81台高功率风机轰鸣中，一架四旋翼无人机在模拟8级突风中剧烈颠簸，机翼载荷传感器传回的数据曲线如同心电图般跳动……这是科技日报记者近日在位于广东省深圳市龙华区丹霞路1号的低空三维多物理场耦合引导风洞（以下简称“引导风洞”）测试区看到的一幕。
引导风洞是电子科技大学（深圳）高等研究院深思实验室全球首创的低空复杂环境模拟装置，也是全球首个面向低空经济这一战略性新兴产业的风洞装置，被称为低空飞行器的“气象考场”。通过人工控制，该装置能高精度复现城市峡谷风场、热岛效应、风切变、下击暴流等城市典型风场及极端气象，为飞行器安全性边界划定提供科学支撑。
复现低空飞行复杂风场
中国航空学会发布的《2024年度航空领域重大科技问题、重大科技进展》指出，低空飞行器复杂环境效应是工程技术难题之一。
“传统飞机的活动区域多为平流层或开阔区域，流场较为简单，而未来城市低空飞行器则受地形、建筑物、植被、气温等多种因素影响，需面对对流层低空复杂风场。”深思实验室副主任郭秋泉介绍，尤其是高容积率城市、山地城市或沿海城市，在大气环流和多种局地环流相互交互、叠加作用下，低空流场极为复杂。
如何帮助无人机、电动垂直起降飞行器等在1000米以下的区域安全飞行？低空风洞成为破题之钥。然而，国内外已建成的常规风洞装置只能模拟单一方向气流，实际低空飞行则需应对风切变、下击暴流、热岛效应等复杂风场。
记者注意到，与常规风洞不同，引导风洞包含内外舱两大部分，其中外舱直径18米、内舱直径10米。它由3组不同方向的风机矩阵和底部1组绕流风机组成，可支持4米翼展航空器开展垂直起降、巡航、悬停等飞行姿态下的气动特性、飞控性能以及安全性能等研究。
郭秋泉介绍：“引导风洞首次实现了‘X—Y—Z三向速度场’精准控制，同时将风机矩阵响应时间缩短至2秒内，风速最高可达60米/秒，可集成雨雪、积冰冻雨、湿热、高低温、太阳辐照等气象环境因素，实现城市低空环境全要素模拟。”
加拿大工程院院士、深思实验室主任杨军说，该装置在风切变、突风/时变风、垂直流（热岛风场、下击暴流）、城市特殊风场四大类复杂风场模拟方面达到预期。当前全球已建成的逾千座风洞，主要集中在航空航天、交通、建筑工程等领域，深思实验室的引导风洞投用前，全球没有能够模拟低空真实复杂环境、专门用于研究新型低空飞行器的风洞设施。
据了解，引导风洞已挂牌低空装备三维多物理场耦合风洞广东省工程研究中心。自2024年9月投用以来，引导风洞已为美团科技有限公司、广电计量检测集团股份有限公司、丰翼科技（深圳）有限公司、深圳海关等企事业单位提供小微型飞行器的研发测试服务。
革新风洞可控模拟技术
利用引导风洞，一家低空领域人工智能企业正在模拟海洋风力环境的气动测试。
“过去这项测试仅能在自然风力环境中完成，由于受制于实际环境条件，无法实现可控测试。”深圳市多翼创新科技有限公司副总经理唐晓丹说，现在可以随时按需创造可控测试环境，极大节省了时间成本和人力成本。
记者了解到，当前引导风洞研制团队已在复杂风场模拟技术、风机矩阵构建与控制策略技术、高功率密度风机设计与制造技术等方面实现多项突破。
“低空复杂风场对飞行器空气动力特性产生的影响通常是不利的，严重时甚至会导致飞行安全事故。”杨军介绍，风场的模拟技术至关重要，团队结合数值仿真先期研究，已在引导风洞中初步建立了复杂风场模拟技术。同时，团队基于国内机场及典型地貌环境测得的风场数据进行仿真，实现了在装置中准确控制X、Y、Z三个方向的速度场，可模拟低空遇到的各种复杂风场。
而要使风洞真正“呼风唤雨”，风机矩阵的构建与控制是又一项核心技术。项目团队全球首创了“固定—移动—顶部”三组矩阵风机墙布局，成功攻克大功率风机耦合振动难题，率先实现城市峡谷、风切变、下击暴流等复杂低空气象场景的人工可控复现。
其中，在风机的叶轮气动设计上，团队还采用弯掠组合正交型翼型扭转叶片优化设计方法，精准控制叶片气动造型参数，使风机综合性能达到最优；叶轮轮毂采用全寿命周期无故障可靠性结构设计理念，在满足强度要求的同时，引入结构刚度设计和固有频率设计控制方法，确保风机全使用周期无故障发生。
打造研究测试闭环
“很多人不知道，莱特兄弟在造飞机之前首先做了风洞，在各种空气动力学构型的支撑下才造出了飞机。”杨军介绍，低空复杂环境的模拟装置，不仅能界定飞行器的安全边界，也能加快飞行器的适航认定。
目前，深思实验室计划建设外舱直径65米、内舱直径45米的大型低空复杂环境模拟装置，可实现翼展达17米的大中型全尺寸新型低空飞行器以及无人机群的研究、验证、测试。杨军介绍：“这将是全球首个飞行器训练平台以及低空经济标准制定与验证平台，与已有的引导风洞共同形成低空飞行器研究测试的闭环。”
“深思实验室在低空复杂流场，特别是多向来流、可控复杂风场、气象耦合这几个方面具备独特性，可以实现对城市极端和典型运行场景的覆盖。”杨军说，“目前，我们正不断积累数据，提升模拟及预测精度，有望在城市微气象模拟中获得突破性成果。”
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