风洞试验在推动航空业发展中的关键作用|德事隆_新浪财经

位于英国范堡罗的奎奈蒂克公司5米风洞内景。

德事隆的NexuseVTOL23%比例模型在RUAG的埃门风洞内展示。

德事隆电动航空部门的Nexus风洞模型配备了动力旋翼，风洞测试收集了关键和复杂的空气动力学数据。逸文　　7月17日，德事隆航空宣布其新型Nexus电动垂直起降飞行器（eVTOL）的风洞试验已经开始。第一批现代形式的风洞于19世纪70年代开始提供科学数据。因此，第一批风洞试验比第一次成功的重于空气的可控飞行还要早30年左右。　　考虑到过去几年计算流体力学（CFD）和相关建模能力在计算能力方面取得的长足进步，在风洞中测试下一代飞行器的比例模型的想法似乎已经不合时宜。　　事实上，风洞试验与Nexus尤为相关，正如德事隆电动航空部门前首席执行官罗伯·斯科尔所说：“计算技术在我们的设计周期中占有永久的地位。但对于像我们的eVTOL这样以旋翼为主的流场，这些计算方法要复杂得多。考虑到旋翼和机身之间的相互作用，我们需要进行风洞试验，以校准我们的计算工具，并确认我们的功率、稳定性和阻力预测。它还使我们能够利用RUAG的设施复现接近全尺寸的流动条件，在存在旋翼相互作用的情况下定制和测量最大机翼升力。这些活动使我们能够在切割金属或铺设复合材料之前进行设计迭代。”　　德事隆电动航空部门正在使用RUAG公司位于瑞士埃门的大型亚声速风洞。“它提供了一个7x5米的测试区域，可支持我们23%比例的模型和气流控制系统，使我们有能够接近全比例的空气动力学条件。风洞中驱动模型转子的液压系统使我们能够达到模拟全尺寸旋翼条件所需的旋翼动力密度。”斯科尔说。　　德事隆电动航空部门的姊妹公司贝尔公司在直升机领域拥有丰富的经验。从1943年的贝尔30型直升机和1951年的XV-3倾转旋翼机开始，该公司的工程师就了解风洞试验的价值，特别是在V-22“鱼鹰”上的工作。　　V-22的每个螺旋桨的强大下冲力之间的相互作用产生了不可预见的空气动力现象，影响了飞机的操控以及与甲板上或地面靠近的其他飞机的操作。21世纪初，NASA与主承包商贝尔公司和波音公司一起进行了一系列风洞试验，以研究这些问题。　　斯科尔认识到这些保留的风洞数据和其他试验信息对Nexus的价值，他说：“我们的倾转旋翼机、旋翼机和固定翼飞机测试与Nexus直接相关。这些项目的测试结果为我们提供了经验教训和设计方法。”　　“从这些年的测试和认证中，我们还可以平衡这些复杂机器的跨学科互动，以满足认证要求。我们可以利用内部资源，将经验教训、测试结果、分析方法和认证策略应用到Nexus的设计中。虽然eVTOL配置看似新颖，但它们是从我们的倾转旋翼机、旋翼机和固定翼飞机系列中提取的组件组合而成的。”国防研究　　斯科尔所提到的系列中有许多军用飞机。尽管德事隆电动航空部门在风洞档案中发现了许多有用的数据，但现代固定翼军用飞机风洞试验与商用飞机风洞试验之间存在着关键的差异。　　防务公司BAE系统公司的一位发言人说：“巡航状态性能驱动着民用需求，而军用需求与之类似，但由于高速空气动力学、更宽的马赫数范围以及设备与机身的整合而变得复杂。”　　BAE系统公司在英国沃顿的第一批风洞试验是为英国电气公司的“堪培拉”和“闪电”项目进行的。从那时起，沃顿的风洞就开始对帕纳维亚“狂风”、“美洲虎”、霍克·西德利的“鹰”、欧洲战斗机“台风”、F-35以及现在的“暴风”进行试验。研发项目增加了更多数据。　　如今，沃顿拥有一个速度为马赫数0.27的低速风洞、一个覆盖马赫数0.4至3.7的1.2米高速风洞和一个覆盖马赫数1.7至6.0的0.45米制导武器风洞设施。该公司还使用位于英国贝德福德的2.74 x 2.44米飞机研究协会（ARA）跨声速风洞，该风洞的运行速度为马赫数0至1.4，此外还可根据项目利益相关方和技术要求使用其他外部设施。　　整架飞机或特定部件的比例模型也是风洞试验的关键要素。整架飞机的比例模型可能用于稳定性和控制测试，而专用模型则用于进气道/发动机性能集成。根据风洞的不同，模型的要求也不同。高速模型传统上采用全金属机加工结构，但随着快速成型制造技术的进步，塑料部件越来越多，有助于缩短从模型概念到测试的时间。为什么要进行试验？　　Nexus eVTOL飞机是具有明确试验要求的特定配置的一个例子，但大多数风洞试验项目都有类似的总体目标。奎奈蒂克公司（QinetiQ）的风洞试验主管伊恩·史密斯（Ian Smith）说：“典型的目的是测量作用在飞机上的载荷、飞机结构周围的压力分布（尤其侧重于机翼和控制面）以及飞机周围流场的行为。每个风洞都是针对特定的风速范围设计的，这就决定了测试的类型，并在一定程度上决定了可测试的飞机类型。因此，它们一般分为低速（亚声速）、跨声速、超声速和高超声速。”　　航空风洞通常在航空飞行器项目的开发阶段与比例模型一起使用，因为它比测试全尺寸产品更便宜。地面测试也更安全，因为可以在不危及机组人员生命的情况下探索飞行包线极端情况下的性能。　　史密斯管理着包括奎奈蒂克公司在英国的5米风洞，他将其描述为一项战略资产：“这是一个低速风洞，用于研究民用和军用飞机的起飞和着陆性能，尽管大部分工作是为民用部门进行的。由于世界上只有少数这样的风洞，因此需求量很大。它有一个很大的测试部分，可以将隧道回路加压到三个大气压，从空气动力学的角度将试验品的尺寸增大三倍。”　　史密斯说，从空气动力学的角度来看，典型的飞机开发周期是分阶段进行的。第一阶段是概念开发，确定基准构型。这包括计算预测，以减少需要进行实验和风洞试验的构型数量，从而验证子组件和整机的性能。　　第二阶段是产品开发，重点是飞机优化。在这一阶段，风洞产生性能数据的速度仍然比计算机快。测试包括不同的机型姿态，例如，入射角和侧倾角，以及相关配置和控制面设置。　　然后，在原型机生产、飞行测试和飞机投入使用时，将进一步考虑空气动力学问题。飞机的推进系统也将经历类似的概念和产品开发过程，需要进行自己的测试，包括发动机与机身的集成。　　史密斯说：“在风洞飞机模型上模拟动力装置需要复杂的基础设施来驱动。意味着一笔不菲的费用，这是一项专门的工作。然而，电机技术的进步为简化该技术打开了大门，从而降低了动力测试的成本，因此该技术正变得越来越常规。动力测试对于评估采用多动力装置的新概念飞机（包括eVTOL飞机和其他先进的空中机动飞行器）至关重要。不过，动力装置的内部工作原理仍需要在风洞外进行专门测试，因为这通常只是为了复现动力装置的进出气流及其对飞机气动性能的影响。”　　Nexus就是史密斯所说的先进概念的一个完美例子，斯科尔表示，德事隆将利用RUAG的风洞数据来验证Nexus飞行器设计和控制效应器（包括旋翼、副翼和舵机）在整个飞行包线和整个旋翼倾角范围内的气动效果。通过测量这些效应，可以分辨出设计中各个组件的力和力矩。　　通过这一过程，可以确认、校准和补充计算方法。此外，还可以建立一个空气动力学数据库，以更新六自由度模拟器，从而进行控制律开发和操纵性能分析。　　这种耦合的空气动力学数据库、模拟和控制法则构成了生成认证质量飞机载荷预测的基础，进而推动飞行器结构设计。这些方法能够突破设计极限，优化其执行任务的能力，并最终确定从悬停到前向飞行转换动作的设计决策。未来的风洞　　考虑到风洞设施的持续重要性，史密斯说：“风洞用户希望从每次试验中获得更多的收益。这意味着风洞必须提供更全面的数据集，而不仅仅是传统的模型载荷和表面压力测量。特别是，现代要求提供模型周围的体外流场信息、空气动力载荷导致的模型形状知识，以及越来越多地纳入动力装置，以确定其对机身周围流场的影响。”　　由于光学测量技术的进步和仪器的小型化，这些要求都可以在风洞中得到满足，这意味着试验模型的数据通道数量会增加。这种信息量也是有效验证计算预测的先决条件，因此，在可预见的未来，风洞试验很可能会产生实验数据和计算数据的组合，从而全面描述飞机整个性能包线范围内的流场。　　“我们的目标是使这些数据具有极高的准确性，从而使飞机制造商能够最大限度地减少飞机认证所需的昂贵的飞行测试量。”史密斯表示　　BAE系统公司发言人说：“风洞和CFD是测试和评估空气动力性能的互补方法。CFD是一种非常有效的工具，可用于早期概念开发和成熟设计，并通过生成预期性能来支持风洞试验阶段，从而为测量测试点提供信息。”　　CFD非常适合稳态测量，但非稳态或高度湍流现象的建模一直是一个挑战因素，也是发展的动力。风洞可以进行非稳态的、具有挑战性的、边缘包络线测试，有助于开发更直观的CFD代码。　　风洞还采用了先进的非侵入式测量方法，可以为客户提供更多数据，帮助诊断传统力和力矩数据或CFD模拟中不容易看到的现象。　　气流的复杂性与计算数据的不确定性之间存在关联。这意味着风洞试验经常被用来验证计算模型。因此，尽管计算机建模技术不断进步，风洞仍然是预测飞机性能的主要手段。　　在几分钟内，风洞就能产生一组数据，而这组数据需要花费数小时的计算机运行时间。再加上飞机构型的变化，计算团队需要花费数年时间才能生成与一个月的风洞试验活动相同的数据集。　　因此，风洞试验将继续存在，目前理念更多的是计算数据和实验数据的互补，而不是计算方法取代风洞试验。