先进计算机建模技术的运用首次实现了对旋翼下洗流和外洗流的精确预测，英国民航局（UK CAA）的迈克・普赖斯（MIKE PRYCE）和索菲罗迪恩航空航天公司（Sophrodyne Aerospace）的理查德・布朗（RICHARD BROWN）解释道。

“我们曾渴望飞行汽车，结果却迎来了 140 个字符。”这是 2011 年，投资了脸书和太空探索技术公司的创始人基金发布未来宣言时的标题。在手机上摆弄应用程序很有趣，但这真的很重要吗？埃隆·马斯克、杰夫·贝索斯和拉里·佩奇都在在线科技领域赚得盆满钵满，然后将财富投入到创新飞行领域。航空业比数字科技更具挑战性吗？

从《星球大战》到《杰森一家》，最酷炫的飞行器都是垂直起降的。然而，让飞机悬停的难度远远超过让火箭从太空坠落时尾部着陆，尽管后者看起来也很酷。

埃隆·马斯克另一个尚未实现的伟大梦想是制造一款超音速、电动、垂直起降的喷气式飞机。

 

由于更高的圆盘载荷和多个旋翼相互作用，eVTOL的下洗流比传统直升机更复杂、更不可预测

当然，有一种现有的飞行器可以一直悬停。直升机通过不靠机翼飞行来实现这一点。它们通过“悬停方式”飞行，即在旋转的旋翼支撑下向前移动。然而，直升机要为旋翼付出代价。由于速度、高度和航程有限，它们噪音很大，对乘客的吸引力有限。这些与创新者的梦想——创始人基金的彼得•蒂尔（Peter Thiel）所痴迷的电动飞行出租车理念背道而驰。

在过去的几年里，eVTOL飞机已经获得了数十亿美元的投资。渲染效果图时尚具有未来感，飞行试验令人鼓舞，《杰森一家》似乎触手可及——但有一样东西无人能创新：空气。

几年前，我周六早上带孩子们去参加活动，在穿过一条繁忙的马路前，我做了“停、看、听”的动作。突然，我被一辆迎面通过的双层巴士带倒，罪魁祸首就是气流。

那天微风习习，虽然算不上飓风，但两栋办公楼之间突然刮起一阵强风足以把我吹到路上。当时我刚刚启动一个研究下洗气流和上洗气流对电动垂直起降飞机 (eVTOL) 影响的项目。此前，英国发生了一起惨烈的事故，一架直升机降落在一家医院停车场的停机坪上时导致地面上一名无关人员死亡。英国民航局想知道，eVTOL是否也会带来类似的风险？

在某些情况下，前方直升机产生的旋翼下洗流可能会从后方将你吹倒，正如这张VTM图表所示

如果你想让直升机或飞行出租车升空，就需要借助向下的空气推力。艾萨克·牛顿（Isaac Newton）深谙此道，人们为此做了很多研究，其中大部分是在位于硅谷尽头的NASA的设施里进行。然而，尽管网上有大量免费的PDF文件展示了各种垂直起降飞机的测试数据，却没有明确的科学依据来解释其背后的物理原理。下洗气流（直升机或电动垂直起降飞机下推的空气）的实际工作原理一直是个谜，只能通过源自基本理论的“经验法则”在实际操作中得到答案。

同样，当下洗气流冲击地面并流出时，其神秘性也更加强烈。关于下洗气流周围保持安全的经验标准是基于吹倒一名体格健壮、训练有素的美国海军陆战队员，而不是吹倒停车场里的一名医院来访者。问题是：我们如何保障每个人的安全？

经验数据很有用，可以对冲积物进行一些基本的预测，但现代创新者需要考虑的更多。他们喜欢从第一原理出发理解事物，掌握基础物理知识。所以我们也决定这样做。

一个问题是，尽管 NASA 和其他机构使用超级计算机，但以数字方式制作气流可预测性似乎很难。尽管如此，我们还是想看看能否通过理解其中的物理原理并进行数字化建模来实现这一点。尽管这是一项艰巨的任务，但我们的目标是《杰森一家》的梦想——未来的安全飞行。

一架韦斯特兰“黄蜂”直升机降落在新修剪好的草地跑道上，生动地展示了旋翼下洗效应

民航局选择的承包商Sophrodyne Aerospace采用了独特的计算机建模方法，即涡流传输模型（VTM）。它比其他软件代码得出的结果更令人感兴趣。2023年，我们发布了一份报告CAP 2576，展示了Sophrodyne建模的结果。计算机模拟似乎表明，电动垂直起降飞机会产生不同的气流冲击模式，这可能会增加对地面人员的风险。

准确捕捉悬停直升机或 eVTOL 下方地面气流的定性和定量特征的问题是空气动力学家面临的最具挑战性的问题之一，并且此项工作对他们所使用的数据工具提出了更高的要求。

当然，空气动力学家习惯于区分层流、有序流和构成完全湍流的混乱涡流。然而，对于旋翼机下方地面的气流通常处于一种令人着迷的中间状态，其中螺旋桨尾流固有的流体动力学中的不稳定性尚未有时间或空间将旋翼气流从其初始状态（主要由旋翼叶片产生的螺旋状叶尖涡旋组成）完全转变为向外流经地面的湍流。该中间区域的气流倾向于不规则地聚集成一系列高度集中、快速旋转的强力气流波。这些气流波在向外流经地面时，具有阵风般的冲击特性，这似乎对身处于悬停状态的旋翼机下方积水区内的人员及物体造成了最大的影响。

很少有数值方法能够稳定且精确地模拟气流中这种从平流到乱流情况的转变，以便能够预测类似波浪与涡旋相关的阵风强度和持续时间。涡流传输模型（VTM）直接计算这些动态特性，同时强制它们的形状、大小和强度符合用于控制空气在地面传播时的基本数学方程。

通过实验和计算均表明外洗的局部速度会在毫秒到秒的时间尺度上发生变化。虽然独立转子气动计算可能需要捕捉数十圈转子旋转过程中的气流变化，才能足够准确地量化系统的性能，但涡流传输模型（VTM）的构架能够模拟数百圈转子的旋转，因此可以解决一些更为棘手的问题，例如：了解气流外洗内部在较长时期内不断的演化过程。因此，可以通过上述实验及计算更深入地研究并理解其中的物理机制。Sophrodyne公司的研究成果之一在于它表明外洗的整体特性变化时间比之前预想的要长得多，而且流场的形状和及其对飞行器旋翼的布局以及运行方式非常敏感。

许多业内人士认为，数值分析的实用性仅仅在于提供“硬数字”可用于设计或设定监管界限。然而，基于计算机的模拟，使用涡流传输模型（VTM），通过在基础的层面对流体力学丰富细节的理解，以产生我们在现实世界旋翼机下方的外洗中观察到的物理效应。

气动模拟的目的是为设计师和飞行器运营商以及飞行器运营设施的管理人员提供信息以创建一个安全、高效的交通系统，让出行的公众能够安心使用。流传输模型（VTM）提供了大量准确的数据，但 Sophrodyne公司的数值方法在当前环境下的主要优势在于能够提供详细、易懂且图形化的信息，以帮助我们理解一个现实世界非常复杂问题的物理原理，而这个问题可能对未来航空安全产生重要影响。

了解物理学可能有助于找到安全的解决方案，我们希望通过一些真实世界的测试来验证 Sophrodyne公司的数字工作。

由于没有电动垂直起降飞机（eVTOL）的公开数据，我们转向了直升机——这种飞机已经使用了几十年。了解直升机下方的气流将有助于我们验证 Sophrodyne公司涡流传输模型（VTM）代码，甚至可能对直升机的运行也大有益处。在一名直升机操作员和Snowdonia Aerospace公司的帮助下，我们被安排站在一架悬停的西科斯基 S-92 直升机下方，用风速计测量气流的外洗速度。我们还在英国大奖赛当天在欧洲最繁忙的直升机场银石赛道收集其他数据。

我们没有与 Sophrodyne公司分享这些测试的结果。相反，我们向他们提供了测试条件，并要求他们计算出计算机预测的我们应该经历的速度。然后，我们将计算机的预测与我们在现实世界中遇到的情况进行了比较测量。

它们完全吻合。这增强了我们之前对eVTOL建模的信心，并揭示了直升机下方的气流比预期的更为复杂。这一理解可以帮助我们提高当前飞行运营以及未来飞行出租车的安全性。

美国联邦航空管理局 (FAA) 发布的 eVTOL 真实世界测试结果，有力的推动了该项工作的进展。深入研究 FAA 的数据似乎也与我们在 2023 年发布的模型相符。现实世界的运行情况与模型预测的一致。基于物理的方法，值得称赞！

突然之间，似乎不再需要那些可能导致失败、阻碍创新的迭代流程。我们可以在风险发生之前就识别它们，并规划出规避风险的路径，从而消除气流在创新中可能造成的障碍。

这为创新者和监管者应对设计阶段（流程中最便宜的环节）的挑战提供了有力的支持及真正的机会。它还提供了一个机会，让我们真正了解医院停车场发生了什么。当然，到事故调查时，所有的气流痕迹早已消失。

直升机测试也带来了一些令人惊讶的发现。我们用手持的简单风速计进行测试，而不是更复杂的远程传感器阵列。这意味着我们和地面人员一样经历了下洗和上洗。

我们发现，外洗不仅对身体有影响，就像把我吹到路上的阵风一样；还对认知有影响，像读出数字这样简单的任务，在高速气流中都会变得困难得多。这似乎很奇怪，因为民航局的测试团队中有经验丰富的航空人员。随后，搜救人员也证实了他们也经历过类似的事情。实际操作似乎证实了我们在数字模型中发现的结果。经验验证了数据，也验证了我们对物理现象的看法。

我们还发现，外洗气流远非强劲持续的风。相反，你会感受到来自不同方向的阵风。你前方的直升机可能会非常奇怪地试图从后方将你吹倒。Sophrodyne 的模型以强大的视觉方式展示了这一点，我们认为这可以帮助培训地勤人员并让乘客做好准备，使用短视频让他们能够看到气流。动态画面胜过千言万语，这有利于传达重要的安全信息。我们似乎找到了一种以全 3D 方式查看到直升机或电动垂直起降飞机下方复杂物理气流的方法。这不仅有助于理解下洗气流和外洗气流，也有助于驾驶。

飞机有三个轴。X轴连接机头和机尾，Y轴连接翼尖，Z轴垂直。大多数航空知识都与X轴和Y轴有关，数字屏幕也拥有同样的轴。数字技术是一种需要你巧妙运用的工具。

通过思考这个问题并进行数字化测试，你就能开始真正理解这个问题。Sophrodyne公司的工作使我们能够在气流对地面人员产生作用之前就真正看到气流。希望这能让监管机构和创新者找到更好、更快的安全垂直起降方法。随着我们对Z轴物理学的新理解，我们可能会更快、更安全地获得飞行汽车。

完整的英国民航局报告可在caa.co.uk/CAP3075 查询；Sophrodyne的模拟视频可在 sophrodyne-aerospace.com/resources 观看。