Windkanaltests für Urban Air Mobility: eVTOLs und Drohnen bei Seitenwind und Böen

Ein Fluggerät, das für den offenen Himmel entwickelt wurde, und eines, das für die Stadt konzipiert ist, sind zwei völlig unterschiedliche Maschinen. Der Unterschied liegt nicht in der Flugzeugzelle – er liegt in der Luft.

Über einem Flachdach reißt die Strömung ab und legt sich wieder an. Zwischen zwei Hochhäusern beschleunigt sie sich. Hinter einer Brüstung lösen sich Wirbel mit einer Frequenz ab, die vom Gebäude abhängt, nicht vom Fluggerät. Eine Frachtdrohne oder ein Flugtaxi im Anflug auf einen Vertiport verbringt ihre sicherheitskritischsten Minuten genau dort, wo die Atmosphäre am unberechenbarsten ist.

Aus diesem Grund sind eVTOL-Windkanaltests nicht länger nur ein Validierungsschritt in der Spätphase, sondern zu einem entscheidenden Faktor für das Design geworden. Im Folgenden wird erläutert, was tatsächlich mit einem Fluggerät im städtischen Wind passiert, wie diese Bedingungen in einer Testanlage reproduziert werden und wie eine Anlage dimensioniert sein muss, um sie zu erzeugen.

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1. Warum städtische Luft anspruchsvoller ist als der offene Himmel

Drei Effekte dominieren, und keiner von ihnen tritt in der sauberen, gleichmäßigen Strömung eines klassischen Leistungstests auf.

Scherung. In der Nähe von Gebäuden ändert sich die Windgeschwindigkeit mit der Höhe rapide. Ein Fluggerät, das von einem Vertiport aufsteigt, kann in wenigen Sekunden einen erheblichen Geschwindigkeitsgradienten durchfliegen, wobei jeder Rotor eine andere Anströmung erfährt.

Strömungsablösung und Nachläufe. Jede Gebäudekante ist ein Wirbelgenerator. Stromabwärts eines Turms fliegt ein Fluggerät durch einen Nachlauf, dessen charakteristische Wirbel von der Größe des Bauwerks bestimmt werden – und kleine Fluggeräte werden von einem viel breiteren Spektrum an Wirbelgrößen beeinflusst als große. Turbulenz lässt sich am besten als Überlagerung von Wirbeln vieler Größenordnungen beschreiben; ein Fluggerät wird am stärksten von Wirbeln gestört, die vergleichbar groß oder größer sind als es selbst. Deshalb ist ein 3-Meter-eVTOL weitaus empfindlicher gegenüber demselben Böenfeld als ein Verkehrsflugzeug.

Thermische und künstliche Aufwinde. Sonnenerwärmte Fassaden, Parkdecks und HLK-Abluftanlagen erzeugen vertikale Geschwindigkeitskomponenten, die im Laufe des Tages variieren und in einem Standard-Wetterbericht nicht erfasst werden.

Das Ergebnis ist ein Störungsumfeld, das nicht nur stärker ist als Wind auf freiem Feld, sondern strukturiert – und Steuerungssysteme versagen an Strukturen, nicht an Durchschnittswerten.

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2. Was in der Praxis versagt

Nach unserer Erfahrung mit UAV- und eVTOL-Testprogrammen sind vier Fehlermodi für die meisten Überraschungen verantwortlich:

• Verlust der Steuerautorität. Bei konstantem Seitenwind hält das Fluggerät seine Fluglage, indem es den Rotorschub permanent asymmetrisch anpasst. Diese dauerhafte Schubasymmetrie zehrt an der Reserve, die für die Böenkompensation zur Verfügung steht. Das Fluggerät wirkt stabil – bis eine Böe auftritt und keine Reserven mehr vorhanden sind.
• Schubasymmetrie wird zu Leistungsasymmetrie. Einzelne Rotoren erreichen zu unterschiedlichen Zeiten ihre Sättigung. Auf einer batterieelektrischen Plattform zeigt sich dies als Stromspitzen an bestimmten ESCs, und thermische Grenzen können lange vor den aerodynamischen Grenzen erreicht werden.
• Die Positionshaltung verschlechtert sich vor der Fluglagenhaltung. Der Autopilot hält das Fluggerät waagerecht, und es driftet dennoch ab. Beim Vertiport-Betrieb ist genau diese Drift die sicherheitskritische Größe.
• Der Flugkomfort bricht vor der Steuerung zusammen. Bei Passagierfluggeräten wird der akzeptable Betriebsbereich dadurch bestimmt, was Menschen tolerieren können, und nicht dadurch, was der Flugregler übersteht.

Keines dieser Probleme ist bei einem Schwebeflugtest in ruhender Luft sichtbar, aber alle sind im Windkanal reproduzierbar.

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3. Was die Zertifizierung tatsächlich verlangt

Für VTOL-Fluggeräte der kleinen Kategorie bildet die EASA-Sonderbedingung SC-VTOL-01 (veröffentlicht am 2. Juli 2019) den europäischen Rahmen, ergänzt durch eine fortlaufende Reihe von Nachweisverfahren (Means of Compliance), die seit Mai 2020 entwickelt werden.

Der entscheidende Punkt für einen Testingenieur ist die Breite der Umgebungsdefinition. SC-VTOL berücksichtigt Wind aus jeder Richtung – einschließlich Seitenwind, Windgradienten, Böen, Windscherung und Turbulenz – neben Vereisung, Niederschlag und Temperatur. Es wird erwartet, dass diese bei unterschiedlichen Amplituden betrachtet werden, die als leicht, mäßig und schwer (light, moderate, severe) beschrieben werden.

Diese Struktur hat zwei praktische Konsequenzen:

1. Ihre Testmatrix ist per Definition mehrachsig. Die Leistung bei Gegenwind zu demonstrieren, beweist sehr wenig; das Bedingungsset ist richtungsabhängig und beinhaltet instationäre Anteile.
2. Die Werte sind programmspezifisch. Die deklarierte Seitenwind- und Rückenwindfähigkeit wird durch das anwendbare Nachweisverfahren für ein bestimmtes Fluggerät ermittelt und nicht aus einer universellen Tabelle abgelesen. Jeder, der einen einzigen universellen Grenzwert für eVTOL-Seitenwind nennt, sollte mit Skepsis betrachtet werden – und das schließt Lieferanten ein.

Eine Testanlage muss daher auf Ihren deklarierten Betriebsbereich ausgelegt sein, zuzüglich einer Reserve für die mäßigen und schweren Fälle, die Sie untersuchen möchten.

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4. Wie städtischer Wind im Windkanal reproduziert wird

Es gibt drei Methodenfamilien, und ernsthafte Programme nutzen mehr als eine.

Passive Turbulenzerzeugung. Gitter, Störkörper (Spires), Rauigkeitselemente und Barrieren, die stromaufwärts platziert werden, erzeugen eine turbulente Grenzschicht mit einem Zielprofil und einer bestimmten Intensität. Dies ist der klassische Ansatz des Windingenieurwesens: kostengünstig, stabil und hochgradig wiederholbar, aber das Turbulenzspektrum ist im Wesentlichen fixiert, sobald die Hardware installiert ist.

Aktive Böenerzeugung. Oszillierende Leitbleche stromaufwärts der Messstrecke oder ein Fan-Array mit individuell gesteuerten Zellen erzeugen eine zeitlich variable Strömung – diskrete Böen, sinusförmige Anregung, plötzliche Richtungsänderungen, programmierte Scherung. Dies ist der einzige Weg, um ein spezifisches Ereignis, wie das Durchfliegen eines Gebäudenachlaufs, zu reproduzieren und es für zwei Versionen von Regelgesetzen identisch zu wiederholen.

Städtische Simulation im Modellmaßstab. Maßstabsgetreue Modelle des Vertiports und seiner Umgebung werden stromaufwärts platziert, und das Fluggerät wird in dem Nachlauf getestet, den sie tatsächlich erzeugen. Auf diese Weise fließt die bebaute Umgebung in den Test ein, anstatt nur durch einen Wert für die Turbulenzintensität angenähert zu werden.

Unabhängig davon, welche Methode verwendet wird, prägen zwei Konfigurationsentscheidungen alles Weitere: ob das Fluggerät auf einer Waage montiert ist – was saubere Kräfte, Momente und Wiederholbarkeit liefert – oder ob es frei fliegend in einer großen Freistrahl-Messstrecke mit eigenem Autopiloten im geschlossenen Regelkreis agiert, was eher das System als die Flugzeugzelle testet. Der Übergang vom Schwebeflug zum Vorwärtsflug, bei dem der Anströmwinkel den gesamten Bereich durchläuft und Rotor-Nachläufe mit Tragflächen und Struktur in Wechselwirkung treten, ist das wertvollste Manöver, das reproduziert werden kann, und es erfordert beides.

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5. Eine praktikable Testmatrix

Für ein Fluggerät im städtischen Einsatz deckt die Matrix in der Regel Folgendes ab:

Gemessen werden mindestens: Kräfte und Momente an der Waage, Drehzahl und Strom pro Rotor, kommandierte versus erreichte Fluglage und Position, Beschleunigungen an der Nutzlast- oder Kabinenposition sowie die Anströmreferenz aus der Windkanal-Messtechnik.

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6. Dimensionierung der Anlage

Wenn Sie einen Windkanal spezifizieren, anstatt nur Zeit darin zu mieten, sind vier Kennzahlen entscheidend:

• Größe der Messstrecke im Verhältnis zur Spannweite des Fluggeräts. Die Versperrung (Blockage) verfälscht die Daten lange bevor sie optisch offensichtlich wird. Ein kleines UAV im Originalmaßstab benötigt eine Messstrecke, die auf dem Papier großzügig überdimensioniert wirkt.
• Geschwindigkeitsbereich, einschließlich des unteren Endes. UAM-Arbeiten finden im Bereich von 0–30 m/s statt. Die Erzeugung von stabilen, gleichmäßigen 3 m/s ist schwieriger als die Erzeugung von 25 m/s, und genau hier werden Daten für den Schwebeflug und den langsamen Übergang erfasst.
• Strömungsqualität dort, wo sie wichtig ist. Geringe Turbulenz ist die Basis, zu der der Windkanal zurückkehren können muss; man kann keine Böe untersuchen, die sich nicht vom Hintergrund unterscheiden lässt.
• Zugang zur Messstrecke und Sicherheit. Freiflugtests erfordern ein Sicherheitsnetz, einen Not-Halt (E-Stop), der schneller reagiert als das Fluggerät, und ein Zugangskonzept, um Konfigurationen mehrmals am Tag ändern zu können.

Architekturen mit geschlossenem Kreislauf dominieren hier aus denselben Gründen wie anderswo: Wiederholbarkeit, Temperaturkontrolle und Betriebskosten – der Zielkonflikt wird in

Umlauf-Windkanäle vs. Windkanäle im offenen Kreislauf für die Forschung

dargelegt, und die dahinter stehende Ausrichtungsentscheidung in

Horizontale, vertikale und geneigte Windkanäle

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7. Fünf Fehler, die es zu vermeiden gilt

• Nur bei Gegenwind testen. Dies ist die kostengünstigste Bedingung, aber auch die am wenigsten aufschlussreiche.
• Mittelwerte angeben. Die Reaktion auf Böen ist ein transienter Vorgang. Gemittelte Daten verbergen genau das Ereignis, auf das Sie getestet haben.
• Die Bodenebene ignorieren. In der Nähe eines Vertiport-Decks verändern Rezirkulation und Bodeneffekt die Anströmung vollständig.
• Die Flugzeugzelle testen, aber nicht das Regelgesetz. Die meisten Ausfälle im städtischen Umfeld sind Systemausfälle; ein auf einer Waage montiertes Modell mit eingefrorenem Regler wird diese nicht aufdecken.
• Umwelttests bis nach dem Design Freeze aufschieben. Seitenwindfähigkeit wird durch Rotordimensionierung und Steuerungsreserven erkauft – Entscheidungen, die früh getroffen und spät nur teuer rückgängig gemacht werden können.

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8. Vom Testplan zur Anlage

Urban Air Mobility wird für eine Umgebung zertifiziert, die richtungsabhängig, instationär und standortspezifisch ist. Diesen Standard zu erfüllen bedeutet, diese Umgebung am Boden reproduzierbar hunderte Male nachzubilden, lange bevor ein Fluggerät einen Anflug zwischen echten Gebäuden durchführt.

Wir entwerfen und bauen maßgeschneiderte Testanlagen für genau diese Art von Arbeit – Umlauf-Windkanäle, die auf das Fluggerät zugeschnitten sind, mit Stabilität bei niedrigen Geschwindigkeiten, Böenerzeugung und Integration der Messtechnik, die vom aerodynamischen Konzept an geplant werden, sowie mit Klima- und Haltbarkeitsmodulen, die hinzugefügt werden können, wenn das Programm reift. Unser Ausgangspunkt ist Ihre Testmatrix, kein Katalog.

Senden Sie uns Ihren Betriebsbereich und die Abmessungen Ihres Fluggeräts , und wir melden uns mit einem Anlagenkonzept zurück: Größe der Messstrecke, Geschwindigkeitsbereich, Antriebsleistung und Platzbedarf des Gebäudes.

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Quellen und Anmerkungen

• EASA Special Condition für VTOL-Fluggeräte der kleinen Kategorie, SC-VTOL-01, veröffentlicht am 2. Juli 2019, und die nachfolgenden Publikationen zu Nachweisverfahren (Means of Compliance): SC-VTOL-01, Fourth publication of MoC with SC-VTOL.
• Empfindlichkeit kleiner Fluggeräte gegenüber einem breiten Spektrum von Wirbelgrößen und die Sicht des Windingenieurwesens auf den UAM-Betrieb: Urban Air Mobility: A Wind Engineering Perspective, WSP.
• Böenumgebung in der Nähe von Gebäuden: "Gusts Encountered by Flying Vehicles in Proximity to Buildings", Drones, 2023.
• Passive Turbulenzerzeugung (Gitter, Rauigkeitselemente, Spires) ist klassische Praxis im Windingenieurwesen; die Abgrenzung zu aktiv gesteuerten Fan-Arrays ist eine eigene Formulierung von TunnelTech. Speziell auf der aktiven Seite, zellenweise Steuerung und Turbulenzcharakterisierung von Fan-Array-Windgeneratoren: Turbulence enhancement of a fan array wind generator, arXiv.
• Ein universeller numerischer Seitenwind-Grenzwert für eVTOLs wird hier bewusst nicht genannt: Die deklarierten Seitenwind- und Rückenwindgeschwindigkeiten werden pro Programm durch die anwendbaren Nachweisverfahren (Means of Compliance) festgelegt.
• Die Bereiche der Testmatrix und die Richtlinien zur Dimensionierung der Anlage entsprechen der Ingenieurspraxis von TunnelTech und müssen für das spezifische Fluggerät und den Standort bestätigt werden.