Tuuletunneli katsetused linnaõhuliikluse jaoks: eVTOL ja droonid külgtuules ning tuulepuhangutes

Avatud taeva jaoks loodud õhusõiduk ja linna jaoks loodud õhusõiduk on kaks erinevat masinat ning erinevus ei seisne lennukikeres — see seisneb õhus.

Katuse kohal õhuvool eraldub ja kinnitub uuesti. Kahe torni vahel see kiireneb. Rinnatise taga tekitab see keeriseid sagedusega, mis sõltub hoonest, mitte õhusõidukist. Kaubadroon või õhutakso, mis läheneb vertiportile, veedab oma kõige ohutuskriitilisemad minutid just seal, kus atmosfäär on kõige vähem koostööaldis.

Seetõttu ei ole eVTOL-i tuuletunneli katsetused enam hilises staadiumis toimuv valideerimissamm, vaid neist on saanud disaini suunaja. Allpool on toodud, mis tegelikult juhtub sõidukiga linnatuules, kuidas neid tingimusi katserajatises reprodutseeritakse ja kuidas dimensioneerida rajatist, mis suudab neid luua.

---

1. Miks linnaõhk on keerulisem kui avatud taevas

Domineerivad kolm efekti ja ükski neist ei esine klassikalise jõudluskatse puhtas ja stabiilses voolus.

Tuulenihe (Shear). Tuulekiirus muutub hoonete läheduses kõrgusega kiiresti. Vertiportist välja tõusev õhusõiduk võib mõne sekundiga läbida märkimisväärse kiirusgradiendi ning iga rootor kogeb selle käigus erinevat sissevoolu.

Eraldumine ja järelvoolud. Iga hoone serv on keerisegeneraator. Torni allavoolu lendab õhusõiduk läbi järelvoolu, mille iseloomulike pööriste suuruse määrab struktuur — ja väikeseid õhusõidukeid mõjutab palju laiem pööriste suuruste vahemik kui suuri. Turbulentsi on kõige parem ette kujutada paljude erinevate skaaladega pööriste superpositsioonina; sõidukit häirivad kõige enam pöörised, mis on temaga võrreldavad või temast suuremad, mistõttu on 3 m eVTOL sama tuulepuhangute välja suhtes palju tundlikum kui reisilennuk.

Termilised ja inimtekkeliised õhuvoolud. Päikesest kuumutatud fassaadid, parkimismajad ja HVAC-süsteemide heitõhk lisavad vertikaalseid kiiruskomponente, mis varieeruvad päeva jooksul ja on standardses ilmateates nähtamatud.

Tulemuseks on häirekeskkond, mis ei ole lihtsalt tugevam kui avamaastiku tuul, vaid on struktureeritud — ja juhtimissüsteemid ebaõnnestuvad struktuuri, mitte keskmiste näitajate vastu.

---

2. Mis tegelikult puruneb

Meie kogemuste põhjal UAV ja eVTOL katseprogrammidega põhjustavad enamiku üllatustest neli tõrkerežiimi:

• Juhtimisvaru ammendub. Stabiilses külgtuules hoiab sõiduk asendit, muutes püsivalt rootori tõukejõudu. See nihe vähendab tuulepuhangute tõrjumiseks saadaolevat varu. Sõiduk tundub stabiilne — kuni saabub tuulepuhang ja varu on täielikult ammendunud.
• Tõukejõu asümmeetriast saab võimsuse asümmeetria. Üksikud rootorid saavutavad küllastumise erinevatel aegadel. Akutoitega platvormil väljendub see voolutippudena teatud ESC-des ning termilised piirid võidakse saavutada ammu enne aerodünaamilisi piire.
• Positsiooni hoidmine halveneb enne asendi hoidmist. Autopiloot hoiab õhusõidukit horisontaalselt, kuid see triivib siiski. Vertiporti operatsioonide puhul on see triiv ohutuskriitiline suurus.
• Sõidumugavus variseb kokku enne juhtimist. Reisijaid vedavate sõidukite puhul määrab vastuvõetava tööpiirkonna see, mida inimesed suudavad taluda, mitte see, mille lennukontroller suudab üle elada.

Ükski neist ei ole nähtav vaikse õhuga hõljumiskatses ja neid kõiki on võimalik tuuletunnelis reprodutseerida.

---

3. Mida sertifitseerimine tegelikult nõuab

Väikekategooria VTOL-õhusõidukite puhul on Euroopa raamistikuks EASA eritingimus SC-VTOL-01 , mis avaldati 2. juulil 2019, koos alates 2020. aasta maist väljatöötatud vastavusmeetodite (Means of Compliance) dokumentide seeriaga.

Katseinseneri jaoks on oluline keskkonnamääratluse laius. SC-VTOL käsitleb tuult igast suunast — sealhulgas külgtuult, tuule gradienti, tuulepuhanguid, tuulenihet ja turbulentsi — koos jäätumise, sademete ja temperatuuriga ning eeldab, et neid arvestatakse erinevatel amplituudidel, mida kirjeldatakse kui kergeid, mõõdukaid ja raskeid.

Sellel struktuuril on kaks praktilist tagajärge:

1. Teie katsemaatriks on definitsiooni järgi mitmeteljeline. Jõudluse demonstreerimine vastutuules tõestab väga vähe; tingimuste kogum on suunaline ja sisaldab ebastabiilset sisu.
2. Numbrid on programmipõhised. Deklareeritud külgtuule ja taganttuule võimekus tehakse kindlaks konkreetse õhusõiduki suhtes kohaldatavate vastavusmeetodite kaudu, mitte ei loeta universaalsest tabelist. Kellessegi, kes tsiteerib eVTOL-i külgtuule jaoks ühte universaalset piirangut, tuleks suhtuda kahtlusega — ja see hõlmab ka tarnijaid.

Seetõttu tuleb katserajatis spetsifitseerida vastavalt teie deklareeritud tööpiirkonnale, millele lisandub varu mõõdukate ja raskete juhtumite jaoks, mida kavatsete uurida.

---

4. Kuidas linnatuult tuuletunnelis reprodutseeritakse

On kolm tehnikate perekonda ja tõsised programmid kasutavad rohkem kui ühte.

Passiivne turbulentsi genereerimine. Ülesvoolu paigutatud võred, tornid, karedus-elemendid ja tõkked arendavad sihtprofiili ja intensiivsusega turbulentset piirkihti. See on klassikaline tuuletehnika lähenemisviis: odav, stabiilne ja hästi korratav, kuid turbulentsi spekter on pärast riistvara paigaldamist sisuliselt fikseeritud.

Aktiivne tuulepuhangute genereerimine. Katseosast ülesvoolu asuvad võnkuvad labad või individuaalselt juhitavate elementidega ventilaatorite massiiv tekitavad ajas muutuva õhuvoolu — diskreetsed tuulepuhangud, sinusoidne ergutus, äkilised suunamuutused, programmeeritud tuulenihe. See on ainus viis konkreetse sündmuse, näiteks hoone järelvoolu läbimise reprodutseerimiseks ja selle identseks kordamiseks kahe erineva juhtimisseaduse versiooni puhul.

Mudelmõõtkavas linnasimulatsioon. Vertiporti ja selle ümbruse mõõtkavamudelid paigutatakse ülesvoolu ning õhusõidukit testitakse nende poolt tegelikult tekitatud järelvoolus. Nii siseneb ehitatud keskkond katsesse, selle asemel et seda lähendataks turbulentsi intensiivsuse numbriga.

Olenemata sellest, millist neist kasutatakse, kujundavad kõike muud kaks konfiguratsiooniotsust: kas sõiduk on paigaldatud aerodünaamilisele kaalule — andes puhtad jõud, momendid ja korratavuse — või on see vabalt lendav suures avatud joaga sektsioonis, kus selle enda autopiloot sulgeb ahela, mis testib pigem süsteemi kui lennukikeret. Üleminek hõljumiselt edasilennule, kus sissevoolu nurk läbib kogu vahemiku ning rootori järelvoolud interakteeruvad tiibade ja struktuuriga, on kõige väärtuslikum manööver, mida reprodutseerida, ja see vajab mõlemat.

---

5. Toimiv katsemaatriks

Linnaoperatsioonide sõiduki puhul katab maatriks tavaliselt järgmist:

Mõõdetakse vähemalt: jõud ja momendid kaalul, iga rootori RPM ja vool, kästud versus saavutatud asend ja positsioon, kiirendused kasuliku koormuse või kabiini asukohas ning sissevoolu referents tuuletunneli mõõteinstrumentatsioonist.

---

6. Rajatise dimensioneerimine

Kui te spetsifitseerite tuuletunnelit, mitte ei rendi selles aega, domineerivad neli numbrit:

• Katseosa suurus versus sõiduki tiivaulatus. Blokeering rikub andmed ammu enne, kui see muutub visuaalselt ilmseks. Täismõõdus väike UAV vajab sektsiooni, mis tundub paberil heldelt üledimensioneeritud.
• Kiirusvahemik, sealhulgas alumine ots. UAM-i töö toimub vahemikus 0–30 m/s. Stabiilse ja ühtlase 3 m/s tootmine on keerulisem kui 25 m/s tootmine ning just seal kogutakse hõljumise ja madala kiirusega ülemineku andmeid.
• Voolu kvaliteet seal, kus see on oluline. Madal turbulents on baastase, mille juurde tunnel peab suutma naasta; te ei saa uurida tuulepuhangut, mida te ei suuda taustast eristada.
• Juurdepääs sektsioonile ja ohutus. Vabalennu katsetamine nõuab kaitsevõrku, hädaseiskamist (E-stop), mis on kiirem kui sõiduk, ja juurdepääsukontseptsiooni konfiguratsioonide muutmiseks mitu korda päevas.

Suletud ringlusega arhitektuurid domineerivad siin samadel põhjustel nagu mujalgi: korratavus, temperatuuri reguleerimine ja jooksvad kulud — kompromiss on toodud

Suletud vs. avatud ringlusega tuuletunnelid teadustööks

ja selle taga olev orientatsiooniotsus meie

Horisontaalsed, vertikaalsed ja kaldtuuletunnelid

.

---

7. Viis viga, mida tasub vältida

• Ainult vastutuule katsetamine. See on kõige odavam tingimus, mida käivitada, ja kõige vähem informatiivne.
• Keskmiste väärtuste esitamine. Reageering tuulepuhangule on siirdeprotsess. Keskmistatud andmed varjavad täpselt seda sündmust, mida te testisite.
• Maapinna tasapinna eiramine. Vertiporti teki läheduses muudavad retsirkulatsioon ja maapinnaefekt sissevoolu täielikult.
• Lennukikere, kuid mitte juhtimisseaduse katsetamine. Enamik linnatingimustes esinevaid tõrkeid on süsteemitõrked; kaalule paigaldatud mudel külmutatud kontrolleriga ei paljasta neid.
• Keskkonnakatsete jätmine ajaks pärast disaini külmutamist. Külgtuule võimekus ostetakse rootori suuruse ja juhtimisvaruga — otsused, mis tehakse varakult ja mille muutmine hiljem on kallis.

---

8. Katseplaanist rajatiseni

Linnaõhuliiklust sertifitseeritakse keskkonna suhtes, mis on suunaline, ebastabiilne ja asukohapõhine. Sellele standardile vastamine tähendab selle reprodutseerimist maapinnal, korratavalt, sadu kordi, ammu enne seda, kui õhusõiduk lendab lähenemisel reaalsete hoonete vahel.

Me projekteerime ja ehitame kohandatud katserajatisi just sellise tööklassi jaoks — suletud ringlusega tuuletunneleid, mis on dimensioneeritud sõiduki järgi, kus madala kiiruse stabiilsus, tuulepuhangute genereerimine ja mõõteinstrumentatsiooni integreerimine on planeeritud alates aerodünaamilisest kontseptsioonist ning millele saab programmi küpsedes lisada kliima- ja vastupidavusmooduleid. Meie lähtepunktiks on teie katsemaatriks, mitte kataloog.

Saatke meile oma tööpiirkond ja sõiduki mõõtmed ning me tuleme tagasi rajatise kontseptsiooniga: sektsiooni suurus, kiirusvahemik, ajami võimsus ja hoone jalajälg.

---

Allikad ja märkused

• EASA eritingimus väikekategooria VTOL-õhusõidukitele, SC-VTOL-01, avaldatud 2. juulil 2019, ja sellele järgnevad vastavusmeetodite (Means of Compliance) väljaanded: SC-VTOL-01, Fourth publication of MoC with SC-VTOL.
• Väikeste õhusõidukite tundlikkus laia pööriste skaalade vahemiku suhtes ja tuuletehnika vaade UAM-i operatsioonidele: Urban Air Mobility: A Wind Engineering Perspective, WSP.
• Tuulepuhangute keskkond hoonete läheduses: "Gusts Encountered by Flying Vehicles in Proximity to Buildings", Drones, 2023.
• Passiivne turbulentsi genereerimine (võred, karedus-elemendid, tornid) on klassikaline tuuletehnika praktika; klassifikatsioon aktiivselt juhitavate ventilaatorite massiivide suhtes on TunnelTech'i enda raamistik. Spetsiifiliselt aktiivse poole pealt, ventilaatorite massiiviga tuulegeneraatorite elemendipõhine juhtimine ja turbulentsi iseloomustamine: Turbulence enhancement of a fan array wind generator, arXiv.
• Siin ei ole meelega esitatud ühtegi universaalset numbrilist külgtuule piirangut eVTOL-i jaoks: deklareeritud külgtuule ja taganttuule kiirused määratakse programmipõhiselt kohaldatavate vastavusmeetodite kaudu.
• Katsemaatriksi vahemikud ja rajatise dimensioneerimise juhised on TunnelTech'i inseneripraktika, mida tuleb kinnitada konkreetse sõiduki ja asukoha suhtes.