英国民航局牵头研究揭示垂直起降飞行器气流特性及其安全影响

英国研究人员认为，他们发现了一种“强有力的新方法”，即通过视频模拟来“捕捉产生的阵风和旋风的真实物理形态”，从而展示悬停直升机和其他垂直起飞飞行器带来的安全风险。

此外，这项名为《 保护未来：直升机和动力升力飞机下洗流和上洗流的试验和模拟》的研究 强调了暴露于这种高度湍流的气流对认知功能的影响，这是研究人员经历的一个“令人惊讶”的影响。

由民航局 (CAA) 牵头的项目一直试图更好地了解旋翼机下方的气流动力学，但得出的结论是“数据表”无法准确传达下洗流和上洗流的“内心体验”。

相反，研究人员发现，通过使用收集到的数据进行数字模拟和可视化，可以将现实世界的体验与产生的复杂气流联系起来。

民航局在报告中表示：“这种展示驱动人类反应的物理原理的能力，是一种潜在的强有力的新方法，有助于理解下洗和上洗的安全风险，并找到解决这些问题的新方法。”

该主题的研究受到航空事故调查处在其关于英国德文郡德里福德医院一起致命事故的最终报告中提出的安全建议的推动，在该事故中，一名旁观者被一架西科斯基 S-92 飞机接近时产生的下洗流吹倒并死亡。

民航管理局的报告指出，人们普遍存在一个误解，认为下洗流和外洗流是“一种相对稳定的风”，这种观点“未能体现下洗流的短暂性”和“外洗流的物理性质非常不同，它并不是简单的‘转过弯’的下洗流”。

它还试图验证显示“涡流主导的瞬态流”的模拟，该模拟是美国民航局 2003 年出版物《了解 eVTOL 飞机的下洗/上洗特性》（也称为 CAP 2576）的一部分，该出版物研究了动力升力飞机引起的复杂气流的物理原理。

鉴于未来几年电动垂直起降 (eVTOL) 飞机可能会在城市人口稠密的地区执行城市空中交通任务，此类研究变得更加重要。

美国联邦航空管理局12 月发布的一项研究表明，此类飞机产生的下洗流和上洗流的峰值水平很高。

对于 CAA 项目，于 2024 年 7 月在银石赛车场的直升机场进行了初步数据收集试验，使用手持传感器而不是远程传感器阵列。

报告称，这意味着研究人员“像地面上的人一样经历了下洗和上洗”。

“我们发现，气流冲刷既对身体有影响，又对认知有影响。当你沉浸在高速气流中时，读出数字等简单的任务就会变得困难得多。

“民航管理局的测试团队中有长期从事航空工作的人员，他们对喷气冲击有经验，但冲刷现象显然是不同的，尤其是气流的湍流。”

虽然收集到的数据显示出了某些趋势——特别是直升机机头到机尾轴线上的气流速度越来越大——但报告称“测试的生理体验”更令人感兴趣。

“团队中的许多人在体力和智力上都因冰水而感到不知所措，这使得（数据记录）任务比预想的要困难得多。”

研究人员经历了冰水冲刷的“持续冲击”，被“小石头和沙砾”击中，并且由于需要佩戴耳部和眼部保护装置而面临沟通困难。

“更明显的是，读数字的人会转身向同事喊出数字，但那一刻他们就会忘记，”报告说。“这种认知困难令人惊讶，阻碍了整个试验。”

同年 9 月，在北威尔士卡那芬机场使用布里斯托直升机公司提供的 S-92 进行了第二次试验。

记录是在重型双发飞机悬停在 65 英尺和 6.5 英尺的高度时进行的，最高的冲刷水平再次出现在机头到机尾的轴线上。

但报告补充道：“冰水冲刷场的湍流再次导致了身体和认知上的紊乱。”

随后，与测试条件相关的信息（例如风向、传感器和直升机位置，但没有测试数据）被传递给承包商 Sophrodyne Aerospace 进行模拟。Sophrodryne 已在 CAP 2576 中开展了建模工作。

这使得该公司能够模拟两架具有相同起飞重量和盘面载荷的虚拟飞机的下洗和外洗——一架基于 S-92，另一架是“带有类似 eVTOL 的刚性旋翼的简单直升机”。

模拟结果显示，两架飞机产生了不同的下洗和外洗模式——S-92 的“更结构化”模式很可能归功于其全铰接式主旋翼。

最初尝试通过简单地比较数字来验证模拟结果，发现模拟和数据与实际测试结果之间“吻合良好”，但这种方法“没有捕捉到涡旋主导流的基本物理特性，而涡旋主导流是 Sophrodyne [涡度传输模型] 的核心，也是在测试过程中经历的。”

相反，为了获得“更清晰的流动物理可视化”，我们制作了几个视频来展示“气流的动态特性和由此产生的速度”，报告指出。

“这些视频的引人注目之处在于，它们不仅捕捉到了水流的物理特性，还捕捉到了沉浸在冲刷水流中的身体体验。

“可视化可以让人们直接了解冰水冲刷的内心体验以及匹配的数据点。”

报告称，这些可视化“可能有助于地面人员做好准备并接受培训，使他们能够安全应对上洗气流和下洗气流”，从而有助于 eVTOL 的广泛普及。

“通过了解物理原理和观察气流，希望可以避免之前将上洗气流和下洗气流简化为‘线性风’而带来的潜在风险。

“需要正确理解复杂、瞬态和涡流主导的流动，以确保飞行安全。”

此外，“识别之前未报告过的下洗和上洗的认知效应，以及测量它的方法，也可能使在飞行操作开始之前就避免未来的风险，”报告指出。