81臺高功率風(fēng)機轟鳴中，一架四旋翼無人機在模擬8級突風(fēng)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(dǎo)風(fēng)洞（以下簡稱“引導(dǎo)風(fēng)洞”）測試區(qū)的一幕。
引導(dǎo)風(fēng)洞是電子科技大學(xué)（深圳）高等研究院深思實驗室全球首創(chuàng)的低空復(fù)雜環(huán)境模擬裝置，也是全球首個面向低空經(jīng)濟這一戰(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”。通過人工控制，該裝置能高精度復(fù)現(xiàn)城市峽谷風(fēng)場、熱島效應(yīng)、風(fēng)切變、下?lián)舯┝鞯瘸鞘械湫惋L(fēng)場及極端氣象，為飛行器安全性邊界劃定提供科學(xué)支撐。
中國航空學(xué)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(fù)雜環(huán)境效應(yīng)是工程技術(shù)難題之一?！皞鹘y(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(fù)雜風(fēng)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(fù)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(fēng)洞成為破題之鑰。然而，國內(nèi)外已建成的常規(guī)風(fēng)洞裝置只能模擬單一方向氣流，實際低空飛行則需應(yīng)對風(fēng)切變、下?lián)舯┝?、熱島效應(yīng)等復(fù)雜風(fēng)場。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)機矩陣和底部1組繞流風(fēng)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(dǎo)風(fēng)洞首次實現(xiàn)了‘X-Y-Z三向速度場’精準(zhǔn)控制，同時將風(fēng)機矩陣響應(yīng)時間縮短至2秒內(nèi)，風(fēng)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?！奔幽么蠊こ淘涸菏?、深思實驗室主任楊軍說，該裝置在風(fēng)切變、突風(fēng)/時變風(fēng)、垂直流（熱島風(fēng)場、下?lián)舯┝鳎?、城市特殊風(fēng)場四大類復(fù)雜風(fēng)場模擬方面達到預(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，深思實驗室的引導(dǎo)風(fēng)洞投用前，全球沒有能夠模擬低空真實復(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耦合風(fēng)洞廣東省工程研究中心。自2024年9月投用以來，引導(dǎo)風(fēng)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(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)境的氣動測試。“過去這項測試僅能在自然風(fēng)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?！鄙钲谑卸嘁韯?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(dāng)前引導(dǎo)風(fēng)洞研制團隊已在復(fù)雜風(fēng)場模擬技術(shù)、風(fēng)機矩陣構(gòu)建與控制策略技術(shù)、高功率密度風(fēng)機設(shè)計與制造技術(shù)等方面實現(xiàn)多項突破?！暗涂諒?fù)雜風(fēng)場對飛行器空氣動力特性產(chǎn)生的影響通常是不利的，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致飛行安全事故?！睏钴娊榻B，風(fēng)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(dǎo)風(fēng)洞中初步建立了復(fù)雜風(fēng)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(fēng)場數(shù)據(jù)進行仿真，實現(xiàn)了在裝置中準(zhǔn)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(fù)雜風(fēng)場。
而要使風(fēng)洞真正“呼風(fēng)喚雨”，風(fēng)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(fēng)機墻布局，成功攻克大功率風(fēng)機耦合振動難題，率先實現(xiàn)城市峽谷、風(fēng)切變、下?lián)舯┝鞯葟?fù)雜低空氣象場景的人工可控復(fù)現(xiàn)。其中，在風(fēng)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(zhǔn)控制葉片氣動造型參數(shù)，使風(fēng)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(fēng)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(fēng)洞，在各種空氣動力學(xué)構(gòu)型的支撐下才造出了飛機。”楊軍介紹，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(fù)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(xùn)練平臺以及低空經(jīng)濟標(biāo)準(zhǔn)制定與驗證平臺，與已有的引導(dǎo)風(fēng)洞共同形成低空飛行器研究測試的閉環(huán)?！?/p>
“深思實驗室在低空復(fù)雜流場，特別是多向來流、可控復(fù)雜風(fēng)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(yù)測精度，有望在城市微氣象模擬中獲得突破性成果?！?/p>
