悬停中重型垂直起落飞机的高保真航空声学鉴定

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导读

近日，英国莱斯特大学、格拉斯哥大学、曼彻斯特大学与GKN航空航天公司合作团队针对重载电动垂直起降飞行器（eVTOL）的气动与声学性能展开研究，通过高保真计算流体力学（CFD）与声学模拟，系统评估了多旋翼布局在悬停状态下的流动与噪声特性，并提出基于有效感知噪声水平（EPNL）的悬停噪声认证建议。相关成果以“High-fidelity aero-acoustic evaluations of a heavy-lift eVTOL in hover”为题发表于国际学术期刊《Journal of Sound and Vibration》。论文第一作者为莱斯特大学Tao Zhang，通讯作者为格拉斯哥大学George N. Barakos教授、曼彻斯特大学Antonio Filippone教授和GKN Aerospace的Furgan。研究得到英国工业战略挑战基金（ISCF）未来飞行挑战计划等项目的支持，并依托高性能计算平台完成大规模数值模拟。

摘要

eVTOL作为未来城市空中交通（AAM）的核心载体，其设计需兼顾高效、低噪声与安全性。然而，重载多旋翼eVTOL因高盘载荷、复杂气动相互作用及近地噪声问题面临严峻挑战。传统低精度模型难以捕捉其非定常涡流与多组件干扰效应，而实验数据稀缺且成本高昂。现有研究多聚焦小型eVTOL，针对重载构型的高保真气动声学分析仍属空白。本文以GKN Aerospace提出的14吨级“Skybus”eVTOL为对象，首次通过高分辨率CFD与声学类比方法，揭示了悬停状态下气动干扰对噪声辐射的影响规律，为eVTOL设计与噪声管控提供了重要依据。

主要研究内容

研究采用HMB3框架的尺度自适应模拟（SAS）方法，结合嵌套网格与高阶数值格式，对包含六旋翼、三组串联机翼及襟翼的全尺寸eVTOL进行建模（图1）。网格敏感性研究表明，精细网格可准确解析旋翼尾迹与机身干扰流动，网格收敛指数（GCI）验证了结果的可靠性。

图1所研究的飞机构型的几何形状。

接下来进行了气动干扰定量分析，基线构型（C1）机身阻塞力占最大起飞重量（MTOW）的13%，优化构型（C2）通过缩小机身截面将阻塞降低至10%。旋翼单叶片推力呈正弦变化，波动幅度约±0.6 kN，局部干扰（如旋翼-机翼相互作用）引发次要波动。优化叶片设计（C3）使总功耗降低3%，但安装效应导致优化效果低于预期。

图2悬停状态下三种构型的时间平均升力和功率击穿。

然后分析了噪声辐射特性与建议，机身与机翼接合处为表面压力脉动主要来源，旋翼下方3米处声压级（SPL）峰值达110 dB，外侧区域以叶片通过频率（BPF）谐波为主。基于FW-H方程计算50米高度参考点的噪声辐射，C2构型因气动干扰减弱，声压级较基线降低1-2 dB。引入有效感知噪声水平（EPNL）指标，发现悬停时间超过60秒后EPNL趋于稳定，建议未来噪声认证需限制悬停时长与最大EPNL阈值。最后研究通过数值模拟验证了不同构型的气动声学性能，并与欧洲航空安全局（EASA）eVTOL噪声提案对比。