從城市來流、旋翼尾流、槳-翼干擾，到 PIV/PTV、DIC 和數(shù)據(jù)同步

圖1｜Vertical Aerospace eVTOL 風洞測試場景。真實 eVTOL 研發(fā)中，風洞試驗用于在受控環(huán)境下驗證整機構(gòu)型、推進系統(tǒng)安裝影響和不同飛行狀態(tài)下的氣動響應(yīng)。圖片來源：Vertical Aerospace 公開資料。

一、eVTOL 風洞試驗，不只是測升力和阻力

傳統(tǒng)固定翼飛機的很多氣動問題，可以按機翼、機身、發(fā)動機安裝和操縱面逐項展開。eVTOL 的難點在于，多個旋翼或螺旋槳既產(chǎn)生升力和推力，也直接參與姿態(tài)控制；其尾流會沖刷機翼、機身、機臂和短艙，并在過渡飛行、復(fù)雜來流和近地狀態(tài)中進一步放大。

風洞試驗的價值，是在可重復(fù)的來流、轉(zhuǎn)速、姿態(tài)和構(gòu)型條件下，把這些耦合問題拆開觀察。力、壓力、速度場、圖像、結(jié)構(gòu)變形和控制量之間的關(guān)系，在風洞里更容易被分離和復(fù)現(xiàn)。風洞并不替代飛行試驗，但它能在試飛之前先把風險點看清楚。

二、公開案例：風洞驗證已經(jīng)進入頭部 eVTOL 研發(fā)流程

從公開資料看，eVTOL 企業(yè)和研究機構(gòu)已經(jīng)把風洞試驗作為設(shè)計迭代與試飛前驗證的重要環(huán)節(jié)。不同案例關(guān)注的問題不同：整機構(gòu)型看安裝效應(yīng)和綜合氣動響應(yīng)；單獨旋翼或螺旋槳看推力、扭矩、效率和聲學；尾流圖像則幫助理解多旋翼相互影響和近地運行風險。

1. 整機/復(fù)合翼構(gòu)型風洞測試

圖2｜Archer Midnight 風洞試驗場景。復(fù)合翼/分布式推進 eVTOL 的風洞驗證需要同時關(guān)注整機氣動、推進系統(tǒng)安裝效應(yīng)、旋翼尾流與機翼/機身之間的耦合。圖片來源：Archer Aviation 公開資料。

Archer Midnight 這類復(fù)合翼 eVTOL 的風洞試驗，重點不只是單個螺旋槳性能，而是整機構(gòu)型下的推進系統(tǒng)安裝效應(yīng)、旋翼/機翼/機身耦合，以及不同飛行狀態(tài)下的氣動響應(yīng)。整機構(gòu)型試驗通常是 CFD、部件臺架和真機試飛之間的連接環(huán)節(jié)。

2. 單獨旋翼/螺旋槳測試

圖3｜Joby 螺旋槳/旋翼風洞測試場景。單獨螺旋槳試驗可用于評估推力、扭矩、效率、氣動聲學和尾流特征。

對 eVTOL 來說，螺旋槳不是單純的推進部件。它同時決定推力效率、噪聲特性、下游尾流結(jié)構(gòu)，以及與機翼/機身之間的氣動干擾。單獨螺旋槳或旋翼風洞試驗通常是整機復(fù)雜氣動測試之前的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。

3. 多旋翼尾流耦合：近地運行問題的機理入口

圖4｜雙螺旋槳尾流結(jié)構(gòu)示意。相鄰螺旋槳尾流會相互影響，形成復(fù)雜的下洗流、回流和局部高速區(qū)。圖片來源：Eve / 公開資料。

這類圖像不等同于完整的下洗流/外洗流測試。它更適合作為多旋翼尾流耦合的機理入口：相鄰旋翼之間的卷吸和尾流重疊會改變局部入流方向，進而影響推力、姿態(tài)控制和近地運行邊界。全尺寸下洗流/外洗流、絲線法、旋翼應(yīng)變和機載動態(tài)壓力等內(nèi)容，將在后續(xù)試飛篇展開。

三、先看空氣環(huán)境，再看飛行器如何改變空氣

城市低空運行涉及兩類不同流場：一類是飛行器將進入的外部空氣環(huán)境，另一類是飛行器自身旋翼、機翼和機身改變后的誘導(dǎo)流場。兩類問題都需要實測數(shù)據(jù)支撐。

1. 城市建筑周邊流場：飛行器將進入怎樣的空氣環(huán)境

圖5｜城市建筑模型三維流場掃描現(xiàn)場。操作人員在縮比城市模型中移動探針，屏幕實時顯示速度云圖與矢量結(jié)果。圖片來源：Streamwise / ProCap 公開資料。

圖6｜城市流場測試結(jié)果。彩色云圖表示速度大小，箭頭表示局部流向，可用于識別樓群繞流、局部加速區(qū)、回流區(qū)和尾流區(qū)。圖片來源：Streamwise / ProCap 公開資料。

通過建筑模型、空間定位和三維風速探針，可以把街谷、樓群和建筑背風側(cè)的復(fù)雜流動轉(zhuǎn)化為實測速度場。它不直接測 eVTOL 機體，但回答了一個前置問題：飛行器進入城市低空后，面對的是怎樣的局部空氣環(huán)境。

2. Dufour Aero2 尾流：飛行器自身如何改變空氣

圖7｜Dufour Aero2 風洞測試搭建。左側(cè)可見運動捕捉相機，垂直安裝的機翼、螺旋槳和機身組合模型，右側(cè)為儀測架+全向測壓探針。圖片來源：ZHAW / ProCap / Dufour Aero2 公開資料。

圖8｜Dufour Aero2 尾流測試結(jié)果：速度云圖疊加矢量場。三維流場掃描系統(tǒng)結(jié)合多孔探針和空間定位，可將點測數(shù)據(jù)重構(gòu)為速度云圖與矢量場。圖片來源：ZHAW / ProCap / Dufour Aero2 公開資料。

Dufour Aero2 案例展示的是另一類問題：飛行器自身誘導(dǎo)出的復(fù)雜尾流。螺旋槳、機翼和機身組合后，尾流并非均勻向后發(fā)展，而是包含局部高速區(qū)、低速尾跡區(qū)、流向偏轉(zhuǎn)和回流結(jié)構(gòu)。這類數(shù)據(jù)可以用于 CFD 校核、構(gòu)型修改對比和真機測點設(shè)計。

四、eVTOL 風洞測試項目圖譜

下列圖譜按研究對象和耦合程度排序，而不是按儀器類型排序。前半部分從環(huán)境來流、單旋翼到推進干擾和機體耦合；后半部分從過渡狀態(tài)、非定常響應(yīng)到結(jié)構(gòu)測量、流場可視化和噪聲機理。

圖9｜eVTOL 風洞測試項目圖譜（上）：從城市來流到推進干擾。

圖10｜eVTOL 風洞測試項目圖譜（下）：從過渡狀態(tài)到流場診斷。

五、流場、結(jié)構(gòu)和非定常響應(yīng)的關(guān)鍵測量方法

1. PIV/PTV：把不可見尾流變成速度場

圖11｜Royal NLR 風洞中的 PIV/PTV 粒子示蹤測量。綠色粒子云用于捕捉模型周圍流場運動。圖片來源：Royal NLR 公開資料。

PIV/PTV 適合觀察槳尖渦、尾流擴散、尾流再吸入、機翼上方分離和建筑尾流。示蹤粒子只是采集過程，真正有工程價值的是后處理得到的速度矢量場，以及它與壓力、力/矩、轉(zhuǎn)速、模型姿態(tài)和控制輸入的同步對照。

圖12｜DanTec + Phantom PIV 視頻，用于展示激光片和示蹤粒子如何幫助捕捉尾流結(jié)構(gòu)。視頻來源：Dantec / Phantom PIV 測試資料。

高速相機可作為 PIV/PTV/BOS 測量鏈中的成像單元，與激光、示蹤粒子、同步控制和圖像處理軟件共同組成系統(tǒng)。對于 eVTOL 風洞測試，它可以幫助記錄尾流演化、瞬態(tài)渦結(jié)構(gòu)、碎屑/FOD 運動，以及流場與結(jié)構(gòu)/壓力響應(yīng)之間的關(guān)系。

2. DIC/光學標記：測結(jié)構(gòu)如何動

圖13｜槳葉表面光學標記點。此類標記可用于 DIC、三維光學跟蹤、槳葉變形或姿態(tài)/位移測量。圖片來源：Royal NLR 公開資料。

eVTOL 的氣動問題并不止于流場本身。槳葉、機翼、機臂和支撐結(jié)構(gòu)在氣動載荷下會發(fā)生變形，變形又會反過來改變局部流場和載荷分布。DIC 和三維光學跟蹤可以把這種結(jié)構(gòu)響應(yīng)記錄下來，與壓力、載荷、轉(zhuǎn)速和 PIV/PTV 數(shù)據(jù)同步分析。

3. 陣風/非定常來流：連接城市風環(huán)境和飛控響應(yīng)

圖14｜DLR / DNW 風洞中的可控陣風或非定常來流試驗場景。模型表面可見光學標記點，背景為擾動發(fā)生裝置。圖片來源：DLR / DNW 公開資料。

城市低空運行面對的不是恒定來流。風洞試驗可以通過擾動發(fā)生裝置研究陣風響應(yīng)、氣動載荷變化和結(jié)構(gòu)/姿態(tài)響應(yīng)。外部擾動先改變局部流角和載荷，隨后進入姿態(tài)與推力控制閉環(huán)。

4. 多面風墻：面向擾動響應(yīng)的可編程風場

圖15｜多面風墻陣列與 UAV/eVTOL 測試示意。多風機陣列可生成多方向、可編程的復(fù)雜擾動風場，并結(jié)合運動捕捉驗證飛控響應(yīng)。圖片來源：公開技術(shù)資料 / 發(fā)布前需確認授權(quán)。

多面風墻更適合小型無人機和縮比 eVTOL 的擾動響應(yīng)驗證。它不是傳統(tǒng)風洞的替代品，而是補充：傳統(tǒng)風洞適合建立基礎(chǔ)氣動數(shù)據(jù)庫，多風機陣列適合生成橫向陣風、垂向擾動和時變流場，用于觀察飛行器如何識別擾動、分配推力并恢復(fù)姿態(tài)。

六、這些試驗需要哪些測量能力

風洞測試不宜按品牌堆砌設(shè)備，而應(yīng)按數(shù)據(jù)類型組織測量能力。不同儀器解決的問題不同，最終目標是把氣動現(xiàn)象放到同一套時間軸和坐標系中解釋。

空氣狀態(tài)測量：多孔探針、風速探針和大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)用于測量空速、迎角、側(cè)滑角、動壓、靜壓和三維速度分量。

壓力場測量：壓力掃描閥和動態(tài)壓力傳感器用于模型表面、短艙、機臂和地面板的壓力分布與壓力脈動。

流場可視化：PIV、PTV、BOS 和高速成像用于觀察尾流演化、槳尖渦、分離區(qū)和非定常渦結(jié)構(gòu)。

三維流場掃描：空間定位與多孔探針掃描系統(tǒng)可將局部速度和流向重構(gòu)為三維實測流場。

結(jié)構(gòu)響應(yīng)測量：DIC、光學跟蹤、應(yīng)變片和 FBG 可用于測量槳葉、機翼、機臂和支撐結(jié)構(gòu)變形。

同步數(shù)據(jù)鏈：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PTP/PPS、觸發(fā)同步和視頻時間戳用于把風速、壓力、力/矩、轉(zhuǎn)速、姿態(tài)、圖像和構(gòu)型狀態(tài)放到同一時間軸。

圖16｜系統(tǒng)級驗證閉環(huán)圖。用于把城市風環(huán)境、CFD/風洞、真實飛行試驗、機載數(shù)據(jù)采集、飛控修正和運行邊界驗證串聯(lián)起來。

七、結(jié)語：風洞的價值在于把復(fù)雜問題提前拆開

eVTOL 的復(fù)雜性，不來自某一個單獨部件，而來自分布式推進、旋翼尾流、機翼/機身干擾、非定常來流、結(jié)構(gòu)變形和飛控響應(yīng)之間的疊加。風洞試驗的意義，是在可控條件下把這些問題逐項拆開，再用力、壓力、速度場、圖像、結(jié)構(gòu)變形和同步數(shù)據(jù)把它們重新關(guān)聯(lián)起來。

從公開案例可以看到，Joby、Archer、Vertical、EVE、Dufour 等企業(yè)或研究機構(gòu)已經(jīng)在利用風洞和流場測量方法研究整機構(gòu)型、螺旋槳、尾流和復(fù)雜流場問題。對進入試飛和適航驗證階段的 eVTOL 項目來說，這類試驗不是展示，而是建立氣動數(shù)據(jù)庫、校核 CFD、完*飛控模型和確定運行邊界的基礎(chǔ)工作。

真實飛行中的下洗流、外洗流、絲線法、旋翼/螺旋槳應(yīng)變、機載動態(tài)壓力和飛控日志同步，將在后續(xù)試飛篇中展開。

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