Хотын агаарын тээвэрт зориулсан салхин хонгилын туршилт: Хажуугийн салхи болон хүчтэй үечилсэн салхинд eVTOL болон дроныг турших нь

Нээлттэй тэнгэрт зориулагдсан агаарын хөлөг болон хот суурин газарт зориулагдсан агаарын хөлөг нь хоёр өөр төхөөрөмж бөгөөд тэдгээрийн ялгаа нь их биедээ бус, харин агаарт байдаг.

Дээврийн дээгүүр агаарын урсгал салж, дахин нийлдэг. Хоёр цамхгийн дунд хурдсана. Хашлагын ард агаарын хөлгөөс бус, харин барилгаас хамааралтай давтамжтайгаар хуйларсан урсгал үүсгэдэг. Ачааны дрон эсвэл агаарын такси вертипорт руу ойртох үедээ аюулгүй байдлын хувьд хамгийн эгзэгтэй минутуудыг агаар мандлын хамгийн тогтворгүй орчинд өнгөрүүлдэг.

Тийм ч учраас eVTOL-ийн салхин хонгилын туршилт нь зөвхөн эцсийн шатны баталгаажуулалт байхаа больж, дизайныг тодорхойлогч гол хүчин зүйл болсон. Хотын салхинд агаарын хөлөгт бодитоор юу тохиолддог, эдгээр нөхцөлийг туршилтын байгууламжид хэрхэн бүрдүүлдэг, мөн үүнийг гүйцэтгэх байгууламжийн хэмжээг хэрхэн тооцоолох талаар доор өгүүлэв.

---

1. Хотын агаар яагаад нээлттэй тэнгэрээс илүү хүндрэлтэй байдаг вэ?

Гурван үндсэн нөлөөлөл давамгайлдаг бөгөөд тэдгээрийн аль нь ч сонгодог гүйцэтгэлийн туршилтын цэвэр, тогтвортой урсгалд байдаггүй.

Шилжилт (Shear). Барилгын ойролцоо өндрөөс хамаарч салхины хурд огцом өөрчлөгддөг. Вертипортоос хөөрч буй агаарын хөлөг хэдхэн секундийн дотор хурдны огцом градиентийг дайран өнгөрөх бөгөөд энэ үед ротор тус бүрд өөр өөр оролтын урсгал ирдэг.

Урсгал салалт ба мөр (Separation and wakes). Барилгын ирмэг бүр хуйларсан урсгал үүсгэгч болдог. Цамхгийн ард агаарын хөлөг тухайн барилгын бүтцээс хамаарсан хэмжээтэй хуйларсан урсгал (мөр) дундуур нисдэг бөгөөд жижиг агаарын хөлөг нь том хөлгүүдтэй харьцуулахад илүү өргөн хүрээний хуйларлын хэмжээнд өртдөг. Турбулент байдлыг олон янзын хэмжээтэй хуйларлын давхцал гэж төсөөлөх нь зүйтэй; агаарын хөлөг нь өөртэйгөө ижил эсвэл өөрөөсөө том хэмжээтэй хуйларалд хамгийн их өртдөг тул 3 м урттай eVTOL нь ижил хүчтэй үечилсэн салхинд том оврын нисэх онгоцноос хамаагүй илүү мэдрэмтгий байдаг.

Дулааны болон хүний үйл ажиллагаанаас үүдэлтэй урсгалууд. Наранд халсан барилгын гадна тал, зогсоолын талбай болон HVAC-ийн яндангууд нь өдрийн турш өөрчлөгддөг босоо хурдны бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг нэмдэг бөгөөд эдгээр нь цаг агаарын стандарт мэдээнд харагддаггүй.

Үр дүн нь зөвхөн задгай талбайн салхинаас илүү хүчтэй төдийгүй бүтэцжсэн саадтай орчин бөгөөд удирдлагын системүүд нь дундаж утгын эсрэг бус, харин энэхүү бүтцийн эсрэг ажиллахдаа доголддог.

---

2. Бодит байдал дээр юу эвдэрдэг вэ?

UAV болон eVTOL-ийн туршилтын хөтөлбөрүүд дээр ажилласан бидний туршлагаас харахад дараах дөрвөн төрлийн доголдол нь ихэнх гэнэтийн асуудлуудын шалтгаан болдог:

• Удирдлагын нөөц дуусах. Тогтмол хажуугийн салхинд агаарын хөлөг нь роторын түлхэлтийг байнга өөрчлөх замаар байрлалаа хадгалдаг. Энэхүү өөрчлөлт нь хүчтэй үечилсэн салхийг эсэргүүцэхэд зориулагдсан нөөцийг бардаг. Агаарын хөлөг тогтвортой мэт харагдах боловч хүчтэй салхи ирэх үед хариу үйлдэл үзүүлэх ямар ч нөөц үлддэггүй.
• Түлхэлтийн тэгш бус байдал нь чадлын тэгш бус байдал болж хувирах. Ротор тус бүр өөр өөр цаг хугацаанд дээд хязгаартаа хүрдэг. Батерей-цахилгаан платформ дээр энэ нь тодорхой ESC-үүд дээр гүйдлийн огцом өсөлт хэлбэрээр илэрдэг бөгөөд аэродинамикийн хязгаарт хүрэхээс хамаагүй өмнө дулааны хязгаарт хүрч болно.
• Байрлал хадгалалт нь чиглэл хадгалалтаас өмнө муудах. Авто нисгэгч нь агаарын хөлгийг хэвтээ түвшинд барьдаг ч хөлөг шилжсээр байдаг. Вертипортын үйл ажиллагааны хувьд энэхүү шилжилт нь аюулгүй байдалд маш ноцтой нөлөөтэй хэмжигдэхүүн юм.
• Удирдлага алдагдахаас өмнө нислэгийн тав тух алдагдах. Зорчигч тээврийн хөлгүүдийн хувьд зөвшөөрөгдөх хязгаар нь нислэгийн хянагч юуг давж гарч чадах вэ гэдгээр бус, харин хүмүүс юуг тэсвэрлэж чадах вэ гэдгээр тодорхойлогддог.

Эдгээрийн аль нь ч тогтуун агаарт хийсэн тогтож нисэх туршилтаар илэрдэггүй бөгөөд бүгдийг нь салхин хонгилд бодитоор дуурайлган үүсгэх боломжтой.

---

3. Баталгаажуулалт бодитоор юу шаарддаг вэ?

Жижиг ангиллын VTOL агаарын хөлгийн хувьд Европын зохицуулалтын хүрээ нь 2019 оны 7-р сарын 2-нд нийтлэгдсэн EASA-ийн Тусгай нөхцөл болох SC-VTOL-01 бөгөөд 2020 оны 5-р сараас хойш боловсруулагдаж буй Нийцлийн арга хэрэгслийн цуврал баримт бичгүүд юм.

Туршилтын инженерийн хувьд хамгийн чухал зүйл бол хүрээлэн буй орчны тодорхойлолтын өргөн цар хүрээ юм. SC-VTOL нь мөстөлт, хур тунадас, температурын зэрэгцээ аливаа чиглэлээс ирэх салхи — үүнд хажуугийн салхи, салхины градиент, хүчтэй үечилсэн салхи, салхины шилжилт болон турбулент байдал зэргийг авч үздэг бөгөөд эдгээрийг хөнгөн, дунд зэргийн, хүчтэй гэж тодорхойлсон өөр өөр далайцтайгаар тооцохыг шаарддаг.

Энэхүү бүтэц нь практик дээр хоёр үр дагавартай:

1. Таны туршилтын матриц нь тодорхойлолтоороо олон тэнхлэгт байна. Өөдөөс үлээх салхинд гүйцэтгэлийг харуулах нь маш бага зүйлийг баталдаг; нөхцөлийн бүрдэл нь чиглэлтэй бөгөөд тогтворгүй агуулгыг багтаасан байдаг.
2. Үзүүлэлтүүд нь тухайн хөтөлбөрөөс хамаарна. Мэдэгдсэн хажуугийн болон ар талаас үлээх салхины чадавхыг нийтлэг хүснэгтээс харах бус, харин тухайн агаарын хөлөгт хамаарах Нийцлийн арга хэрэгслээр дамжуулан тогтоодог. eVTOL-ийн хажуугийн салхины хувьд нэгдсэн нэг хязгаарыг иш татаж буй хэн бүхэнд, тэр дундаа нийлүүлэгчдэд ч сэжигтэй хандах хэрэгтэй.

Тиймээс туршилтын байгууламжийг таны тодорхойлсон хязгаар, мөн таны судлахаар төлөвлөж буй дунд зэргийн болон хүчтэй тохиолдлуудад зориулсан нөөцөд тулгуурлан нарийвчлан гаргах ёстой.

---

4. Хотын салхийг салхин хонгилд хэрхэн дуурайлган үүсгэдэг вэ?

Гурван төрлийн арга техник байдаг бөгөөд ноцтой хөтөлбөрүүд нэгээс илүүг нь ашигладаг.

Идэвхгүй турбулент үүсгэлт. Урсгалын өмнө байрлуулсан тор, шон, барзгар элементүүд болон хаалтууд нь зорилтот профиль болон эрчим бүхий турбулент хил давхарга үүсгэдэг. Энэ бол салхины инженерчлэлийн сонгодог арга юм: хямд, тогтвортой, өндөр давтамжтайгаар давтагдах боломжтой боловч техник хангамжийг нэгэнт суурилуулсны дараа турбулентын спектр үндсэндээ тогтмол болдог.

Идэвхтэй үечилсэн салхи үүсгэлт. Туршилтын хэсгийн өмнө байрлах хэлбэлздэг чиглүүлэгч ирүүд, эсвэл тус тусад нь удирддаг үүрүүд бүхий сэнсний массив нь цаг хугацаанаас хамаарч өөрчлөгддөг урсгалыг үүсгэдэг — салангид үечилсэн салхи, синусоид өдөөлт, чиглэлийн огцом өөрчлөлт, програмчлагдсан шилжилт зэрэг. Энэ нь барилгын мөр дундуур өнгөрөх зэрэг тодорхой үйл явдлыг дуурайлган үүсгэх, мөн удирдлагын хуулийн хоёр өөр хувилбарт яг ижил байдлаар давтан турших цорын ганц арга юм.

Загварын хэмжээст хотын симуляци. Вертипорт болон түүний орчны жижигрүүлсэн загваруудыг урсгалын өмнө байрлуулж, тэдгээрийн бодитоор үүсгэж буй мөр дотор агаарын хөлгийг туршдаг. Энэ нь турбулентын эрчмийн тоогоор багцаалахын оронд баригдсан орчныг туршилтад шууд оруулах арга юм.

Аль нь ч ашиглагдсан бай, тохиргооны хоёр шийдвэр бусад бүх зүйлийг тодорхойлдог: агаарын хөлгийг жинлүүр дээр суурилуулах (энэ нь цэвэр хүч, момент болон давтагдах байдлыг өгдөг) эсвэл өөрийнх нь авто нисгэгч гогцоог хааж, их биеийг бус системийг туршдаг том нээлттэй урсгалтай хэсэгт чөлөөтэй нисгэх . Оролтын өнцөг бүх мужийг хамарч, роторын мөр нь далавч болон бүтэцтэй харилцан үйлчлэлцдэг тогтож нисэхээс урагш нисэх рүү шилжих шилжилт нь дуурайлган үүсгэхэд хамгийн үнэ цэнтэй маневр бөгөөд үүнд энэ хоёр арга хоёулаа шаардлагатай.

---

5. Хэрэгжүүлэх боломжтой туршилтын матриц

Хотын нөхцөлд ажиллах хөлгийн хувьд матриц нь ихэвчлэн дараах зүйлсийг хамардаг:

Хамгийн багадаа хэмжигдэх зүйлс: жинлүүр дээрх хүч ба момент, ротор тус бүрийн RPM болон гүйдэл, өгөгдсөн болон хүрсэн чиглэл ба байрлал, ашигтай ачаа эсвэл бүхээгийн байршил дахь хурдатгал, мөн салхин хонгилын хэмжилт-хяналтын хэрэгслээс авах оролтын лавлагаа.

---

6. Байгууламжийн хэмжээг тооцоолох

Хэрэв та салхин хонгилд цаг түрээслэх бус, харин өөрийн хонгилын үзүүлэлтийг тодорхойлж байгаа бол дараах дөрвөн тоо давамгайлна:

• Туршилтын хэсгийн хэмжээ ба хөлгийн далавчийн дэлгэцийн харьцаа. Бөглөрөл нь нүдэнд илт харагдахаас хамаагүй өмнө өгөгдлийг гажуудуулдаг. Бүрэн хэмжээний жижиг UAV-д цаасан дээр маш том харагдах туршилтын хэсэг шаардлагатай байдаг.
• Хурдны муж, үүнд доод хязгаар багтана. UAM-ийн ажил 0–30 м/с мужид явагддаг. Тогтвортой, жигд 3 м/с хурдыг үүсгэх нь 25 м/с хурд үүсгэхээс илүү хэцүү бөгөөд энэ үед тогтож нисэх болон бага хурдны шилжилтийн өгөгдлийг авдаг.
• Шаардлагатай хэсэг дэх урсгалын чанар. Бага турбулент байдал нь хонгилын буцаж очих чадвартай байх ёстой суурь үзүүлэлт юм; та арын шуугианаас ялгаж чадахгүй үечилсэн салхийг судалж чадахгүй.
• Хэсэг рүү нэвтрэх болон аюулгүй байдал. Чөлөөт нислэгийн туршилт нь хамгаалалтын тор, хөлгөөс илүү хурдан ажиллах яаралтай зогсоох (E-stop) систем, мөн өдөрт олон удаа тохиргоог өөрчлөхөд зориулагдсан нэвтрэх шийдлийг шаарддаг.

Хаалттай контурын (closed-circuit) архитектурууд нь бусад газарт давамгайлдагтай ижил шалтгаанаар энд ч мөн давамгайлдаг: давтагдах байдал, температурын хяналт болон ашиглалтын зардал — үүний харилцан хамаарлыг

Судалгааны зориулалттай хаалттай контурын болон нээлттэй контурын салхин хонгилын харьцуулалт

-д, харин түүний ард байх чиглэлийн шийдвэрийг бидний

Хэвтээ, босоо болон налуу салхин хонгил

-д тусгасан болно.

---

7. Зайлсхийх хэрэгтэй таван алдаа

• Зөвхөн өөдөөс үлээх салхийг турших. Энэ нь гүйцэтгэхэд хамгийн хямд бөгөөд хамгийн бага мэдээлэл өгдөг нөхцөл юм.
• Дундаж утгыг тайлагнах. Үечилсэн салхины хариу үйлдэл нь шилжилтийн шинжтэй байдаг. Дундажласан өгөгдөл нь таны туршиж байсан яг тэр үйл явдлыг нуудаг.
• Газрын гадаргууг үл тоомсорлох. Вертипортын тавцангийн ойролцоо рециркуляц болон газрын нөлөө нь оролтын урсгалыг бүхэлд нь өөрчилдөг.
• Удирдлагын хуулийг бус зөвхөн их биеийг турших. Хотын нөхцөл дэх ихэнх доголдол нь системийн доголдол байдаг; хөдөлгөөнгүй хянагчтай, жинлүүр дээр суурилуулсан загвар нь тэдгээрийг илрүүлж чадахгүй.
• Орчны туршилтыг дизайныг эцэслэн батлах хүртэл хойшлуулах. Хажуугийн салхины чадавхыг роторын хэмжээ болон удирдлагын нөөцөөр олж авдаг — эдгээр нь эрт гаргадаг бөгөөд хожим өөрчлөхөд өндөр өртөгтэй тусдаг шийдвэрүүд юм.

---

8. Туршилтын төлөвлөгөөнөөс байгууламж хүртэл

Хотын агаарын тээвэр нь чиглэлтэй, тогтворгүй, тухайн байршлаас хамааралтай орчны эсрэг баталгаажиж байна. Энэхүү стандартыг хангана гэдэг нь агаарын хөлөг бодит барилгууд дундуур ойртолт хийж нисэхээс хамаагүй өмнө түүнийг газар дээр, давтагдах байдлаар, хэдэн зуун удаа дуурайлган үүсгэнэ гэсэн үг юм.

Бид яг энэ төрлийн ажилд зориулан тусгай туршилтын байгууламжуудыг зохион бүтээж, барьдаг — эдгээр нь хөлгийн хэмжээнд тохируулсан хаалттай контурын (closed-circuit) хонгилууд бөгөөд бага хурдны тогтвортой байдал, үечилсэн салхи үүсгэлт болон хэмжилт-хяналтын хэрэгслийн интеграцийг аэродинамикийн концепцоос эхлэн төлөвлөсөн, мөн хөтөлбөр хэрэгжихийн хэрээр нэмж болох уур амьсгал болон эдэлгээний модулиудтай байдаг. Бидний эхлэх цэг бол каталог бус, харин таны туршилтын матриц юм.

Та өөрийн хязгаар болон хөлгийн хэмжээсүүдээ бидэнд илгээнэ үү , бид байгууламжийн концепц буюу хэсгийн хэмжээ, хурдны муж, хөтлөгчийн чадал болон барилгын талбайн хэмжээг гарган эргэн холбогдох болно.

---

Эх сурвалж болон тэмдэглэл

• Жижиг ангиллын VTOL агаарын хөлөгт зориулсан EASA-ийн Тусгай нөхцөл, SC-VTOL-01, 2019 оны 7-р сарын 2-нд нийтлэгдсэн, мөн түүний дараах Нийцлийн арга хэрэгслийн нийтлэлүүд: SC-VTOL-01, Fourth publication of MoC with SC-VTOL.
• Жижиг агаарын хөлгийн өргөн хүрээний хуйларлын хэмжээнд мэдрэмтгий байдал, мөн UAM-ийн үйл ажиллагааны талаарх салхины инженерчлэлийн үзэл баримтлал: Urban Air Mobility: A Wind Engineering Perspective, WSP.
• Барилгын ойролцоох үечилсэн салхины орчин: "Gusts Encountered by Flying Vehicles in Proximity to Buildings", Drones, 2023.
• Идэвхгүй турбулент үүсгэлт (тор, барзгар элементүүд, шон) нь салхины инженерчлэлийн сонгодог туршлага юм; идэвхтэй удирдлагатай сэнсний массивуудын эсрэг ангилал нь TunnelTech-ийн өөрийнх нь тодорхойлолт юм. Ялангуяа идэвхтэй тал дээр, сэнсний массив бүхий салхи үүсгэгчийн үүр тус бүрийн удирдлага болон турбулентын шинж чанар: Turbulence enhancement of a fan array wind generator, arXiv.
• eVTOL-ийн хажуугийн салхины нийтлэг тоон хязгаарыг энд зориуд дурдаагүй болно: мэдэгдсэн хажуугийн болон ар талаас үлээх салхины хурдыг холбогдох Нийцлийн арга хэрэгслээр дамжуулан хөтөлбөр тус бүрээр тогтоодог.
• Туршилтын матрицын мужууд болон байгууламжийн хэмжээг тооцоолох удирдамж нь TunnelTech-ийн инженерчлэлийн туршлага бөгөөд тухайн хөлөг болон байршилд тулгуурлан баталгаажуулах шаардлагатай.