一套eVTOL飞行器气动性能测试解决方案

近年来，新能源技术的蓬勃发展推动了航空领域的电动化革命，电动垂直起降飞行器(eVTOL)作为新型中短途空中交通工具，凭借电动零排放、高安全性及高性能等优势，成为全球航空业的研究热点。eVTOL的核心优势在于无需传统跑道即可实现垂直起降，且能通过倾转旋翼等结构完成悬停与平飞的无缝过渡，在城市交通、应急救援等场景中具有广阔应用前景。

在eVTOL研发过程中，精准掌握其空气动力学特性是构型设计、制造优化及性能提升的关键。然而，eVTOL的气动特性受倾转旋翼角度、多旋翼耦合效应、复杂工况转换等多重因素影响，传统测试方法难以全面捕捉其动态性能。因此，建立一套针对eVTOL的高效气动性能试验体系，成为推动该领域技术突破的重要支撑。

现有飞行器气动性能测试技术主要源于直升机、固定翼飞机及传统无人机的试验方法，在适配eVTOL时存在显著局限性，具体表现为以下四个方面：

1. 工况覆盖不全面

传统飞行器测试多针对单一飞行状态(如直升机的悬停、固定翼的巡航)，而eVTOL需经历起飞、倾转过渡、巡航、降落等多工况连续转换。例如，倾转过渡阶段旋翼角度从90°(垂直升力)逐步调整至0°(水平推力)，此过程中气流场呈现强非线性特征，传统测试系统无法模拟这一动态过程。以直升机风洞试验为例，其旋翼角度固定，无法复现eVTOL在倾转时的气动力耦合效应，导致测试数据与实际飞行偏差较大。

2. 多部件协同控制不足

eVTOL通常配备倾转旋翼、升降舵、方向舵等多操控部件，各部件的参数匹配直接影响气动性能。传统测试系统多采用单一部件独立控制模式，例如仅调节旋翼转速而固定舵面角度，无法模拟多部件联动时的复杂气动响应。例如，在巡航工况下，倾转旋翼角度与升降方向舵角度的协同作用对飞行稳定性至关重要，而现有技术难以实现这类多参数同步调控。

3. 数据采集与分析割裂

传统测试中，控制指令发送、状态参数采集与气动性能分析往往分步进行，导致数据时效性差。例如，直升机试验中需先完成一轮测试后导出数据，再调整参数进行下一轮，无法实时根据数据反馈优化试验方案。对于eVTOL而言，倾转过渡等工况的动态特性转瞬即逝，滞后的数据分析可能错过关键气动特征，导致试验效率低下且数据完整性不足。

4. 系统集成度低

现有测试系统的硬件与软件兼容性差，例如风洞控制系统、飞行器模型控制器与数据采集装置往往来自不同厂商，通信协议不统一。传统系统中控制装置、流场控制装置与数据采集装置缺乏协同联动，导致参数调节延迟(如风速、攻角调整响应滞后于旋翼角度变化)，进而影响测试精度。例如，当eVTOL模型攻角调整至预设值时，风洞风速尚未稳定，此时采集的气动力数据存在较大误差。

5. 动态工况转换效率低下

eVTOL的多工况转换需频繁调整攻角、侧滑角等参数，传统测试中每次转换均需停风、重新校准，导致试验周期冗长。例如，从起飞工况切换至巡航工况时，若攻角从5°调整至10°，传统流程需停风后手动调整模型姿态，再重启风洞，单工况转换耗时可达30分钟以上，而eVTOL的完整测试需覆盖数十种工况组合，整体效率极低。

针对上述问题，本方案提出一套涵盖试验方法、装置及系统的完整解决方案，通过多工况动态模拟、多部件协同控制、实时数据闭环分析，实现eVTOL气动性能的高效精准测试。

本方案的核心思路是将eVTOL模型置于可控流场中，通过动态调控关键参数模拟全工况飞行，并实时采集分析气动数据。具体流程如图1所示，包括三个关键步骤：

图1 飞行器气动性能的

试验方法实施例一的流程示意图

1. 控制指令接收与解析

试验系统接收包含工况标识及对应参数的控制指令，其中工况标识涵盖起飞、降落、倾转过渡、巡航(如图1中S1)。以倾转过渡工况为例，指令中需明确倾转旋翼的角度序列(如从90°以1°/s的速率降至0°)，并关联升降舵面角度(如图2中11-14号襟翼舵机)等协同参数。控制指令通过串口或CAN总线传输至飞行器模型的飞控计算机(如图3中飞控计算机与指令发送PC的连接)，确保参数传递的实时性。

图2 电动垂直起降飞行器风洞试验模型示意图

图3 一种风洞试验测控系统连接方式的示意图

2. 设备运行参数动态调整

飞控计算机根据控制指令，同步调节模型的关键参数(如图1中S2)：

• 倾转旋翼角度：通过内四电机(2、3、6、7号)的舵机控制，实现0°-90°连续可调；

• 舵面角度：调节升降方向舵(9、10号)及襟翼舵机(11-14号)，范围覆盖-30°至30°；

• 旋翼转速：独立控制外四电机(1、4、5、8号)与内四电机的转速，实现推力精准调控。

例如，在起飞工况下，控制指令将倾转旋翼固定为90°，同时调节升降方向舵至5°以抵消机身俯仰力矩，确保垂直升力稳定。

3. 状态参数实时采集

通过集成于模型的传感器与外部设备，采集流场中的状态参数(如图1中S3)，包括：

• 气动力数据：六分量全机天平(测量整机受力)与旋翼天平(测量单个旋翼受力)；

• 姿态参数：俯仰角、滚转角、偏航角(通过陀螺仪采集)；

• 环境参数：流场风速、攻角、侧滑角(由风洞控制系统提供)。

数据通过CAN总线传输至数据采集PC(如图3)，采样频率达1kHz，确保捕捉倾转过渡等动态过程的细节。

本方案的试验系统由流场系统、飞行器模型、控制装置、数据采集装置四大模块组成，架构如图4所示，各模块功能如下：

图4 风洞测试系统的架构示意图

1. 流场系统

提供可控气流环境，包括风洞本体及流场控制装置。风洞可模拟0-100m/s的风速，流场控制装置通过调节风洞风扇转速实现风速闭环控制(精度±0.5m/s)。此外，系统支持攻角(-10°至20°)与侧滑角(-15°至15°)的电动调节，调节响应时间小于2s，满足动态工况转换需求。

2. 飞行器模型

采用eVTOL缩比模型(如图2)，关键参数如下：

• 动力系统：8台动力电机(1-8号)，其中内四电机(2、3、6、7)为倾转旋翼，外四电机(1、4、5、8)为固定旋翼；

• 操控系统：4台襟翼舵机(11-14)、2台升降方向舵舵机(9、10)，支持舵面角度±30°调节；

• 传感系统：集成六分量全机天平(机身中部)、4台旋翼天平(对应内四电机)，实时测量气动力与力矩。

3. 控制装置

包括指令发送PC与飞控计算机(如图5)，核心功能为：

图5 调速齿轮组与外啮合齿轮泵的配合示意图

• 指令生成：基于预设自定义规则(如Excel宏定义)，根据工况标识自动生成控制指令。例如，倾转过渡工况标识对应旋翼角度序列、舵面角度及风速参数的组合指令；

• 工况切换逻辑：如图6所示，当新工况与当前工况的攻角/侧滑角相同时(如均为5°攻角、0°侧滑角)，直接发送新指令；若存在差异，则先发送停风指令，待模型姿态调整到位后再启动测试，减少无效等待时间。

图6 飞行器气动性能的

测试方法实施例三的流程示意

4. 数据采集与分析装置

由数据采集PC、参数监控PC及分析模块组成(如图7)：

图7 一种eVTOL风洞测试系统的

具体架构示意图

• 数据采集：通过CAN总线实时接收天平数据(如图8中信号调理器处理流程)、姿态参数及环境参数，采样频率1kHz，存储格式兼容后续气动分析；

• 实时监控：参数监控PC通过网线连接飞控计算机，实时显示旋翼角度、舵面位置、气动力等关键参数(如图3)，确保试验过程符合预期；

• 性能分析：基于采集数据计算气动力增量(如公式ΔCi=Ci有动力-Ci无动力-Ci旋)，分析旋翼间耦合效应(如内四电机2对电机3的气动力影响)及机体对旋翼的干扰(如图9分析流程)。

图8 一种天平数据采集流程示意图

图9 一种分析飞行器气动性能的

方法实施例四的流程示意图

1. 多工况动态模拟技术

针对eVTOL全工况测试需求，设计了基于工况标识的动态控制策略。如图10所示，试验流程涵盖工况序列执行、参数匹配判断及动态调整：

图10 一种风洞测试流程示意图

• 起飞工况：控制内四电机(2、3、6、7)保持90°倾转角，调节外四电机(1、4、5、8)转速实现垂直升力平衡，同时通过升降方向舵(9、10)抑制机身摆动；

• 倾转过渡工况：按预设角度序列(如90°→60°→30°→0°)调节内四电机倾转角，同步采集不同角度下的气动力数据，捕捉旋翼与机翼间的气流干扰；

• 巡航工况：固定内四电机0°倾转角，通过襟翼舵机(11-14)调整升力系数，维持平飞姿态。

2. 多参数协同控制算法

通过自定义规则(如图11中S101)建立工况标识与操作序列的映射关系，实现倾转角度、舵面位置、风速等参数的同步调控。例如，在倾转过渡工况中，当内四电机角度从60°调整至30°时，系统自动同步将升降方向舵角度从2°修正为-1°，并维持风速15m/s，确保气流场稳定。该算法通过飞控计算机与风洞控制系统的实时通信(如图4)，将参数调节误差控制在±0.5°以内。

图11 飞行器气动性能的

测试方法实施例二的流程示意

3. 实时数据闭环分析系统

构建“控制-采集-分析”闭环流程(如图9)，实现测试数据的即时反馈与工况优化：

• 数据采集：通过风洞数采装置(如图3)实时获取全机及旋翼天平数据，解析得到气动力六分量(沿X、Y、Z轴的力与力矩)；

• 动态分析：对比带动力模型(含旋翼)与无动力模型(仅机身)的测试数据，计算旋翼对整机的气动力增量(ΔCi)，评估旋翼布局合理性；

• 工况优化：若分析发现某一倾转角度下机身振动超标，系统自动暂停试验并调整后续角度序列(如增加角度间隔)，避免无效测试。

冷却组件30包括散热器总成32、冷却泵31及相关流道结构，采用“液冷+风冷”组合模式，实现高效散热。

1. 完整试验流程

以eVTOL倾转过渡工况测试为例，流程如图10所示：

•  S301-S303：检查系统就绪状态，调节模型攻角至5°、侧滑角至0°；

• S304-S305：启动风洞至风速15m/s并稳定30s；

• S306：指令发送PC生成倾转角度序列(90°→0°，步长10°)及对应舵面参数，通过串口发送至飞控计算机；

• S307-S308：监控参数匹配(如倾转角度、舵面位置误差<1°)，开始采集数据；

•  S309-S312：完成当前角度测试后，判断下一个角度是否需要调整攻角/侧滑角，无需调整则直接发送新指令，减少停风次数。

2. 应用案例

某型eVTOL通过本方案测试发现：在倾转角度60°时，内四电机2与3的旋翼气流相互干扰，导致气动力波动量达12%(超过预设阈值8%)。基于测试数据，研发团队优化了两电机间距(从0.8m增至1.0m)，并调整旋翼桨叶扭转角，二次测试显示波动量降至5%，满足设计要求。此外，通过分析全机与单旋翼的气动力差异(如图9中ΔCi计算)，确定机体对旋翼的干扰主要源于机翼翼尖涡流，进而改进机翼前缘形状，使巡航效率提升8%。

本方案相比传统技术的核心优势在于：

1. 工况覆盖全面：支持起飞、倾转过渡等全工况测试，尤其擅长捕捉动态转换过程的气动特性；

2. 控制精度高：多参数协同调节误差<±0.5°，风速稳定性±0.5m/s；

3. 效率提升显著：通过攻角/侧滑角判断逻辑(图6)，减少60%的停风调整时间，单套工况测试周期从8小时缩短至3小时；

4. 数据完整性强：1kHz采样频率可完整记录倾转瞬间的气动力突变，为气动优化提供精准依据。

技术指标方面，系统可支持倾转角度0°-90°、舵面角度±30°、风速0-50m/s的测试范围，满足现有主流eVTOL的研发需求。

1. 推力组件结构

推力组件由上述电机总成与螺旋桨总成组成：螺旋桨的桨毂通过机械联结端101与外转子10连接；桨毂内设有变距电机，其供电与控制通过变距滑环200实现——滑环定子与内定子20固定，滑环转子与变距电机连接，避免了线路缠绕(图1)。

2. 飞行器适配

该推力组件可直接安装于飞行器机体，尤其适用于eVTOL。以四旋翼eVTOL为例，每个旋翼配备一套推力组件，通过统一的冷却控制策略，实现整机热管理优化。相较于传统方案，整机重量减轻8%-10%，续航能力提升12%以上。

本方案通过动态工况模拟、多参数协同控制及实时数据闭环分析，构建了一套针对eVTOL的气动性能试验体系，有效解决了传统技术在工况覆盖、参数调控及效率方面的局限性。该方案已在实际测试中验证了其有效性，可为eVTOL的构型优化、性能提升提供关键数据支撑，推动电动垂直起降飞行器的技术成熟与产业化应用。未来，通过引入AI算法优化工况序列设计，有望进一步提升测试效率与数据解析深度，为eVTOL研发提供更强大的技术工具。

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