اربن ایئر موبیلٹی کے لیے ونڈ ٹنل ٹیسٹنگ: کراس ونڈز اور ہوا کے جھونکوں میں eVTOL اور ڈرونز

کھلے آسمان کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہوائی جہاز اور شہر کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہوائی جہاز دو مختلف مشینیں ہیں، اور ان میں فرق ایئر فریم کا نہیں — بلکہ ہوا کا ہے۔

چھت کے اوپر، بہاؤ الگ ہوتا ہے اور دوبارہ جڑتا ہے۔ دو ٹاورز کے درمیان، اس کی رفتار تیز ہو جاتی ہے۔ پیراپیٹ کے پیچھے، یہ ایسی فریکوئنسی پر بھنور (vortices) خارج کرتا ہے جس کا انحصار عمارت پر ہوتا ہے، نہ کہ ہوائی جہاز پر۔ ورٹی پورٹ اپروچ پر اڑنے والا کارگو ڈرون یا ایئر ٹیکسی اپنے سب سے اہم اور حفاظتی لحاظ سے حساس منٹ بالکل وہیں گزارتے ہیں جہاں فضا سب سے کم سازگار ہوتی ہے۔

یہی وجہ ہے کہ eVTOL ونڈ ٹنل ٹیسٹنگ اب صرف آخری مراحل کا توثیقی قدم نہیں رہی بلکہ ایک ڈیزائن ڈرائیور بن چکی ہے۔ ذیل میں بتایا گیا ہے کہ شہری ہوا میں کسی گاڑی کے ساتھ دراصل کیا ہوتا ہے، ان حالات کو ٹیسٹ کی سہولت میں کیسے دوبارہ پیدا کیا جاتا ہے، اور انہیں پیدا کرنے والی سہولت کا سائز کیسے طے کیا جاتا ہے۔

---

1. شہری ہوا کھلے آسمان سے زیادہ مشکل کیوں ہے

تین اثرات غالب ہوتے ہیں، اور ان میں سے کوئی بھی کلاسک پرفارمنس ٹیسٹ کے صاف اور مستحکم بہاؤ میں موجود نہیں ہوتا۔

شیئر (Shear)۔ عمارتوں کے قریب اونچائی کے ساتھ ہوا کی رفتار تیزی سے بدلتی ہے۔ ورٹی پورٹ سے اڑان بھرنے والا ہوائی جہاز چند سیکنڈز میں ایک نمایاں ویلوسٹی گریڈینٹ سے گزر سکتا ہے، اور اس دوران ہر روٹر کو ایک مختلف اِن فلو کا سامنا ہوتا ہے۔

علیحدگی اور وییکس (Separation and wakes)۔ عمارت کا ہر کنارہ ایک ورٹیکس جنریٹر ہوتا ہے۔ ٹاور کے ڈاؤن اسٹریم میں، ہوائی جہاز ایک ایسے ویک (wake) سے گزرتا ہے جس کے مخصوص بھنوروں (eddies) کا سائز اسٹرکچر سے طے ہوتا ہے — اور چھوٹے ہوائی جہاز بڑے ہوائی جہازوں کی نسبت بھنوروں کے سائز کی بہت وسیع رینج سے متاثر ہوتے ہیں۔ ٹربولینس کو مختلف پیمانوں کے بھنوروں کے سپرپوزیشن کے طور پر بہترین انداز میں سمجھا جا سکتا ہے؛ ایک گاڑی ان بھنوروں سے سب سے زیادہ متاثر ہوتی ہے جو اس کے اپنے سائز کے برابر یا اس سے بڑے ہوں، یہی وجہ ہے کہ ایک 3 m کا eVTOL اسی گسٹ فیلڈ میں ایک ایئرلائنر کی نسبت کہیں زیادہ حساس ہوتا ہے۔

تھرمل اور مصنوعی پلومز (Thermal and man-made plumes)۔ سورج سے گرم ہونے والے اگواڑے، پارکنگ ڈیکس اور HVAC ایگزاسٹ عمودی ویلوسٹی کے اجزاء کا اضافہ کرتے ہیں جو دن بھر بدلتے رہتے ہیں اور معیاری موسمی رپورٹ میں نظر نہیں آتے۔

اس کا نتیجہ ایک ایسا خلل پیدا کرنے والا ماحول ہے جو نہ صرف کھلے میدان کی ہوا سے زیادہ طاقتور ہوتا ہے، بلکہ اسٹرکچرڈ ہوتا ہے — اور کنٹرول سسٹمز اوسط کے خلاف نہیں، بلکہ اسٹرکچر کے خلاف ناکام ہوتے ہیں۔

---

2. دراصل کیا خراب ہوتا ہے

UAV اور eVTOL ٹیسٹ پروگرامز کے ساتھ ہمارے تجربے میں، چار فیلیئر موڈز زیادہ تر حیرانیوں کا سبب بنتے ہیں:

• کنٹرول اتھارٹی ختم ہو جاتی ہے۔ ایک مستحکم کراس ونڈ میں گاڑی روٹر تھرسٹ کو مستقل طور پر بائس (bias) کر کے اپنا رویہ (attitude) برقرار رکھتی ہے۔ یہ بائس گسٹ ریجیکشن کے لیے دستیاب مارجن کو کھا جاتا ہے۔ گاڑی مستحکم نظر آتی ہے — یہاں تک کہ ہوا کا ایک جھونکا آتا ہے اور دینے کے لیے کچھ باقی نہیں بچتا۔
• تھرسٹ کی عدم یکسانیت پاور کی عدم یکسانیت بن جاتی ہے۔ انفرادی روٹرز مختلف اوقات میں سیچوریٹ ہوتے ہیں۔ بیٹری-الیکٹرک پلیٹ فارم پر، یہ مخصوص ESCs پر کرنٹ اسپائکس کے طور پر ظاہر ہوتا ہے، اور ایروڈائنامک حدود سے بہت پہلے تھرمل حدود تک پہنچا جا سکتا ہے۔
• ایٹیٹیوڈ ہولڈ سے پہلے پوزیشن ہولڈ خراب ہو جاتا ہے۔ آٹو پائلٹ ہوائی جہاز کو لیول رکھتا ہے لیکن پھر بھی ڈرفٹ (drift) ہوتا ہے۔ ورٹی پورٹ آپریشنز کے لیے، یہ ڈرفٹ حفاظتی لحاظ سے ایک انتہائی اہم مقدار ہے۔
• کنٹرول سے پہلے سواری کا معیار گر جاتا ہے۔ مسافر بردار گاڑیوں کے لیے، قابل قبول انویلپ اس بات سے طے ہوتا ہے کہ لوگ کیا برداشت کر سکتے ہیں، نہ کہ اس بات سے کہ فلائٹ کنٹرولر کس چیز میں بچ سکتا ہے۔

ان میں سے کوئی بھی چیز پرسکون ہوا کے ہوور ٹیسٹ میں نظر نہیں آتی، اور ان سب کو ونڈ ٹنل میں دوبارہ پیدا کیا جا سکتا ہے۔

---

3. سرٹیفیکیشن دراصل کیا مانگتی ہے

چھوٹی کیٹیگری کے VTOL ہوائی جہازوں کے لیے، یورپی فریم ورک EASA کی اسپیشل کنڈیشن SC-VTOL-01 ہے، جو 2 جولائی 2019 کو شائع ہوئی، جس کے ساتھ مئی 2020 سے تیار کردہ Means of Compliance دستاویزات کا ایک جاری سلسلہ ہے۔

ایک ٹیسٹ انجینئر کے لیے اہم نکتہ ماحولیاتی تعریف کی وسعت ہے۔ SC-VTOL کسی بھی سمت سے آنے والی ہوا — بشمول کراس ونڈ، ونڈ گریڈینٹ، گسٹ، ونڈ شیئر اور ٹربولینس — کے ساتھ ساتھ آئسنگ، بارش اور درجہ حرارت کو مخاطب کرتا ہے، اور توقع کرتا ہے کہ ان پر مختلف ایمپلی ٹیوڈز پر غور کیا جائے گا، جنہیں ہلکا، درمیانہ اور شدید قرار دیا گیا ہے۔

اس اسٹرکچر کے دو عملی نتائج ہیں:

1. آپ کا ٹیسٹ میٹرکس تعریف کے لحاظ سے ملٹی ایکسس (multi-axis) ہے۔ ہیڈ ونڈ میں کارکردگی کا مظاہرہ کرنا بہت کم ثابت کرتا ہے؛ کنڈیشن سیٹ ڈائریکشنل ہے اور اس میں غیر مستحکم مواد شامل ہے۔
2. اعداد و شمار پروگرام کے لحاظ سے مخصوص ہیں۔ اعلان کردہ کراس ونڈ اور ٹیل ونڈ کی صلاحیت کسی دیے گئے ہوائی جہاز کے لیے قابل اطلاق Means of Compliance کے ذریعے قائم کی جاتی ہے، نہ کہ کسی یونیورسل ٹیبل سے پڑھی جاتی ہے۔ کوئی بھی شخص جو eVTOL کراس ونڈ کے لیے ایک واحد یونیورسل حد کا حوالہ دیتا ہے، اسے شک کی نگاہ سے دیکھا جانا چاہیے — اور اس میں سپلائرز بھی شامل ہیں۔

اس لیے ایک ٹیسٹ کی سہولت کو آپ کے اعلان کردہ انویلپ کے ارد گرد مخصوص کیا جانا چاہیے، نیز ان درمیانے اور شدید کیسز کے لیے مارجن ہونا چاہیے جنہیں آپ دریافت کرنے کا ارادہ رکھتے ہیں۔

---

4. ونڈ ٹنل میں شہری ہوا کو کیسے دوبارہ پیدا کیا جاتا ہے

تکنیک کی تین فیملیز ہیں، اور سنجیدہ پروگرام ایک سے زیادہ کا استعمال کرتے ہیں۔

پیسیو ٹربولینس جنریشن (Passive turbulence generation)۔ اپ اسٹریم میں رکھی گئی گرڈز، اسپائرز، کھردرے عناصر اور رکاوٹیں ایک ہدف شدہ پروفائل اور شدت کے ساتھ ایک ٹربولینٹ باؤنڈری لیئر تیار کرتی ہیں۔ یہ کلاسک ونڈ انجینئرنگ اپروچ ہے: سستی، مستحکم اور انتہائی قابل تکرار، لیکن ایک بار ہارڈویئر سیٹ ہو جانے کے بعد ٹربولینس اسپیکٹرم بنیادی طور پر فکس ہو جاتا ہے۔

ایکٹو گسٹ جنریشن (Active gust generation)۔ ٹیسٹ سیکشن کے اپ اسٹریم میں دوغلی وینز (oscillating vanes)، یا انفرادی طور پر کنٹرول شدہ سیلز کے ساتھ ایک فین ایرے (fan array)، وقت کے ساتھ بدلنے والا بہاؤ پیدا کرتے ہیں — مجرد گسٹس، سائنوسائیڈل ایکسائٹیشن، اچانک سمت کی تبدیلیاں، پروگرام شدہ شیئر۔ کسی مخصوص واقعے کو دوبارہ پیدا کرنے کا یہ واحد طریقہ ہے، جیسے کہ عمارت کے ویک سے گزرنا، اور اسے دو مختلف کنٹرول-لا ورژنز کے لیے بالکل اسی طرح دہرانا۔

ماڈل اسکیل اربن سیمولیشن (Model-scale urban simulation)۔ ورٹی پورٹ اور اس کے گردونواح کے اسکیل ماڈلز کو اپ اسٹریم میں رکھا جاتا ہے، اور ہوائی جہاز کا ٹیسٹ اس ویک کے اندر کیا جاتا ہے جو وہ دراصل بناتے ہیں۔ اس طرح تعمیر شدہ ماحول ٹربولینس کی شدت کے نمبر سے تخمینہ لگائے جانے کے بجائے ٹیسٹ میں داخل ہوتا ہے۔

جو بھی استعمال کیا جائے، دو کنفیگریشن فیصلے باقی ہر چیز کو شکل دیتے ہیں: آیا گاڑی بیلنس پر نصب ہے — جو صاف فورسز، مومنٹس اور ریپیٹ ایبلٹی دیتا ہے — یا ایک بڑے اوپن جیٹ سیکشن میں فری فلائنگ کر رہی ہے جس کا اپنا آٹو پائلٹ لوپ کو بند کر رہا ہے، جو ایئر فریم کے بجائے سسٹم کو ٹیسٹ کرتا ہے۔ ہوور سے فارورڈ فلائٹ میں منتقلی، جہاں اِن فلو اینگل پوری رینج میں سوئپ کرتا ہے اور روٹر وییکس پروں اور اسٹرکچر کے ساتھ تعامل کرتے ہیں، دوبارہ پیدا کرنے کے لیے واحد سب سے قیمتی مینیوور ہے، اور اسے دونوں کی ضرورت ہوتی ہے۔

---

5. ایک قابل عمل ٹیسٹ میٹرکس

اربن آپریشنز والی گاڑی کے لیے، میٹرکس عام طور پر درج ذیل کا احاطہ کرتا ہے:

کم از کم پیمائش کی جاتی ہے: بیلنس پر فورسز اور مومنٹس، فی روٹر RPM اور کرنٹ، کمانڈڈ بمقابلہ حاصل شدہ ایٹیٹیوڈ اور پوزیشن، پے لوڈ یا کیبن کے مقام پر ایکسلریشنز، اور ٹنل اِنسترومنٹیشن سے اِن فلو ریفرنس۔

---

6. سہولت کا سائز طے کرنا

اگر آپ کسی ٹنل میں وقت کرائے پر لینے کے بجائے اسے مخصوص کر رہے ہیں، تو چار نمبرز غالب ہوتے ہیں:

• ٹیسٹ سیکشن کا سائز بمقابلہ گاڑی کا اسپین۔ بلاکیج ڈیٹا کو بصری طور پر واضح ہونے سے بہت پہلے ہی خراب کر دیتا ہے۔ ایک فل اسکیل چھوٹے UAV کو ایک ایسے سیکشن کی ضرورت ہوتی ہے جو کاغذ پر کافی حد تک اوور سائز نظر آئے۔
• اسپیڈ رینج، جس میں نچلا سرا بھی شامل ہے۔ UAM کا کام 0–30 m/s بینڈ میں ہوتا ہے۔ ایک مستحکم، یکساں 3 m/s پیدا کرنا 25 m/s پیدا کرنے سے زیادہ مشکل ہے، اور یہیں پر ہوور اور کم رفتار والے ٹرانزیشن کا ڈیٹا لیا جاتا ہے۔
• فلو کوالٹی جہاں یہ اہمیت رکھتی ہے۔ کم ٹربولینس وہ بیس لائن ہے جس پر ٹنل کو واپس آنے کے قابل ہونا چاہیے؛ آپ کسی ایسے گسٹ کا مطالعہ نہیں کر سکتے جسے آپ پس منظر سے الگ نہ کر سکیں۔
• سیکشن تک رسائی اور حفاظت۔ فری فلائٹ ٹیسٹنگ کے لیے حفاظتی جالی، ایک ایمرجنسی اسٹاپ (E-stop) جو گاڑی سے زیادہ تیز ہو، اور دن میں کئی بار کنفیگریشنز تبدیل کرنے کے لیے رسائی کے تصور کی ضرورت ہوتی ہے۔

کلوزڈ لوپ آرکیٹیکچرز یہاں انہی وجوہات کی بنا پر غالب ہیں جن کی وجہ سے وہ دوسری جگہوں پر غالب ہیں: ریپیٹ ایبلٹی، ٹمپریچر کنٹرول اور رننگ کاسٹ — اس کا ٹریڈ آف

تحقیق کے لیے بند سرکٹ بمقابلہ اوپن سرکٹ ونڈ ٹنلز

میں بیان کیا گیا ہے، اور اس کے پیچھے اورینٹیشن کا فیصلہ ہمارے

افقی، عمودی اور ترچھی ونڈ ٹنلز

میں ہے۔

---

7. پانچ غلطیاں جن سے بچنا ضروری ہے

• صرف ہیڈ ونڈ کی ٹیسٹنگ۔ یہ چلانے کے لیے سب سے سستی کنڈیشن ہے اور سب سے کم معلوماتی ہے۔
• اوسط (mean) اقدار کی رپورٹنگ۔ گسٹ کا ردعمل ایک عارضی چیز ہے۔ اوسط ڈیٹا بالکل اسی واقعے کو چھپا دیتا ہے جس کے لیے آپ ٹیسٹنگ کر رہے تھے۔
• گراؤنڈ پلین کو نظر انداز کرنا۔ ورٹی پورٹ ڈیک کے قریب، ری سرکولیشن اور گراؤنڈ ایفیکٹ اِن فلو کو مکمل طور پر تبدیل کر دیتے ہیں۔
• ایئر فریم کی ٹیسٹنگ لیکن کنٹرول لا کی نہیں۔ زیادہ تر شہری ناکامیاں سسٹم کی ناکامیاں ہوتی ہیں؛ فروزن کنٹرولر کے ساتھ بیلنس پر نصب ماڈل انہیں ظاہر نہیں کرے گا۔
• ماحولیاتی ٹیسٹنگ کو ڈیزائن فریز ہونے کے بعد تک چھوڑ دینا۔ کراس ونڈ کی صلاحیت روٹر کی سائزنگ اور کنٹرول مارجن کے ساتھ خریدی جاتی ہے — یہ وہ فیصلے ہیں جو جلد کیے جاتے ہیں اور تاخیر سے تبدیل کرنے پر مہنگے پڑتے ہیں۔

---

8. ٹیسٹ پلان سے لے کر سہولت تک

اربن ایئر موبیلٹی کو ایک ایسے ماحول کے خلاف سرٹیفائی کیا جا رہا ہے جو ڈائریکشنل، غیر مستحکم اور سائٹ کے لحاظ سے مخصوص ہے۔ اس معیار پر پورا اترنے کا مطلب یہ ہے کہ اسے زمین پر، بار بار، سینکڑوں بار دوبارہ پیدا کیا جائے، اس سے بہت پہلے کہ کوئی ہوائی جہاز حقیقی عمارتوں کے درمیان اپروچ کی پرواز کرے۔

ہم بالکل اسی کلاس کے کام کے لیے کسٹم ٹیسٹ کی سہولیات ڈیزائن اور تعمیر کرتے ہیں — گاڑی کے سائز کے مطابق کلوزڈ لوپ ٹنلز، جن میں کم رفتار کا استحکام، گسٹ جنریشن اور اِنسترومنٹیشن کا انضمام ایروڈائنامک تصور سے ہی پلان کیا گیا ہو، اور کلائمیٹ اور پائیداری کے ماڈیولز کے ساتھ جنہیں پروگرام کے پختہ ہونے پر شامل کیا جا سکتا ہے۔ ہمارا نقطہ آغاز آپ کا ٹیسٹ میٹرکس ہے، کوئی کیٹلاگ نہیں۔

ہمیں اپنا انویلپ اور گاڑی کی ڈائمینشنز بھیجیں اور ہم ایک سہولت کے تصور کے ساتھ واپس آئیں گے: سیکشن کا سائز، اسپیڈ رینج، ڈرائیو پاور اور بلڈنگ فٹ پرنٹ۔

---

ذرائع اور نوٹس

• چھوٹی کیٹیگری کے VTOL ہوائی جہازوں کے لیے EASA کی اسپیشل کنڈیشن، SC-VTOL-01، جو 2 جولائی 2019 کو شائع ہوئی، اور اس کے بعد کی Means of Compliance کی اشاعتیں: SC-VTOL-01، Fourth publication of MoC with SC-VTOL۔
• چھوٹے ہوائی جہازوں کی ایڈی اسکیلز کی وسیع رینج کے لیے حساسیت، اور UAM آپریشنز کا ونڈ انجینئرنگ نقطہ نظر: Urban Air Mobility: A Wind Engineering Perspective, WSP۔
• عمارتوں کے قریب گسٹ کا ماحول: "Gusts Encountered by Flying Vehicles in Proximity to Buildings", Drones, 2023۔
• پیسیو ٹربولینس جنریشن (گرڈز، کھردرے عناصر، اسپائرز) کلاسک ونڈ انجینئرنگ کی پریکٹس ہے؛ ایکٹیولی کنٹرولڈ فین ایرے کے خلاف درجہ بندی TunnelTech کی اپنی فریمنگ ہے۔ خاص طور پر ایکٹو سائیڈ پر، فین ایرے ونڈ جنریٹرز کا فی سیل کنٹرول اور ٹربولینس کیریکٹرائزیشن: Turbulence enhancement of a fan array wind generator, arXiv۔
• یہاں جان بوجھ کر eVTOL کے لیے کوئی یونیورسل عددی کراس ونڈ حد درج نہیں کی گئی ہے: اعلان کردہ کراس ونڈ اور ٹیل ونڈ کی رفتار قابل اطلاق Means of Compliance کے ذریعے فی پروگرام قائم کی جاتی ہے۔
• ٹیسٹ میٹرکس کی رینجز اور سہولت کے سائز کی رہنمائی TunnelTech کی انجینئرنگ پریکٹس ہے، جس کی تصدیق مخصوص گاڑی اور سائٹ کے خلاف کی جانی چاہیے۔