风扇阵列式风场发生器与回流式风洞对比：如何选择无人机测试设施

当无人机项目发展到一定阶段，团队会提出需要风洞测试设施。此时，在同一预算下通常会出现两种截然不同的硬件方案：风扇阵列式风场发生器 （由独立控制的风扇组成的模块化风墙）或传统的回流式风洞。

它们并非同一设备的竞争版本，而是为了解决不同的问题。风扇阵列回答的是*“飞行器能否应对？”，而风洞回答的则是“具体数据是多少，精度有多高？”*。

以下是客观的对比分析，其中也包括我们会建议客户不要购买风洞的情况。

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1. 风扇阵列的实际工作原理

风扇阵列由大约 25 × 25 cm 的模块构建而成，每个模块包含一个由“风像素”组成的小网格——通常是可独立控制的对转风扇对。这些模块可以堆叠成几乎任意尺寸的风墙，并由分层控制器按模块或按像素进行驱动。

这种架构带来了传统风洞无法提供的优势：流场可以在空间和时间上进行塑造 。出口处的梯度、旋转涡流、风向的阶跃变化、预设的剪切层——所有这些都可以通过软件实现。

公布的数据可以让我们对这类设备有所了解。每个风像素（一对对转风扇）的额定风速最高可达 16 m/s，一个模块在约 25 × 25 cm 的面积内集成了九个风像素；风墙的尺寸和总功率随出口所需的模块数量成比例增加。商用风墙的标称风速最高可达 20 m/s，如果安装收缩段，最高可达约 58 m/s。湍流强度约为 5%，如果选装整流滤网，可降至 1% 以下。

这四个数据——面积、风速、功率、湍流——正是整个对比的缩影。

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2. 风扇阵列的真正优势所在

• 自由飞行。 飞行器在风墙前无支撑飞行，由自身的自动驾驶仪进行闭环控制。没有尾撑，没有天平，没有支撑干扰——您测试的是整个系统，而这正是大多数城市飞行故障的根源所在。
• 可编程扰动。 重现特定事件（如建筑物尾流、旋翼下洗气流交叉、突然的 40° 风向改变），并为两个不同的固件版本完全一致地重复该事件，这正是风扇阵列的设计初衷。
• 可扩展性。 需要更大的流场？增加模块即可。而风洞的试验段在建成第一天就已用混凝土固定死了。
• 可达性与周转效率。 在两次测试之间更换有效载荷、螺旋桨或电池组只需几分钟，并且可以从各个方向接触到飞行器。
• 土建要求低。 它只是大厅里的一台机器，而不是一座包裹着风道的建筑。

对于控制律开发、自动驾驶仪调参、阵风响应演示以及面向客户的测试，这通常是正确的采购选择。

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3. 风扇阵列的局限性

这些局限性是物理层面的，而非商业层面的，诚实的供应商都会如实说明。

• 流场质量。 约 5% 的湍流强度对于鲁棒性测试来说足够了，但对于获取干净的阻力极线则毫无用处。滤网虽然有帮助，但会牺牲风速和功率。这种环境下无法生成认证级的空气动力学系数。
• 开式射流特性。 气流离开风墙后会立即开始卷吸室内空气，发生扩散和衰减。可用的均匀核心区明显小于出口面积，并且会随着距离的增加而缩小。
• 单位面积的速度上限。 功率与速度的立方成正比。要让大尺寸出口达到高风速，风扇阵列的电费就会超过风洞——因为开式射流在运行的每一秒都在将室内静止的空气加速。
• 无环境控制。 温度、湿度和空气密度完全取决于大厅的环境。要在七月份重复一月份的测量结果并非易事。
• 受力是推算出来的，而非测量得出的。 由于没有天平，空气动力学系数来自于机载遥测数据和模型，而不是直接的测力结果。

有一个案例让速度上限变得具体而非抽象：

高速 FPV 拦截无人机与竞速无人机

现在的飞行速度达到 300–400 km/h，这一细分市场增长极快，以至于我们经常被直接问及相关问题。市场上没有任何风扇阵列能达到这个速度——即使安装了收缩段，商用设备的上限也仅在 58 m/s（约 209 km/h）左右，略高于拦截机所需速度的一半。对于这个速度级别，回流式风洞不是什么高级选项，而是唯一在物理上行得通的方案。

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4. 回流式风洞的不同之处

回流式风洞通过拐角处的导流片、带有蜂窝整流器和整流网的稳流室，以及既能加速气流又能降低湍流的收缩段，使同一股空气循环流动。这种几何结构带来了三大优势：

• 结构决定的流场质量。 低湍流条件和横截面上均匀的流速分布——这是获取可重复系数以及研究人为引入扰动所需的基础条件。
• 环境控制。 由于空气是封闭的，因此可以保持温度恒定。这使得夏季和冬季的数据具有可比性，也是气候和结冰测试模块的先决条件。
• 运行成本。 风机重复利用循环中已有的动能，而不是加速静止的空气。在相同尺寸和风速下，与直流式风洞相比，这大约能节省 60–70% 的电费——具体算法见

回流式与直流式风洞对比

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代价则是缺乏灵活性：试验段尺寸在设计时就已确定，模型通常需要支撑，存在阻塞度限制，而且建筑本身就是机器的一部分。

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5. 测试任务与设施匹配

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6. 混合方案及分阶段实施

大多数严肃的项目最终都会同时配备这两种设施，而顺序通常比选择本身更重要。

一条务实的路径是：在控制律尚不成熟且机身仍在更改时，先从风扇阵列开始 ——此时您需要大量快速、低成本且容错率高的迭代。当问题转化为具体数据时，再增加风洞 ：如效率、续航、旋翼相互作用、噪声、认证证据、环境包线等。

常见的错误是先购买风洞，其尺寸是针对某个 18 个月后就不复存在的机身而定死的。

我们还经常构建一种中间方案：带有开式射流试验段 的回流式风洞，它在保留回流式风洞的流场质量和热控制的同时，恢复了风扇阵列的大部分可达性和自由飞行特性。它的成本高于风墙，但低于买错设施的代价。

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7. 我们常见的五大误区

• 对比峰值风速。 风墙的 20 m/s 和风洞的 20 m/s 并不是同一个概念。应该对比均匀核心区、湍流强度和温度稳定性。
• 忽略大厅环境。 开式射流会与房间发生相互作用。在狭小的大厅里，回流会悄无声息地破坏每一次测试。
• 忘记阻塞度。 在风洞中，尺寸过大的模型在看起来拥挤之前，就已经让数据失效了。
• 认为声学测试是免费附带的。 风扇阵列在设计上噪音就很大；螺旋桨噪声研究需要经过声学处理的试验段。
• 仅为当前的机身确定尺寸。 这两种设施的使用寿命都远超最初促成其采购的飞行器。应针对整个产品系列制定规格，而不是仅仅针对原型机。

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8. 根据您自己的测试矩阵做决定

坦诚的总结是：如果您未解决的问题是关于行为 的，请购买风扇阵列。如果是关于数据 的，请购买风洞。如果是关于认证和产品经济性的，您最终将两者都需要——请深思熟虑地规划采购顺序，而不是走一步看一步。

我们设计并建造定制的回流式风洞，包括用于自由飞行测试的开式射流试验段，当项目暂时不需要风洞时，我们也会直言不讳。无论哪种方式，出发点都是相同的：需要测量什么，不确定度要求是多少，在什么风速下，针对什么机身。相关阅读：

eVTOL 侧风与阵风测试

和我们的

风洞类型对比

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将您的测试矩阵发送给我们 ，我们将告诉您其中哪些部分需要风洞——哪些不需要。

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参考资料与注释

• 风扇阵列架构（约 25 × 25 cm 的模块，九个由对转风扇组成的风像素，可独立控制，分层控制）：How a WindShaper Works, Tyto Robotics。
• 单像素额定风速 16 m/s 及模块架构：Custom Wind Tunnel Datasheet, Tyto Robotics/WindShape。
• 风扇阵列式风场发生器的单单元主动控制与湍流特性，作为该技术类别的通用参考：Turbulence enhancement of a fan array wind generator, arXiv 及 Aerodynamic Characterization of a Fan Array Wind Generator, arXiv。
• 引用的商用极限数据：最高 20 m/s，安装收缩段后最高约 58 m/s，湍流强度约 5%，使用整流滤网后低于 1%：How WindShaper fan arrays enhance drone testing, Dantec Dynamics。
• 使用风扇阵列重现真实比例的大气风和湍流，用于无人机和先进空中交通（AAM）验证：AIAA SciTech 2023-0812。
• 回流式与直流式之间的能耗对比（60–70%）来自 TunnelTech 项目数据，与我们已发表的关于回路选择的文章一致。
• 特定商用产品的数据引自其供应商，在用于方案提案前应与最新数据表进行核对。