我國打造低空飛行器“御風(fēng)實(shí)驗(yàn)室”

記者 李迅典

低空飛行器風(fēng)洞

編者的話：我國首個專注低空飛行器氣動研究的復(fù)合型風(fēng)洞近期在廣東空天科技研究院（以下簡稱“廣天院”）正式落成啟用。該風(fēng)洞的落成代表著中國整體風(fēng)洞技術(shù)實(shí)力的一次躍升，不僅填補(bǔ)了低空飛行器從實(shí)驗(yàn)室研究到真實(shí)場景驗(yàn)證的基礎(chǔ)設(shè)施空白，也標(biāo)志著粵港澳大灣區(qū)低空經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)科研平臺建設(shè)取得新突破。

啟用首座低空飛行器專用復(fù)合型風(fēng)洞

風(fēng)洞，被譽(yù)為“飛行器的搖籃”，通過人工控制氣流流動，為飛行器設(shè)計提供至關(guān)重要的系統(tǒng)性測試環(huán)境。廣天院風(fēng)洞平臺負(fù)責(zé)人尚祖銘向《環(huán)球時報》記者詳細(xì)闡釋了其核心原理：“風(fēng)洞測試的核心在于，將飛行器模型固定在設(shè)備中，主動驅(qū)動氣流高速流動，模擬飛行器與空氣的相對運(yùn)動狀態(tài)，從而精準(zhǔn)測量其在空中飛行時的各項關(guān)鍵氣動參數(shù)。”相較于復(fù)雜且周期漫長的戶外實(shí)景測試，風(fēng)洞測試將周期大幅縮短至3-4個月，并顯著降低了研發(fā)成本，成為飛行器研制提速降本的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

據(jù)介紹，此次啟用的風(fēng)洞是4.5米量級的復(fù)合型設(shè)施，其創(chuàng)新之處在于開創(chuàng)性地將傳統(tǒng)航空風(fēng)洞與無人機(jī)專用的風(fēng)墻測試系統(tǒng)集于一身。此次該復(fù)合型風(fēng)洞的啟用，也是中國整體風(fēng)洞技術(shù)實(shí)力的躍升。廣天院風(fēng)洞技術(shù)負(fù)責(zé)人孫良寶表示：“綜合評估規(guī)模、技術(shù)能力和覆蓋范圍，中國風(fēng)洞技術(shù)整體實(shí)力已穩(wěn)居世界前三，規(guī)模效應(yīng)和在前沿研究領(lǐng)域的能力均已進(jìn)入國際第一梯隊。”

孫良寶具體解釋稱：“國內(nèi)某高超聲速風(fēng)洞設(shè)施，能夠模擬高達(dá)30倍音速的極端飛行環(huán)境，這種極端條件的模擬能力在世界上是獨(dú)一無二的，在該單項技術(shù)領(lǐng)域我們可位列全球第一。這得益于改革開放以來國家對航空航天基礎(chǔ)科研設(shè)施的持續(xù)投入，使我們在風(fēng)洞建設(shè)規(guī)模和技術(shù)創(chuàng)新深度上都實(shí)現(xiàn)了歷史性跨越。”

尚祖銘對《環(huán)球時報》記者表示：“風(fēng)洞的技術(shù)突破是有里程碑意義的，可以說，沒有這些在地面模擬的萬次飛行所積累的寶貴數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，就不可能有國產(chǎn)低空飛行器如今翱翔藍(lán)天的‘空中奇跡’。”

尚祖銘強(qiáng)調(diào)：“最大的技術(shù)突破在于實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)航空風(fēng)洞與新型風(fēng)墻系統(tǒng)的深度融合。這使得我們既能進(jìn)行高精度的定量氣動數(shù)據(jù)測量，又能有效模擬低空復(fù)雜多變的氣流環(huán)境，對飛行器性能進(jìn)行全面評估。”該風(fēng)洞擁有8米×6米的龐大實(shí)驗(yàn)區(qū)，是目前國內(nèi)可承載中型乃至中大型飛行器進(jìn)行抗風(fēng)性能測試的單體面積最大的工程化風(fēng)洞設(shè)施，其風(fēng)墻系統(tǒng)的規(guī)模在全球同類設(shè)施中也居于領(lǐng)先地位。

尚祖銘在接受《環(huán)球時報》記者采訪時，明確了該設(shè)施的獨(dú)特定位與戰(zhàn)略意義：“我們這座風(fēng)洞的使命非常清晰——專注于低空飛行器的氣動研究，核心目標(biāo)是服務(wù)大灣區(qū)蓬勃發(fā)展的低空經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)。”他表示，行業(yè)發(fā)展長期存在痛點(diǎn)：國內(nèi)頂尖的風(fēng)洞資源（生產(chǎn)型風(fēng)洞）主要服務(wù)于國家重大航空航天型號任務(wù)。“低空飛行器研發(fā)企業(yè)，尤其是南方的民營企業(yè)，長期以來很難獲得這些國家級資源的測試支持。可以說，在南方，特別是粵港澳大灣區(qū)，服務(wù)于產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)型風(fēng)洞資源幾乎是空白。”

尚祖銘表示，“這座風(fēng)洞的建成啟用，標(biāo)志著中國在低空經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域擁有了首個專門面向產(chǎn)業(yè)化需求的‘生產(chǎn)型風(fēng)洞’，讓大灣區(qū)的企業(yè)能夠在家門口獲得高效、便捷的檢測服務(wù)。”他進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)：“在低空飛行器面臨的特殊氣動問題研究上，全球包括中美都處于探索階段。通過這座風(fēng)洞平臺聯(lián)合國內(nèi)優(yōu)勢技術(shù)力量進(jìn)行攻關(guān)，我們在飛行安全性和關(guān)鍵氣動問題的解決能力上，已經(jīng)取得了領(lǐng)先半個身位的優(yōu)勢。”

工作人員正在風(fēng)洞前測試無人機(jī)

攻克“卡脖子”難關(guān)

低空飛行器，尤其是電動垂直起降飛行器（eVTOL），其運(yùn)行環(huán)境和飛行模式帶來了與傳統(tǒng)航空器截然不同的氣動難題。尚祖銘系統(tǒng)性地梳理了當(dāng)前面臨的五大核心技術(shù)挑戰(zhàn)。

首當(dāng)其沖的是分布式動力效率瓶頸。低空飛行器普遍采用多旋翼/多槳設(shè)計以提高安全冗余，“但這也導(dǎo)致單槳效率相對較低，使得整個動力系統(tǒng)天生存在效率不足的問題，直接影響飛行器的續(xù)航里程和運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性。”

其次是多槳干擾的極端復(fù)雜性，多個旋翼/螺旋槳之間、槳葉與機(jī)身結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生的復(fù)雜氣動干擾，包括轉(zhuǎn)向差異、相位控制、渦流相互作用等，都需要極其深入細(xì)致的研究。

第三大挑戰(zhàn)是垂直起降特有的過渡態(tài)飛行安全風(fēng)險。“從懸停狀態(tài)轉(zhuǎn)換到前飛巡航狀態(tài)的過渡階段，氣動特性極為復(fù)雜且不穩(wěn)定，是事故的高發(fā)期，美國V-22‘魚鷹’運(yùn)輸機(jī)歷史上多次嚴(yán)重事故均與此階段相關(guān)。”

第四項挑戰(zhàn)是城市復(fù)雜環(huán)境的強(qiáng)適應(yīng)性要求。“低空飛行器主要在城市樓宇峽谷、人口密集區(qū)運(yùn)行，其遭遇的湍流、陣風(fēng)（切片風(fēng)陣）、下洗氣流等復(fù)雜環(huán)境遠(yuǎn)超傳統(tǒng)航空器的飛行空域預(yù)期。”

最后是噪聲控制與公眾舒適性挑戰(zhàn)。“低空飛行器產(chǎn)生的噪音直接關(guān)系到公眾接受度和商業(yè)運(yùn)營的可行性。若因噪音問題引發(fā)居民投訴，迫使進(jìn)行設(shè)計修改，將大幅推高研制成本。”

尚祖銘向記者詳細(xì)介紹了該風(fēng)洞在攻克這些“卡脖子”難題上的獨(dú)特能力：“傳統(tǒng)的大型航空風(fēng)洞難以精確模擬城市峽谷中那種高度不規(guī)則的‘切片風(fēng)陣’等復(fù)雜瞬變氣流；而一些新興、專注于模擬復(fù)雜氣流的風(fēng)墻系統(tǒng)，往往又難以達(dá)到進(jìn)行高精度定量氣動測試所需的流場品質(zhì)要求。我們這座復(fù)合型風(fēng)洞成功融合了兩者的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了對低空飛行器在真實(shí)復(fù)雜環(huán)境下性能的高精度測量與評估。”

針對行業(yè)面臨的另一個痛點(diǎn)——高昂的測試成本和標(biāo)準(zhǔn)缺失，廣天院風(fēng)洞技術(shù)負(fù)責(zé)人孫良寶坦言：“傳統(tǒng)航空風(fēng)洞進(jìn)行一次高規(guī)格測試，成本動輒達(dá)到百萬量級。而許多低空飛行器原型機(jī)或早期產(chǎn)品的造價本身可能也只有兩三百萬人民幣，企業(yè)根本無力承擔(dān)如此高昂的測試費(fèi)用。因此，我們的首要任務(wù)之一，是與產(chǎn)業(yè)界緊密合作，共同制定一套適合低空飛行器研發(fā)特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)可行的新測試標(biāo)準(zhǔn)體系，涵蓋從模型設(shè)計規(guī)范到抗風(fēng)性能測試方法等全流程創(chuàng)新。”

據(jù)《環(huán)球時報》記者了解，廣天院已聯(lián)合國內(nèi)多家低空飛行器研發(fā)機(jī)構(gòu)、高校和產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，共同啟動了低空飛行器風(fēng)洞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化體系的共建工作。

撬動三千億市場的低空經(jīng)濟(jì)圈

該風(fēng)洞的啟用，其產(chǎn)業(yè)帶動效應(yīng)正在迅速顯現(xiàn)。據(jù)尚祖銘透露，目前廣天院已接到深圳海關(guān)、小鵬匯天、威凱檢測等10余家單位的測試需求，其意義遠(yuǎn)不止于提供一個測試場所，更在于圍繞風(fēng)洞構(gòu)建起一個完整的低空經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新生態(tài)圈。

依托廣州南沙得天獨(dú)厚的區(qū)位優(yōu)勢，廣天院正全力打造覆蓋研發(fā)全鏈條的一站式服務(wù)基地。尚祖銘描繪了藍(lán)圖：“從數(shù)值仿真計算集群提供的前端設(shè)計支持，到室內(nèi)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行關(guān)鍵氣動驗(yàn)證，再到走出風(fēng)洞大門即可利用配套的外場試飛基地進(jìn)行實(shí)際飛行測試，配合先進(jìn)的5G-A通感一體網(wǎng)絡(luò)和精密測風(fēng)雷達(dá)，我們真正實(shí)現(xiàn)了低空飛行器研發(fā)的‘設(shè)計-仿真-風(fēng)洞驗(yàn)證-試飛’閉環(huán)。”這一獨(dú)特且完善的研發(fā)環(huán)境正形成強(qiáng)大的“磁場效應(yīng)”，吸引著低空經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)加速向廣州聚集。

針對低空飛行器領(lǐng)域以創(chuàng)新民企為主、普遍“抗風(fēng)險能力弱”的痛點(diǎn)，廣天院創(chuàng)新性地聯(lián)合相關(guān)保險公司推出專屬的科技保險產(chǎn)品。“通過我們風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的嚴(yán)格測試以及半實(shí)物仿真等驗(yàn)證環(huán)節(jié)后，企業(yè)研發(fā)的飛行器原型即可獲得相應(yīng)的試飛風(fēng)險保障，”尚祖銘解釋道，“這能極大減輕企業(yè)，特別是像eVTOL這類前沿領(lǐng)域民營企業(yè)的后顧之憂，為創(chuàng)新保駕護(hù)航。”

值得注意的是，在傾轉(zhuǎn)旋翼等代表未來方向的前沿布局上，2021年專家研討曾判定中國與歐美存在3-10年的技術(shù)差距。為加速追趕并降低行業(yè)整體研發(fā)風(fēng)險，廣天院推出“灣區(qū)1號”風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)共享平臺，并自主研發(fā)了具有代表性的傾轉(zhuǎn)旋翼驗(yàn)證機(jī)。

尚祖銘表示：“我們采用‘清點(diǎn)權(quán)益’的創(chuàng)新模式，在保護(hù)核心知識產(chǎn)權(quán)的同時，將大量基礎(chǔ)性、共性技術(shù)的氣動試驗(yàn)數(shù)據(jù)向全球研究者和產(chǎn)業(yè)伙伴開放共享。這類似于西方國家當(dāng)年在研發(fā)新型戰(zhàn)斗機(jī)前，通過一系列驗(yàn)證機(jī)項目降低全行業(yè)技術(shù)風(fēng)險的策略。這個驗(yàn)證平臺，正是我們加速突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸、實(shí)現(xiàn)協(xié)同創(chuàng)新的關(guān)鍵載體。”

對于低空經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)業(yè)前景，尚祖銘充滿信心：“低空經(jīng)濟(jì)規(guī)模未來可能超過3000億元，影響深遠(yuǎn)。”

他特別以中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的崛起歷程作為類比：“我們有最活躍的市場、最密集的企業(yè)集群和最有力的政策支持。”

聲 明：原創(chuàng)文章，歡迎聯(lián)系獲取轉(zhuǎn)載授權(quán)，并注明來源飛行邦；轉(zhuǎn)載文章，目的在于傳遞更多信息，并不代表平臺贊同其觀點(diǎn)和對其真實(shí)性負(fù)責(zé)。如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問題，請及時聯(lián)系我們更正或刪除。文章版權(quán)歸原作者及原出處所有 ，本平臺只提供參考并不構(gòu)成任何投資及應(yīng)用建