ქარის გვირაბის ტესტირება ურბანული საჰაერო მობილობისთვის: eVTOL და დრონები გვერდითი ქარისა და შкваლის პირობებში

ღია ცისთვის შექმნილი საფრენი აპარატი და ქალაქისთვის შექმნილი საფრენი აპარატი ორი სრულიად განსხვავებული მანქანაა, და განსხვავება კორპუსში კი არა — ჰაერშია.

სახურავის ზემოთ ჰაერის ნაკადი იყოფა და კვლავ ერთდება. ორ კოშკს შორის ის ჩქარდება. პარაპეტის უკან ის წარმოქმნის მორევებს ისეთი სიხშირით, რომელიც დამოკიდებულია შენობაზე და არა საფრენ აპარატზე. სატვირთო დრონი ან საჰაერო ტაქსი, რომელიც ვერტიპორტს უახლოვდება, თავის ყველაზე კრიტიკულ და სახიფათო წუთებს ატარებს ზუსტად იქ, სადაც ატმოსფერო ყველაზე ნაკლებად პროგნოზირებადია.

სწორედ ამიტომ, eVTOL-ის ქარის გვირაბში ტესტირება აღარ არის მხოლოდ ბოლო ეტაპის ვალიდაციის ნაბიჯი და დიზაინის განმსაზღვრელ ფაქტორად იქცა. ქვემოთ მოცემულია, თუ რა ემართება რეალურად აპარატს ურბანული ქარის პირობებში, როგორ ხდება ამ პირობების რეპროდუცირება სატესტო დაწესებულებაში და როგორ უნდა განისაზღვროს იმ დაწესებულების ზომები, რომელსაც მათი შექმნა შეუძლია.

---

1. რატომ არის ურბანული ჰაერი უფრო რთული, ვიდრე ღია ცა

დომინირებს სამი ეფექტი და არცერთი მათგანი არ გვხვდება კლასიკური წარმადობის ტესტის სუფთა, სტაბილურ ნაკადში.

ძვრა (Shear). შენობებთან ახლოს ქარის სიჩქარე სიმაღლესთან ერთად სწრაფად იცვლება. ვერტიპორტიდან აფრენილმა საფრენმა აპარატმა შეიძლება რამდენიმე წამში გაიაროს მნიშვნელოვანი სიჩქარის გრადიენტი, და ამ დროს თითოეულ როტორზე ჰაერის ნაკადი სხვადასხვანაირად მოქმედებს.

ნაკადის გაყოფა და კვალი (Separation and wakes). შენობის ყოველი კიდე მორევის გენერატორია. კოშკის მიღმა, საფრენი აპარატი მიფრინავს აეროდინამიკურ კვალში, რომლის დამახასიათებელი მორევების ზომას თავად სტრუქტურა განსაზღვრავს — და მცირე ზომის საფრენ აპარატებზე გაცილებით ფართო სპექტრის მორევები მოქმედებს, ვიდრე დიდებზე. ტურბულენტობა საუკეთესოდ შეიძლება წარმოვიდგინოთ, როგორც მრავალი მასშტაბის მორევების სუპერპოზიცია; აპარატს ყველაზე მეტად აფერხებს მისივე ზომის ან მასზე დიდი მორევები, რის გამოც 3 მ ზომის eVTOL ბევრად უფრო მგრძნობიარეა ერთი და იმავე შკვალის ველის მიმართ, ვიდრე სამგზავრო თვითმფრინავი.

თერმული და ხელოვნური ნაკადები. მზისგან გამთბარი ფასადები, პარკინგის სახურავები და HVAC სისტემების გამონაბოლქვი ამატებს ვერტიკალური სიჩქარის კომპონენტებს, რომლებიც დღის განმავლობაში იცვლება და სტანდარტული ამინდის პროგნოზისთვის უხილავია.

შედეგად ვიღებთ შემაფერხებელ გარემოს, რომელიც არა მხოლოდ უფრო ძლიერია, ვიდრე ღია სივრცის ქარი, არამედ სტრუქტურირებულიცაა — და მართვის სისტემები მარცხს განიცდიან სტრუქტურის და არა საშუალო მაჩვენებლების წინაშე.

---

2. რა ფუჭდება რეალურად

UAV და eVTOL ტესტირების პროგრამებთან ჩვენი გამოცდილებით, მოულოდნელობების უმეტესობა ოთხი ტიპის გაუმართაობაზე მოდის:

• მართვის რესურსის ამოწურვა. სტაბილური გვერდითი ქარის დროს აპარატი ინარჩუნებს პოზიციას როტორის წევის მუდმივი გადანაწილებით. ეს გადანაწილება ამცირებს შკვალის კომპენსირებისთვის ხელმისაწვდომ მარაგს. აპარატი სტაბილურად გამოიყურება — სანამ შკვალი არ დაარტყამს და რეაგირებისთვის რესურსი აღარ რჩება.
• წევის ასიმეტრია ხდება სიმძლავრის ასიმეტრია. ცალკეული როტორები სხვადასხვა დროს აღწევენ ზღვარს. ელექტრო-აკუმულატორულ პლატფორმაზე ეს ვლინდება დენის მკვეთრი ნახტომებით კონკრეტულ ESC-ებზე და თერმული ლიმიტები შეიძლება აეროდინამიკურ ლიმიტებზე ბევრად ადრე იქნას მიღწეული.
• პოზიციის შენარჩუნება უარესდება ორიენტაციის შენარჩუნებამდე. ავტოპილოტი ინარჩუნებს საფრენი აპარატის ჰორიზონტალურ მდგომარეობას, მაგრამ მაინც ხდება დრიფტი. ვერტიპორტის ოპერაციებისთვის ეს დრიფტი უსაფრთხოებისთვის კრიტიკული სიდიდეა.
• მგზავრობის ხარისხი ეცემა მართვის დაკარგვამდე. სამგზავრო აპარატებისთვის მისაღები საზღვრები დგინდება იმით, თუ რისი ატანა შეუძლიათ ადამიანებს და არა იმით, თუ რას გაუძლებს ფრენის კონტროლერი.

არცერთი მათგანი არ ჩანს უქარო გარემოში ჰოვერის ტესტის დროს, და ყველა მათგანის რეპროდუცირება შესაძლებელია ქარის გვირაბში.

---

3. რას მოითხოვს რეალურად სერტიფიცირება

მცირე კატეგორიის VTOL საფრენი აპარატებისთვის ევროპული ჩარჩო არის EASA-ს სპეციალური პირობა SC-VTOL-01 , რომელიც გამოქვეყნდა 2019 წლის 2 ივლისს, შესაბამისობის უზრუნველყოფის საშუალებების (Means of Compliance) დოკუმენტების მიმდინარე სერიით, რომელიც 2020 წლის მაისიდან მუშავდება.

ტესტირების ინჟინრისთვის მნიშვნელოვანი მომენტია გარემოს განმარტების სისრულე. SC-VTOL მოიცავს ქარს ნებისმიერი მიმართულებიდან — მათ შორის გვერდით ქარს, ქარის გრადიენტს, შკვალს, ქარის ძვრასა და ტურბულენტობას — გამყინვარებასთან, ნალექებთან და ტემპერატურასთან ერთად, და მოითხოვს მათ განხილვას სხვადასხვა ამპლიტუდით, რომლებიც აღწერილია როგორც მსუბუქი, ზომიერი და მძიმე.

ამ სტრუქტურას ორი პრაქტიკული შედეგი აქვს:

1. თქვენი სატესტო მატრიცა განმარტებით მრავალღერძიანია. შემხვედრ ქარში წარმადობის დემონსტრირება ძალიან ცოტა რამეს ამტკიცებს; პირობების ნაკრები მიმართულებითია და მოიცავს არასტაბილურ კომპონენტებს.
2. მაჩვენებლები სპეციფიკურია პროგრამისთვის. დეკლარირებული გვერდითი და ზურგის ქარის შესაძლებლობები დგინდება მოცემული საფრენი აპარატისთვის შესაბამისობის უზრუნველყოფის საშუალებების მეშვეობით და არა უნივერსალური ცხრილიდან ამოკითხვით. ნებისმიერ პირს, რომელიც ასახელებს ერთ უნივერსალურ ლიმიტს eVTOL-ის გვერდითი ქარისთვის, ეჭვით უნდა მოვეკიდოთ — და ეს ეხება მომწოდებლებსაც.

შესაბამისად, სატესტო დაწესებულების სპეციფიკაცია უნდა განისაზღვროს თქვენი დეკლარირებული სამუშაო დიაპაზონის გარშემო, პლუს მარაგი იმ ზომიერი და მძიმე შემთხვევებისთვის, რომელთა შესწავლასაც აპირებთ.

---

4. როგორ ხდება ურბანული ქარის რეპროდუცირება გვირაბში

არსებობს ტექნიკის სამი ოჯახი და სერიოზული პროგრამები ერთზე მეტს იყენებენ.

ტურბულენტობის პასიური გენერაცია. ნაკადის ზემოთ განთავსებული ბადეები, შპილები, ხორკლიანი ელემენტები და ბარიერები ქმნიან ტურბულენტურ საზღვრულ შრეს მიზნობრივი პროფილითა და ინტენსივობით. ეს არის კლასიკური ქარის ინჟინერიის მიდგომა: იაფი, სტაბილური და მაღალი განმეორებადობის მქონე, მაგრამ ტურბულენტობის სპექტრი ძირითადად ფიქსირებულია აპარატურის დაყენების შემდეგ.

შკვალის აქტიური გენერაცია. სატესტო მონაკვეთის ზემოთ განთავსებული მერხევი ფრთები, ან ინდივიდუალურად კონტროლირებადი უჯრედების მქონე ვენტილატორების მასივი, ქმნის დროში ცვალებად ნაკადს — დისკრეტულ შკვალებს, სინუსოიდურ აგზნებას, მიმართულების უეცარ ცვლილებებს, პროგრამირებულ ძვრას. ეს არის ერთადერთი გზა კონკრეტული მოვლენის რეპროდუცირებისთვის, როგორიცაა შენობის აეროდინამიკურ კვალში გავლა, და მისი იდენტურად გამეორებისთვის მართვის კანონის ორი სხვადასხვა ვერსიისთვის.

ურბანული სიმულაცია მოდელის მასშტაბში. ვერტიპორტისა და მისი შემოგარენის მასშტაბური მოდელები თავსდება ნაკადის ზემოთ, და საფრენი აპარატი იტესტება იმ კვალის შიგნით, რომელსაც ისინი რეალურად ქმნიან. სწორედ ასე ერთვება განაშენიანებული გარემო ტესტირებაში, ნაცვლად იმისა, რომ მიახლოებით შეფასდეს ტურბულენტობის ინტენსივობის რიცხვით.

რომელი მათგანიც არ უნდა იქნას გამოყენებული, კონფიგურაციის ორი გადაწყვეტილება განსაზღვრავს ყველაფერ დანარჩენს: აპარატი დამონტაჟებულია სასწორზე — რაც იძლევა სუფთა ძალებს, მომენტებსა და განმეორებადობას — თუ თავისუფლად დაფრინავს დიდ ღია ჭავლის მონაკვეთში საკუთარი ავტოპილოტით, რომელიც კრავს კონტურს, რაც ტესტავს სისტემას და არა კორპუსს. ჰოვერიდან წინსვლით ფრენაზე გადასვლა, სადაც შემომავალი ნაკადის კუთხე მოიცავს მთელ დიაპაზონს და როტორის კვალი ურთიერთქმედებს ფრთებთან და სტრუქტურასთან, არის ყველაზე ღირებული მანევრი რეპროდუცირებისთვის და მას ორივე სჭირდება.

---

5. ქმედითი სატესტო მატრიცა

ურბანული ოპერაციების აპარატისთვის, მატრიცა ჩვეულებრივ მოიცავს:

იზომება, მინიმუმ: ძალები და მომენტები სასწორზე, თითოეული როტორის RPM და დენი, ბრძანებული და მიღწეული ორიენტაცია და პოზიცია, აჩქარებები სასარგებლო ტვირთის ან კაბინის ადგილას, და შემომავალი ნაკადის რეფერენსი გვირაბის ინსტრუმენტაციიდან.

---

6. დაწესებულების ზომების განსაზღვრა

თუ თქვენ განსაზღვრავთ გვირაბის სპეციფიკაციას და არა უბრალოდ ქირაობთ მასში დროს, დომინირებს ოთხი მაჩვენებელი:

• სატესტო მონაკვეთის ზომა აპარატის გაშლილობასთან მიმართებაში. ბლოკირება ამახინჯებს მონაცემებს ბევრად ადრე, ვიდრე ეს ვიზუალურად შესამჩნევი გახდება. სრული მასშტაბის მცირე UAV-ს სჭირდება მონაკვეთი, რომელიც ქაღალდზე საკმაოდ გადაჭარბებული ზომის ჩანს.
• სიჩქარის დიაპაზონი, ქვედა ზღვრის ჩათვლით. UAM სამუშაოები მიმდინარეობს 0–30 მ/წმ დიაპაზონში. სტაბილური, ერთგვაროვანი 3 მ/წმ-ის მიღება უფრო რთულია, ვიდრე 25 მ/წმ-ის, და სწორედ აქ იღებენ ჰოვერისა და დაბალსიჩქარიანი გადასვლის მონაცემებს.
• ნაკადის ხარისხი იქ, სადაც ეს მნიშვნელოვანია. დაბალი ტურბულენტობა არის საბაზისო ხაზი, რომელსაც გვირაბი უნდა დაუბრუნდეს; თქვენ ვერ შეისწავლით შკვალს, რომელსაც ფონისგან ვერ განასხვავებთ.
• მონაკვეთზე წვდომა და უსაფრთხოება. თავისუფალი ფრენის ტესტირება მოითხოვს დამცავ ბადეს, ავარიულ გაჩერებას (E-stop), რომელიც უფრო სწრაფია ვიდრე აპარატი, და წვდომის კონცეფციას კონფიგურაციების დღეში მრავალჯერ შესაცვლელად.

დახურული კონტურის არქიტექტურები აქ დომინირებს იმავე მიზეზების გამო, რის გამოც ისინი დომინირებენ სხვაგან: განმეორებადობა, ტემპერატურის კონტროლი და საექსპლუატაციო ხარჯები — კომპრომისი მოცემულია

დახურული და ღია კონტურის ქარის გვირაბები კვლევებისთვის

-ში, ხოლო მის უკან მდგარი ორიენტაციის გადაწყვეტილება ჩვენს

ჰორიზონტალური, ვერტიკალური და დახრილი ქარის გვირაბები

-ში.

---

7. ხუთი შეცდომა, რომელთა თავიდან აცილებაც ღირს

• მხოლოდ შემხვედრი ქარის ტესტირება. ეს არის ყველაზე იაფი პირობა შესასრულებლად და ყველაზე ნაკლებად ინფორმაციული.
• საშუალო მნიშვნელობების მოხსენება. შკვალზე რეაგირება გარდამავალი პროცესია. გასაშუალოებული მონაცემები მალავს ზუსტად იმ მოვლენას, რომლისთვისაც ტესტირებას ატარებდით.
• მიწის სიბრტყის იგნორირება. ვერტიპორტის ბაქანთან ახლოს, რეცირკულაცია და ეკრანის ეფექტი მთლიანად ცვლის შემომავალ ნაკადს.
• კორპუსის ტესტირება მართვის კანონის გარეშე. ურბანული გაუმართაობების უმეტესობა სისტემური გაუმართაობებია; სასწორზე დამონტაჟებული მოდელი გაყინული კონტროლერით მათ ვერ გამოავლენს.
• გარემოს ტესტირების გადადება დიზაინის დამტკიცების შემდგომ პერიოდამდე. გვერდითი ქარის შესაძლებლობები მიიღწევა როტორის ზომისა და მართვის მარაგის ხარჯზე — გადაწყვეტილებები, რომლებიც მიიღება ადრე და რომელთა შეცვლაც მოგვიანებით ძვირი ჯდება.

---

8. სატესტო გეგმიდან დაწესებულებამდე

ურბანული საჰაერო მობილობის სერტიფიცირება ხდება ისეთი გარემოს მიმართ, რომელიც არის მიმართულებითი, არასტაბილური და ლოკაციაზე დამოკიდებული. ამ სტანდარტის დაკმაყოფილება ნიშნავს მის რეპროდუცირებას მიწაზე, განმეორებადობით, ასობით ჯერ, ბევრად ადრე, სანამ საფრენი აპარატი რეალურ შენობებს შორის მიახლოების მანევრს შეასრულებს.

ჩვენ ვაპროექტებთ და ვაშენებთ სპეციალურ სატესტო დაწესებულებებს ზუსტად ამ კლასის სამუშაოებისთვის — დახურული კონტურის გვირაბებს, რომელთა ზომები მორგებულია აპარატზე, დაბალი სიჩქარის სტაბილურობით, შკვალის გენერაციითა და ინსტრუმენტაციის ინტეგრაციით, რაც დაგეგმილია აეროდინამიკური კონცეფციიდან დაწყებული, და კლიმატისა და გამძლეობის მოდულებით, რომელთა დამატებაც შესაძლებელია პროგრამის განვითარებასთან ერთად. ჩვენი საწყისი წერტილი არის თქვენი სატესტო მატრიცა და არა კატალოგი.

გამოგვიგზავნეთ თქვენი სამუშაო დიაპაზონი და აპარატის ზომები და ჩვენ დაგიბრუნდებით დაწესებულების კონცეფციით: მონაკვეთის ზომა, სიჩქარის დიაპაზონი, ამძრავის სიმძლავრე და შენობის ფართობი.

---

წყაროები და შენიშვნები

• EASA-ს სპეციალური პირობა მცირე კატეგორიის VTOL საფრენი აპარატებისთვის, SC-VTOL-01, გამოქვეყნებული 2019 წლის 2 ივლისს, და შემდგომი შესაბამისობის უზრუნველყოფის საშუალებების (Means of Compliance) პუბლიკაციები: SC-VTOL-01, Fourth publication of MoC with SC-VTOL.
• მცირე ზომის საფრენი აპარატების მგრძნობელობა მორევების მასშტაბების ფართო სპექტრის მიმართ და UAM ოპერაციების ქარის ინჟინერიის ხედვა: Urban Air Mobility: A Wind Engineering Perspective, WSP.
• შკვალის გარემო შენობებთან ახლოს: "Gusts Encountered by Flying Vehicles in Proximity to Buildings", Drones, 2023.
• ტურბულენტობის პასიური გენერაცია (ბადეები, ხორკლიანი ელემენტები, შპილები) ქარის ინჟინერიის კლასიკური პრაქტიკაა; კლასიფიკაცია აქტიურად კონტროლირებადი ვენტილატორების მასივების საპირისპიროდ არის TunnelTech-ის საკუთარი ფორმულირება. კონკრეტულად აქტიურ მხარეს, ვენტილატორების მასივის ქარის გენერატორების თითოეული უჯრედის კონტროლი და ტურბულენტობის მახასიათებლები: Turbulence enhancement of a fan array wind generator, arXiv.
• eVTOL-ისთვის გვერდითი ქარის უნივერსალური რიცხვითი ლიმიტი აქ განზრახ არ არის მოყვანილი: დეკლარირებული გვერდითი და ზურგის ქარის სიჩქარეები დგინდება თითოეული პროგრამისთვის შესაბამისობის უზრუნველყოფის საშუალებების მეშვეობით.
• სატესტო მატრიცის დიაპაზონები და დაწესებულების ზომების განსაზღვრის სახელმძღვანელო მითითებები წარმოადგენს TunnelTech-ის საინჟინრო პრაქტიკას, რომელიც უნდა დადასტურდეს კონკრეტული აპარატისა და ლოკაციის მიმართ.