Ispitivanje u zračnom tunelu za urbanu zračnu mobilnost: eVTOL i dronovi u uvjetima bočnog vjetra i udara vjetra

Zrakoplov dizajniran za otvoreno nebo i zrakoplov dizajniran za grad dva su različita stroja, a razlika nije u strukturi letjelice — već u zraku.

Iznad krova, strujanje se odvaja i ponovno spaja. Između dva tornja, ono ubrzava. Iza parapeta, stvara vrtloge na frekvenciji koja ovisi o zgradi, a ne o zrakoplovu. Teretni dron ili zračni taksi koji leti u prilazu vertiportu provodi svoje sigurnosno najkritičnije minute upravo tamo gdje je atmosfera najmanje suradljiva.

Zato je ispitivanje eVTOL-a u zračnom tunelu prestalo biti korak validacije u kasnoj fazi i postalo pokretač dizajna. U nastavku je opisano što se zapravo događa s letjelicom u urbanom vjetru, kako se ti uvjeti reproduciraju u ispitnom postrojenju i kako dimenzionirati postrojenje koje ih može proizvesti.

---

1. Zašto je urbani zrak zahtjevniji od otvorenog neba

Dominiraju tri učinka, a nijedan od njih nije prisutan u čistom, stabilnom strujanju klasičnog ispitivanja performansi.

Smicanje vjetra. Brzina vjetra brzo se mijenja s visinom u blizini zgrada. Zrakoplov koji se penje s vertiporta može proći kroz značajan gradijent brzine u nekoliko sekundi, a svaki rotor pritom doživljava drugačiji ulazni protok zraka.

Odvajanje i tragovi. Svaki rub zgrade je generator vrtloga. Nizvodno od tornja, zrakoplov leti kroz trag čije su karakteristične vrtložne struje dimenzionirane samom strukturom — a na male zrakoplove utječe puno širi raspon veličina vrtloga nego na velike. Turbulencija se najbolje može zamisliti kao superpozicija vrtloga različitih razmjera; letjelicu najviše ometaju vrtlozi usporedivi s njom ili veći od nje, zbog čega je eVTOL od 3 m daleko osjetljiviji od putničkog zrakoplova na isto polje udara vjetra.

Toplinski i umjetni stupovi zraka. Fasade zagrijane suncem, parkirališta i ispušni sustavi HVAC-a dodaju komponente vertikalne brzine koje variraju tijekom dana i nevidljive su standardnom vremenskom izvješću.

Rezultat je okruženje smetnji koje nije samo snažnije od vjetra na otvorenom, već je i strukturirano — a upravljački sustavi zakazuju pred strukturom, a ne pred prosjecima.

---

2. Što zapravo otkazuje

Prema našem iskustvu s programima ispitivanja bespilotnih letjelica (UAV) i eVTOL-a, četiri načina otkazivanja uzrok su većine iznenađenja:

• Gubitak autoriteta upravljanja. Pri stalnom bočnom vjetru, letjelica održava položaj trajnim usmjeravanjem potiska rotora. To usmjeravanje troši marginu dostupnu za odbijanje udara vjetra. Letjelica izgleda stabilno — sve dok ne stigne udar vjetra i više nema raspoložive rezerve snage.
• Asimetrija potiska postaje asimetrija snage. Pojedinačni rotori dosežu zasićenje u različito vrijeme. Na baterijsko-električnoj platformi to se očituje kao skokovi struje na specifičnim ESC-ovima, a toplinske granice mogu se dosegnuti puno prije aerodinamičkih granica.
• Održavanje pozicije slabi prije održavanja položaja. Autopilot održava zrakoplov ravnim, ali on i dalje zanosi. Za operacije na vertiportu, to zanošenje je sigurnosno kritična veličina.
• Kvaliteta vožnje narušava se prije kontrole. Za letjelice koje prevoze putnike, prihvatljiva omotnica određena je onime što ljudi mogu tolerirati, a ne onime što kontroler leta može preživjeti.

Ništa od ovoga nije vidljivo u ispitivanju lebdenja u mirnom zraku, a sve se može reproducirati u zračnom tunelu.

---

3. Što certifikacija zapravo zahtijeva

Za VTOL zrakoplove male kategorije, europski okvir je EASA-in Posebni uvjet SC-VTOL-01 , objavljen 2. srpnja 2019., uz tekući niz dokumenata o Načinima usklađivanja (Means of Compliance) koji se razvijaju od svibnja 2020.

Važna točka za inženjera za ispitivanje je širina definicije okoliša. SC-VTOL obuhvaća vjetar iz bilo kojeg smjera — uključujući bočni vjetar, gradijent vjetra, udar vjetra, smicanje vjetra i turbulenciju — uz zaleđivanje, oborine i temperaturu, te očekuje da se oni razmatraju pri različitim amplitudama, opisanim kao slabe, umjerene i jake.

Ta struktura ima dvije praktične posljedice:

1. Vaša matrica ispitivanja je po definiciji višeosna. Dokazivanje performansi pri čeonom vjetru dokazuje vrlo malo; skup uvjeta je usmjeren i uključuje nestabilan sadržaj.
2. Brojke su specifične za program. Deklarirana sposobnost za bočni i leđni vjetar utvrđuje se kroz primjenjive Načine usklađivanja za određeni zrakoplov, a ne očitava se iz univerzalne tablice. Prema svakome tko navodi jedinstveno univerzalno ograničenje za bočni vjetar eVTOL-a treba postupati sa sumnjom — a to uključuje i dobavljače.

Ispitno postrojenje stoga mora biti specificirano oko vaše deklarirane omotnice, uz marginu za umjerene i jake slučajeve koje namjeravate istražiti.

---

4. Kako se urbani vjetar reproducira u zračnom tunelu

Postoje tri obitelji tehnika, a ozbiljni programi koriste više od jedne.

Pasivno generiranje turbulencije. Rešetke, tornjevi, elementi hrapavosti i barijere postavljeni uzvodno razvijaju turbulentni granični sloj s ciljanim profilom i intenzitetom. Ovo je klasičan pristup inženjerstva vjetra: jeftin, stabilan i visoko ponovljiv, ali spektar turbulencije je u osnovi fiksan nakon što se hardver postavi.

Aktivno generiranje udara vjetra. Oscilirajuće lopatice uzvodno od ispitnog dijela, ili niz ventilatora s pojedinačno kontroliranim ćelijama, proizvode vremenski promjenjivo strujanje — diskretne udare vjetra, sinusoidnu pobudu, nagle promjene smjera, programirano smicanje. Ovo je jedini način da se reproducira specifičan događaj, poput prolaska kroz trag zgrade, i da se identično ponovi za dvije različite verzije zakona upravljanja.

Urbana simulacija u mjerilu modela. Makete vertiporta i njegove okolice postavljaju se uzvodno, a zrakoplov se ispituje unutar traga koji oni zapravo stvaraju. Na taj način izgrađeni okoliš ulazi u ispitivanje umjesto da se aproksimira brojem intenziteta turbulencije.

Bez obzira na to što se koristi, dvije odluke o konfiguraciji oblikuju sve ostalo: je li letjelica montirana na vagi — što daje čiste sile, momente i ponovljivost — ili slobodno leti u velikom dijelu s otvorenim mlazom s vlastitim autopilotom koji zatvara petlju, što ispituje sustav, a ne strukturu letjelice. Prijelaz iz lebdenja u let prema naprijed, gdje kut ulaznog strujanja prolazi kroz cijeli raspon, a tragovi rotora stupaju u interakciju s krilima i strukturom, najvrjedniji je pojedinačni manevar za reprodukciju, a za to je potrebno oboje.

---

5. Izvediva matrica ispitivanja

Za letjelicu namijenjenu urbanim operacijama, matrica obično obuhvaća:

Mjeri se, u najmanju ruku: sile i momenti na vagi, RPM i struja po rotoru, zadani u odnosu na ostvareni položaj i poziciju, ubrzanja na lokaciji nosivosti ili kabine te referenca ulaznog strujanja iz instrumentacije zračnog tunela.

---

6. Dimenzioniranje postrojenja

Ako specificirate zračni tunel umjesto da unajmljujete vrijeme u njemu, dominiraju četiri brojke:

• Veličina ispitnog dijela u odnosu na raspon letjelice. Blokada kvari podatke puno prije nego što to postane vizualno očito. Malom UAV-u u punoj veličini potrebna je sekcija koja na papiru izgleda izdašno predimenzionirana.
• Raspon brzina, uključujući donju granicu. Rad na UAM-u odvija se u pojasu od 0 do 30 m/s. Proizvesti stabilnih, ujednačenih 3 m/s teže je nego proizvesti 25 m/s, a upravo se tu uzimaju podaci o lebdenju i prijelazu pri malim brzinama.
• Kvaliteta strujanja tamo gdje je to važno. Niska turbulencija je osnovna linija na koju se zračni tunel mora moći vratiti; ne možete proučavati udar vjetra koji ne možete razlikovati od pozadine.
• Pristup sekciji i sigurnost. Ispitivanje slobodnog leta zahtijeva zaštitnu mrežu, hitno zaustavljanje (E-stop) koje je brže od letjelice i koncept pristupa za mijenjanje konfiguracija mnogo puta dnevno.

Arhitekture zatvorenog kruga ovdje dominiraju iz istih razloga iz kojih dominiraju drugdje: ponovljivost, kontrola temperature i operativni troškovi — kompromis je iznesen u

Zračni tuneli zatvorenog kruga naspram zračnih tunela otvorenog kruga za istraživanja

, a odluka o orijentaciji iza njega u našem

Horizontalni, vertikalni i kosi zračni tuneli

.

---

7. Pet pogrešaka koje vrijedi izbjeći

• Ispitivanje samo pri čeonom vjetru. To je najjeftiniji uvjet za izvođenje i najmanje informativan.
• Izvještavanje o srednjim vrijednostima. Odziv na udar vjetra je prijelazna pojava. Prosječni podaci skrivaju upravo onaj događaj koji ste ispitivali.
• Zanemarivanje ravnine tla. U blizini platforme vertiporta, recirkulacija i učinak tla u potpunosti mijenjaju ulazno strujanje.
• Ispitivanje strukture letjelice, ali ne i zakona upravljanja. Većina urbanih otkazivanja su otkazivanja sustava; model montiran na vagu sa zamrznutim kontrolerom neće ih otkriti.
• Ostavljanje ispitivanja u okolišu za razdoblje nakon zamrzavanja dizajna. Sposobnost za bočni vjetar kupuje se dimenzioniranjem rotora i marginom upravljanja — to su odluke koje se donose rano, a skupo se poništavaju kasno.

---

8. Od plana ispitivanja do postrojenja

Urbana zračna mobilnost certificira se u odnosu na okoliš koji je usmjeren, nestabilan i specifičan za lokaciju. Ispunjavanje tog standarda znači njegovo reproduciranje na tlu, ponovljivo, stotinama puta, dugo prije nego što zrakoplov izvede prilaz između stvarnih zgrada.

Dizajniramo i gradimo prilagođena ispitna postrojenja upravo za ovu vrstu posla — zračne tunele zatvorenog kruga dimenzionirane oko letjelice, sa stabilnošću pri malim brzinama, generiranjem udara vjetra i integracijom instrumentacije planiranom od aerodinamičkog koncepta nadalje, te s klimatskim modulima i modulima izdržljivosti koji se mogu dodati kako program sazrijeva. Naša početna točka je vaša matrica ispitivanja, a ne katalog.

Pošaljite nam svoju omotnicu i dimenzije letjelice i mi ćemo vam se povratno javiti s konceptom postrojenja: veličinom sekcije, rasponom brzina, pogonskom snagom i tlocrtom zgrade.

---

Izvori i napomene

• EASA-in Posebni uvjet za VTOL zrakoplove male kategorije, SC-VTOL-01, objavljen 2. srpnja 2019., i naknadne publikacije o Načinima usklađivanja: SC-VTOL-01, Četvrta publikacija MoC-a sa SC-VTOL.
• Osjetljivost malih zrakoplova na širok raspon razmjera vrtloga i pogled inženjerstva vjetra na UAM operacije: Urban Air Mobility: A Wind Engineering Perspective, WSP.
• Okruženje udara vjetra u blizini zgrada: "Gusts Encountered by Flying Vehicles in Proximity to Buildings", Drones, 2023.
• Pasivno generiranje turbulencije (rešetke, elementi hrapavosti, tornjevi) klasična je praksa inženjerstva vjetra; klasifikacija u odnosu na aktivno kontrolirane nizove ventilatora vlastiti je okvir tvrtke TunnelTech. Konkretno na aktivnoj strani, kontrola po ćeliji i karakterizacija turbulencije generatora vjetra s nizom ventilatora: Turbulence enhancement of a fan array wind generator, arXiv.
• Ovdje namjerno nije navedeno univerzalno numeričko ograničenje bočnog vjetra za eVTOL: deklarirane brzine bočnog i leđnog vjetra utvrđuju se po programu kroz primjenjive Načine usklađivanja.
• Rasponi matrice ispitivanja i smjernice za dimenzioniranje postrojenja inženjerska su praksa tvrtke TunnelTech, a moraju se potvrditi u odnosu na specifičnu letjelicu i lokaciju.