場，可模擬低空遇到的各種復雜風場。
而要使風洞真正“呼風喚雨”，風機矩陣的構(gòu)建與控制是又一項核心技術(shù)。項目團隊全球首創(chuàng)了“固定-移動-頂部”三組矩陣風機墻布局，成功攻克大功率風機耦合振動難題，率先實現(xiàn)城市峽谷、風切變、下?lián)舯┝鞯葟碗s低空氣象場景的人工可控復現(xiàn)。其中，在風機的葉輪氣動設(shè)計上，團隊還采用彎掠組合正交型翼型扭轉(zhuǎn)葉片優(yōu)化設(shè)計方法，精準控制葉片氣動造型參數(shù)，使風機綜合性能達到最優(yōu)；葉輪輪轂采用全壽命周期無故障可靠性結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，在滿足強度要求的同時，引入結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計和固有頻率設(shè)計控制方法，確保風機全使用周期無故障發(fā)生。
“很多人不知道，萊特兄弟在造飛機之前首先做了風洞，在各種空氣動力學構(gòu)型的支撐下才造出了飛機?！睏钴娊榻B，低空復雜環(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定。目前，深思實驗室計劃建設(shè)外艙直徑65米、內(nèi)艙直徑45米的大型低空復雜環(huán)境模擬裝置，可實現(xiàn)翼展達17米的大中型全尺寸新型低空飛行器以及無人機群的研究、驗證、測試。楊軍介紹：“這將是全球首個飛行器訓練平臺以及低空經(jīng)濟標準制定與驗證平臺，與已有的引導風洞共同形成低空飛行器研究測試的閉環(huán)。”
“深思實驗室在低空復雜流場，特別是多向來流、可控復雜風場、氣象耦合這幾個方面具備獨特性，可以實現(xiàn)對城市極端和典型運行場景的覆蓋?！睏钴娬f，“目前，我們正不斷積累數(shù)據(jù)，提升模擬及預測精度，有望在城市微氣象模擬中獲得突破性成果。”
