城市空中交通（UAM）似乎是下一代航空运输方式，旨在将现代飞机引入大城市和郊区，以解决地面交通拥堵问题，提高可访问性，并减少环境影响（Spühler等人，2025年；Xiong等人，2025年）。电动垂直起降（eVTOL）在这一概念中至关重要，因为它结合了直升机和飞机在巡航和悬停飞行模式下的功能。根据推进和升力面布局，eVTOL可以分为多种类型，如多旋翼机、升力加巡航型、倾转旋翼机和倾转翼机，这些类型适用于不同的任务和操作（Marzouk，2025年；Silva等人，2018年；Zhang等人，2024年）。
然而，由于其体积小和部件之间的接近性，eVTOL的流场非常复杂（Droandi等人，2018年），尤其是在过渡和巡航飞行条件下；部件之间的空气动力相互作用对其性能、效率和安全性有显著影响（Anderson等人，2023年；Liu等人，2025年）。螺旋桨之间的相互作用，定义为通过尾流和诱导速度场实现的上游和下游螺旋桨之间的空气动力耦合，是eVTOL中最显著的空气动力相互作用现象，特别是在分布式电动推进（DEP）架构中，其中螺旋桨彼此非常接近，无论是轴向还是横向（Jayasundara等人，2023年；Kim等人，2025年）。这种相互作用可能导致巨大的推力损失、高能耗、叶片上的不稳定性载荷以及升高的空中噪声（Lympany和Page，2024年；Resende Coelho等人，2022年）。
已经进行了大量工作来研究eVTOL相关配置中的螺旋桨-螺旋桨空气动力相互作用。Reybard de Vries等人（De Vries等人，2021年）实验研究了分布式推进系统中的紧密排列的螺旋桨，表明轴向分离是性能下降的主要原因。同样，Zanotti等人（Zanotti和Algarotti，2022年）进行了风洞测试，发现后置螺旋桨的推力损失取决于重叠程度，其中部分重叠造成了最大的推力损失和振荡。他们的后续研究（Zanotti等人，2024年）将分析扩展到过渡飞行阶段，表明随着垂直分离的增加，相互作用损失减小，而在较高前进速度和较低倾斜角度下，干扰的重要性很高。
Stokkermans等人（Stokkermans等人，2021年）实验研究了平行和串联配置的相互影响，发现在完全重叠的配置下，推力可减少多达80%，并伴有显著的功率损失。Granata等人（Granata等人，2024年）还展示了螺旋桨相互作用对航空声学的影响，发现部分重叠不仅降低了空气动力性能，还增加了声学噪声。Zhou等人（Zhou等人，2017年）实验研究了小型无人机螺旋桨之间的旋翼-旋翼相互作用。作者观察到，平均推力基本不受旋翼间距的影响，而波动随着分离距离的增加而显著增加，这种现象与复杂的流动相互作用有关。
除了实验研究外，高分辨率数值建模也为螺旋桨-螺旋桨相互作用涉及的主要流动物理提供了独到的理解（Alvarez和Ning，2020年；Ding等人，2025年）。通过高分辨率计算流体动力学（CFD）研究，Liu等人（Liu等人，2025年）证明上游尾流的冲击可使后翼升力减少约28%，并导致下游螺旋桨的不稳定载荷变化超过70%。Gao等人（Gao等人，2025年）发现中央放置的螺旋桨经历最大的空气动力干扰，较高的前进比倾向于减少不稳定载荷。Misiorowski等人（Misiorowski等人，2019年）得出了类似的结论，并指出配置依赖的螺旋桨载荷和功率需求存在显著差异。
尽管许多研究集中在清洁配置下的螺旋桨空气动力相互作用上，但预计在真实城市环境中飞行的eVTOL飞机可能会暴露在极端天气条件下，如雨云和冰云（Dhulipalla等人，2024年）。最关键的挑战之一是推进系统上的大气冰层积聚（Afkhami等人，2025年；Muhammed和Virk，2023年；Tian等人，2025c）。关于eVTOL螺旋桨结冰的实验研究表明，在结冰条件下，螺旋桨会积聚大量冰层，导致空气动力损失增加（Heramarwan等人，2023年；Rigby和Von Hardenberg，2024年；Tsao等人，2025年；Von Hardenberg等人，2024年）。
然而，与传统飞机不同，大多数eVTOL平台目前尚未配备防冰系统，而无人机（UAV）平台已经积极研究了主动（例如，热防冰系统）（Karpen等人，2022年；Müller等人，2023年；Samad等人，2025b；Villeneuve等人，2023年）和被动（例如，疏水性和超疏水性材料）（Facco等人，2025年；Liu等人，2018年；Valentin等人，2025年；Wang等人，2024年）方法。在（Samad等人，2025a）中，作者提出了一种更有效的防/除冰方法，结合了主动和被动方法；这种方法比传统加热系统减少了40%的功率消耗，这主要是针对小型无人机非常严格的能量和载荷限制的响应。由于这些技术大多仍处于测试和开发阶段，尚未在eVTOL或UAV平台上完全实施（Hann和Johansen，2020年）。
因此，在结冰大气中，飞行中的结冰仍然对飞行安全构成更大威胁，螺旋桨结冰会显著改变几何形状，扰乱局部流场，增加湍流产生，并重新定义螺旋桨尾流，从而增加影响并对飞行性能和安全造成重大风险（Han等人，2023年；Miller等人，2024年；Samad等人，2024年）。关于具有相似流动特性的无人机螺旋桨结冰的研究表明，螺旋桨结冰会导致推力损失增加，诱导速度降低，涡流耗散增加，以及螺旋桨尾流内的湍流动能增加（Benmeddour，2020年；Ishaque等人，2025a；Liu等人，2019年）。Dhulipalla等人（Dhulipalla等人，2023）进行的实验研究表明，冰的形成增强了尾流湍流和涡流耗散。
此外，（Ishaque等人，2025b）研究了eVTOL配置中结冰诱导的螺旋桨尾流与下游机翼之间的相互作用，显示出机翼压力分布的显著变化，以及空气动力效率的明显降低。类似的研究（Shon等人，2025年）指出，上游清洁螺旋桨产生的尾流结构会导致下游升力表面上更厚、更无序的冰层积聚，从而产生的空气动力损失几乎是无尾流条件下的两倍。
然而，尽管在螺旋桨-螺旋桨相互作用和孤立螺旋桨结冰研究方面取得了进展，但在结冰条件下螺旋桨-螺旋桨相互作用的综合效应仍不够清楚。特别是，现有研究主要集中在孤立螺旋桨或清洁条件下，对结冰存在时的相互作用效应关注有限。本研究通过系统地研究上游螺旋桨上的冰层形成及其对下游清洁螺旋桨空气动力性能的影响，解决了这一空白，涵盖了各种飞行条件、结冰严重程度和串联配置。分析关注的是重叠螺旋桨的布局，其中下游螺旋桨在巡航飞行中运行在上游螺旋桨的尾流中，例如在Airbus Vahana、NASA倾转翼和Joby S4 eVTOL飞机中观察到的情况（如图1所示），其中螺旋桨的较小横向间距增加了相互作用的效果，特别是在巡航飞行中（Stokkermans等人，2021年；Zanotti和Algarotti，2022年）。
此外，还进行了详细的流场分析，以解释冰诱导的尾流场变化及其对下游螺旋桨空气动力性能的影响。这些结果有助于更好地理解不利天气对eVTOL系统的影响。
