城市空中交通风洞测试：侧风与阵风环境下的eVTOL及无人机

为开阔天空设计的飞行器和为城市设计的飞行器是两种不同的机器，其区别不在于机身，而在于空气。

在屋顶上方，气流会分离并重新附着。在两座塔楼之间，气流会加速。在女儿墙后方，它会以取决于建筑物而非飞行器的频率产生涡流。货运无人机或空中出租车在进近垂直起降场时，其最关乎安全的关键几分钟，恰好处于大气环境最不稳定的区域。

这就是为什么eVTOL风洞测试 不再是后期的验证步骤，而成为了设计的驱动力。以下将介绍飞行器在城市风环境中实际会遭遇什么，如何在测试设施中重现这些条件，以及如何确定能够产生这些条件的设施规模。

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1. 为什么城市气流比开阔天空更复杂

有三种效应占据主导地位，而这些在经典性能测试的干净、稳定的气流中都是不存在的。

风切变。 在建筑物附近，风速随高度变化极快。从垂直起降场爬升的飞行器可能在几秒钟内穿过巨大的速度梯度，而在此过程中，每个旋翼都会面临不同的入流。

分离与尾流。 建筑物的每个边缘都是一个涡流发生器。在塔楼的下游，飞行器会穿过尾流，其特征涡流的大小由建筑物结构决定——与大型飞行器相比，小型飞行器受到的涡流尺寸范围要广得多。湍流最好被看作是多种尺度涡流的叠加；对飞行器干扰最大的是与自身尺寸相当或更大的涡流，这就是为什么 3 m 长的eVTOL对同一阵风场的敏感度远高于大型客机。

热羽流与人造羽流。 被太阳加热的建筑立面、停车楼和暖通空调（HVAC）排气口会增加垂直速度分量，这些分量在一天中不断变化，且在标准天气报告中是无法体现的。

结果就是，这种扰动环境不仅比开阔地带的风更强，而且是结构化的——控制系统的失效往往是因为这种结构化扰动，而不是平均风速。

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2. 实际会发生什么故障

在我们进行无人机（UAV）和eVTOL测试项目的经验中，大多数意料之外的情况都归结为四种失效模式：

• 控制权限耗尽。 在稳定的侧风中，飞行器通过持续偏置旋翼推力来保持姿态。这种偏置会消耗用于抵御阵风的可用余量。飞行器看起来很稳定——直到阵风袭来，系统已无余力应对。
• 推力不对称演变为功率不对称。 各个旋翼达到饱和的时间不同。在电池驱动的电动平台上，这表现为特定电调（ESC）上的电流尖峰，热极限可能会在达到空气动力学极限之前很久就被触发。
• 位置保持能力的下降早于姿态保持能力。 自动驾驶仪能保持飞行器水平，但仍会发生漂移。对于垂直起降场的操作而言，这种漂移是关乎安全的关键变量。
• 乘坐舒适度的崩溃早于控制失效。 对于载客飞行器，可接受的飞行包线是由乘客的承受能力决定的，而不是由飞控系统能撑过什么极限决定的。

这些问题在静风悬停测试中都无法察觉，但它们都可以在风洞中重现。

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3. 适航认证的实际要求

对于小型垂直起降（VTOL）飞行器，欧洲的框架是EASA于2019年7月2日发布的专用条件 SC-VTOL-01 ，以及自2020年5月以来不断制定的一系列符合性方法（Means of Compliance）文件。

对测试工程师来说，重点在于环境定义的广度。SC-VTOL涵盖了来自任何方向的风——包括侧风、风切变梯度、阵风、风切变和湍流——以及结冰、降水和温度，并要求在不同强度（分为轻度、中度和重度）下对这些因素进行考量。

这种结构带来了两个实际影响：

1. 您的测试矩阵必然是多轴的。 仅在迎风条件下证明性能意义不大；条件集具有方向性，且包含非定常内容。
2. 具体数值因项目而异。 声明的侧风和顺风能力是通过特定飞行器适用的符合性方法确定的，而不是从通用表格中读取的。任何为eVTOL侧风引用单一通用极限的人都应受到质疑——这其中也包括供应商。

因此，测试设施的规格必须围绕您声明的飞行包线来制定，并为您打算探索的中度和重度情况留出余量。

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4. 如何在风洞中重现城市风

主要有三大类技术，严谨的测试项目通常会使用不止一种。

被动湍流生成。 在上游放置格栅、尖塔、粗糙元和障碍物，以形成具有目标剖面和强度的湍流边界层。这是经典的建筑风工程方法：成本低、稳定且可重复性高，但一旦硬件固定，湍流频谱就基本固定了。

主动阵风生成。 试验段上游的振荡叶片，或具有独立控制单元的风机阵列，可产生随时间变化的流场——离散阵风、正弦激励、突然的风向改变、程序化风切变。这是重现特定事件（如穿过建筑物尾流）并为两种不同的控制律版本完全相同地重复该事件的唯一方法。

缩尺城市模拟。 将垂直起降场及其周围环境的缩尺模型放置在上游，飞行器在它们实际产生的尾流中进行测试。这就是建筑环境如何被引入测试，而不是仅仅用一个湍流强度数值来近似。

无论使用哪种方法，有两个配置决策将决定其他一切：飞行器是安装在天平上 ——提供干净的力、力矩和可重复性——还是在大型开式射流段中自由飞行 ，由其自身的自动驾驶仪闭环控制，这测试的是系统而不是机身。从悬停到前飞的转换，入流角扫过整个范围，旋翼尾流与机翼和结构发生相互作用，这是最值得重现的单一机动动作，且它需要这两种配置的结合。

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5. 可行的测试矩阵

对于城市运行的飞行器，该矩阵通常涵盖：

至少需要测量：天平上的力和力矩、每个旋翼的转速（RPM）和电流、指令姿态与实际姿态及位置、有效载荷或客舱位置的加速度，以及来自风洞仪表与测量的入流参考数据。

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6. 确定设施规模

如果您是要定制一座风洞，而不是租用风洞时间，有四个关键数据起决定性作用：

• 试验段尺寸与飞行器翼展的对比。 阻塞效应在视觉上变得明显之前，早就已经破坏了数据。全尺寸的小型无人机需要一个在图纸上看起来非常宽裕的试验段。
• 速度范围，包括低速端。 城市空中交通（UAM）的工作范围在 0–30 m/s 之间。产生稳定、均匀的 3 m/s 风速比产生 25 m/s 更难，而这正是获取悬停和低速转换数据的地方。
• 关键区域的流场质量。 低湍流是风洞必须能够回归的基准线；您无法研究一个与背景气流无法区分的阵风。
• 试验段的进出与安全。 自由飞行测试需要防护网、比飞行器反应更快的紧急停止（E-stop）系统，以及便于每天多次更改配置的进出方案。

闭式循环架构在这里占据主导地位，原因与其他领域相同：可重复性、温度控制和运行成本——具体的权衡在

closed-circuit vs open-circuit tunnels

中列出，其背后的方向决策在我们的

comparison of wind tunnel types

中。

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7. 值得避免的五个错误

• 仅测试迎风。 这是运行成本最低的条件，但提供的信息也最少。
• 报告平均值。 阵风响应是一个瞬态过程。平均数据恰恰掩盖了您要测试的事件。
• 忽略地面效应。 在垂直起降场甲板附近，回流和地面效应会彻底改变入流。
• 只测试机身而不测试控制律。 大多数城市环境下的故障都是系统故障；安装在天平上且控制器被冻结的模型是无法揭示这些故障的。
• 将环境测试留到设计冻结之后。 侧风能力是通过旋翼尺寸和控制余量换来的——这些决定在早期做出，如果在后期推翻，代价将非常高昂。

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8. 从测试计划到测试设施

城市空中交通的适航认证针对的是具有方向性、非定常且特定于场地的环境。达到这一标准意味着要在地面上可重复地重现这种环境数百次，而这远在飞行器真正在真实建筑物之间进行进近飞行之前。

我们设计并建造的定制测试设施正是为了满足此类工作需求——围绕飞行器尺寸设计的闭式循环风洞，从空气动力学概念阶段就开始规划低速稳定性、阵风生成和仪表与测量集成，并可随着项目的成熟添加气候和耐久性模块。我们的出发点是您的测试矩阵，而不是产品目录。

请将您的飞行包线和飞行器尺寸发送给我们 ，我们将为您提供一个设施概念方案：试验段尺寸、速度范围、驱动功率和建筑占地面积。

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来源与注释

• EASA针对小型VTOL飞行器的专用条件 SC-VTOL-01，发布于2019年7月2日，以及随后的符合性方法出版物：SC-VTOL-01，Fourth publication of MoC with SC-VTOL。
• 小型飞行器对广泛涡流尺度的敏感性，以及UAM运行的风工程视角：Urban Air Mobility: A Wind Engineering Perspective, WSP。
• 建筑物附近的阵风环境："Gusts Encountered by Flying Vehicles in Proximity to Buildings", Drones, 2023。
• 被动湍流生成（格栅、粗糙元、尖塔）是经典的建筑风工程实践；将其与主动控制风机阵列进行分类是 TunnelTech 自身的框架。特别是在主动控制方面，风机阵列风力发生器的单单元控制和湍流特性：Turbulence enhancement of a fan array wind generator, arXiv。
• 此处故意未引用eVTOL的通用侧风数值极限：声明的侧风和顺风速度是通过适用的符合性方法按项目确定的。
• 测试矩阵范围和设施规模指导是 TunnelTech 的工程实践，需根据具体的飞行器和场地进行确认。