اختبار نفق الرياح للتنقل الجوي الحضري: طائرات eVTOL والطائرات بدون طيار في الرياح المتقاطعة وهبات الرياح

الطائرة المصممة للسماء المفتوحة والطائرة المصممة للمدينة هما آلتان مختلفتان، والفرق ليس في هيكل الطائرة — بل في الهواء.

فوق سطح المبنى، ينفصل التدفق ثم يعود ليلتصق. وبين برجين، يتسارع. وخلف حاجز السطح، يولد دوامات بتردد يعتمد على المبنى، وليس على الطائرة. تقضي طائرة الشحن بدون طيار أو التاكسي الجوي الذي يقترب من مهبط الطائرات العمودية (vertiport) الدقائق الأكثر حرجاً للسلامة في المكان الذي يكون فيه الغلاف الجوي أقل تعاوناً.

ولهذا السبب، لم يعد اختبار نفق الرياح لطائرات eVTOL مجرد خطوة تحقق في مرحلة متأخرة، بل أصبح محركاً أساسياً للتصميم. نوضح أدناه ما يحدث فعلياً للمركبة في رياح المدن، وكيف يتم استنساخ هذه الظروف في منشأة الاختبار، وكيفية تحديد حجم المنشأة القادرة على إنتاجها.

---

1. لماذا هواء المدن أصعب من السماء المفتوحة

تهيمن ثلاثة تأثيرات، ولا يوجد أي منها في التدفق النظيف والمستقر لاختبار الأداء الكلاسيكي.

قص الرياح (Shear). تتغير سرعة الرياح بسرعة مع الارتفاع بالقرب من المباني. يمكن للطائرة التي ترتفع من مهبط الطائرات العمودية أن تمر عبر تدرج كبير في السرعة في بضع ثوانٍ، وتواجه كل مروحة دوّارة (rotor) تدفقاً داخلياً مختلفاً أثناء حدوث ذلك.

الانفصال والآثار المضطربة (Separation and wakes). كل حافة مبنى هي مولد للدوامات. في اتجاه مجرى الريح لبرج ما، تطير الطائرة عبر أثر مضطرب يتحدد حجم دواماته المميزة بواسطة الهيكل — وتتأثر الطائرات الصغيرة بنطاق أوسع بكثير من أحجام الدوامات مقارنة بالطائرات الكبيرة. أفضل تصور لاضطراب الجريان (Turbulence) هو تراكب دوامات بمقاييس متعددة؛ وتتأثر المركبة بشكل أكبر بالدوامات التي تقارب حجمها أو تكبرها، وهذا هو السبب في أن طائرة eVTOL بحجم 3 m أكثر حساسية بكثير من طائرة ركاب تجارية لنفس مجال هبات الرياح.

الأعمدة الحرارية والاصطناعية. تضيف الواجهات المسخنة بأشعة الشمس، وأسطح مواقف السيارات، وعوادم أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) مكونات سرعة عمودية تتغير على مدار اليوم ولا تظهر في تقارير الطقس القياسية.

النتيجة هي بيئة اضطراب ليست فقط أقوى من رياح الحقول المفتوحة، بل مُهيكلة — وأنظمة التحكم تفشل في مواجهة الهيكلة، وليس في مواجهة المتوسطات.

---

2. ما الذي يتعطل فعلياً

من خلال خبرتنا في برامج اختبار الطائرات بدون طيار (UAV) وطائرات eVTOL، هناك أربعة أنماط للفشل مسؤولة عن معظم المفاجآت:

• نفاد قدرة التحكم. في الرياح المتقاطعة المستقرة، تحافظ المركبة على وضعيتها من خلال الانحياز الدائم لدفع المروحة. هذا الانحياز يستهلك الهامش المتاح لرفض هبات الرياح. تبدو المركبة مستقرة — حتى تصل هبة ريح ولا يتبقى أي هامش للتعويض.
• عدم تماثل الدفع يتحول إلى عدم تماثل في الطاقة. تصل المراوح الفردية إلى حد الإشباع في أوقات مختلفة. في منصة تعمل بالبطاريات الكهربائية، يظهر ذلك كطفرات في التيار على وحدات تحكم إلكترونية في السرعة (ESCs) محددة، ويمكن الوصول إلى الحدود الحرارية قبل وقت طويل من الوصول إلى الحدود الأيروديناميكية.
• تدهور الحفاظ على الموقع قبل تدهور الحفاظ على الوضعية. يحافظ الطيار الآلي على استواء الطائرة ومع ذلك تستمر في الانجراف. بالنسبة لعمليات مهابط الطائرات العمودية، يعد هذا الانجراف هو الكمية الأكثر حرجاً للسلامة.
• انهيار جودة الركوب قبل انهيار التحكم. بالنسبة للمركبات التي تحمل ركاباً، يتم تحديد النطاق المقبول بناءً على ما يمكن للناس تحمله، وليس بناءً على ما يمكن لمتحكم الطيران النجاة منه.

لا يظهر أي من هذه الأمور في اختبار التحليق في الهواء الساكن، ويمكن استنساخها جميعاً في نفق الرياح.

---

3. ما تتطلبه شهادات الاعتماد فعلياً

بالنسبة لطائرات VTOL من الفئة الصغيرة، فإن الإطار الأوروبي هو الشرط الخاص للوكالة الأوروبية لسلامة الطيران (EASA) SC-VTOL-01 ، المنشور في 2 يوليو 2019، مع سلسلة مستمرة من وثائق وسائل الامتثال التي تم تطويرها منذ مايو 2020.

النقطة المهمة لمهندس الاختبار هي شمولية التعريف البيئي. يعالج SC-VTOL الرياح من أي اتجاه — بما في ذلك الرياح المتقاطعة، وتدرج الرياح، وهبات الرياح، وقص الرياح، واضطراب الجريان — إلى جانب الجليد، والهطول، ودرجة الحرارة، ويتوقع أن يتم أخذها في الاعتبار بسعات مختلفة، توصف بأنها خفيفة، ومتوسطة، وشديدة.

هذا الهيكل له نتيجتان عمليتان:

1. مصفوفة الاختبار الخاصة بك متعددة المحاور بطبيعتها. إثبات الأداء في مواجهة الرياح الأمامية يثبت القليل جداً؛ فمجموعة الظروف اتجاهية وتتضمن محتوى غير مستقر.
2. الأرقام خاصة بكل برنامج. يتم تحديد قدرة الرياح المتقاطعة والرياح الخلفية المعلنة من خلال وسائل الامتثال المعمول بها لطائرة معينة، ولا تُقرأ من جدول عالمي. أي شخص يقتبس حداً عالمياً واحداً للرياح المتقاطعة لطائرات eVTOL يجب التعامل معه بشك — وهذا يشمل الموردين.

لذلك يجب تحديد مواصفات منشأة الاختبار بناءً على النطاق المعلن الخاص بك، بالإضافة إلى هامش للحالات المتوسطة والشديدة التي تنوي استكشافها.

---

4. كيف يتم استنساخ رياح المدن في نفق الرياح

هناك ثلاث عائلات من التقنيات، وتستخدم البرامج الجادة أكثر من واحدة.

توليد الاضطراب السلبي. تعمل الشبكات، والأبراج، وعناصر الخشونة، والحواجز الموضوعة في اتجاه المنبع على تطوير طبقة حدّية (Boundary layer) مضطربة بملف تعريف وشدة مستهدفة. هذا هو النهج الكلاسيكي لهندسة الرياح: رخيص، ومستقر، وقابل للتكرار بشكل كبير، ولكن طيف الاضطراب يكون ثابتاً بشكل أساسي بمجرد إعداد الأجهزة.

توليد هبات الرياح النشط. تنتج الريش المتذبذبة في اتجاه المنبع لمقطع الاختبار (Test section)، أو مصفوفة المراوح ذات الخلايا التي يتم التحكم فيها بشكل فردي، تدفقاً متغيراً بمرور الوقت — هبات رياح منفصلة، وإثارة جيبية، وتغيرات مفاجئة في الاتجاه، وقص مبرمج. هذه هي الطريقة الوحيدة لاستنساخ حدث معين، مثل المرور عبر أثر مضطرب لمبنى، وتكراره بشكل متطابق لنسختين مختلفتين من قوانين التحكم.

محاكاة حضرية مصغرة. يتم وضع نماذج مصغرة لمهبط الطائرات العمودية والمناطق المحيطة به في اتجاه المنبع، ويتم اختبار الطائرة داخل الأثر المضطرب الذي تخلقه فعلياً. هكذا تدخل البيئة المبنية في الاختبار بدلاً من تقريبها برقم شدة الاضطراب.

أياً كانت الطريقة المستخدمة، فإن قرارين يتعلقان بالتكوين يشكلان كل شيء آخر: ما إذا كانت المركبة مثبتة على ميزان — مما يعطي قوى وعزوم نظيفة وقابلية للتكرار — أو تطير بحرية في مقطع نفاث مفتوح كبير مع طيارها الآلي الذي يغلق حلقة التحكم، مما يختبر النظام بدلاً من هيكل الطائرة. إن الانتقال من التحليق إلى الطيران الأمامي، حيث تمسح زاوية التدفق الداخلي النطاق بأكمله وتتفاعل الآثار المضطربة للمراوح مع الأجنحة والهيكل، هو المناورة الأكثر قيمة على الإطلاق لاستنساخها، وهي تحتاج إلى كليهما.

---

5. مصفوفة اختبار قابلة للتطبيق

بالنسبة لمركبة العمليات الحضرية، عادة ما تمسح المصفوفة ما يلي:

يتم قياسها، كحد أدنى: القوى والعزوم على الميزان، وعدد الدورات في الدقيقة (RPM) والتيار لكل مروحة، والوضعية والموقع المطلوبان مقابل المحققين، والتسارعات في موقع الحمولة أو المقصورة، ومرجع التدفق الداخلي من أجهزة قياس النفق.

---

6. تحديد حجم المنشأة

إذا كنت تحدد مواصفات نفق بدلاً من استئجار وقت فيه، فهناك أربعة أرقام تهيمن:

• حجم مقطع الاختبار مقابل باع المركبة. يفسد الانسداد البيانات قبل وقت طويل من أن يصبح واضحاً للعيان. تحتاج طائرة UAV صغيرة الحجم بالكامل إلى مقطع يبدو كبيراً جداً على الورق.
• نطاق السرعة، بما في ذلك الحد الأدنى. تعمل مهام التنقل الجوي الحضري (UAM) في نطاق 0–30 m/s. إن إنتاج سرعة 3 m/s مستقرة ومتجانسة أصعب من إنتاج 25 m/s، وهو النطاق الذي يتم فيه أخذ بيانات التحليق والانتقال منخفض السرعة.
• جودة التدفق حيثما يهم ذلك. الاضطراب المنخفض هو خط الأساس الذي يجب أن يكون النفق قادراً على العودة إليه؛ لا يمكنك دراسة هبة ريح لا يمكنك تمييزها عن الخلفية.
• الوصول إلى المقطع والسلامة. يتطلب اختبار الطيران الحر شبكات حماية، وإيقاف طارئ (E-stop) أسرع من المركبة، ومفهوم وصول لتغيير التكوينات عدة مرات في اليوم.

تهيمن هياكل الدارة المغلقة هنا لنفس الأسباب التي تجعلها تهيمن في أماكن أخرى: قابلية التكرار، والتحكم في درجة الحرارة، وتكلفة التشغيل — تم توضيح المفاضلة في

closed-circuit vs open-circuit tunnels

، وقرار التوجيه الكامن وراءه في

comparison of wind tunnel types

.

---

7. خمسة أخطاء تستحق التجنب

• اختبار الرياح الأمامية فقط. إنها الحالة الأرخص للتشغيل والأقل إفادة بالمعلومات.
• الإبلاغ عن القيم المتوسطة. الاستجابة لهبات الرياح هي حالة عابرة. تخفي البيانات المتوسطة الحدث الذي كنت تختبر من أجله بالضبط.
• تجاهل المستوى الأرضي. بالقرب من سطح مهبط الطائرات العمودية، تؤدي إعادة التدوير والتأثير الأرضي إلى تغيير التدفق الداخلي بالكامل.
• اختبار هيكل الطائرة دون قانون التحكم. معظم الإخفاقات الحضرية هي إخفاقات في النظام؛ النموذج المثبت على ميزان مع وحدة تحكم مجمدة لن يكشف عنها.
• تأجيل الاختبار البيئي حتى ما بعد تجميد التصميم. يتم الحصول على قدرة الرياح المتقاطعة من خلال تحديد حجم المروحة وهامش التحكم — وهي قرارات تُتخذ مبكراً ويكون التراجع عنها مكلفاً في وقت لاحق.

---

8. من خطة الاختبار إلى المنشأة

يتم اعتماد التنقل الجوي الحضري مقابل بيئة اتجاهية، وغير مستقرة، وخاصة بالموقع. تلبية هذا المعيار يعني استنساخه على الأرض، بشكل متكرر، مئات المرات، قبل وقت طويل من طيران الطائرة للاقتراب بين مبانٍ حقيقية.

نحن نصمم ونبني منشآت اختبار مخصصة لهذه الفئة من العمل بالضبط — أنفاق بدارة مغلقة يتحدد حجمها بناءً على المركبة، مع استقرار عند السرعات المنخفضة، وتوليد هبات الرياح، وتكامل أجهزة القياس المخطط لها بدءاً من المفهوم الأيروديناميكي فصاعداً، ومع وحدات المناخ والمتانة التي يمكن إضافتها مع نضوج البرنامج. نقطة انطلاقنا هي مصفوفة الاختبار الخاصة بك، وليس كتالوجاً.

أرسل لنا نطاقك وأبعاد مركبتك وسنعود إليك بمفهوم للمنشأة: حجم المقطع، ونطاق السرعة، وقوة الدفع، ومساحة المبنى.

---

المصادر والملاحظات

• الشرط الخاص للوكالة الأوروبية لسلامة الطيران (EASA) لطائرات VTOL من الفئة الصغيرة، SC-VTOL-01، المنشور في 2 يوليو 2019، ومنشورات وسائل الامتثال اللاحقة: SC-VTOL-01، الإصدار الرابع من وسائل الامتثال مع SC-VTOL.
• حساسية الطائرات الصغيرة لنطاق واسع من مقاييس الدوامات، ونظرة هندسة الرياح لعمليات التنقل الجوي الحضري (UAM): التنقل الجوي الحضري: منظور هندسة الرياح، WSP.
• بيئة هبات الرياح بالقرب من المباني: "هبات الرياح التي تواجهها المركبات الطائرة بالقرب من المباني"، Drones، 2023.
• توليد الاضطراب السلبي (الشبكات، وعناصر الخشونة، والأبراج) هو ممارسة كلاسيكية في هندسة الرياح؛ التصنيف مقابل مصفوفات المراوح التي يتم التحكم فيها بنشاط هو صياغة خاصة بـ TunnelTech. على الجانب النشط تحديداً، التحكم لكل خلية وتوصيف الاضطراب لمولدات الرياح ذات مصفوفة المراوح: تعزيز الاضطراب لمولد رياح بمصفوفة مراوح، arXiv.
• لم يتم اقتباس أي حد رقمي عالمي للرياح المتقاطعة لطائرات eVTOL هنا عمداً: يتم تحديد سرعات الرياح المتقاطعة والرياح الخلفية المعلنة لكل برنامج من خلال وسائل الامتثال المعمول بها.
• نطاقات مصفوفة الاختبار وإرشادات تحديد حجم المنشأة هي ممارسات هندسية لشركة TunnelTech، ويجب تأكيدها مقابل المركبة والموقع المحددين.