適航性極限：解構 6+2 軸動態模擬在 eVTOL 城市空中交通與垂直起降場的驗證革命

從「能飛」到「安全降落」的最後一哩路

隨著「敏捷至上」（Agility Prime）計畫的推動與城市空中交通（Urban Air Mobility, UAM）概念的實體化，電動垂直起降飛行器（eVTOL）正處於商業化爆發的前夜，然而當這些「飛行計程車」試圖從實驗室飛進高樓林立的都會區時，面臨著一個物理學上的巨大障礙——「都市峽谷效應」（Urban Canyon Effect）。

在摩天大樓之間，氣流會被壓縮、加速並產生不可預測的亂流與切變（Wind Shear），當一架載人或載貨的 eVTOL 試圖降落在 50 層樓高的垂直起降場（Vertiport）時，它可能在進場的最後幾秒遭遇瞬間強烈側風，傳統的飛行模擬器（Flight Simulator）大多採用長行程的液壓腳架，雖然能模擬飛行姿態，但缺乏模擬突發性「橫向平移」的高動態能力；而單純的振動台又無法提供足夠的空間位移。

為了取得嚴苛的適航認證（Airworthiness Certification），工程界正導入「6+2 軸複合運動模擬系統」作為驗證核心，本文將探討此架構如何透過重現極端氣流下的動力學響應，為 eVTOL 的飛控電腦（FCC）與電池結構提供生死攸關的驗證數據。

系統工程核心：針對「陣風抑制」的異質架構

eVTOL 與傳統飛機最大的不同，在於其對氣流的敏感度極高且缺乏滑跑緩衝，為了在實驗室內複製空中懸停（Hover）時遭遇的複雜力學環境，測試系統必須具備將「高頻振動」與「低頻大位移」解耦的能力。

上層：六軸史都華平台 (The High-Frequency Layer) —— 氣動彈性與振動

位於上方的是高剛性的六軸平台（Stewart Platform），與一般強調大行程的飛行模擬器不同，此層級的設計重點在於頻寬（Bandwidth）。

• 旋翼諧波模擬：eVTOL 通常擁有多個螺旋槳，其高轉速會產生複雜的振動頻譜，六軸平台需產生 50Hz 以上的振動，模擬馬達與螺旋槳傳遞到機身的混合頻率。這對於驗證電池包（Battery Pack）內的電芯是否會因長時間共振而發生接觸不良或熱失控至關重要。
• 姿態擾動：精確複製機身在亂流中的快速俯仰（Pitch）與滾轉（Roll），測試飛控電腦的姿態解算與修正速度。

底層：XY 平移平台 (The Gust Response Layer) —— 模擬風切與側推

位於基座的是行程達 ±1 公尺的 XY 平移台，這是傳統模擬器所缺乏的關鍵拼圖。

• 突發性側風模擬（Lateral Gust Simulation）：當 eVTOL 飛越建築物轉角時，常遭遇突發側風，在物理上，這表現為機身瞬間產生巨大的橫向加速度，XY 平台能以高加速度（High Jerk）驅動整個系統橫移，讓機上的慣性量測單元（IMU）感受到真實的「被風推著走」的物理量。
• 垂直起降場的精確對準：模擬在視距外（BVLOS）自動降落時，因陣風導致的軌跡偏差，強迫視覺導航系統進行修正。

關鍵應用場景一：垂直起降場 (Vertiport) 的抗風切驗證

在城市樓頂降落是 UAM 運作最危險的階段，除了地面效應（Ground Effect）外，建築物邊緣的渦流會對機身產生強烈的擾動。

模擬「失控邊緣」 (Edge of the Envelope)

透過 6+2 軸系統，我們可以設計出極限驗證腳本：

1. XY 軸模擬陣風：設定 XY 平台執行隨機的脈衝運動（Pulse Motion），模擬陣風對機身的瞬間側推力。位移量可達 1 公尺，速度可超過 1.5 m/s。
2. 六軸模擬亂流：同時疊加高頻的姿態擾動。

這種複合運動目的在測試 eVTOL 的陣風抑制演算法（Gust Rejection Algorithm）：當機身被外力猛烈推動時，馬達控制器（ESC）能否在毫秒級內調整轉速以產生反向推力，且不會因為過度修正（Over-correction）導致機身翻覆。這是取得載人飛行許可的關鍵測試項目。

關鍵應用場景二：電池與結構的氣動彈性 (Aeroelasticity) 測試

eVTOL 的結構輕量化要求極高，這導致機身剛性較傳統飛機低，容易產生氣動彈性顫振（Flutter），此外，高能量密度的鋰電池組對振動極為敏感。

動態負載下的結構完整性

利用 6+2 軸系統，工程師可以在地面進行「飛行重現」：

• 頻譜複製：將試飛中採集到的真實振動數據（Time Domain Data）輸入給六軸平台，讓其在實驗室內精確重現長達數小時的飛行振動環境。
• 複合疲勞測試：在 XY 軸模擬反覆的加減速機動（如頻繁的起降循環）的同時，六軸平台持續輸入旋翼振動。

這能驗證電池模組的連接器是否會鬆脫、冷卻液管路是否會因疲勞而洩漏，以及複合材料機翼是否會因長期震動而產生微裂紋，這種「動態疲勞測試」比傳統的靜態應力測試更能反映真實壽命。

關鍵應用場景三：都市峽谷中的導航強韌性

在摩天大樓間飛行時，GNSS 衛星訊號會受到嚴重的遮蔽與多路徑反射（Multipath），導致定位誤差瞬間飆升至數十公尺，eVTOL 必須依賴視覺導航（Visual Odometry）與慣性導航的融合來維持定位。

全域 HIL：當運動遇見訊號

為了驗證導航系統，必須建立硬體迴路（HIL）生態系：

1. 物理運動：
   6+2 平台模擬機身在樓宇間穿梭的複雜軌跡。
2. 衛星訊號模擬：
   利用 OHB XPLORA Pro 模擬器，根據平台的實時位置，動態計算並生成受到建築物遮蔽的 GPS/Galileo 訊號，特別是利用其多路徑模型（Multipath Models），重現訊號在玻璃帷幕大樓間反射的混亂狀況。
3. 視覺與慣性融合：
   結合 CAST-Inertial 系統注入虛擬 IMU 數據，驗證當 GPS 訊號因大樓遮蔽而突然消失（Outage）時，eVTOL 的導航電腦能否無縫切換至視覺/慣性導航，而不會發生迷航或撞擊。

XPLORA Pro 軟體介面可精確模擬城市環境中的衛星遮蔽與多路徑效應，為 UAM 導航驗證提供關鍵的射頻環境。


CAST-CRPA 系統是一套高精度 GNSS 波前模擬平台，支援多頻多星系訊號生成與動態 6-DOF 載具模擬，專為 CRPA 控制接收波束天線設計；可同時模擬 GNSS 與干擾訊號，具備相位一致性與可程式化能力，並搭配圖形化介面支援高度客製化場景設定，適用於軍用與商用導航測試需求。
 

定義未來的適航標準

「6+2 軸複合運動模擬系統」不僅是測試設備，更是 eVTOL 從概念走向商用的安全守門員，它填補了傳統風洞（缺乏動態位移）與試飛（風險過高）之間的缺口，提供了一種可重複、可控制且全維度的驗證手段；在未來，能否透過這種結合極端物理擾動與複雜電磁環境的「動態生存率」測試，將成為衡量一架 eVTOL 是否具備城市飛行資格的核心標準。

針對 eVTOL 與 UAM 的高階測試需求，奧創系統科技（Ultrontek） 提供了領先業界的整合方案。

奧創系統提供 SANLAB 的高動態 6+2 軸運動平台（具備優異的 EtherCAT 實時通訊能力），以及 OHB XPLORA 高階 GNSS 模擬器，透過奧創系統的 Real-time HIL 架構，客戶可以在實驗室內構建出虛擬的「紐約」或「台北」空域，同步模擬強烈的樓宇風切（機械運動）與嚴苛的衛星訊號遮蔽（射頻環境），這套整合式解決方案將協助航太製造商加速適航認證流程，搶佔未來空中交通的制高點。