Pruebas en túnel de viento para la movilidad aérea urbana: eVTOL y drones en vientos cruzados y ráfagas

Una aeronave diseñada para cielo abierto y una aeronave diseñada para la ciudad son dos máquinas diferentes, y la diferencia no radica en la célula, sino en el aire.

Por encima de un tejado, el flujo se separa y se vuelve a adherir. Entre dos torres, se acelera. Detrás de un parapeto, desprende vórtices a una frecuencia que depende del edificio, no de la aeronave. Un dron de carga o un taxi aéreo que se aproxima a un vertipuerto pasa sus minutos más críticos para la seguridad exactamente donde la atmósfera es menos cooperativa.

Es por eso que las pruebas en túnel de viento para eVTOL han dejado de ser un paso de validación de última etapa para convertirse en un factor determinante del diseño. A continuación, se detalla qué le sucede realmente a un vehículo en el viento urbano, cómo se reproducen esas condiciones en una instalación de pruebas y cómo dimensionar una instalación capaz de generarlas.

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1. Por qué el aire urbano es más complejo que el cielo abierto

Predominan tres efectos, y ninguno de ellos está presente en el flujo limpio y constante de una prueba de rendimiento clásica.

Cizalladura. La velocidad del viento cambia rápidamente con la altura cerca de los edificios. Una aeronave que asciende desde un vertipuerto puede atravesar un gradiente de velocidad sustancial en pocos segundos, y cada rotor experimenta un flujo de entrada diferente mientras esto ocurre.

Separación y estelas. Cada borde de un edificio es un generador de vórtices. Aguas abajo de una torre, una aeronave vuela a través de una estela cuyos remolinos característicos están dimensionados por la estructura, y las aeronaves pequeñas se ven afectadas por una gama mucho más amplia de tamaños de remolinos que las grandes. La turbulencia se visualiza mejor como una superposición de remolinos de múltiples escalas; un vehículo se ve más perturbado por remolinos de tamaño comparable o mayor que él mismo, razón por la cual un eVTOL de 3 m es mucho más sensible que un avión comercial al mismo campo de ráfagas.

Plumas térmicas y artificiales. Las fachadas calentadas por el sol, las cubiertas de aparcamientos y los escapes de los sistemas HVAC añaden componentes de velocidad vertical que varían a lo largo del día y son invisibles para un informe meteorológico estándar.

El resultado es un entorno de perturbaciones que no solo es más fuerte que el viento en campo abierto, sino que está estructurado, y los sistemas de control fallan frente a la estructura, no frente a los promedios.

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2. Qué es lo que realmente falla

Según nuestra experiencia en programas de pruebas de UAV y eVTOL, cuatro modos de fallo explican la mayoría de las sorpresas:

• Agotamiento de la autoridad de control. En un viento cruzado constante, el vehículo mantiene la actitud sesgando permanentemente el empuje del rotor. Ese sesgo consume el margen disponible para el rechazo de ráfagas. El vehículo parece estable, hasta que llega una ráfaga y no queda margen de maniobra.
• La asimetría de empuje se convierte en asimetría de potencia. Los rotores individuales se saturan en diferentes momentos. En una plataforma eléctrica de batería, esto se manifiesta como picos de corriente en ESC específicos, y los límites térmicos pueden alcanzarse mucho antes que los límites aerodinámicos.
• El mantenimiento de la posición se degrada antes que el mantenimiento de la actitud. El piloto automático mantiene la aeronave nivelada, pero esta sigue derivando. Para las operaciones en vertipuertos, esa deriva es la variable crítica para la seguridad.
• La calidad del viaje colapsa antes que el control. Para los vehículos de transporte de pasajeros, la envolvente aceptable está determinada por lo que las personas pueden tolerar, no por lo que el controlador de vuelo puede soportar.

Ninguno de estos fallos es visible en una prueba de vuelo estacionario en aire en calma, y todos ellos son reproducibles en un túnel.

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3. Qué exige realmente la certificación

Para las aeronaves VTOL de categoría pequeña, el marco europeo es la Condición Especial SC-VTOL-01 de la EASA, publicada el 2 de julio de 2019, junto con una serie continua de documentos de Medios de Cumplimiento desarrollados desde mayo de 2020.

El punto importante para un ingeniero de pruebas es la amplitud de la definición ambiental. La SC-VTOL aborda el viento desde cualquier dirección (incluyendo viento cruzado, gradiente de viento, ráfagas, cizalladura del viento y turbulencia), junto con la formación de hielo, las precipitaciones y la temperatura, y exige que estos factores se consideren en diferentes amplitudes, descritas como ligeras, moderadas y severas.

Esa estructura tiene dos consecuencias prácticas:

1. Su matriz de pruebas es multieje por definición. Demostrar el rendimiento con viento en contra prueba muy poco; el conjunto de condiciones es direccional e incluye contenido inestable.
2. Los números son específicos del programa. La capacidad declarada de viento cruzado y viento de cola se establece a través de los Medios de Cumplimiento aplicables para una aeronave determinada, no se lee de una tabla universal. Cualquiera que cite un único límite universal para el viento cruzado en eVTOL debe ser tratado con sospecha, y eso incluye a los proveedores.

Por lo tanto, una instalación de pruebas debe especificarse en torno a su envolvente declarada, más un margen para los casos moderados y severos que pretenda explorar.

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4. Cómo se reproduce el viento urbano en un túnel

Existen tres familias de técnicas, y los programas serios utilizan más de una.

Generación pasiva de turbulencia. Las rejillas, agujas (spires), elementos de rugosidad y barreras colocados aguas arriba desarrollan una capa límite turbulenta con un perfil e intensidad objetivo. Este es el enfoque clásico de la ingeniería eólica: económico, estable y altamente repetible, pero el espectro de turbulencia queda esencialmente fijo una vez que se configura el hardware.

Generación activa de ráfagas. Los álabes oscilantes aguas arriba de la sección de ensayo, o una matriz de ventiladores con celdas controladas individualmente, producen un flujo variable en el tiempo: ráfagas discretas, excitación sinusoidal, cambios repentinos de dirección, cizalladura programada. Esta es la única forma de reproducir un evento específico, como atravesar la estela de un edificio, y repetirlo de manera idéntica para dos versiones diferentes de la ley de control.

Simulación urbana a escala. Se colocan modelos a escala del vertipuerto y su entorno aguas arriba, y la aeronave se prueba dentro de la estela que realmente crean. Así es como el entorno construido se integra en la prueba en lugar de aproximarse mediante un número de intensidad de turbulencia.

Cualquiera que se utilice, dos decisiones de configuración determinan todo lo demás: si el vehículo está montado en una balanza (lo que proporciona fuerzas limpias, momentos y repetibilidad) o en vuelo libre en una gran sección de chorro abierto con su propio piloto automático cerrando el bucle, lo que prueba el sistema en lugar de la célula. La transición del vuelo estacionario al vuelo de avance, donde el ángulo de flujo de entrada barre todo el rango y las estelas de los rotores interactúan con las alas y la estructura, es la maniobra individual más valiosa de reproducir, y requiere ambas configuraciones.

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5. Una matriz de pruebas viable

Para un vehículo de operaciones urbanas, la matriz generalmente abarca:

Mediciones mínimas: fuerzas y momentos en la balanza, RPM y corriente por rotor, actitud y posición comandadas frente a las logradas, aceleraciones en la ubicación de la carga útil o la cabina, y referencia de flujo de entrada de la instrumentación del túnel.

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6. Dimensionamiento de la instalación

Si está especificando un túnel en lugar de alquilar tiempo en uno, predominan cuatro números:

• Tamaño de la sección de ensayo frente a la envergadura del vehículo. El bloqueo corrompe los datos mucho antes de que sea visualmente obvio. Un UAV pequeño a escala real necesita una sección que parezca generosamente sobredimensionada en papel.
• Rango de velocidad, extremo inferior incluido. El trabajo de UAM se desarrolla en la banda de 0–30 m/s. Producir 3 m/s de forma estable y uniforme es más difícil que producir 25 m/s, y es donde se toman los datos de vuelo estacionario y transición a baja velocidad.
• Calidad del flujo donde importa. La baja turbulencia es la línea base a la que el túnel debe poder regresar; no se puede estudiar una ráfaga que no se puede distinguir del fondo.
• Acceso a la sección y seguridad. Las pruebas de vuelo libre exigen redes de protección, una parada de emergencia (E-stop) que sea más rápida que el vehículo y un concepto de acceso para cambiar configuraciones muchas veces al día.

Las arquitecturas de circuito cerrado predominan aquí por las mismas razones que predominan en otros lugares: repetibilidad, control de temperatura y costes de funcionamiento. La compensación se expone en

Túneles de viento de circuito cerrado frente a circuito abierto para investigación

, y la decisión de orientación detrás de ella en nuestro artículo

Túneles de viento horizontales, verticales e inclinados

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7. Cinco errores que vale la pena evitar

• Probar solo con viento en contra. Es la condición más barata de ejecutar y la menos informativa.
• Informar valores medios. La respuesta a las ráfagas es un fenómeno transitorio. Los datos promediados ocultan exactamente el evento que se estaba probando.
• Ignorar el plano de tierra. Cerca de la plataforma de un vertipuerto, la recirculación y el efecto suelo cambian por completo el flujo de entrada.
• Probar la célula pero no la ley de control. La mayoría de los fallos urbanos son fallos del sistema; un modelo montado en balanza con un controlador congelado no los revelará.
• Dejar las pruebas ambientales para después de la congelación del diseño. La capacidad de viento cruzado se adquiere con el dimensionamiento del rotor y el margen de control: decisiones que se toman temprano y que resulta costoso revertir tarde.

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8. Del plan de pruebas a la instalación

La movilidad aérea urbana se está certificando frente a un entorno que es direccional, inestable y específico del emplazamiento. Cumplir con ese estándar significa reproducirlo en tierra, de forma repetible, cientos de veces, mucho antes de que una aeronave realice una aproximación entre edificios reales.

Diseñamos y construimos instalaciones de pruebas personalizadas exactamente para este tipo de trabajo: túneles de circuito cerrado dimensionados en torno al vehículo, con estabilidad a baja velocidad, generación de ráfagas e integración de instrumentación planificadas desde el concepto aerodinámico en adelante, y con módulos de clima y durabilidad que se pueden añadir a medida que el programa madura. Nuestro punto de partida es su matriz de pruebas, no un catálogo.

Envíenos su envolvente y las dimensiones del vehículo y le responderemos con un concepto de instalación: tamaño de la sección, rango de velocidad, potencia de accionamiento y huella del edificio.

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Fuentes y notas

• Condición Especial de la EASA para aeronaves VTOL de categoría pequeña, SC-VTOL-01, publicada el 2 de julio de 2019, y las posteriores publicaciones de Medios de Cumplimiento: SC-VTOL-01, Fourth publication of MoC with SC-VTOL.
• Sensibilidad de las aeronaves pequeñas a una amplia gama de escalas de remolinos, y la visión de la ingeniería eólica sobre las operaciones UAM: Urban Air Mobility: A Wind Engineering Perspective, WSP.
• Entorno de ráfagas cerca de edificios: "Gusts Encountered by Flying Vehicles in Proximity to Buildings", Drones, 2023.
• La generación pasiva de turbulencia (rejillas, elementos de rugosidad, agujas) es una práctica clásica de la ingeniería eólica; la clasificación frente a matrices de ventiladores controladas activamente es un enfoque propio de TunnelTech. En el lado activo específicamente, el control por celda y la caracterización de la turbulencia de los generadores eólicos de matriz de ventiladores: Turbulence enhancement of a fan array wind generator, arXiv.
• Aquí no se cita deliberadamente ningún límite numérico universal de viento cruzado para eVTOL: las velocidades declaradas de viento cruzado y viento de cola se establecen por programa a través de los Medios de Cumplimiento aplicables.
• Los rangos de la matriz de pruebas y la guía de dimensionamiento de las instalaciones son prácticas de ingeniería de TunnelTech, que deben confirmarse en función del vehículo y el emplazamiento específicos.