全球首個(gè)低空風(fēng)洞落地龍華 低空飛行器的“氣象考場”。電子科技大學(xué)（深圳）高等研究院深思實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的低空三維多物理場耦合引導(dǎo)風(fēng)洞裝置，是全球首個(gè)面向低空經(jīng)濟(jì)這一新興產(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┝鞯鹊湫图皹O端氣象條件，為飛行器的安全性邊界劃定提供科學(xué)依據(jù)。

在廣東省深圳市龍華區(qū)丹霞路1號(hào)的測試區(qū)，81臺(tái)高功率風(fēng)機(jī)轟鳴中，一架四旋翼無人機(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)。這一場景展示了引導(dǎo)風(fēng)洞的實(shí)際應(yīng)用效果。

中國航空學(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。傳統(tǒng)飛機(jī)主要在平流層或開闊區(qū)域活動(dòng)，而未來城市低空飛行器則需面對(duì)對(duì)流層低空復(fù)雜風(fēng)場。特別是在高容積率城市、山地城市或沿海城市，大氣環(huán)流和多種局地環(huán)流相互作用，使得低空流場極為復(fù)雜。

為了幫助無人機(jī)、電動(dòng)垂直起降飛行器等在1000米以下區(qū)域安全飛行，低空風(fēng)洞成為關(guān)鍵。然而，常規(guī)風(fēng)洞只能模擬單一方向氣流，無法應(yīng)對(duì)實(shí)際低空飛行中的復(fù)雜風(fēng)場。引導(dǎo)風(fēng)洞包含內(nèi)外艙兩部分，外艙直徑18米，內(nèi)艙直徑10米，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。它支持4米翼展航空器進(jìn)行垂直起降、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研究。

引導(dǎo)風(fēng)洞首次實(shí)現(xiàn)了“X—Y—Z三向速度場”精準(zhǔn)控制，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。同時(shí)，它還能集成雨雪、積冰凍雨、濕熱、高低溫、太陽輻照等氣象環(huán)境因素，實(shí)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(shí)驗(yàn)室主任楊軍表示，該裝置在風(fēng)切變、突風(fēng)/時(shí)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(dá)到預(yù)期。自2024年9月投用以來，引導(dǎo)風(fēng)洞已為多家企事業(yè)單位提供了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(dòng)測試。過去這項(xiàng)測試僅能在自然風(fēng)力環(huán)境中完成，現(xiàn)在可以隨時(shí)按需創(chuàng)造可控測試環(huán)境，極大節(jié)省了時(shí)間和人力成本。

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)等方面取得多項(xiàng)突破。低空復(fù)雜風(fēng)場對(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。因此，風(fēng)場的模擬技術(shù)至關(guān)重要。團(tuán)隊(duì)結(jié)合數(shù)值仿真先期研究，在引導(dǎo)風(fēng)洞中初步建立了復(fù)雜風(fēng)場模擬技術(shù)，并基于國內(nèi)機(jī)場及典型地貌環(huán)境測得的風(fēng)場數(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，可模擬低空遇到的各種復(fù)雜風(fēng)場。

此外，風(fēng)機(jī)矩陣的構(gòu)建與控制也是核心技術(shù)之一。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)雜低空氣象場景的人工可控復(fù)現(xiàn)。在風(fēng)機(jī)的葉輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)上，團(tuán)隊(duì)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，確保風(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故障可靠性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，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)全使用周期無故障發(fā)生。

深思實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃建設(shè)更大的低空復(fù)雜環(huán)境模擬裝置，以實(shí)現(xiàn)更大尺寸新型低空飛行器的研究、驗(yàn)證和測試。這將是全球首個(gè)飛行器訓(xùn)練平臺(tái)及低空經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)制定與驗(yàn)證平臺(tái)，與現(xiàn)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)。目前，深思實(shí)驗(yàn)室正不斷積累數(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。