การทดสอบเพย์โหลดและเซนเซอร์ในกระแสลม: กล้อง ไลดาร์ และสายอากาศภายใต้สภาวะรับภาระ
30 ตุลาคม 2569
วิธีการทดสอบ eVTOL และ UAV ในสภาวะลมขวาง ลมกระโชก และลมเฉือนในอุโมงค์ลม — สิ่งที่มักจะล้มเหลว สิ่งที่หน่วยงานกำกับดูแลคาดหวัง และวิธีกำหนดขนาดของศูนย์ทดสอบ
อากาศยานที่ออกแบบมาสำหรับท้องฟ้าเปิดและอากาศยานที่ออกแบบมาสำหรับเขตเมืองคือเครื่องจักรสองชนิดที่แตกต่างกัน และความแตกต่างนั้นไม่ได้อยู่ที่โครงสร้างอากาศยาน — แต่อยู่ที่สภาพอากาศ
เหนือหลังคาอาคาร กระแสลมจะเกิดการแยกตัวและกลับมารวมตัวกันใหม่ ระหว่างตึกสูงสองตึก กระแสลมจะมีความเร็วเพิ่มขึ้น ที่ด้านหลังกำแพงกันตก กระแสลมจะปล่อยกระแสวนออกมาในความถี่ที่ขึ้นอยู่กับตัวอาคาร ไม่ใช่อากาศยาน โดรนขนส่งสินค้าหรือแท็กซี่ทางอากาศที่กำลังบินเข้าจอดที่จุดขึ้นลง (vertiport) จะต้องใช้เวลาในช่วงที่สำคัญต่อความปลอดภัยมากที่สุดในบริเวณที่สภาพอากาศไม่เอื้ออำนวยมากที่สุด
นั่นคือเหตุผลที่ การทดสอบ eVTOL ในอุโมงค์ลม ไม่ได้เป็นเพียงขั้นตอนการตรวจสอบความถูกต้องในระยะท้ายๆ อีกต่อไป แต่ได้กลายมาเป็นปัจจัยหลักในการขับเคลื่อนการออกแบบ ด้านล่างนี้คือสิ่งที่จะเกิดขึ้นจริงกับยานพาหนะเมื่อเผชิญกับลมในเขตเมือง วิธีการจำลองสภาวะเหล่านั้นในศูนย์ทดสอบ และวิธีการกำหนดขนาดของศูนย์ทดสอบที่สามารถสร้างสภาวะเหล่านั้นได้
มีผลกระทบหลัก 3 ประการ และไม่มีผลกระทบใดเลยที่จะพบได้ในกระแสลมที่ราบเรียบและสม่ำเสมอของการทดสอบสมรรถนะแบบคลาสสิก
แรงเฉือน (Shear) ความเร็วลมจะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วตามระดับความสูงเมื่ออยู่ใกล้อาคาร อากาศยานที่กำลังไต่ระดับออกจากจุดขึ้นลงอาจต้องบินผ่านความลาดชันของความเร็วลมในเวลาเพียงไม่กี่วินาที และโรเตอร์แต่ละตัวจะเผชิญกับกระแสลมไหลเข้าที่แตกต่างกันในขณะที่เกิดเหตุการณ์นั้น
การแยกตัวและกระแสลมตาม (Separation and wakes) ขอบอาคารทุกแห่งคือตัวสร้างกระแสวน ที่บริเวณท้ายลมของตึกสูง อากาศยานจะต้องบินผ่านกระแสลมตามซึ่งมีกระแสวนย่อยที่มีขนาดขึ้นอยู่กับโครงสร้างอาคาร — และอากาศยานขนาดเล็กจะได้รับผลกระทบจากขนาดของกระแสวนย่อยที่หลากหลายกว่าอากาศยานขนาดใหญ่ ความปั่นป่วนสามารถอธิบายให้เห็นภาพได้ดีที่สุดว่าเป็นการซ้อนทับกันของกระแสวนย่อยหลายขนาด ยานพาหนะจะถูกรบกวนมากที่สุดจากกระแสวนย่อยที่มีขนาดใกล้เคียงหรือใหญ่กว่าตัวมันเอง ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไม eVTOL ขนาด 3 ม. จึงมีความไวต่อสนามลมกระโชกเดียวกันมากกว่าเครื่องบินโดยสารพาณิชย์อย่างมาก
มวลอากาศร้อนและมวลอากาศที่เกิดจากมนุษย์ (Thermal and man-made plumes) ผนังอาคารที่ได้รับความร้อนจากแสงอาทิตย์ ลานจอดรถ และท่อไอเสียจากระบบ HVAC จะเพิ่มองค์ประกอบของความเร็วในแนวดิ่งซึ่งแปรผันตลอดทั้งวัน และไม่สามารถมองเห็นได้ในรายงานสภาพอากาศมาตรฐาน
ผลลัพธ์ที่ได้คือสภาพแวดล้อมที่มีการรบกวนซึ่งไม่เพียงแต่รุนแรงกว่าลมในพื้นที่เปิดโล่งเท่านั้น แต่ยังมี โครงสร้าง ที่ซับซ้อน — และระบบควบคุมมักจะล้มเหลวเมื่อต้องรับมือกับโครงสร้างของลม ไม่ใช่ค่าเฉลี่ยของลม
จากประสบการณ์ของเราในโปรแกรมการทดสอบ UAV และ eVTOL รูปแบบความล้มเหลว 4 ประการนี้คือสาเหตุของเหตุการณ์ที่ไม่คาดคิดส่วนใหญ่:
ไม่มีข้อใดเลยที่สามารถมองเห็นได้ในการทดสอบการบินลอยตัวในอากาศนิ่ง และทั้งหมดนี้สามารถจำลองขึ้นใหม่ได้ในอุโมงค์ลม
สำหรับอากาศยาน VTOL ขนาดเล็ก กรอบการทำงานของยุโรปคือเงื่อนไขพิเศษ SC-VTOL-01 ของ EASA ซึ่งเผยแพร่เมื่อวันที่ 2 กรกฎาคม 2019 พร้อมกับชุดเอกสารวิธีการปฏิบัติตามข้อกำหนดที่ได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องตั้งแต่เดือนพฤษภาคม 2020
ประเด็นสำคัญสำหรับวิศวกรทดสอบคือความครอบคลุมของคำจำกัดความด้านสภาพแวดล้อม SC-VTOL ครอบคลุมถึงลมจากทุกทิศทาง — รวมถึงลมขวาง ลมลาดชัน ลมกระโชก ลมเฉือน และความปั่นป่วน — ควบคู่ไปกับสภาวะน้ำแข็งเกาะ หยาดน้ำฟ้า และอุณหภูมิ โดยคาดหวังให้พิจารณาสิ่งเหล่านี้ในระดับความรุนแรงที่แตกต่างกัน ซึ่งอธิบายไว้ว่า เล็กน้อย ปานกลาง และรุนแรง
โครงสร้างดังกล่าวส่งผลในทางปฏิบัติ 2 ประการ:
ดังนั้น ศูนย์ทดสอบจึงต้องถูกกำหนดรายละเอียดตามขอบเขตที่ คุณ ประกาศไว้ บวกกับส่วนเผื่อสำหรับกรณีระดับปานกลางและรุนแรงที่คุณตั้งใจจะทำการสำรวจ
มีเทคนิคอยู่ 3 กลุ่มหลัก และโปรแกรมที่จริงจังมักจะใช้มากกว่าหนึ่งเทคนิค
การสร้างความปั่นป่วนแบบพาสซีฟ ตะแกรง ยอดแหลม องค์ประกอบความขรุขระ และสิ่งกีดขวางที่วางไว้ที่ต้นน้ำจะสร้างชั้นขอบเขตที่มีความปั่นป่วนตามโปรไฟล์และความเข้มข้นเป้าหมาย นี่คือแนวทางวิศวกรรมลมแบบคลาสสิก: ราคาถูก มีเสถียรภาพ และทำซ้ำได้สูงมาก แต่สเปกตรัมของความปั่นป่วนจะถูกกำหนดตายตัวเมื่อติดตั้งฮาร์ดแวร์เสร็จแล้ว
การสร้างลมกระโชกแบบแอคทีฟ ใบปรับทิศทางลมที่แกว่งไปมาบริเวณต้นน้ำของส่วนทดสอบ หรือแผงพัดลมที่ควบคุมแต่ละเซลล์แยกกัน จะสร้างกระแสลมที่แปรผันตามเวลา — ลมกระโชกแบบแยกส่วน การกระตุ้นแบบไซน์ การเปลี่ยนทิศทางกะทันหัน แรงเฉือนที่ตั้งโปรแกรมไว้ นี่เป็นวิธีเดียวที่จะจำลองเหตุการณ์เฉพาะเจาะจง เช่น การบินผ่านกระแสลมตามของอาคาร และทำซ้ำให้เหมือนเดิมทุกประการสำหรับกฎการควบคุมสองเวอร์ชันที่แตกต่างกัน
การจำลองสภาพเมืองด้วยแบบจำลองย่อส่วน แบบจำลองย่อส่วนของจุดขึ้นลงและสภาพแวดล้อมโดยรอบจะถูกวางไว้ที่ต้นน้ำ และอากาศยานจะถูกทดสอบภายในกระแสลมตามที่แบบจำลองเหล่านั้นสร้างขึ้นจริง นี่คือวิธีที่สภาพแวดล้อมของสิ่งปลูกสร้างถูกนำเข้าสู่การทดสอบ แทนที่จะเป็นการประมาณค่าด้วยตัวเลขความเข้มความปั่นป่วน
ไม่ว่าจะใช้วิธีใด การตัดสินใจเลือกรูปแบบการติดตั้ง 2 ประการจะเป็นตัวกำหนดสิ่งอื่นๆ ทั้งหมด: ไม่ว่ายานพาหนะจะถูก ติดตั้งบนเครื่องชั่ง — ซึ่งให้ค่าแรง โมเมนต์ และความสามารถในการทำซ้ำที่ชัดเจน — หรือ บินอิสระ ในส่วนทดสอบแบบเปิดขนาดใหญ่โดยมีระบบออโตไพลอตของตัวเองทำหน้าที่ควบคุมแบบวงจรปิด ซึ่งเป็นการทดสอบระบบมากกว่าโครงสร้างอากาศยาน การเปลี่ยนผ่านจากการบินลอยตัวไปสู่การบินไปข้างหน้า ซึ่งมุมของกระแสลมไหลเข้าจะกวาดผ่านช่วงทั้งหมด และกระแสลมตามจากโรเตอร์จะทำปฏิกิริยากับปีกและโครงสร้าง ถือเป็นการเคลื่อนที่ที่มีค่าที่สุดเพียงหนึ่งเดียวที่ควรจำลองขึ้นมา และจำเป็นต้องใช้ทั้งสองรูปแบบ
สำหรับยานพาหนะที่ปฏิบัติการในเขตเมือง เมทริกซ์มักจะครอบคลุม:
| ตัวแปร | ช่วงทั่วไป | ทำไมจึงสำคัญ |
|---|---|---|
| ความเร็วลม | 0 ถึงขีดจำกัดลมขวางที่ออกแบบไว้ บวกส่วนเผื่อ | กำหนดส่วนเผื่อการควบคุมในแต่ละจุด |
| มุมทิศ | เต็ม 360° ความละเอียด 15°–30° | การตอบสนองต่อลมขวางแทบจะไม่สมมาตร |
| มุมกระแสลมไหลเข้า | การบินลอยตัวไปจนถึงการบินไปข้างหน้า | ปฏิกิริยาระหว่างโรเตอร์กับปีก พฤติกรรมการเปลี่ยนผ่าน |
| แอมพลิจูดลมกระโชกและเวลาที่เพิ่มขึ้น | ลมกระโชกแบบแยกส่วน เวลาที่เพิ่มขึ้นหลายระดับ | อัตราการเปลี่ยนแปลงมีความสำคัญมากกว่าค่าสูงสุด |
| ความเข้มความปั่นป่วน | เล็กน้อย ปานกลาง รุนแรง | สอดคล้องกับภาษาที่ใช้ระบุแอมพลิจูดในข้อบังคับ |
| อัตราการร่อนลง | ผ่านขอบเขตวงแหวนกระแสวน | การบินเข้าหาเป้าหมายคือระยะที่มีความเสี่ยงสูงสุด |
| โครงสร้างการจัดวาง | น้ำหนักบรรทุก, จุดศูนย์ถ่วง, โรเตอร์เสื่อมสภาพหนึ่งตัว | จุดที่ส่วนเผื่อจะหายไปก่อน |
สิ่งที่ต้องวัดเป็นอย่างน้อย: แรงและโมเมนต์บนเครื่องชั่ง, RPM และกระแสไฟฟ้าของแต่ละโรเตอร์, ทัศนคติการบินและตำแหน่งที่สั่งการเทียบกับที่ทำได้จริง, ความเร่งที่ตำแหน่งน้ำหนักบรรทุกหรือห้องโดยสาร และค่าอ้างอิงกระแสลมไหลเข้าจากเครื่องมือวัดของอุโมงค์ลม
หากคุณกำลังกำหนดสเปกของอุโมงค์ลมแทนที่จะเช่าเวลาใช้งาน จะมีตัวเลข 4 ตัวที่เป็นปัจจัยหลัก:
สถาปัตยกรรมแบบวงจรปิดเป็นที่นิยมในที่นี้ด้วยเหตุผลเดียวกับที่เป็นที่นิยมในที่อื่นๆ: ความสามารถในการทำซ้ำ การควบคุมอุณหภูมิ และต้นทุนการดำเนินงาน — ข้อดีข้อเสียได้ถูกระบุไว้ใน
อุโมงค์ลมแบบวงจรปิด vs แบบวงจรเปิดสำหรับการวิจัยและการตัดสินใจเลือกทิศทางที่อยู่เบื้องหลังนั้นอยู่ใน
อุโมงค์ลมแนวนอน แนวตั้ง และแนวเอียงของเรา
การสัญจรทางอากาศในเขตเมืองกำลังได้รับการรับรองเทียบกับสภาพแวดล้อมที่มีทิศทาง ไม่คงที่ และเฉพาะเจาะจงตามพื้นที่ การบรรลุมาตรฐานดังกล่าวหมายถึงการจำลองสภาพแวดล้อมนั้นบนภาคพื้นดิน ซ้ำแล้วซ้ำเล่าเป็นร้อยๆ ครั้ง นานก่อนที่อากาศยานจะบินเข้าหาเป้าหมายระหว่างอาคารจริง
เราออกแบบและสร้างศูนย์ทดสอบแบบสั่งทำพิเศษสำหรับงานประเภทนี้โดยเฉพาะ — อุโมงค์ลมแบบวงจรปิดที่มีขนาดเหมาะสมกับยานพาหนะ พร้อมด้วยเสถียรภาพที่ความเร็วต่ำ การสร้างลมกระโชก และการบูรณาการเครื่องมือวัดที่วางแผนไว้ตั้งแต่แนวคิดทางอากาศพลศาสตร์เป็นต้นไป และด้วยโมดูลสภาพอากาศและความทนทานที่สามารถเพิ่มเข้าไปได้เมื่อโปรแกรมมีความพร้อมมากขึ้น จุดเริ่มต้นของเราคือเมทริกซ์การทดสอบของคุณ ไม่ใช่แคตตาล็อก
ส่งขอบเขตและขนาดของยานพาหนะของคุณมาให้เรา แล้วเราจะกลับไปพร้อมกับแนวคิดของศูนย์ทดสอบ: ขนาดของส่วนทดสอบ ช่วงความเร็ว กำลังขับ และพื้นที่อาคาร
พูดคุยกับทีมวิศวกรของเราเกี่ยวกับความต้องการในการทดสอบลมขวางสำหรับ eVTOL หรือโดรนของคุณ