Випробування в аеродинамічній трубі для міської повітряної мобільності: eVTOL та БПЛА в умовах бокового вітру та поривів

Літальний апарат, розроблений для відкритого неба, і апарат, створений для міста, — це дві різні машини, і різниця полягає не в конструкції планера, а в самому повітрі.

Над дахами потік відривається і знову приєднується. Між двома вежами він прискорюється. За парапетом утворюються вихори з частотою, яка залежить від будівлі, а не від літального апарата. Вантажний дрон або аеротаксі під час заходу на посадку на вертіпорт проводить свої найбільш критичні для безпеки хвилини саме там, де атмосфера є найменш сприятливою.

Саме тому випробування eVTOL в аеродинамічній трубі перестали бути етапом валідації на пізніх стадіях і стали визначальним фактором проектування. Нижче наведено опис того, що насправді відбувається з апаратом в умовах міського вітру, як ці умови відтворюються у випробувальному комплексі та як розрахувати розміри комплексу, здатного їх створити.

---

1. Чому міське повітря складніше за відкрите небо

Тут домінують три ефекти, і жоден з них не присутній у чистому, стабільному потоці під час класичних аеродинамічних випробувань.

Зсув вітру. Швидкість вітру стрімко змінюється з висотою поблизу будівель. Апарат, що набирає висоту з вертіпорту, може за кілька секунд пройти через значний градієнт швидкості, і при цьому кожен ротор стикається з різним набігаючим потоком.

Відрив потоку та аеродинамічні сліди. Кожен край будівлі є генератором вихорів. За вежею за течією апарат пролітає через аеродинамічний слід, характерні вихори якого визначаються розмірами самої споруди — і малі літальні апарати піддаються впливу набагато ширшого діапазону розмірів вихорів, ніж великі. Турбулентність найкраще уявити як суперпозицію вихорів різних масштабів; найбільше апарат збурюють вихори, розмір яких співмірний з ним самим або більший за нього. Саме тому 3-метровий eVTOL набагато чутливіший до одного й того ж поля поривів вітру, ніж пасажирський лайнер.

Теплові та штучні потоки. Нагріті сонцем фасади, паркінги та вихлопи систем вентиляції і кондиціонування (HVAC) додають вертикальні складові швидкості, які змінюються протягом дня і залишаються непомітними для стандартних метеорологічних зведень.

У результаті виникає середовище збурень, яке не просто сильніше за вітер на відкритій місцевості, але й має структуру — а системи керування дають збій саме через структуру, а не через усереднені значення.

---

2. Що насправді виходить з ладу

З нашого досвіду роботи з програмами випробувань БПЛА та eVTOL, більшість несподіванок пов'язані з чотирма режимами відмов:

• Вичерпання запасу керування. При постійному боковому вітрі апарат утримує положення за рахунок постійного зміщення тяги роторів. Це зміщення «з'їдає» запас, доступний для компенсації поривів. Апарат виглядає стабільним — аж поки не з'являється порив вітру, і ресурсу для протидії вже не залишається.
• Асиметрія тяги перетворюється на асиметрію потужності. Окремі ротори досягають межі насичення в різний час. На акумуляторно-електричній платформі це проявляється у вигляді стрибків струму на певних електронних регуляторах швидкості (ESC), і теплові обмеження можуть бути досягнуті задовго до аеродинамічних.
• Утримання позиції погіршується раніше, ніж утримання положення в просторі. Автопілот утримує апарат рівно, але його все одно зносить. Для операцій на вертіпортах цей знос є критичним для безпеки параметром.
• Якість польоту погіршується раніше, ніж втрачається керування. Для пасажирських апаратів допустимий діапазон експлуатації визначається тим, що можуть витримати люди, а не тим, що здатен витримати польотний контролер.

Жоден із цих факторів неможливо виявити під час випробувань на зависання в нерухомому повітрі, але всі вони відтворюються в аеродинамічній трубі.

---

3. Чого насправді вимагає сертифікація

Для літальних апаратів VTOL малої категорії європейською нормативною базою є Спеціальні умови EASA SC-VTOL-01 , опубліковані 2 липня 2019 року, разом із постійною серією документів щодо Засобів відповідності (Means of Compliance), які розробляються з травня 2020 року.

Важливим моментом для інженера-випробувача є широта визначення умов навколишнього середовища. SC-VTOL враховує вітер з будь-якого напрямку — включаючи боковий вітер, градієнт вітру, пориви, зсув вітру та турбулентність — поряд з обледенінням, опадами та температурою, і вимагає їх розгляду при різних амплітудах, які описуються як легкі, помірні та суворі.

Така структура має два практичні наслідки:

1. Ваша матриця випробувань за визначенням є багатоосьовою. Демонстрація характеристик при зустрічному вітрі мало що доводить; набір умов має спрямований характер і включає нестаціонарні складові.
2. Показники є специфічними для кожної програми. Заявлені можливості роботи при боковому та попутному вітрі встановлюються через відповідні Засоби відповідності для конкретного літального апарата, а не беруться з універсальної таблиці. До будь-кого, хто наводить єдиний універсальний ліміт бокового вітру для eVTOL, слід ставитися з підозрою — і це стосується також постачальників.

Тому випробувальний комплекс має бути спроектований з урахуванням вашого заявленого діапазону експлуатації, плюс запас для помірних і суворих умов, які ви плануєте дослідити.

---

4. Як міський вітер відтворюється в аеродинамічній трубі

Існує три групи методів, і серйозні програми використовують більше одного.

Пасивна генерація турбулентності. Решітки, шпилі, елементи шорсткості та бар'єри, розміщені вище за потоком, створюють турбулентний прикордонний шар із заданим профілем та інтенсивністю. Це класичний підхід вітрової інженерії: дешевий, стабільний і з високою повторюваністю, але спектр турбулентності по суті є фіксованим після встановлення обладнання.

Активна генерація поривів. Коливні лопатки перед випробувальною секцією або масив вентиляторів з індивідуально керованими комірками створюють потік, що змінюється в часі — дискретні пориви, синусоїдальне збудження, раптові зміни напрямку, запрограмований зсув вітру. Це єдиний спосіб відтворити конкретну подію, наприклад, проходження через аеродинамічний слід будівлі, і повторити її ідентично для двох різних версій законів керування.

Масштабне моделювання міської забудови. Масштабні моделі вертіпорту та його околиць розміщуються вище за потоком, і апарат випробовується всередині аеродинамічного сліду, який вони реально створюють. Саме так забудоване середовище інтегрується у випробування, а не апроксимується лише показником інтенсивності турбулентності.

Незалежно від того, який метод використовується, два конфігураційні рішення визначають усе інше: чи буде апарат встановлений на аеродинамічні ваги — що забезпечує чисті дані щодо сил, моментів і повторюваність — чи він буде вільно літати у великій секції з відкритим струменем із власним автопілотом, що замикає контур керування, що дозволяє тестувати систему в цілому, а не лише планер. Перехід від зависання до поступального польоту, де кут набігаючого потоку проходить через увесь діапазон, а аеродинамічні сліди роторів взаємодіють із крилами та конструкцією, є найціннішим маневром для відтворення, і для нього потрібні обидва підходи.

---

5. Робоча матриця випробувань

Для апаратів, що працюють у міських умовах, матриця зазвичай охоплює:

Мінімальний набір вимірювань: сили та моменти на аеродинамічних вагах, оберти (RPM) і струм кожного ротора, задане та фактичне положення і позиція, прискорення в місці розташування корисного навантаження або кабіни, а також еталонні параметри набігаючого потоку від вимірювальної системи аеродинамічної труби.

---

6. Визначення розмірів випробувального комплексу

Якщо ви проектуєте аеродинамічну трубу, а не орендуєте час у ній, визначальними є чотири параметри:

• Розмір випробувальної секції порівняно з розмахом апарата. Ефект захаращення спотворює дані задовго до того, як це стає візуально помітно. Для повномасштабного малого БПЛА потрібна секція, яка на папері виглядає надмірно великою.
• Діапазон швидкостей, включаючи нижню межу. Робота з UAM відбувається в діапазоні 0–30 м/с. Створити стабільні, рівномірні 3 м/с складніше, ніж 25 м/с, а саме на цій швидкості збираються дані про зависання та перехід на низькій швидкості.
• Якість потоку там, де це важливо. Низька турбулентність — це базова лінія, до якої труба повинна мати змогу повернутися; ви не можете вивчати порив вітру, який неможливо відрізнити від фону.
• Доступ до секції та безпека. Випробування у вільному польоті вимагають наявності страхувальної сітки, системи аварійної зупинки, яка спрацьовує швидше за апарат, та концепції доступу для зміни конфігурацій багато разів на день.

Архітектури замкненого контуру домінують тут з тих самих причин, що й усюди: повторюваність, контроль температури та експлуатаційні витрати — компроміси викладені в

Аеродинамічні труби замкненого та відкритого контуру для наукових досліджень

, а рішення щодо орієнтації, яке лежить в їх основі, — у нашому

Горизонтальні, вертикальні та похилі аеродинамічні труби

.

---

7. П'ять помилок, яких варто уникати

• Випробування лише при зустрічному вітрі. Це найдешевша умова для тестування і найменш інформативна.
• Звітування за усередненими значеннями. Реакція на порив вітру є перехідним процесом. Усереднені дані приховують саме ту подію, заради якої ви проводили випробування.
• Ігнорування впливу поверхні землі. Поблизу майданчика вертіпорту рециркуляція та екранний ефект повністю змінюють набігаючий потік.
• Випробування планера, але не законів керування. Більшість відмов у міських умовах є системними; модель, встановлена на аеродинамічні ваги із «замороженим» контролером, їх не виявить.
• Відкладання кліматичних та аеродинамічних випробувань на етап після затвердження дизайну. Можливість роботи при боковому вітрі забезпечується розмірами роторів і запасом керування — це рішення, які приймаються на ранніх етапах, і їх зміна на пізніх стадіях коштує дуже дорого.

---

8. Від плану випробувань до випробувального комплексу

Міська повітряна мобільність сертифікується для середовища, яке має спрямований характер, є нестаціонарним і залежить від конкретної локації. Відповідність цьому стандарту означає відтворення таких умов на землі, з високою повторюваністю, сотні разів, задовго до того, як літальний апарат здійснить захід на посадку між реальними будівлями.

Ми проектуємо та будуємо спеціалізовані випробувальні комплекси саме для такого класу завдань — аеродинамічні труби замкненого контуру, розміри яких підібрані під апарат, зі стабільністю на низьких швидкостях, генерацією поривів вітру та інтеграцією вимірювальних систем, що плануються ще на етапі аеродинамічної концепції, а також із кліматичними модулями та модулями перевірки на довговічність, які можна додавати в міру розвитку програми. Нашою відправною точкою є ваша матриця випробувань, а не каталог.

Надішліть нам ваш діапазон експлуатації та розміри апарата , і ми запропонуємо концепцію комплексу: розмір випробувальної секції, діапазон швидкостей, потужність приводу та площу забудови.

---

Джерела та примітки

• Спеціальні умови EASA для літальних апаратів VTOL малої категорії, SC-VTOL-01, опубліковані 2 липня 2019 року, та наступні публікації щодо Засобів відповідності: SC-VTOL-01, Fourth publication of MoC with SC-VTOL.
• Чутливість малих літальних апаратів до широкого діапазону масштабів вихорів та погляд вітрової інженерії на операції UAM: Urban Air Mobility: A Wind Engineering Perspective, WSP.
• Середовище поривів вітру поблизу будівель: "Gusts Encountered by Flying Vehicles in Proximity to Buildings", Drones, 2023.
• Пасивна генерація турбулентності (решітки, елементи шорсткості, шпилі) є класичною практикою вітрової інженерії; класифікація в порівнянні з активно керованими масивами вентиляторів є власним формулюванням TunnelTech. Щодо активної генерації, зокрема, покомпонентне керування та характеристика турбулентності вітрогенераторів на базі масивів вентиляторів: Turbulence enhancement of a fan array wind generator, arXiv.
• Тут навмисно не наводиться жодних універсальних числових лімітів бокового вітру для eVTOL: заявлені швидкості бокового та попутного вітру встановлюються для кожної програми через відповідні Засоби відповідності.
• Діапазони матриці випробувань та рекомендації щодо визначення розмірів комплексу є інженерною практикою TunnelTech, які мають бути підтверджені для конкретного апарата та локації.