Test in galleria del vento per la Urban Air Mobility: eVTOL e droni tra venti trasversali e raffiche

Un aeromobile progettato per il cielo aperto e uno progettato per la città sono due macchine diverse, e la differenza non sta nella struttura, ma nell'aria.

Sopra un tetto, il flusso si separa e si riattacca. Tra due torri, accelera. Dietro un parapetto, rilascia vortici a una frequenza che dipende dall'edificio, non dall'aeromobile. Un drone cargo o un aerotaxi in fase di avvicinamento a un vertiporto trascorre i suoi minuti più critici per la sicurezza esattamente dove l'atmosfera è meno collaborativa.

Ecco perché i test in galleria del vento per eVTOL hanno smesso di essere una fase di validazione finale per diventare un fattore trainante della progettazione. Di seguito analizziamo cosa accade realmente a un veicolo nel vento urbano, come queste condizioni vengono riprodotte in una struttura di test e come dimensionare un impianto in grado di generarle.

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1. Perché l'aria urbana è più insidiosa del cielo aperto

Dominano tre effetti, e nessuno di essi è presente nel flusso pulito e stazionario di un classico test di prestazioni.

Wind shear. La velocità del vento cambia rapidamente con l'altezza in prossimità degli edifici. Un aeromobile in decollo da un vertiporto può attraversare un notevole gradiente di velocità in pochi secondi, e ogni rotore sperimenta un flusso in ingresso diverso mentre ciò accade.

Separazione e scie. Ogni spigolo di un edificio è un generatore di vortici. A valle di una torre, un aeromobile vola attraverso una scia i cui vortici caratteristici sono dimensionati dalla struttura stessa; inoltre, i piccoli aeromobili risentono di una gamma di dimensioni dei vortici molto più ampia rispetto a quelli di grandi dimensioni. La turbolenza è meglio descritta come una sovrapposizione di vortici di diverse scale; un veicolo è maggiormente disturbato da vortici di dimensioni paragonabili o superiori alle proprie. Per questo motivo, un eVTOL di 3 metri è molto più sensibile di un aereo di linea allo stesso campo di raffiche.

Pennacchi termici e di origine antropica. Le facciate riscaldate dal sole, i parcheggi multipiano e gli scarichi dei sistemi HVAC aggiungono componenti di velocità verticale che variano durante il giorno e risultano invisibili a un bollettino meteorologico standard.

Il risultato è un ambiente di disturbo che non è solo più intenso del vento in campo aperto, ma strutturato; e i sistemi di controllo falliscono contro la struttura, non contro le medie.

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2. Cosa cede realmente

Nella nostra esperienza con i programmi di test per UAV ed eVTOL, quattro modalità di guasto sono responsabili della maggior parte degli imprevisti:

• Esaurimento dell'autorità di controllo. In presenza di un vento trasversale costante, il veicolo mantiene l'assetto sbilanciando permanentemente la spinta dei rotori. Questa compensazione erode il margine disponibile per la reiezione delle raffiche. Il veicolo appare stabile, finché non arriva una raffica e non c'è più margine di manovra.
• L'asimmetria di spinta diventa asimmetria di potenza. I singoli rotori si saturano in momenti diversi. Su una piattaforma elettrica a batteria, ciò si manifesta come picchi di corrente su specifici ESC, e i limiti termici possono essere raggiunti molto prima di quelli aerodinamici.
• Il mantenimento della posizione si degrada prima di quello dell'assetto. L'autopilota mantiene l'aeromobile in volo livellato, ma questo va comunque in deriva. Per le operazioni nei vertiporti, questa deriva rappresenta la grandezza critica per la sicurezza.
• La qualità del volo crolla prima del controllo. Per i veicoli adibiti al trasporto passeggeri, l'inviluppo accettabile è determinato da ciò che le persone possono tollerare, non da ciò a cui il controller di volo può sopravvivere.

Nessuno di questi fenomeni è visibile in un test di hovering in aria calma, e tutti sono riproducibili in una galleria del vento.

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3. Cosa richiede effettivamente la certificazione

Per gli aeromobili VTOL di piccola categoria, il quadro normativo europeo è la Special Condition SC-VTOL-01 dell'EASA, pubblicata il 2 luglio 2019, accompagnata da una serie continua di documenti sui Mezzi di Rispondenza (Means of Compliance) sviluppati a partire da maggio 2020.

Il punto fondamentale per un ingegnere collaudatore è l'ampiezza della definizione ambientale. La SC-VTOL prende in considerazione il vento proveniente da qualsiasi direzione — inclusi vento trasversale, gradiente di vento, raffiche, wind shear e turbolenza — insieme a formazione di ghiaccio, precipitazioni e temperatura, e prevede che questi fattori vengano valutati a diverse ampiezze, descritte come lievi, moderate e severe.

Questa struttura ha due conseguenze pratiche:

1. La matrice di test è multi-asse per definizione. Dimostrare le prestazioni con vento contrario prova ben poco; l'insieme delle condizioni è direzionale e include componenti non stazionarie.
2. I valori sono specifici per ogni programma. La capacità dichiarata in presenza di vento trasversale e vento in coda viene stabilita attraverso i Mezzi di Rispondenza applicabili per un determinato aeromobile, non letta da una tabella universale. Chiunque citi un singolo limite universale per il vento trasversale degli eVTOL dovrebbe essere guardato con sospetto, fornitori inclusi.

Una struttura di test deve quindi essere specificata attorno al vostro inviluppo dichiarato, con un margine aggiuntivo per i casi moderati e severi che intendete esplorare.

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4. Come viene riprodotto il vento urbano in una galleria del vento

Esistono tre famiglie di tecniche, e i programmi più seri ne utilizzano più di una.

Generazione passiva della turbolenza. Griglie, guglie, elementi di rugosità e barriere posizionati a monte sviluppano uno strato limite turbolento con un profilo e un'intensità target. Questo è il classico approccio dell'ingegneria del vento: economico, stabile e altamente ripetibile, ma lo spettro della turbolenza è essenzialmente fisso una volta configurato l'hardware.

Generazione attiva di raffiche. Alette oscillanti a monte della sezione di prova, o una matrice di ventilatori con celle controllate singolarmente, producono un flusso variabile nel tempo: raffiche discrete, eccitazione sinusoidale, improvvisi cambi di direzione, wind shear programmato. Questo è l'unico modo per riprodurre un evento specifico, come l'attraversamento della scia di un edificio, e per ripeterlo in modo identico per due diverse versioni della legge di controllo.

Simulazione urbana in scala. Modelli in scala del vertiporto e dell'ambiente circostante vengono posizionati a monte, e l'aeromobile viene testato all'interno della scia che questi creano realmente. È così che l'ambiente costruito entra a far parte del test, anziché essere approssimato da un numero di intensità di turbolenza.

Qualunque sia il metodo utilizzato, due decisioni di configurazione determinano tutto il resto: se il veicolo è montato su una bilancia — fornendo forze, momenti e ripetibilità puliti — oppure in volo libero in un'ampia sezione a getto libero con il proprio autopilota che chiude il loop, il che testa il sistema piuttosto che la struttura. La transizione dal volo stazionario al volo traslato, in cui l'angolo del flusso in ingresso spazia su tutto l'intervallo e le scie dei rotori interagiscono con le ali e la struttura, è la singola manovra più preziosa da riprodurre, e richiede entrambe le configurazioni.

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5. Una matrice di test realizzabile

Per un veicolo destinato a operazioni urbane, la matrice solitamente copre:

Misurazioni minime: forze e momenti sulla bilancia, RPM e corrente per singolo rotore, assetto e posizione comandati rispetto a quelli ottenuti, accelerazioni in corrispondenza del carico utile o della cabina, e riferimento del flusso in ingresso dalla strumentazione della galleria del vento.

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6. Dimensionamento dell'impianto

Se state specificando una galleria del vento anziché noleggiarne il tempo di utilizzo, quattro parametri sono fondamentali:

• Dimensioni della sezione di prova rispetto all'apertura del veicolo. L'effetto di bloccaggio altera i dati molto prima che diventi visivamente evidente. Un piccolo UAV in scala reale necessita di una sezione che sulla carta appare generosamente sovradimensionata.
• Intervallo di velocità, limite inferiore incluso. Le operazioni UAM si collocano nella fascia 0–30 m/s. Produrre un flusso stabile e uniforme a 3 m/s è più difficile che a 25 m/s, ed è qui che vengono acquisiti i dati sull'hovering e sulla transizione a bassa velocità.
• Qualità del flusso dove conta. Una bassa turbolenza è la linea di base a cui la galleria del vento deve poter tornare; non è possibile studiare una raffica che non si riesce a distinguere dal rumore di fondo.
• Accesso alla sezione e sicurezza. I test in volo libero richiedono reti di protezione, un arresto di emergenza più rapido del veicolo stesso e un concetto di accesso che consenta di cambiare configurazione molte volte al giorno.

Le architetture a circuito chiuso dominano in questo ambito per le stesse ragioni per cui dominano altrove: ripetibilità, controllo della temperatura e costi di esercizio. Il compromesso è illustrato in

Gallerie del vento a circuito chiuso vs circuito aperto per la ricerca

, mentre la scelta dell'orientamento è affrontata in

Gallerie del vento orizzontali, verticali e inclinate

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7. Cinque errori da evitare

• Testare solo con vento contrario. È la condizione più economica da eseguire e la meno informativa.
• Riportare valori medi. La risposta alle raffiche è un transitorio. I dati mediati nascondono esattamente l'evento che si stava testando.
• Ignorare il piano del suolo. Vicino alla piattaforma di un vertiporto, il ricircolo e l'effetto suolo modificano completamente il flusso in ingresso.
• Testare la struttura ma non la legge di controllo. La maggior parte dei guasti in ambito urbano sono guasti di sistema; un modello montato su bilancia con un controller bloccato non li rivelerà.
• Rimandare i test ambientali a dopo il congelamento del progetto. La capacità di resistere al vento trasversale si ottiene con il dimensionamento dei rotori e il margine di controllo: decisioni prese nelle fasi iniziali che risulta costoso invertire in un secondo momento.

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8. Dal piano di test all'impianto

La Urban Air Mobility viene certificata in base a un ambiente direzionale, non stazionario e specifico per il sito. Soddisfare questo standard significa riprodurlo a terra, in modo ripetibile, centinaia di volte, molto prima che un aeromobile effettui un avvicinamento tra edifici reali.

Progettiamo e costruiamo strutture di test su misura esattamente per questa tipologia di lavoro: gallerie del vento a circuito chiuso dimensionate attorno al veicolo, con stabilità a bassa velocità, generazione di raffiche e integrazione della strumentazione pianificate fin dal concept aerodinamico, e con moduli climatici e di durabilità che possono essere aggiunti man mano che il programma matura. Il nostro punto di partenza è la vostra matrice di test, non un catalogo.

Inviateci il vostro inviluppo e le dimensioni del veicolo e vi proporremo un concept per l'impianto: dimensioni della sezione, intervallo di velocità, potenza di azionamento e ingombro dell'edificio.

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Fonti e note

• Special Condition EASA per aeromobili VTOL di piccola categoria, SC-VTOL-01, pubblicata il 2 luglio 2019, e le successive pubblicazioni sui Mezzi di Rispondenza (Means of Compliance): SC-VTOL-01, Fourth publication of MoC with SC-VTOL.
• Sensibilità dei piccoli aeromobili a un'ampia gamma di scale di vortici e la visione dell'ingegneria del vento sulle operazioni UAM: Urban Air Mobility: A Wind Engineering Perspective, WSP.
• Ambiente delle raffiche in prossimità degli edifici: "Gusts Encountered by Flying Vehicles in Proximity to Buildings", Drones, 2023.
• La generazione passiva della turbolenza (griglie, elementi di rugosità, guglie) è una pratica classica dell'ingegneria del vento; la classificazione rispetto alle matrici di ventilatori a controllo attivo è un'impostazione propria di TunnelTech. Nello specifico per quanto riguarda la parte attiva, il controllo per singola cella e la caratterizzazione della turbolenza dei generatori di vento a matrice di ventilatori: Turbulence enhancement of a fan array wind generator, arXiv.
• Nessun limite numerico universale per il vento trasversale degli eVTOL è citato qui deliberatamente: le velocità dichiarate per il vento trasversale e il vento in coda vengono stabilite per ogni singolo programma attraverso i Mezzi di Rispondenza applicabili.
• Gli intervalli della matrice di test e le linee guida per il dimensionamento dell'impianto rappresentano la pratica ingegneristica di TunnelTech, da confermare in base al veicolo e al sito specifici.