Ujian Terowong Angin untuk Mobiliti Udara Bandar: eVTOL dan Dron dalam Angin Lintang dan Tiupan Angin Kencang

Pesawat yang direka untuk ruang udara terbuka dan pesawat yang direka untuk bandar adalah dua mesin yang berbeza, dan perbezaannya bukanlah pada kerangka pesawat — ia adalah pada udaranya.

Di atas bumbung, aliran terpisah dan bercantum semula. Di antara dua menara, ia memecut. Di belakang parapet, ia melepaskan vorteks pada frekuensi yang bergantung kepada bangunan, bukan pada pesawat. Dron kargo atau teksi udara yang terbang menghampiri vertiport menghabiskan minit-minit paling kritikal untuk keselamatan tepat di mana atmosfera paling tidak memberikan kerjasama.

Itulah sebabnya ujian terowong angin eVTOL telah berhenti menjadi langkah pengesahan peringkat akhir dan kini menjadi pemacu reka bentuk. Di bawah adalah apa yang sebenarnya berlaku kepada kenderaan dalam angin bandar, bagaimana keadaan tersebut dihasilkan semula di fasiliti ujian, dan bagaimana untuk menentukan saiz fasiliti yang boleh menghasilkannya.

---

1. Mengapa udara bandar lebih sukar daripada ruang udara terbuka

Tiga kesan mendominasi, dan tiada satu pun daripadanya hadir dalam aliran yang bersih dan stabil pada ujian prestasi klasik.

Ricihan (Shear). Kelajuan angin berubah dengan pantas mengikut ketinggian berhampiran bangunan. Pesawat yang mendaki keluar dari vertiport boleh melalui kecerunan halaju yang ketara dalam beberapa saat, dan setiap rotor menerima aliran masuk yang berbeza semasa ia berlaku.

Pemisahan dan jejak (wakes). Setiap pinggir bangunan adalah penjana vorteks. Di hilir menara, pesawat terbang melalui jejak di mana pusaran ciriannya ditentukan saiznya oleh struktur tersebut — dan pesawat kecil dipengaruhi oleh julat saiz pusaran yang jauh lebih luas berbanding pesawat besar. Turbulens paling baik digambarkan sebagai superposisi pusaran pelbagai skala; kenderaan paling terganggu oleh pusaran yang setanding atau lebih besar daripadanya, itulah sebabnya eVTOL bersaiz 3 m jauh lebih sensitif berbanding pesawat komersial terhadap medan tiupan angin yang sama.

Plum terma dan buatan manusia. Fasad yang dipanaskan matahari, dek tempat letak kereta dan ekzos HVAC menambah komponen halaju menegak yang berbeza-beza sepanjang hari dan tidak kelihatan dalam laporan cuaca standard.

Hasilnya ialah persekitaran gangguan yang bukan sahaja lebih kuat daripada angin di kawasan terbuka, tetapi berstruktur — dan sistem kawalan gagal terhadap struktur, bukan terhadap purata.

---

2. Apa yang sebenarnya gagal

Berdasarkan pengalaman kami dengan program ujian UAV dan eVTOL, empat mod kegagalan menyumbang kepada kebanyakan kejutan:

• Kehabisan kuasa kawalan. Dalam angin lintang yang stabil, kenderaan mengekalkan sikap (attitude) dengan memincangkan tujahan rotor secara kekal. Pincangan tersebut memakan margin yang tersedia untuk penolakan tiupan angin. Kenderaan kelihatan stabil — sehingga tiupan angin tiba dan tiada lagi margin yang tinggal.
• Ketidaksimetrian tujahan menjadi ketidaksimetrian kuasa. Rotor individu mencapai tahap tepu pada masa yang berbeza. Pada platform elektrik bateri, ia muncul sebagai lonjakan arus pada ESC tertentu, dan had terma boleh dicapai jauh lebih awal sebelum had aerodinamik.
• Pengekalan kedudukan merosot sebelum pengekalan sikap. Autopilot mengekalkan pesawat pada tahap mendatar namun ia masih hanyut. Untuk operasi vertiport, hanyutan tersebut adalah kuantiti yang kritikal untuk keselamatan.
• Kualiti perjalanan runtuh sebelum kawalan. Untuk kenderaan yang membawa penumpang, sampul (envelope) yang boleh diterima ditetapkan oleh apa yang boleh ditoleransi oleh manusia, bukan oleh apa yang boleh diharungi oleh pengawal penerbangan.

Tiada satu pun daripada ini kelihatan dalam ujian apungan udara pegun, dan kesemuanya boleh dihasilkan semula di dalam terowong angin.

---

3. Apa yang sebenarnya diminta oleh pensijilan

Untuk pesawat VTOL kategori kecil, rangka kerja Eropah ialah Syarat Khas EASA SC-VTOL-01 , yang diterbitkan pada 2 Julai 2019, dengan siri dokumen Cara Pematuhan (Means of Compliance) berterusan yang dibangunkan sejak Mei 2020.

Perkara penting bagi jurutera ujian ialah keluasan definisi persekitaran. SC-VTOL menangani angin dari sebarang arah — termasuk angin lintang, kecerunan angin, tiupan angin, ricihan angin dan turbulens — di samping pembentukan ais, kerpasan dan suhu, serta menjangkakan semua ini dipertimbangkan pada amplitud yang berbeza, yang digambarkan sebagai ringan, sederhana dan teruk.

Struktur tersebut mempunyai dua akibat praktikal:

1. Matriks ujian anda adalah berbilang paksi mengikut definisi. Menunjukkan prestasi dalam angin haluan membuktikan sangat sedikit; set keadaan adalah berarah dan merangkumi kandungan yang tidak stabil.
2. Angka-angka adalah khusus untuk program. Keupayaan angin lintang dan angin ekor yang diisytiharkan ditetapkan melalui Cara Pematuhan yang terpakai untuk pesawat tertentu, bukan dibaca daripada jadual universal. Sesiapa yang memetik satu had universal tunggal untuk angin lintang eVTOL harus dilayan dengan rasa curiga — dan itu termasuklah pembekal.

Oleh itu, fasiliti ujian perlu dikhususkan di sekitar sampul yang anda isytiharkan, ditambah margin untuk kes sederhana dan teruk yang anda berhasrat untuk terokai.

---

4. Bagaimana angin bandar dihasilkan semula dalam terowong angin

Terdapat tiga keluarga teknik, dan program yang serius menggunakan lebih daripada satu.

Penjanaan turbulens pasif. Grid, menara (spires), elemen kekasaran dan penghadang yang diletakkan di hulu membangunkan lapisan sempadan bergelora dengan profil dan intensiti sasaran. Ini adalah pendekatan kejuruteraan angin klasik: murah, stabil dan sangat boleh diulang, tetapi spektrum turbulens pada asasnya tetap sebaik sahaja perkakasan ditetapkan.

Penjanaan tiupan angin aktif. Bilah berayun di hulu seksyen ujian, atau susunan kipas dengan sel yang dikawal secara individu, menghasilkan aliran yang berubah-ubah mengikut masa — tiupan angin diskret, ujaan sinusoidal, perubahan arah secara tiba-tiba, ricihan yang diprogramkan. Ini adalah satu-satunya cara untuk menghasilkan semula peristiwa tertentu, seperti melalui jejak bangunan, dan mengulanginya secara serupa untuk dua versi undang-undang kawalan yang berbeza.

Simulasi bandar skala model. Model skala vertiport dan persekitarannya diletakkan di hulu, dan pesawat diuji di dalam jejak yang sebenarnya ia cipta. Inilah cara persekitaran binaan memasuki ujian dan bukannya dianggarkan oleh nombor intensiti turbulens.

Mana-mana yang digunakan, dua keputusan konfigurasi membentuk segala-galanya: sama ada kenderaan dipasang pada pengimbang (balance) — memberikan daya, momen dan kebolehulangan yang bersih — atau terbang bebas (free-flying) dalam seksyen jet terbuka yang besar dengan autopilotnya sendiri menutup gelung, yang menguji sistem dan bukannya kerangka pesawat. Transisi daripada apungan kepada penerbangan ke hadapan, di mana sudut aliran masuk menyapu keseluruhan julat dan jejak rotor berinteraksi dengan sayap dan struktur, adalah gerakan tunggal yang paling berharga untuk dihasilkan semula, dan ia memerlukan kedua-duanya.

---

5. Matriks ujian yang boleh dilaksanakan

Untuk kenderaan operasi bandar, matriks biasanya menyapu:

Diukur, sekurang-kurangnya: daya dan momen pada pengimbang, RPM dan arus setiap rotor, sikap dan kedudukan yang diarahkan berbanding yang dicapai, pecutan pada lokasi muatan atau kabin, dan rujukan aliran masuk daripada instrumentasi terowong angin.

---

6. Menentukan saiz fasiliti

Jika anda mengkhususkan terowong angin dan bukannya menyewa masa di dalamnya, empat nombor mendominasi:

• Saiz seksyen ujian berbanding rentang kenderaan. Sekatan merosakkan data jauh sebelum ia menjadi jelas secara visual. UAV kecil berskala penuh memerlukan seksyen yang kelihatan sangat besar di atas kertas.
• Julat kelajuan, termasuk hujung rendah. Kerja UAM berada dalam jalur 0–30 m/s. Menghasilkan 3 m/s yang stabil, seragam adalah lebih sukar daripada menghasilkan 25 m/s, dan di situlah data apungan dan transisi kelajuan rendah diambil.
• Kualiti aliran di mana ia penting. Turbulens rendah ialah garis dasar yang terowong angin mesti boleh kembali; anda tidak boleh mengkaji tiupan angin yang anda tidak dapat bezakan daripada latar belakang.
• Akses seksyen dan keselamatan. Ujian penerbangan bebas menuntut jaring keselamatan pelindung, henti kecemasan (E-stop) yang lebih pantas daripada kenderaan, dan konsep akses untuk menukar konfigurasi berkali-kali sehari.

Seni bina litar tertutup mendominasi di sini atas sebab yang sama ia mendominasi di tempat lain: kebolehulangan, kawalan suhu dan kos operasi — pertukaran dibentangkan dalam

Terowong Angin Litar Tertutup lwn Litar Terbuka untuk Penyelidikan

, dan keputusan orientasi di sebaliknya dalam

Terowong Angin Mendatar, Menegak dan Condong

kami.

---

7. Lima kesilapan yang patut dielakkan

• Hanya menguji angin haluan. Ia adalah keadaan paling murah untuk dijalankan dan paling kurang bermaklumat.
• Melaporkan nilai min. Respons tiupan angin adalah fana (transient). Data yang dipuratakan menyembunyikan dengan tepat peristiwa yang anda sedang uji.
• Mengabaikan satah tanah. Berhampiran dek vertiport, resirkulasi dan kesan tanah mengubah aliran masuk sepenuhnya.
• Menguji kerangka pesawat tetapi bukan undang-undang kawalan. Kebanyakan kegagalan bandar adalah kegagalan sistem; model yang dipasang pada pengimbang dengan pengawal yang dibekukan tidak akan mendedahkannya.
• Meninggalkan ujian persekitaran sehingga selepas pembekuan reka bentuk. Keupayaan angin lintang dibeli dengan saiz rotor dan margin kawalan — keputusan yang dibuat awal dan mahal untuk diterbalikkan pada peringkat akhir.

---

8. Dari pelan ujian ke fasiliti

Mobiliti udara bandar sedang disahkan terhadap persekitaran yang berarah, tidak stabil dan khusus tapak. Memenuhi standard tersebut bermakna menghasilkannya semula di lapangan, secara berulang, beratus-ratus kali, lama sebelum pesawat terbang menghampiri di antara bangunan sebenar.

Kami mereka bentuk dan membina fasiliti ujian tersuai untuk kelas kerja ini — terowong angin litar tertutup yang disaizkan di sekitar kenderaan, dengan kestabilan kelajuan rendah, penjanaan tiupan angin dan integrasi instrumentasi yang dirancang dari konsep aerodinamik dan seterusnya, serta dengan modul iklim dan ketahanan yang boleh ditambah apabila program semakin matang. Titik permulaan kami ialah matriks ujian anda, bukan katalog.

Hantarkan sampul dan dimensi kenderaan anda kepada kami dan kami akan kembali dengan konsep fasiliti: saiz seksyen, julat kelajuan, kuasa pemacu dan jejak bangunan.

---

Sumber dan nota

• Syarat Khas EASA untuk pesawat VTOL kategori kecil, SC-VTOL-01, diterbitkan pada 2 Julai 2019, dan penerbitan Cara Pematuhan yang seterusnya: SC-VTOL-01, Penerbitan keempat MoC dengan SC-VTOL.
• Sensitiviti pesawat kecil terhadap pelbagai skala pusaran, dan pandangan kejuruteraan angin terhadap operasi UAM: Urban Air Mobility: A Wind Engineering Perspective, WSP.
• Persekitaran tiupan angin berhampiran bangunan: "Gusts Encountered by Flying Vehicles in Proximity to Buildings", Drones, 2023.
• Penjanaan turbulens pasif (grid, elemen kekasaran, menara) ialah amalan kejuruteraan angin klasik; klasifikasi terhadap susunan kipas yang dikawal secara aktif ialah pembingkaian TunnelTech sendiri. Pada bahagian aktif secara khusus, kawalan setiap sel dan pencirian turbulens bagi penjana angin susunan kipas: Turbulence enhancement of a fan array wind generator, arXiv.
• Tiada had angin lintang berangka universal untuk eVTOL dipetik di sini dengan sengaja: halaju angin lintang dan angin ekor yang diisytiharkan ditetapkan bagi setiap program melalui Cara Pematuhan yang terpakai.
• Julat matriks ujian dan panduan penentuan saiz fasiliti ialah amalan kejuruteraan TunnelTech, untuk disahkan terhadap kenderaan dan tapak tertentu.