位于英國(guó)范堡羅的奎奈蒂克公司5米風(fēng)洞內(nèi)景。

德事隆的Nexus eVTOL 23%比例模型在RUAG的埃門(mén)風(fēng)洞內(nèi)展示。

德事隆電動(dòng)航空部門(mén)的Nexus風(fēng)洞模型配備了動(dòng)力旋翼，風(fēng)洞測(cè)試收集了關(guān)鍵和復(fù)雜的空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。

7月17日，德事隆航空宣布其新型Nexus電動(dòng)垂直起降飛行器（eVTOL）的風(fēng)洞試驗(yàn)已經(jīng)開(kāi)始。第一批現(xiàn)代形式的風(fēng)洞于19世紀(jì)70年代開(kāi)始提供科學(xué)數(shù)據(jù)。因此，第一批風(fēng)洞試驗(yàn)比第一次成功的重于空氣的可控飛行還要早30年左右。

考慮到過(guò)去幾年計(jì)算流體力學(xué)（CFD）和相關(guān)建模能力在計(jì)算能力方面取得的長(zhǎng)足進(jìn)步，在風(fēng)洞中測(cè)試下一代飛行器的比例模型的想法似乎已經(jīng)不合時(shí)宜。

事實(shí)上，風(fēng)洞試驗(yàn)與Nexus尤為相關(guān)，正如德事隆電動(dòng)航空部門(mén)前首席執(zhí)行官羅伯·斯科爾所說(shuō)：“計(jì)算技術(shù)在我們的設(shè)計(jì)周期中占有永久的地位。但對(duì)于像我們的eVTOL這樣以旋翼為主的流場(chǎng)，這些計(jì)算方法要復(fù)雜得多?？紤]到旋翼和機(jī)身之間的相互作用，我們需要進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，以校準(zhǔn)我們的計(jì)算工具，并確認(rèn)我們的功率、穩(wěn)定性和阻力預(yù)測(cè)。它還使我們能夠利用RUAG的設(shè)施復(fù)現(xiàn)接近全尺寸的流動(dòng)條件，在存在旋翼相互作用的情況下定制和測(cè)量最大機(jī)翼升力。這些活動(dòng)使我們能夠在切割金屬或鋪設(shè)復(fù)合材料之前進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代?！?/p>

德事隆電動(dòng)航空部門(mén)正在使用RUAG公司位于瑞士埃門(mén)的大型亞聲速風(fēng)洞?！八峁┝艘粋€(gè)7×5米的測(cè)試區(qū)域，可支持我們23%比例的模型和氣流控制系統(tǒng)，使我們有能夠接近全比例的空氣動(dòng)力學(xué)條件。風(fēng)洞中驅(qū)動(dòng)模型轉(zhuǎn)子的液壓系統(tǒng)使我們能夠達(dá)到模擬全尺寸旋翼?xiàng)l件所需的旋翼動(dòng)力密度?！彼箍茽栒f(shuō)。

德事隆電動(dòng)航空部門(mén)的姊妹公司貝爾公司在直升機(jī)領(lǐng)域擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。從1943年的貝爾30型直升機(jī)和1951年的XV-3傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)開(kāi)始，該公司的工程師就了解風(fēng)洞試驗(yàn)的價(jià)值，特別是在V-22“魚(yú)鷹”上的工作。

V-22的每個(gè)螺旋槳的強(qiáng)大下沖力之間的相互作用產(chǎn)生了不可預(yù)見(jiàn)的空氣動(dòng)力現(xiàn)象，影響了飛機(jī)的操控以及與甲板上或地面靠近的其他飛機(jī)的操作。21世紀(jì)初，NASA與主承包商貝爾公司和波音公司一起進(jìn)行了一系列風(fēng)洞試驗(yàn)，以研究這些問(wèn)題。

斯科爾認(rèn)識(shí)到這些保留的風(fēng)洞數(shù)據(jù)和其他試驗(yàn)信息對(duì)Nexus的價(jià)值，他說(shuō)：“我們的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)、旋翼機(jī)和固定翼飛機(jī)測(cè)試與Nexus直接相關(guān)。這些項(xiàng)目的測(cè)試結(jié)果為我們提供了經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)和設(shè)計(jì)方法?！?/p>

“從這些年的測(cè)試和認(rèn)證中，我們還可以平衡這些復(fù)雜機(jī)器的跨學(xué)科互動(dòng)，以滿足認(rèn)證要求。我們可以利用內(nèi)部資源，將經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、測(cè)試結(jié)果、分析方法和認(rèn)證策略應(yīng)用到Nexus的設(shè)計(jì)中。雖然eVTOL配置看似新穎，但它們是從我們的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)、旋翼機(jī)和固定翼飛機(jī)系列中提取的組件組合而成的?！?/p>

國(guó)防研究

斯科爾所提到的系列中有許多軍用飛機(jī)。盡管德事隆電動(dòng)航空部門(mén)在風(fēng)洞檔案中發(fā)現(xiàn)了許多有用的數(shù)據(jù)，但現(xiàn)代固定翼軍用飛機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)與商用飛機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)之間存在著關(guān)鍵的差異。

防務(wù)公司BAE系統(tǒng)公司的一位發(fā)言人說(shuō)：“巡航狀態(tài)性能驅(qū)動(dòng)著民用需求，而軍用需求與之類(lèi)似，但由于高速空氣動(dòng)力學(xué)、更寬的馬赫數(shù)范圍以及設(shè)備與機(jī)身的整合而變得復(fù)雜?！?/p>

BAE系統(tǒng)公司在英國(guó)沃頓的第一批風(fēng)洞試驗(yàn)是為英國(guó)電氣公司的“堪培拉”和“閃電”項(xiàng)目進(jìn)行的。從那時(shí)起，沃頓的風(fēng)洞就開(kāi)始對(duì)帕納維亞“狂風(fēng)”、“美洲虎”、霍克·西德利的“鷹”、歐洲戰(zhàn)斗機(jī)“臺(tái)風(fēng)”、F-35以及現(xiàn)在的“暴風(fēng)”進(jìn)行試驗(yàn)。研發(fā)項(xiàng)目增加了更多數(shù)據(jù)。

如今，沃頓擁有一個(gè)速度為馬赫數(shù)0.27的低速風(fēng)洞、一個(gè)覆蓋馬赫數(shù)0.4至3.7的1.2米高速風(fēng)洞和一個(gè)覆蓋馬赫數(shù)1.7至6.0的0.45米制導(dǎo)武器風(fēng)洞設(shè)施。該公司還使用位于英國(guó)貝德福德的2.74 x 2.44米飛機(jī)研究協(xié)會(huì)（ARA）跨聲速風(fēng)洞，該風(fēng)洞的運(yùn)行速度為馬赫數(shù)0至1.4，此外還可根據(jù)項(xiàng)目利益相關(guān)方和技術(shù)要求使用其他外部設(shè)施。

整架飛機(jī)或特定部件的比例模型也是風(fēng)洞試驗(yàn)的關(guān)鍵要素。整架飛機(jī)的比例模型可能用于穩(wěn)定性和控制測(cè)試，而專(zhuān)用模型則用于進(jìn)氣道/發(fā)動(dòng)機(jī)性能集成。根據(jù)風(fēng)洞的不同，模型的要求也不同。高速模型傳統(tǒng)上采用全金屬機(jī)加工結(jié)構(gòu)，但隨著快速成型制造技術(shù)的進(jìn)步，塑料部件越來(lái)越多，有助于縮短從模型概念到測(cè)試的時(shí)間。

為什么要進(jìn)行試驗(yàn)？

Nexus eVTOL飛機(jī)是具有明確試驗(yàn)要求的特定配置的一個(gè)例子，但大多數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)項(xiàng)目都有類(lèi)似的總體目標(biāo)。奎奈蒂克公司（QinetiQ）的風(fēng)洞試驗(yàn)主管伊恩·史密斯（Ian Smith）說(shuō)：“典型的目的是測(cè)量作用在飛機(jī)上的載荷、飛機(jī)結(jié)構(gòu)周?chē)膲毫Ψ植迹ㄓ绕鋫?cè)重于機(jī)翼和控制面）以及飛機(jī)周?chē)鲌?chǎng)的行為。每個(gè)風(fēng)洞都是針對(duì)特定的風(fēng)速范圍設(shè)計(jì)的，這就決定了測(cè)試的類(lèi)型，并在一定程度上決定了可測(cè)試的飛機(jī)類(lèi)型。因此，它們一般分為低速（亞聲速）、跨聲速、超聲速和高超聲速?！?/p>

航空風(fēng)洞通常在航空飛行器項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)階段與比例模型一起使用，因?yàn)樗葴y(cè)試全尺寸產(chǎn)品更便宜。地面測(cè)試也更安全，因?yàn)榭梢栽诓晃＜皺C(jī)組人員生命的情況下探索飛行包線極端情況下的性能。

史密斯管理著包括奎奈蒂克公司在英國(guó)的5米風(fēng)洞，他將其描述為一項(xiàng)戰(zhàn)略資產(chǎn)：“這是一個(gè)低速風(fēng)洞，用于研究民用和軍用飛機(jī)的起飛和著陸性能，盡管大部分工作是為民用部門(mén)進(jìn)行的。由于世界上只有少數(shù)這樣的風(fēng)洞，因此需求量很大。它有一個(gè)很大的測(cè)試部分，可以將隧道回路加壓到三個(gè)大氣壓，從空氣動(dòng)力學(xué)的角度將試驗(yàn)品的尺寸增大三倍?！?/p>

史密斯說(shuō)，從空氣動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，典型的飛機(jī)開(kāi)發(fā)周期是分階段進(jìn)行的。第一階段是概念開(kāi)發(fā)，確定基準(zhǔn)構(gòu)型。這包括計(jì)算預(yù)測(cè)，以減少需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)的構(gòu)型數(shù)量，從而驗(yàn)證子組件和整機(jī)的性能。

第二階段是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，重點(diǎn)是飛機(jī)優(yōu)化。在這一階段，風(fēng)洞產(chǎn)生性能數(shù)據(jù)的速度仍然比計(jì)算機(jī)快。測(cè)試包括不同的機(jī)型姿態(tài)，例如，入射角和側(cè)傾角，以及相關(guān)配置和控制面設(shè)置。

然后，在原型機(jī)生產(chǎn)、飛行測(cè)試和飛機(jī)投入使用時(shí)，將進(jìn)一步考慮空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。飛機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)也將經(jīng)歷類(lèi)似的概念和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程，需要進(jìn)行自己的測(cè)試，包括發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)身的集成。

史密斯說(shuō)：“在風(fēng)洞飛機(jī)模型上模擬動(dòng)力裝置需要復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)驅(qū)動(dòng)。意味著一筆不菲的費(fèi)用，這是一項(xiàng)專(zhuān)門(mén)的工作。然而，電機(jī)技術(shù)的進(jìn)步為簡(jiǎn)化該技術(shù)打開(kāi)了大門(mén)，從而降低了動(dòng)力測(cè)試的成本，因此該技術(shù)正變得越來(lái)越常規(guī)。動(dòng)力測(cè)試對(duì)于評(píng)估采用多動(dòng)力裝置的新概念飛機(jī)（包括eVTOL飛機(jī)和其他先進(jìn)的空中機(jī)動(dòng)飛行器）至關(guān)重要。不過(guò)，動(dòng)力裝置的內(nèi)部工作原理仍需要在風(fēng)洞外進(jìn)行專(zhuān)門(mén)測(cè)試，因?yàn)檫@通常只是為了復(fù)現(xiàn)動(dòng)力裝置的進(jìn)出氣流及其對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)性能的影響?！?/p>

Nexus就是史密斯所說(shuō)的先進(jìn)概念的一個(gè)完美例子，斯科爾表示，德事隆將利用RUAG的風(fēng)洞數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證Nexus飛行器設(shè)計(jì)和控制效應(yīng)器（包括旋翼、副翼和舵機(jī)）在整個(gè)飛行包線和整個(gè)旋翼傾角范圍內(nèi)的氣動(dòng)效果。通過(guò)測(cè)量這些效應(yīng)，可以分辨出設(shè)計(jì)中各個(gè)組件的力和力矩。

通過(guò)這一過(guò)程，可以確認(rèn)、校準(zhǔn)和補(bǔ)充計(jì)算方法。此外，還可以建立一個(gè)空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，以更新六自由度模擬器，從而進(jìn)行控制律開(kāi)發(fā)和操縱性能分析。

這種耦合的空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)、模擬和控制法則構(gòu)成了生成認(rèn)證質(zhì)量飛機(jī)載荷預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)，進(jìn)而推動(dòng)飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這些方法能夠突破設(shè)計(jì)極限，優(yōu)化其執(zhí)行任務(wù)的能力，并最終確定從懸停到前向飛行轉(zhuǎn)換動(dòng)作的設(shè)計(jì)決策。

未來(lái)的風(fēng)洞

考慮到風(fēng)洞設(shè)施的持續(xù)重要性，史密斯說(shuō)：“風(fēng)洞用戶希望從每次試驗(yàn)中獲得更多的收益。這意味著風(fēng)洞必須提供更全面的數(shù)據(jù)集，而不僅僅是傳統(tǒng)的模型載荷和表面壓力測(cè)量。特別是，現(xiàn)代要求提供模型周?chē)捏w外流場(chǎng)信息、空氣動(dòng)力載荷導(dǎo)致的模型形狀知識(shí)，以及越來(lái)越多地納入動(dòng)力裝置，以確定其對(duì)機(jī)身周?chē)鲌?chǎng)的影響。”

由于光學(xué)測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步和儀器的小型化，這些要求都可以在風(fēng)洞中得到滿足，這意味著試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄?shù)據(jù)通道數(shù)量會(huì)增加。這種信息量也是有效驗(yàn)證計(jì)算預(yù)測(cè)的先決條件，因此，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，風(fēng)洞試驗(yàn)很可能會(huì)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)的組合，從而全面描述飛機(jī)整個(gè)性能包線范圍內(nèi)的流場(chǎng)。

“我們的目標(biāo)是使這些數(shù)據(jù)具有極高的準(zhǔn)確性，從而使飛機(jī)制造商能夠最大限度地減少飛機(jī)認(rèn)證所需的昂貴的飛行測(cè)試量?！笔访芩贡硎?/p>

BAE系統(tǒng)公司發(fā)言人說(shuō)：“風(fēng)洞和CFD是測(cè)試和評(píng)估空氣動(dòng)力性能的互補(bǔ)方法。CFD是一種非常有效的工具，可用于早期概念開(kāi)發(fā)和成熟設(shè)計(jì)，并通過(guò)生成預(yù)期性能來(lái)支持風(fēng)洞試驗(yàn)階段，從而為測(cè)量測(cè)試點(diǎn)提供信息?！?/p>

CFD非常適合穩(wěn)態(tài)測(cè)量，但非穩(wěn)態(tài)或高度湍流現(xiàn)象的建模一直是一個(gè)挑戰(zhàn)因素，也是發(fā)展的動(dòng)力。風(fēng)洞可以進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)的、具有挑戰(zhàn)性的、邊緣包絡(luò)線測(cè)試，有助于開(kāi)發(fā)更直觀的CFD代碼。

風(fēng)洞還采用了先進(jìn)的非侵入式測(cè)量方法，可以為客戶提供更多數(shù)據(jù)，幫助診斷傳統(tǒng)力和力矩?cái)?shù)據(jù)或CFD模擬中不容易看到的現(xiàn)象。

氣流的復(fù)雜性與計(jì)算數(shù)據(jù)的不確定性之間存在關(guān)聯(lián)。這意味著風(fēng)洞試驗(yàn)經(jīng)常被用來(lái)驗(yàn)證計(jì)算模型。因此，盡管計(jì)算機(jī)建模技術(shù)不斷進(jìn)步，風(fēng)洞仍然是預(yù)測(cè)飛機(jī)性能的主要手段。

在幾分鐘內(nèi)，風(fēng)洞就能產(chǎn)生一組數(shù)據(jù)，而這組數(shù)據(jù)需要花費(fèi)數(shù)小時(shí)的計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)間。再加上飛機(jī)構(gòu)型的變化，計(jì)算團(tuán)隊(duì)需要花費(fèi)數(shù)年時(shí)間才能生成與一個(gè)月的風(fēng)洞試驗(yàn)活動(dòng)相同的數(shù)據(jù)集。

因此，風(fēng)洞試驗(yàn)將繼續(xù)存在，目前理念更多的是計(jì)算數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的互補(bǔ)，而不是計(jì)算方法取代風(fēng)洞試驗(yàn)。