Изпитвания в аеродинамичен тунел за градска въздушна мобилност: eVTOL и дронове при странични ветрове и пориви

Летателен апарат, проектиран за открито небе, и такъв, проектиран за градска среда, са две различни машини, като разликата не е в конструкцията, а във въздуха.

Над покривите потокът се откъсва и се прикрепя отново. Между две кули той се ускорява. Зад парапетите се образуват завихряния с честота, която зависи от сградата, а не от летателния апарат. Товарен дрон или въздушно такси, захождащо към вертипорт, прекарва най-критичните за безопасността си минути точно там, където атмосферата е най-неблагоприятна.

Ето защо изпитванията на eVTOL в аеродинамичен тунел престанаха да бъдат просто етап на валидиране в края на проекта и се превърнаха във водещ фактор при проектирането. По-долу е описано какво реално се случва с летателния апарат при градски вятър, как тези условия се възпроизвеждат в изпитателно съоръжение и как да се оразмери съоръжение, което може да ги създаде.

---

1. Защо градският въздух е по-сложен от откритото небе

Доминират три ефекта и нито един от тях не присъства в чистия, равномерен поток на класическите изпитвания на характеристиките.

Срязване на вятъра (Wind shear). Скоростта на вятъра се променя бързо с височината в близост до сгради. Летателен апарат, издигащ се от вертипорт, може да премине през значителен градиент на скоростта за няколко секунди, като всеки ротор е изложен на различен входящ поток през това време.

Откъсване на потока и аеродинамични следи. Всеки ръб на сграда е генератор на завихряния. По посока на потока зад дадена кула, летателният апарат преминава през следа, чиито характерни вихри се определят от размерите на структурата — а малките летателни апарати се влияят от много по-широк спектър от размери на вихрите в сравнение с големите. Турбулентността най-добре може да се опише като суперпозиция на вихри от различни мащаби; един апарат е най-силно смущаван от вихри, сравними с или по-големи от него самия. Ето защо един 3 m eVTOL е много по-чувствителен от пътнически самолет към едно и също поле на пориви на вятъра.

Термични и изкуствени въздушни течения. Нагрятите от слънцето фасади, паркингите и изпускателните отвори на ОВК системите добавят вертикални компоненти на скоростта, които варират през деня и са невидими за стандартните метеорологични доклади.

Резултатът е среда на смущения, която не просто е по-силна от вятъра в открити пространства, но е и структурирана — а системите за управление се провалят именно срещу структурата, а не срещу осреднените стойности.

---

2. Какво всъщност се поврежда

От нашия опит с програмите за изпитване на UAV и eVTOL, четири режима на отказ са причина за повечето изненади:

• Изчерпване на възможностите за управление. При постоянен страничен вятър апаратът поддържа пространственото си положение чрез постоянно компенсиране на тягата на роторите. Тази компенсация изяжда наличния резерв за противодействие на поривите. Апаратът изглежда стабилен — докато не се появи порив и не остане никакъв ресурс за реакция.
• Асиметрията на тягата се превръща в асиметрия на мощността. Отделните ротори достигат насищане по различно време. При акумулаторно-електрическите платформи това се проявява като пикове на тока в специфични електронни регулатори на скоростта (ESC), като термичните граници могат да бъдат достигнати много преди аеродинамичните.
• Задържането на позицията се влошава преди задържането на пространственото положение. Автопилотът поддържа апарата хоризонтален, но въпреки това той се отклонява. За операциите на вертипортите това отклонение е критичната за безопасността величина.
• Комфортът на возене се влошава преди загубата на управление. За пътническите апарати допустимият работен диапазон се определя от това, което хората могат да понесат, а не от това, което полетният контролер може да преодолее.

Нито едно от тези явления не е видимо при изпитвания в режим на висене в спокоен въздух, но всички те са възпроизводими в аеродинамичен тунел.

---

3. Какво всъщност изисква сертификацията

За малката категория VTOL летателни апарати европейската рамка е Специалното условие на EASA SC-VTOL-01 , публикувано на 2 юли 2019 г., с продължаваща поредица от документи за Средства за съответствие (Means of Compliance), разработвани от май 2020 г. насам.

Важният момент за инженера по изпитванията е обхватът на дефиницията за околната среда. SC-VTOL разглежда вятър от всяка посока — включително страничен вятър, градиент на вятъра, пориви, срязване на вятъра и турбулентност — наред с обледеняване, валежи и температура, като очаква те да бъдат разгледани при различни амплитуди, описани като леки, умерени и тежки.

Тази структура има две практически последствия:

1. Вашата матрица за изпитване е многоосна по дефиниция. Демонстрирането на характеристики при насрещен вятър доказва много малко; наборът от условия е насочен и включва нестационарно съдържание.
2. Стойностите са специфични за всяка програма. Декларираните възможности при страничен и попътен вятър се установяват чрез приложимите Средства за съответствие за даден летателен апарат, а не се отчитат от универсална таблица. Към всеки, който цитира единна универсална граница за страничен вятър при eVTOL, трябва да се подхожда с подозрение — и това включва доставчиците.

Следователно изпитателното съоръжение трябва да бъде специфицирано около вашия деклариран работен диапазон, плюс резерв за умерените и тежките случаи, които възнамерявате да изследвате.

---

4. Как градският вятър се възпроизвежда в аеродинамичен тунел

Съществуват три групи методи и сериозните програми използват повече от един.

Пасивно генериране на турбулентност. Решетки, шпилове, елементи на грапавост и бариери, поставени срещу потока, развиват турбулентен граничен слой с целеви профил и интензивност. Това е класическият подход във ветровото инженерство: евтин, стабилен и с висока повторяемост, но спектърът на турбулентност е на практика фиксиран, след като хардуерът бъде настроен.

Активно генериране на пориви. Осцилиращи лопатки преди изпитателната секция или масив от вентилатори с индивидуално управлявани клетки създават променящ се във времето поток — дискретни пориви, синусоидално възбуждане, резки промени в посоката, програмирано срязване. Това е единственият начин да се възпроизведе конкретно събитие, като например преминаване през аеродинамична следа на сграда, и да се повтори идентично за две различни версии на законите за управление.

Мащабно градско симулиране. Мащабни модели на вертипорта и неговите околности се поставят срещу потока, а летателният апарат се тества вътре в следата, която те реално създават. По този начин застроената среда навлиза в изпитването, вместо да бъде апроксимирана чрез число за интензивност на турбулентността.

Който и метод да се използва, две конфигурационни решения определят всичко останало: дали апаратът е монтиран на аеродинамична везна — което осигурява чисти сили, моменти и повторяемост — или е свободно летящ в голяма секция с открита струя със собствен автопилот, затварящ контура, което тества системата, а не конструкцията. Преходът от висене към полет напред, при който ъгълът на входящия поток преминава през целия диапазон, а роторните следи взаимодействат с крилата и структурата, е най-ценната маневра за възпроизвеждане и тя се нуждае и от двете.

---

5. Работеща матрица за изпитване

За апарат, опериращ в градска среда, матрицата обикновено обхваща:

Измерват се минимум: сили и моменти върху везната, обороти (RPM) и ток за всеки ротор, зададено спрямо достигнато пространствено положение и позиция, ускорения при полезния товар или кабината, както и референтни данни за входящия поток от измервателната апаратура на тунела.

---

6. Оразмеряване на съоръжението

Ако специфицирате аеродинамичен тунел, вместо да наемате време в такъв, четири параметъра са определящи:

• Размер на изпитателната секция спрямо размаха на апарата. Блокирането на потока изкривява данните много преди това да стане визуално очевидно. Малък UAV в пълен мащаб се нуждае от секция, която на хартия изглежда щедро преоразмерена.
• Диапазон на скоростта, включително долната граница. Работата в сферата на UAM се извършва в диапазона 0–30 m/s. Създаването на стабилни, равномерни 3 m/s е по-трудно от създаването на 25 m/s, а именно там се снемат данните за висене и преход при ниска скорост.
• Качество на потока там, където е важно. Ниската турбулентност е базовата линия, към която тунелът трябва да може да се върне; не можете да изследвате порив, който не можете да различите от фоновия шум.
• Достъп до секцията и безопасност. Изпитванията със свободен полет изискват защитна мрежа, авариен стоп, който е по-бърз от летателния апарат, и концепция за достъп за промяна на конфигурациите многократно на ден.

Архитектурите със затворен контур доминират тук поради същите причини, поради които доминират и другаде: повторяемост, контрол на температурата и експлоатационни разходи — компромисът е изложен в

Аеродинамични тунели със затворен и отворен контур за изследователски цели

, а решението за ориентацията зад него в нашия

Хоризонтални, вертикални и наклонени аеродинамични тунели

.

---

7. Пет грешки, които си струва да избягвате

• Изпитване само при насрещен вятър. Това е най-евтиното условие за изпълнение и най-малко информативното.
• Отчитане на средни стойности. Реакцията на порив е преходен процес. Осреднените данни скриват точно събитието, за което сте провеждали изпитването.
• Пренебрегване на земната повърхност. В близост до площадката на вертипорта, рециркулацията и екранният ефект променят изцяло входящия поток.
• Изпитване на конструкцията, но не и на закона за управление. Повечето откази в градска среда са системни откази; модел, монтиран на везна със замразен контролер, няма да ги разкрие.
• Оставяне на изпитванията за въздействие на околната среда за след замразяването на дизайна. Възможностите при страничен вятър се осигуряват чрез оразмеряване на роторите и резерв за управление — решения, които се вземат рано и чиято промяна на по-късен етап е скъпа.

---

8. От плана за изпитване до съоръжението

Градската въздушна мобилност се сертифицира спрямо среда, която е насочена, нестационарна и специфична за обекта. Покриването на този стандарт означава възпроизвеждането ѝ на земята, с възможност за повтаряне, стотици пъти, дълго преди летателният апарат да извърши заход между реални сгради.

Ние проектираме и изграждаме персонализирани изпитателни съоръжения точно за този клас работа — аеродинамични тунели със затворен контур, оразмерени спрямо летателния апарат, със стабилност при ниски скорости, генериране на пориви и интеграция на измервателна апаратура, планирани още от аеродинамичната концепция нататък, и с модули за климат и издръжливост, които могат да бъдат добавени с напредването на програмата. Нашата отправна точка е вашата матрица за изпитване, а не каталог.

Изпратете ни вашия работен диапазон и размерите на летателния апарат и ние ще ви върнем концепция за съоръжение: размер на секцията, диапазон на скоростта, мощност на задвижване и застроена площ.

---

Източници и бележки

• Специално условие на EASA за малка категория VTOL летателни апарати, SC-VTOL-01, публикувано на 2 юли 2019 г., и последващите публикации за Средства за съответствие: SC-VTOL-01, Fourth publication of MoC with SC-VTOL.
• Чувствителност на малките летателни апарати към широк спектър от мащаби на вихрите и гледната точка на ветровото инженерство за UAM операциите: Urban Air Mobility: A Wind Engineering Perspective, WSP.
• Среда на пориви в близост до сгради: "Gusts Encountered by Flying Vehicles in Proximity to Buildings", Drones, 2023.
• Пасивното генериране на турбулентност (решетки, елементи на грапавост, шпилове) е класическа практика във ветровото инженерство; класификацията спрямо активно управлявани масиви от вентилатори е собствена формулировка на TunnelTech. По-специално от активната страна, контрол на всяка клетка и характеризиране на турбулентността на ветрогенератори с масив от вентилатори: Turbulence enhancement of a fan array wind generator, arXiv.
• Тук умишлено не е цитирана универсална цифрова граница за страничен вятър за eVTOL: декларираните скорости на страничен и попътен вятър се установяват за всяка програма чрез приложимите Средства за съответствие.
• Диапазоните на матрицата за изпитване и насоките за оразмеряване на съоръжението са инженерна практика на TunnelTech, която трябва да бъде потвърдена спрямо конкретния летателен апарат и обект.