Աերոդինամիկ թունելային փորձարկումներ քաղաքային օդային շարժունակության համար. eVTOL-ը և դրոնները կողային քամիների և պոռթկումների պայմաններում

Բաց երկնքի համար նախագծված օդանավը և քաղաքի համար նախագծված օդանավը երկու տարբեր մեքենաներ են, և տարբերությունը ոչ թե կառուցվածքի, այլ օդի մեջ է:

Տանիքի վրայով հոսքը բաժանվում և նորից միանում է: Երկու աշտարակների միջև այն արագանում է: Պատնեշի հետևում այն առաջացնում է մրրիկներ այնպիսի հաճախականությամբ, որը կախված է շենքից, այլ ոչ թե օդանավից: Բեռնատար դրոնը կամ օդային տաքսին, որը մոտենում է վերտիպորտին, իր անվտանգության համար ամենակրիտիկական րոպեներն անցկացնում է ճիշտ այնտեղ, որտեղ մթնոլորտն ամենաքիչն է նպաստավոր:

Այդ իսկ պատճառով eVTOL-ի աերոդինամիկ թունելային փորձարկումները դադարել են լինել վավերացման վերջնական փուլ և դարձել են նախագծման շարժիչ ուժ: Ստորև ներկայացված է, թե իրականում ինչ է տեղի ունենում ապարատի հետ քաղաքային քամու պայմաններում, ինչպես են այդ պայմանները վերարտադրվում փորձարկման կայանում, և ինչպես հաշվարկել այնպիսի կայանի չափերը, որը կարող է ապահովել դրանք:

---

1. Ինչու է քաղաքային օդն ավելի բարդ, քան բաց երկինքը

Գերիշխում են երեք էֆեկտներ, և դրանցից ոչ մեկն առկա չէ դասական արդյունավետության փորձարկման մաքուր, կայուն հոսքում:

Շեղում (Shear): Շենքերի մոտ քամու արագությունը բարձրության հետ արագորեն փոխվում է: Վերտիպորտից բարձրացող օդանավը կարող է մի քանի վայրկյանում անցնել արագության զգալի գրադիենտի միջով, և այդ ընթացքում յուրաքանչյուր ռոտոր բախվում է տարբեր ներհոսքի:

Բաժանում և հետքեր (Separation and wakes): Շենքի յուրաքանչյուր եզր մրրիկների գեներատոր է: Աշտարակից ներքև օդանավը թռչում է հետքի միջով, որի բնորոշ պտույտների չափերը պայմանավորված են կառույցով, իսկ փոքր օդանավերը ենթարկվում են պտույտների շատ ավելի լայն տիրույթի ազդեցությանը, քան մեծերը: Տուրբուլենտությունը լավագույնս պատկերվում է որպես բազմաթիվ մասշտաբների պտույտների վերադրում. ապարատն ամենաշատը խանգարվում է իր չափերին համեմատելի կամ ավելի մեծ պտույտներից, ինչի պատճառով 3 մետրանոց eVTOL-ը շատ ավելի զգայուն է նույն պոռթկումների դաշտի նկատմամբ, քան մարդատար ինքնաթիռը:

Ջերմային և արհեստական հոսանքներ: Արևից տաքացած ճակատները, ավտոկայանատեղիները և օդորակման համակարգերի արտանետումները ավելացնում են ուղղահայաց արագության բաղադրիչներ, որոնք փոխվում են օրվա ընթացքում և անտեսանելի են ստանդարտ եղանակային տեսության համար:

Արդյունքը խանգարող միջավայր է, որը ոչ միայն ավելի ուժեղ է, քան բաց դաշտի քամին, այլև կառուցվածքային է, իսկ կառավարման համակարգերը ձախողվում են կառուցվածքի, այլ ոչ թե միջին արժեքների դեմ:

---

2. Ինչն է իրականում խափանվում

ԱԹՍ-ների և eVTOL-ների փորձարկման ծրագրերի մեր փորձից ելնելով՝ անակնկալների մեծ մասը բաժին է ընկնում խափանման չորս ռեժիմների.

• Կառավարման ռեսուրսի սպառում: Կայուն կողային քամու պայմաններում ապարատը պահպանում է դիրքը՝ մշտապես շեղելով ռոտորի քարշը: Այդ շեղումը սպառում է պոռթկումներին դիմակայելու համար հասանելի պաշարը: Ապարատը կայուն է թվում, մինչև հայտնվում է պոռթկումը, և այլևս ոչինչ չի մնում ավելացնելու:
• Քարշի ասիմետրիան դառնում է հզորության ասիմետրիա: Առանձին ռոտորները հագենում են տարբեր ժամանակներում: Մարտկոցային-էլեկտրական պլատֆորմի վրա դա դրսևորվում է որպես հոսանքի թռիչքներ հատուկ ESC-ների վրա, և ջերմային սահմանափակումներին կարելի է հասնել շատ ավելի շուտ, քան աերոդինամիկ սահմանափակումներին:
• Դիրքի պահպանումը վատթարանում է ավելի շուտ, քան կողմնորոշման պահպանումը: Ավտոպիլոտը պահպանում է օդանավի հորիզոնական դիրքը, բայց այն շարունակում է շեղվել: Վերտիպորտի գործառնությունների համար այդ շեղումը անվտանգության տեսանկյունից կրիտիկական մեծություն է:
• Ուղևորության որակը վատթարանում է ավելի շուտ, քան կառավարումը: Ուղևորատար ապարատների համար ընդունելի սահմանները որոշվում են նրանով, թե ինչ կարող են հանդուրժել մարդիկ, այլ ոչ թե նրանով, թե ինչին կարող է դիմանալ թռիչքի կարգավորիչը:

Սրանցից ոչ մեկը տեսանելի չէ անշարժ օդում կախված վիճակի փորձարկման ժամանակ, և դրանք բոլորը վերարտադրելի են աերոդինամիկ թունելում:

---

3. Ինչ է իրականում պահանջում սերտիֆիկացումը

Փոքր կատեգորիայի VTOL օդանավերի համար եվրոպական շրջանակը EASA-ի SC-VTOL-01 Հատուկ պայմանն է, որը հրապարակվել է 2019 թ. հուլիսի 2-ին, և 2020 թ. մայիսից մշակվող Համապատասխանության միջոցների (Means of Compliance) փաստաթղթերի շարունակական շարքը:

Փորձարկող ինժեների համար կարևոր կետը շրջակա միջավայրի սահմանման լայնությունն է: SC-VTOL-ն անդրադառնում է ցանկացած ուղղությամբ քամուն՝ ներառյալ կողային քամին, քամիի գրադիենտը, պոռթկումը, քամու շեղումը և տուրբուլենտությունը՝ սառցակալման, տեղումների և ջերմաստիճանի հետ մեկտեղ, և ակնկալում է, որ դրանք կդիտարկվեն տարբեր ամպլիտուդներով, որոնք նկարագրվում են որպես թեթև, չափավոր և խիստ:

Այդ կառուցվածքն ունի երկու գործնական հետևանք.

1. Ձեր փորձարկման մատրիցան ի սկզբանե բազմառանցք է: Դիմային քամու պայմաններում արդյունավետության ցուցադրումը շատ քիչ բան է ապացուցում. պայմանների բազմությունը ուղղորդված է և ներառում է անկայուն բովանդակություն:
2. Թվերը հատուկ են յուրաքանչյուր ծրագրի համար: Հայտարարված կողային և համընթաց քամիների հնարավորությունները հաստատվում են տվյալ օդանավի համար կիրառելի Համապատասխանության միջոցներով, այլ ոչ թե վերցվում են ունիվերսալ աղյուսակից: Ցանկացած ոք, ով նշում է eVTOL-ի կողային քամու մեկ ունիվերսալ սահմանափակում, պետք է կասկածանքով ընդունվի, և դա վերաբերում է նաև մատակարարներին:

Հետևաբար, փորձարկման կայանը պետք է նախագծվի ձեր հայտարարված աշխատանքային տիրույթի շուրջ՝ գումարած պաշար այն չափավոր և խիստ դեպքերի համար, որոնք մտադիր եք ուսումնասիրել:

---

4. Ինչպես է քաղաքային քամին վերարտադրվում թունելում

Գոյություն ունեն տեխնիկայի երեք ընտանիքներ, և լուրջ ծրագրերն օգտագործում են մեկից ավելին:

Տուրբուլենտության պասիվ գեներացում: Հոսանքն ի վեր տեղադրված ցանցերը, սրածայրերը, խորդուբորդության տարրերը և արգելքները ստեղծում են թիրախային պրոֆիլով և ինտենսիվությամբ տուրբուլենտ սահմանային շերտ: Սա դասական աերոդինամիկ ճարտարագիտական մոտեցում է. էժան, կայուն և բարձր կրկնելիությամբ, սակայն տուրբուլենտության սպեկտրը հիմնականում ֆիքսված է սարքավորումների տեղադրումից հետո:

Պոռթկումների ակտիվ գեներացում: Փորձարկման հատվածից վերև տատանվող թիակները կամ անհատապես կառավարվող բջիջներով օդափոխիչների զանգվածը ստեղծում են ժամանակի ընթացքում փոփոխվող հոսք՝ դիսկրետ պոռթկումներ, սինուսոիդային գրգռում, ուղղության հանկարծակի փոփոխություններ, ծրագրավորված շեղում: Սա միակ ճանապարհն է վերարտադրելու որոշակի իրադարձություն, օրինակ՝ շենքի հետքով անցնելը, և այն նույնությամբ կրկնելու կառավարման օրենքի երկու տարբեր տարբերակների համար:

Մոդելային մասշտաբով քաղաքային սիմուլյացիա: Վերտիպորտի և դրա շրջակայքի մասշտաբային մոդելները տեղադրվում են հոսանքն ի վեր, և օդանավը փորձարկվում է դրանց ստեղծած իրական հետքի ներսում: Այսպես է կառուցված միջավայրը մտնում փորձարկման մեջ, այլ ոչ թե մոտարկվում տուրբուլենտության ինտենսիվության թվով:

Որն էլ որ օգտագործվի, կոնֆիգուրացիայի երկու որոշումներ ձևավորում են մնացած ամեն ինչ. արդյոք ապարատը տեղադրված է կշեռքի վրա ՝ ապահովելով մաքուր ուժեր, մոմենտներ և կրկնելիություն, թե ազատ թռչում է մեծ բաց շիթով հատվածում՝ իր սեփական ավտոպիլոտով փակելով կոնտուրը, ինչը փորձարկում է համակարգը, այլ ոչ թե կառուցվածքը: Կախված վիճակից դեպի առաջ թռիչքի անցումը, որտեղ ներհոսքի անկյունն ընդգրկում է ողջ տիրույթը, իսկ ռոտորի հետքերը փոխազդում են թևերի և կառուցվածքի հետ, վերարտադրման համար ամենաարժեքավոր եզակի մանևրն է, և դրա համար անհրաժեշտ են երկուսն էլ:

---

5. Գործնական փորձարկման մատրիցա

Քաղաքային գործառնությունների ապարատի համար մատրիցան սովորաբար ընդգրկում է.

Չափվում են առնվազն՝ ուժերը և մոմենտները կշեռքի վրա, յուրաքանչյուր ռոտորի RPM-ը և հոսանքը, հրահանգված և փաստացի դիրքն ու կողմնորոշումը, արագացումները օգտակար բեռի կամ խցիկի տեղակայման վայրում, և ներհոսքի տվյալները թունելի չափիչ-կարգավորիչ սարքավորումներից (ինստրումենտացիա):

---

6. Կայանի չափերի հաշվարկ

Եթե դուք նախագծում եք թունել, այլ ոչ թե ժամանակ եք վարձակալում դրանում, ապա գերիշխում են չորս ցուցանիշներ.

• Փորձարկման հատվածի չափը՝ ապարատի բացվածքի համեմատ: Արգելափակումը աղավաղում է տվյալները շատ ավելի շուտ, քան դա տեսողականորեն ակնհայտ է դառնում: Լրիվ չափի փոքր ԱԹՍ-ին անհրաժեշտ է այնպիսի հատված, որը թղթի վրա չափազանց մեծ է թվում:
• Արագության տիրույթ, ներառյալ ստորին սահմանը: UAM-ի աշխատանքն ընթանում է 0–30 մ/վ տիրույթում: Կայուն, միատեսակ 3 մ/վ ստեղծելն ավելի դժվար է, քան 25 մ/վ, և հենց այստեղ են վերցվում կախված վիճակի և ցածր արագությամբ անցման տվյալները:
• Հոսքի որակն այնտեղ, որտեղ դա կարևոր է: Ցածր տուրբուլենտությունը այն բազային մակարդակն է, որին թունելը պետք է կարողանա վերադառնալ. դուք չեք կարող ուսումնասիրել պոռթկումը, որը չեք կարող տարբերել ֆոնից:
• Հատվածի հասանելիություն և անվտանգություն: Ազատ թռիչքի փորձարկումները պահանջում են պաշտպանիչ ցանց, վթարային կանգ, որն ավելի արագ է, քան ապարատը, և հասանելիության հայեցակարգ՝ օրական բազմաթիվ անգամ կոնֆիգուրացիաները փոխելու համար:

Փակ կոնտուրով ճարտարապետություններն այստեղ գերիշխում են նույն պատճառներով, ինչ այլուր՝ կրկնելիություն, ջերմաստիճանի վերահսկում և շահագործման ծախսեր. փոխզիջումը ներկայացված է

Փակ և բաց կոնտուրով քամու թունելներ հետազոտությունների համար

-ում, իսկ դրա հիմքում ընկած կողմնորոշման որոշումը՝ մեր

Հորիզոնական, ուղղահայաց և թեքված քամու թունելներ. ինչպես ընտրել ճիշտ տեսակը

-ում:

---

7. Հինգ սխալ, որոնցից արժե խուսափել

• Միայն դիմային քամու փորձարկում: Դա ամենաէժան պայմանն է և ամենաքիչ տեղեկատվականը:
• Միջին արժեքների զեկուցում: Պոռթկման արձագանքը անցումային է: Միջինացված տվյալները թաքցնում են հենց այն իրադարձությունը, որի համար դուք փորձարկում էիք:
• Գետնի հարթության անտեսում: Վերտիպորտի հարթակի մոտ ռեցիրկուլյացիան և գետնի էֆեկտը ամբողջությամբ փոխում են ներհոսքը:
• Կառուցվածքի փորձարկում, բայց ոչ կառավարման օրենքի: Քաղաքային խափանումների մեծ մասը համակարգային խափանումներ են. կշեռքի վրա տեղադրված մոդելը սառեցված կարգավորիչով չի բացահայտի դրանք:
• Շրջակա միջավայրի փորձարկումների թողնումը նախագծի վերջնական հաստատումից հետո: Կողային քամու հնարավորությունն ապահովվում է ռոտորի չափերի և կառավարման պաշարի հաշվին. որոշումներ, որոնք կայացվում են վաղ փուլում և թանկ են արժենում ուշ փուլում փոխելու համար:

---

8. Փորձարկման պլանից մինչև կայան

Քաղաքային օդային շարժունակությունը սերտիֆիկացվում է այնպիսի միջավայրի նկատմամբ, որն ուղղորդված է, անկայուն և հատուկ տվյալ տեղանքին: Այդ ստանդարտին համապատասխանելը նշանակում է այն վերարտադրել գետնի վրա, կրկնվող կերպով, հարյուրավոր անգամներ, շատ ավելի շուտ, քան օդանավը կմոտենա իրական շենքերի միջև:

Մենք նախագծում և կառուցում ենք հատուկ փորձարկման կայաններ հենց այս դասի աշխատանքների համար՝ փակ կոնտուրով թունելներ, որոնց չափերը հարմարեցված են ապարատին, ցածր արագության կայունությամբ, պոռթկումների գեներացմամբ և ինստրումենտացիայի ինտեգրմամբ, որոնք պլանավորված են աերոդինամիկ հայեցակարգից սկսած, և կլիմայական ու դիմացկունության մոդուլներով, որոնք կարող են ավելացվել ծրագրի զարգացմանը զուգընթաց: Մեր մեկնարկային կետը ձեր փորձարկման մատրիցան է, այլ ոչ թե կատալոգը:

Ուղարկեք մեզ ձեր աշխատանքային տիրույթը և ապարատի չափերը , և մենք կներկայացնենք կայանի հայեցակարգը՝ հատվածի չափը, արագության տիրույթը, շարժիչի հզորությունը և շենքի զբաղեցրած տարածքը:

---

Աղբյուրներ և նշումներ

• EASA-ի Հատուկ պայման փոքր կատեգորիայի VTOL օդանավերի համար, SC-VTOL-01, հրապարակված 2019 թ. հուլիսի 2-ին, և դրան հաջորդող Համապատասխանության միջոցների հրապարակումները. SC-VTOL-01, Fourth publication of MoC with SC-VTOL:
• Փոքր օդանավերի զգայունությունը պտույտների մասշտաբների լայն տիրույթի նկատմամբ և UAM գործառնությունների աերոդինամիկ ճարտարագիտական տեսակետը. Urban Air Mobility: A Wind Engineering Perspective, WSP:
• Պոռթկումների միջավայրը շենքերի մոտ. "Gusts Encountered by Flying Vehicles in Proximity to Buildings", Drones, 2023:
• Տուրբուլենտության պասիվ գեներացումը (ցանցեր, խորդուբորդության տարրեր, սրածայրեր) դասական աերոդինամիկ ճարտարագիտական պրակտիկա է. ակտիվորեն կառավարվող օդափոխիչների զանգվածների դասակարգումը TunnelTech-ի սեփական ձևակերպումն է: Հատկապես ակտիվ կողմում՝ օդափոխիչների զանգվածով քամու գեներատորների բջիջ առ բջիջ կառավարումը և տուրբուլենտության բնութագրումը. Turbulence enhancement of a fan array wind generator, arXiv:
• eVTOL-ի կողային քամու ոչ մի ունիվերսալ թվային սահմանափակում այստեղ միտումնավոր չի նշվում. հայտարարված կողային և համընթաց քամիների արագությունները հաստատվում են յուրաքանչյուր ծրագրի համար՝ կիրառելի Համապատասխանության միջոցներով:
• Փորձարկման մատրիցայի տիրույթները և կայանի չափերի հաշվարկման ուղեցույցները TunnelTech-ի ինժեներական պրակտիկան են, որոնք պետք է հաստատվեն կոնկրետ ապարատի և տեղանքի համար: