የፋን አሬይ የንፋስ ማመንጫ እና የንፋስ ቱናል ንፅፅር ለUAV ሙከራ

አንድ የድሮን ፕሮግራም የንፋስ መሞከሪያ ማዕከል ወደሚጠየቅበት ደረጃ ሲደርስ፣ በተመሳሳይ የበጀት መስመር ስር ሁለት በጣም የተለያዩ መሳሪያዎች ይቀርባሉ፡ የፋን አሬይ የንፋስ ማመንጫ (fan array wind generator) — በተናጠል የሚቆጣጠሩ ፋኖች ያሉት ሞጁላር ግድግዳ — ወይም የተለመደው ዝግ ዙር ስርዓት ያለው የንፋስ ቱናል (closed-circuit wind tunnel)።

እነዚህ የአንድ ማሽን ተወዳዳሪ ስሪቶች አይደሉም። የተለያዩ ጥያቄዎችን ነው የሚመልሱት። የፋን አሬይ "አውሮፕላኑ ይቋቋማል ወይ?" ለሚለው መልስ ይሰጣል። ቱናል ደግሞ "ቁጥሮቹ ምንድን ናቸው፣ በምን ያህል ትክክለኛነት?" ለሚለው መልስ ይሰጣል።

ደንበኛችን ቱናል እንዳይገዛ የምንመክርባቸውን ሁኔታዎች ጨምሮ፣ ታማኝ የሆነ ንፅፅር ከዚህ በታች ቀርቧል።

1. የፋን አሬይ በትክክል እንዴት እንደሚሰራ

የፋን አሬይ በግምት 25 × 25 cm ከሆኑ ሞጁሎች የተገነባ ሲሆን፣ እያንዳንዱ ሞጁል አነስተኛ የ"ንፋስ ፒክስሎች" ግሪድ ይዟል — በአብዛኛው በተናጠል ሊታዘዙ የሚችሉ በተቃራኒ አቅጣጫ የሚሽከረከሩ ፋኖች ጥንዶች ናቸው። ሞጁሎቹ ተደራርበው የፈለጉትን ያህል መጠን ያለው ግድግዳ ይፈጥራሉ፣ እና ተዋረድ ያለው መቆጣጠሪያ በሞጁል ወይም በፒክስል ደረጃ ያንቀሳቅሳቸዋል።

ይህ አወቃቀር ክላሲክ ቱናል ሊያቀርበው የማይችለውን ነገር ይሰጣል፡ የፍሰት መስኩን በቦታ እና በጊዜ ቅርፅ መስጠት ይቻላል። በመውጫው ላይ ያለ ግሬዲየንት፣ የሚሽከረከር ቮርቴክስ፣ የአቅጣጫ ፈጣን ለውጥ፣ ፕሮግራም የተደረገ የሺር ሌየር (shear layer) — ሁሉም በሶፍትዌር የሚሰሩ ይሆናሉ።

የታተሙ አሃዞች የክፍሉን ግንዛቤ ይሰጣሉ። እያንዳንዱ የንፋስ ፒክስል — በተቃራኒ አቅጣጫ የሚሽከረከሩ ፋኖች ጥንድ — እስከ 16 m/s የሚደርስ ፍሰት ለመግፋት የተመዘነ ሲሆን፣ አንድ ሞጁል ዘጠኙን በግምት 25 × 25 cm ውስጥ ያካትታል፤ የግድግዳው መጠን እና አጠቃላይ ኃይል መውጫው በሚፈልገው የሞጁሎች ብዛት ልክ ያድጋል። የንግድ የንፋስ ግድግዳዎች እስከ 20 m/s፣ ወይም ኮንቨርጀንት (convergent) ሲገጠምላቸው እስከ 58 m/s ይደርሳሉ ተብሎ ይጠቀሳል። የተርቡለንስ ጥንካሬ (turbulence intensity) በ5% አካባቢ የሚገኝ ሲሆን፣ በአማራጭ የፍሰት ማጣሪያ ከ1% በታች ሊወርድ ይችላል።

እነዚህ አራት ቁጥሮች — ስፋት፣ ፍጥነት፣ ኃይል፣ ተርቡለንስ — አጠቃላይ ንፅፅሩን በአጭሩ ያሳያሉ።

2. የፋን አሬይ በእውነት የተሻለ የሚሆንባቸው ነገሮች

ነፃ በረራ (Free flight)። አውሮፕላኑ በራሱ አውቶፓይለት (autopilot) በመታገዝ፣ ያለ ምንም ድጋፍ፣ ከግድግዳው ፊት ለፊት ይበራል። ምንም ስቲንግ (sting)፣ ምንም ሚዛን፣ ምንም የድጋፍ ጣልቃ ገብነት የለም — እና እርስዎ እየሞከሩ ያሉት ስርዓቱን ነው፣ ይህም አብዛኛዎቹ የከተማ ውስጥ ውድቀቶች የሚከሰቱበት ነው።
ፕሮግራም ሊደረግ የሚችል ረብሻ (Programmable disturbance)። የተወሰነ ክስተትን እንደገና መፍጠር — የህንፃ ዌክ (building wake)፣ የሮተር-ዳውንዋሽ (rotor-downwash) ማቋረጫ፣ የ40° ድንገተኛ የአቅጣጫ ለውጥ — እና ለሁለት የፈርምዌር (firmware) ስሪቶች በትክክል ተመሳሳይ በሆነ መልኩ መድገም አሬዩ (array) የተነደፈበት ዋና ዓላማ ነው።
የማደግ አቅም (Scalability)። ትልቅ የፍሰት መስክ ይፈልጋሉ? ሞጁሎችን ይጨምሩ። የቱናል የሙከራ ክፍል (test section) ከመጀመሪያው ቀን ጀምሮ በኮንክሪት የፀና ነው።
ተደራሽነት እና ፈጣን ቅያሬ (Access and turnaround)። በሙከራዎች መካከል ፔይሎዶችን (payloads)፣ ፕሮፔለሮችን ወይም የባትሪ ጥቅሎችን መቀየር ደቂቃዎችን ብቻ የሚወስድ ሲሆን፣ ተሽከርካሪው ከሁሉም አቅጣጫ ተደራሽ ነው።
ቀላል የሲቪል ስራዎች። ይህ በአዳራሽ ውስጥ ያለ ማሽን እንጂ፣ በዳክት ዙሪያ የተገነባ ህንፃ አይደለም።

ለቁጥጥር-ህግ (control-law) ማበልፀጊያ፣ ለአውቶፓይለት ማስተካከያ፣ ለንፋስ-ምላሽ (gust-response) ማሳያዎች እና ለደንበኛ ለሚቀርቡ ሙከራዎች፣ ይህ ብዙ ጊዜ ትክክለኛው ግዢ ነው።

3. የፋን አሬይ አቅም የሚያበቃበት

ገደቦቹ ፊዚካዊ እንጂ የንግድ አይደሉም፣ እና ታማኝ አቅራቢዎች ይህንን ይገልፃሉ።

የፍሰት ጥራት (Flow quality)። 5% አካባቢ የተርቡለንስ ጥንካሬ ለጥንካሬ ሙከራ ጥሩ ሲሆን ለንፁህ ድራግ ፖላር (drag polar) ግን ዋጋ የለውም። ማጣሪያዎች ይረዳሉ፣ ነገር ግን በፍጥነት እና በኃይል ወጪ ነው። የሰርተፍኬት ደረጃ ያላቸው የአየር ዳይናሚክ ኮፊሸንቶች (aerodynamic coefficients) በዚያ አካባቢ ውስጥ አይመረቱም።
የክፍት ጄት ባህሪ (Open jet behaviour)። ፍሰቱ ግድግዳውን ለቆ እንደወጣ ወዲያውኑ የክፍሉን አየር ማስገባት፣ መስፋፋት እና መዳከም ይጀምራል። ጥቅም ላይ ሊውል የሚችለው፣ ወጥ የሆነው ማዕከላዊ ክፍል ከመውጫው ስፋት በጣም ያነሰ ነው፣ እና በርቀት መጠን እያነሰ ይሄዳል።
በአንድ አሃድ ስፋት የፍጥነት ጣሪያ። ኃይል ከፍጥነት ኪዩብ (cube) ጋር ያድጋል። ትልቅ መውጫን ወደ ከፍተኛ ፍጥነት ማድረስ የአሬዩ የኤሌክትሪክ ክፍያ ከቱናል የሚበልጥበት ቦታ ነው — ክፍት ጄት በሚሰራበት እያንዳንዱ ሰከንድ የክፍሉን አየር ከቆመበት ያፋጥነዋል።
ምንም የአካባቢ ቁጥጥር የለም። የሙቀት መጠን፣ እርጥበት እና የአየር እፍጋት አዳራሹ ባለው ሁኔታ ላይ የተመሰረቱ ናቸው። በጥር ወር የወሰዱትን መለኪያ በሐምሌ ወር መድገም ቀላል አይደለም።
ኃይሎች ይገመታሉ እንጂ አይለኩም። ሚዛን ከሌለ፣ የአየር ዳይናሚክ ኮፊሸንቶች ከቀጥታ የኃይል መለኪያ ይልቅ ከተሽከርካሪው ቴሌሜትሪ (telemetry) እና ሞዴሎች ይመጣሉ።

አንድ ጉዳይ የፍጥነት ጣሪያውን ረቂቅ ከመሆን ይልቅ ተጨባጭ ያደርገዋል፡

high-speed FPV interceptor and racing drones

አሁን በ300–400 km/h ይበራሉ፣ ይህ ክፍል በጣም በፍጥነት እያደገ በመሆኑ በቀጥታ እንጠየቅበታለን። በገበያ ላይ ያለ ምንም የፋን አሬይ ይህን ፍጥነት አይደርስም — የንግድ ጣሪያው ኮንቨርጀንት ተገጥሞለት እንኳን 58 m/s (በግምት 209 km/h) አካባቢ ነው፣ ይህም አንድ ኢንተርሴፕተር (interceptor) ከሚፈልገው ከግማሽ ትንሽ የሚበልጥ ነው። ለዚህ የፍጥነት ክፍል ዝግ ዙር ስርዓት ያለው የንፋስ ቱናል (closed-circuit tunnel) የቅንጦት አማራጭ አይደለም፤ በአካል የሚሰራው ብቸኛው አማራጭ ነው።

4. ዝግ ዙር ስርዓት ያለው የንፋስ ቱናል በተለየ ሁኔታ የሚያደርገው

ዝግ ዙር (closed loop) ተመሳሳይ አየርን በማዕዘን መመሪያ ቫኔስ (Turning vanes)፣ ሃኒኮምብ (የፍሰት ማስተካከያ) እና ስክሪኖች/መረቦች (የፍሰት ማስተካከያ ሜሽ) ባለው የፍሰት ማረጋጊያ ክፍል (ሴትሊንግ ቻምበር)፣ እንዲሁም ፍሰቱን በሚያፋጥን እና ተርቡለንስን በሚቀንስ የመጠበቂያ (መቀነሻ) ክፍል በኩል መልሶ ያሽከረክራል። ያ ጂኦሜትሪ ሶስት ነገሮችን ይሰጣል፡

የፍሰት ጥራት በግንባታ (Flow quality by construction)። ዝቅተኛ-ተርቡለንስ ሁኔታዎች እና በክፍሉ ውስጥ ወጥ የሆነ የፍጥነት ፕሮፋይል — ለተደጋጋሚ ኮፊሸንቶች እና ሆን ብለው ለሚያስገቡት ረብሻ ጥናት የሚያስፈልገው መሰረት ነው።
የአካባቢ ቁጥጥር (Environment control)። አየሩ የታጠረ ስለሆነ፣ የሙቀት መጠንን መቆጣጠር ይቻላል። የክረምት እና የበጋ መረጃዎችን ተነፃፃሪ የሚያደርገው ይህ ነው፣ እና ለአየር ንብረት እና ለበረዶ (icing) ሞጁሎች ቅድመ ሁኔታ ነው።
የማስኬጃ ወጪ (Running cost)። ፋኑ የቆመን አየር ከማፋጠን ይልቅ በዙሩ ውስጥ ያለውን የኪነቲክ ኢነርጂ (kinetic energy) መልሶ ይጠቀማል። በተመሳሳይ መጠን እና ፍጥነት ይህ ከክፍት ዙር (open-circuit) አደረጃጀት ጋር ሲነፃፀር በግምት ከ60–70% የኤሌክትሪክ ክፍያ ያድናል — ስሌቱ በ

closed-circuit vs open-circuit wind tunnels

ውስጥ ይገኛል።

ዋጋው ጥብቅነት (rigidity) ነው፡ የክፍሉ መጠን በዲዛይን ጊዜ ይወሰናል፣ ሞዴሉ አብዛኛውን ጊዜ ይደገፋል፣ የብሎኬጅ (blockage) ገደቦች ተፈፃሚ ይሆናሉ፣ እና ህንፃው የማሽኑ አካል ነው።

5. የተግባር እና የማዕከል ማዛመጃ

ምን ማድረግ እንዳለብዎ	የፋን አሬይ	ዝግ ዙር ስርዓት ያለው የንፋስ ቱናል
አውቶፓይለትን ለንፋስ ማስተካከል	አዎ — ነፃ በረራ፣ ፕሮግራም የሚደረግ ረብሻ	ይቻላል፣ ግን የተገደበ ነው
ለደንበኛ ጥንካሬን ማሳየት	አዎ — የሚታይ፣ ፈጣን ቅያሬ	ብዙም አሳማኝ አይደለም
የተወሰነ የህንፃ ዌክን (wake) መድገም	አዎ — የቦታ እና የጊዜ ቁጥጥር	በሞዴል-ደረጃ የከተማ ሲሙሌሽን ብቻ
ድራግ ፖላር እና የሮተር ብቃትን መለካት	አይ	አዎ — ሚዛን፣ ዝቅተኛ ተርቡለንስ
የሰርተፍኬት ደረጃ ያላቸው ኮፊሸንቶችን ማምረት	አይ	አዎ
የበረዶ (icing)፣ የቅዝቃዜ፣ የሙቀት-እና-ከፍታ ሙከራ	አይ	አዎ ፣ ከአየር ንብረት ሞጁል ጋር
አኮስቲክ (የድምፅ) መለኪያዎች	ከባድ — የአሬይ ድምፅ ያይላል	አዎ ፣ በአኔኮይክ (anechoic) ወይም በታከመ ክፍል ውስጥ
በኋላ ወደ ትልቅ ኤርፍሬም (airframe) ማሳደግ	አዎ — ሞጁሎችን ይጨምሩ	ከመጀመሪያው ጀምሮ ዲዛይን ከተደረገ ብቻ
ለዓመታት በቀን 8 ሰዓት ማስራት	በፍጥነት ጊዜ ውድ ነው	አዎ — ይህ ቀልጣፋው አማራጭ ነው

6. የድብልቅ (hybrid) መልስ፣ እና እንዴት በደረጃ እንደሚተገበር

አብዛኛዎቹ አሳሳቢ ፕሮግራሞች በመጨረሻ ሁለቱንም ይጠቀማሉ፣ እና ከምርጫው ይልቅ ቅደም ተከተሉ የበለጠ አስፈላጊ ነው።

ተግባራዊ መንገድ፡ የቁጥጥር ህጎቹ ገና ያልበሰሉ ሲሆኑ እና ኤርፍሬሙ አሁንም እየተቀየረ ባለበት ጊዜ በአሬይ ይጀምሩ — ብዙ ፈጣን፣ ርካሽ፣ እና ስህተትን የሚቀበሉ ድግግሞሾች (iterations) የሚፈልጉት ያኔ ነው። ጥያቄዎቹ ወደ ቁጥሮች ሲቀየሩ ቱናል ይጨምሩ ፡ ብቃት፣ ፅናት፣ የሮተር መስተጋብር፣ ድምፅ፣ የሰርተፍኬት ማስረጃ፣ የአካባቢ ገደቦች።

ስህተቱ ቱናሉን መጀመሪያ መግዛት ነው፣ በአስራ ስምንት ወራት ውስጥ ለማይኖር ኤርፍሬም በተወሰነ መጠን።

እኛ በመደበኛነት የምንገነባው የመካከለኛ መንገድም አለ፡ ዝግ ዙር ቱናል ከክፍት ጄት የሙከራ ክፍል (open-jet test section) ጋር፣ ይህም የዙሩን የፍሰት ጥራት እና የሙቀት ቁጥጥር ጠብቆ የአሬይን ተደራሽነት እና የነፃ በረራ ባህሪ በብዛት ይመልሳል። ከንፋስ ግድግዳ የበለጠ እና ከተሳሳተ ማዕከል ያነሰ ወጪ ያስወጣል።

7. የምናያቸው አምስት ስህተቶች

ከፍተኛ ፍጥነቶችን ማወዳደር። ከግድግዳ የሚወጣ 20 m/s እና በቱናል ውስጥ ያለ 20 m/s አንድ አይነት 20 m/s አይደሉም። ወጥ የሆነውን ማዕከላዊ ክፍል፣ የተርቡለንስ ጥንካሬን እና የሙቀት መረጋጋትን ያወዳድሩ።
አዳራሹን ችላ ማለት። ክፍት ጄት ከክፍሉ ጋር መስተጋብር ይፈጥራል። በትንሽ አዳራሽ ውስጥ፣ ሪሰርኩሌሽን (recirculation) እያንዳንዱን ሙከራ በፀጥታ ያበላሻል።
ብሎኬጅን (blockage) መርሳት። በቱናል ውስጥ፣ ከመጠን በላይ ትልቅ የሆነ ሞዴል ጥብቅ መስሎ ከመታየቱ ከረጅም ጊዜ በፊት መረጃውን ዋጋ አልባ ያደርገዋል።
አኮስቲክስ (ድምፅ) በነፃ ይመጣል ብሎ ማሰብ። የፋን አሬዮች በዲዛይናቸው ጫጫታ ያላቸው ናቸው፤ የፕሮፔለር ድምፅ ስራ የታከመ ክፍል ይፈልጋል።
ለዛሬው ኤርፍሬም መጠን ማውጣት። ሁለቱም ማዕከሎች እነሱን ካፀደቃቸው ተሽከርካሪ በላይ ዕድሜ አላቸው። ለፕሮቶታይፑ (prototype) ሳይሆን ለቤተሰቡ (family) ይግለፁ።

8. በራስዎ የሙከራ ማትሪክስ (test matrix) መወሰን

ታማኙ ማጠቃለያ፡ ክፍት ጥያቄዎችዎ ስለ ባህሪ ከሆኑ፣ አሬዩን ይግዙ። ስለ ቁጥሮች ከሆኑ፣ ቱናሉን ይግዙ። ስለ ሰርተፍኬት እና የምርት ኢኮኖሚክስ ከሆኑ፣ በመጨረሻ ሁለቱንም ይፈልጋሉ — ቅደም ተከተሉን በሂደት ከማግኘት ይልቅ ሆን ብለው ያቅዱ።

እኛ ለነፃ በረራ ስራ የሚሆኑ ክፍት ጄት ክፍሎችን ጨምሮ ብጁ ዝግ ዙር ቱናሎችን ዲዛይን አድርገን እንገነባለን፣ እና አንድ ፕሮጀክት ገና ቱናል በማይፈልግበት ጊዜ በግልፅ እንናገራለን። መነሻ ነጥቡ በሁለቱም መንገድ አንድ ነው፡ ምን መለካት እንዳለበት፣ በምን ያህል እርግጠኛ አለመሆን (uncertainty)፣ በምን ፍጥነት፣ በየትኛው ኤርፍሬም ላይ። ተዛማጅ ንባብ፡

eVTOL crosswind and gust testing

እና የእኛ

comparison of wind tunnel types

።

የሙከራ ማትሪክስዎን ይላኩልን እና የትኞቹ ክፍሎች ቱናል እንደሚፈልጉ — እና የትኞቹ እንደማይፈልጉ እንነግርዎታለን።

ምንጮች እና ማስታወሻዎች

የፋን አሬይ አወቃቀር (በግምት 25 × 25 cm የሆኑ ሞጁሎች፣ ዘጠኝ የንፋስ ፒክስሎች በተቃራኒ አቅጣጫ የሚሽከረከሩ ፋኖች፣ በተናጠል ሊቆጣጠሩ የሚችሉ፣ ተዋረድ ያለው ቁጥጥር)፡ How a WindShaper Works, Tyto Robotics።
በፒክስል የተመዘነ ፍጥነት 16 m/s እና የሞጁል አወቃቀር፡ Custom Wind Tunnel Datasheet, Tyto Robotics/WindShape።
ንቁ የሴል ቁጥጥር እና የፋን አሬይ የንፋስ ማመንጫዎች የተርቡለንስ ባህሪ፣ በቴክኖሎጂው ክፍል ላይ እንደ አጠቃላይ ማጣቀሻ፡ Turbulence enhancement of a fan array wind generator, arXiv እና Aerodynamic Characterization of a Fan Array Wind Generator, arXiv።
የተጠቀሱ የንግድ ገደቦች እስከ 20 m/s፣ ኮንቨርጀንት ሲገጠም እስከ 58 m/s፣ የተርቡለንስ ጥንካሬ 5% አካባቢ እና በፍሰት ማጣሪያ ከ1% በታች፡ How WindShaper fan arrays enhance drone testing, Dantec Dynamics።
ለUAV እና AAM ማረጋገጫ በእውነተኛ-መጠን የከባቢ አየር ንፋስ እና ተርቡለንስን በፋን አሬዮች መድገም፡ AIAA SciTech 2023-0812።
በዝግ እና ክፍት ዙሮች መካከል ያለው የኃይል ንፅፅር (60–70%) የTunnelTech የፕሮጀክት መረጃ ነው፣ ይህም በዙር ምርጫ ላይ ካሳተምነው ጽሑፍ ጋር የሚስማማ ነው።
ለተወሰኑ የንግድ ምርቶች አሃዞች ከአቅራቢዎቻቸው የተጠቀሱ ሲሆን በፕሮፖዛል ውስጥ ከመጠቀማቸው በፊት አሁን ካለው ዳታሺት (datasheet) ጋር እንደገና መረጋገጥ አለባቸው።

የፋን አሬይ የንፋስ ማመንጫዎች እና ዝግ ዙር ስርዓት ያላቸው የንፋስ ቱናሎች ንፅፅር፡ የUAV መሞከሪያ ማዕከልን መምረጥ