Δοκιμές eVTOL σε Αεροσήραγγα για Πλευρικούς Ανέμους και Ριπές

Ένα αεροσκάφος σχεδιασμένο για ανοιχτούς ουρανούς και ένα αεροσκάφος σχεδιασμένο για την πόλη είναι δύο διαφορετικές μηχανές, και η διαφορά δεν έγκειται στην άτρακτο — έγκειται στον αέρα.

Πάνω από μια στέγη, η ροή αποκολλάται και επαναπροσκολλάται. Ανάμεσα σε δύο πύργους, επιταχύνεται. Πίσω από ένα στηθαίο, δημιουργεί στροβίλους σε συχνότητα που εξαρτάται από το κτίριο, όχι από το αεροσκάφος. Ένα cargo drone ή ένα αεροταξί που προσεγγίζει ένα vertiport περνά τα πιο κρίσιμα για την ασφάλεια λεπτά του ακριβώς εκεί όπου η ατμόσφαιρα είναι λιγότερο συνεργάσιμη.

Γι' αυτόν τον λόγο, οι δοκιμές eVTOL σε αεροσήραγγα έχουν πάψει να αποτελούν ένα βήμα επικύρωσης τελικού σταδίου και έχουν μετατραπεί σε κινητήριο μοχλό σχεδιασμού. Παρακάτω αναλύεται τι πραγματικά συμβαίνει σε ένα όχημα στον αστικό άνεμο, πώς αναπαράγονται αυτές οι συνθήκες σε μια εγκατάσταση δοκιμών και πώς καθορίζεται το μέγεθος μιας εγκατάστασης που μπορεί να τις παράγει.

1. Γιατί ο αστικός αέρας είναι πιο απαιτητικός από τον ανοιχτό ουρανό

Τρία φαινόμενα κυριαρχούν, και κανένα από αυτά δεν είναι παρόν στην καθαρή, σταθερή ροή μιας κλασικής δοκιμής απόδοσης.

Διάτμηση (Shear). Η ταχύτητα του ανέμου αλλάζει ραγδαία με το ύψος κοντά στα κτίρια. Ένα αεροσκάφος που αναδύεται από ένα vertiport μπορεί να περάσει μέσα από μια σημαντική βαθμίδα ταχύτητας σε λίγα δευτερόλεπτα, και κάθε ρότορας αντιμετωπίζει διαφορετική εισροή κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας.

Αποκόλληση και ομόρρους (wakes). Κάθε ακμή ενός κτιρίου λειτουργεί ως γεννήτρια στροβίλων. Κατάντη ενός πύργου, ένα αεροσκάφος πετάει μέσα από έναν ομόρρουν του οποίου οι χαρακτηριστικές δίνες καθορίζονται σε μέγεθος από την κατασκευή — και τα μικρά αεροσκάφη επηρεάζονται από ένα πολύ ευρύτερο φάσμα μεγεθών δίνης σε σχέση με τα μεγάλα. Η τυρβώδης ροή περιγράφεται καλύτερα ως μια υπέρθεση δινών πολλών κλιμάκων· ένα όχημα διαταράσσεται περισσότερο από δίνες συγκρίσιμες ή μεγαλύτερες από το ίδιο, γι' αυτό και ένα eVTOL 3 m είναι πολύ πιο ευαίσθητο από ένα επιβατικό αεροσκάφος στο ίδιο πεδίο ριπών.

Θερμικά και τεχνητά λοφία (plumes). Οι θερμαινόμενες από τον ήλιο προσόψεις, τα καταστρώματα στάθμευσης και οι εξαγωγές συστημάτων HVAC προσθέτουν κατακόρυφες συνιστώσες ταχύτητας που ποικίλλουν κατά τη διάρκεια της ημέρας και είναι αόρατες σε ένα τυπικό δελτίο καιρού.

Το αποτέλεσμα είναι ένα περιβάλλον διαταραχών που δεν είναι απλώς ισχυρότερο από τον άνεμο σε ανοιχτό πεδίο, αλλά δομημένο — και τα συστήματα ελέγχου αποτυγχάνουν απέναντι στη δομή, όχι απέναντι στους μέσους όρους.

2. Τι πραγματικά καταρρέει

Σύμφωνα με την εμπειρία μας σε προγράμματα δοκιμών UAV και eVTOL, τέσσερις τρόποι αστοχίας ευθύνονται για τις περισσότερες εκπλήξεις:

Εξάντληση της ικανότητας ελέγχου (Control authority). Σε έναν σταθερό πλευρικό άνεμο, το όχημα διατηρεί τη στάση του μετατοπίζοντας μόνιμα την ώση των ροτόρων. Αυτή η μετατόπιση καταναλώνει το διαθέσιμο περιθώριο για την απόσβεση των ριπών. Το όχημα φαίνεται σταθερό — μέχρι να έρθει μια ριπή και να μην υπάρχει πλέον κανένα περιθώριο αντίδρασης.
Η ασυμμετρία ώσης γίνεται ασυμμετρία ισχύος. Οι επιμέρους ρότορες φτάνουν σε κορεσμό σε διαφορετικούς χρόνους. Σε μια ηλεκτρική πλατφόρμα με μπαταρία, αυτό εμφανίζεται ως αιχμές ρεύματος σε συγκεκριμένα ESCs, και τα θερμικά όρια μπορούν να επιτευχθούν πολύ πριν από τα αεροδυναμικά όρια.
Η διατήρηση θέσης υποβαθμίζεται πριν από τη διατήρηση στάσης. Ο αυτόματος πιλότος διατηρεί το αεροσκάφος οριζόντιο, αλλά αυτό εξακολουθεί να παρεκκλίνει (drift). Για τις λειτουργίες σε vertiport, αυτή η παρέκκλιση είναι το κρίσιμο μέγεθος για την ασφάλεια.
Η ποιότητα πτήσης καταρρέει πριν από τον έλεγχο. Για τα οχήματα μεταφοράς επιβατών, ο αποδεκτός φάκελος πτήσης καθορίζεται από το τι μπορούν να ανεχθούν οι άνθρωποι, όχι από το τι μπορεί να επιβιώσει ο ελεγκτής πτήσης.

Κανένα από αυτά δεν είναι ορατό σε μια δοκιμή αιώρησης σε νηνεμία, και όλα είναι αναπαραγώγιμα σε μια αεροσήραγγα.

3. Τι απαιτεί πραγματικά η πιστοποίηση

Για τα αεροσκάφη VTOL μικρής κατηγορίας, το ευρωπαϊκό πλαίσιο είναι η Ειδική Συνθήκη SC-VTOL-01 της EASA, που δημοσιεύθηκε στις 2 Ιουλίου 2019, με μια συνεχή σειρά εγγράφων Μέσων Συμμόρφωσης (Means of Compliance) που αναπτύσσονται από τον Μάιο του 2020.

Το σημαντικό σημείο για έναν μηχανικό δοκιμών είναι το εύρος του περιβαλλοντικού ορισμού. Η SC-VTOL εξετάζει τον άνεμο από οποιαδήποτε κατεύθυνση — συμπεριλαμβανομένου του πλευρικού ανέμου, της βαθμίδας ανέμου, των ριπών, της διάτμησης ανέμου και της τυρβώδους ροής — παράλληλα με την παγοποίηση, τις κατακρημνίσεις και τη θερμοκρασία, και αναμένει να ληφθούν υπόψη σε διαφορετικά πλάτη, τα οποία περιγράφονται ως ελαφρά, μέτρια και σοβαρά.

Αυτή η δομή έχει δύο πρακτικές συνέπειες:

Το πλέγμα δοκιμών σας είναι πολυαξονικό εξ ορισμού. Η απόδειξη της απόδοσης σε μετωπικό άνεμο αποδεικνύει ελάχιστα· το σύνολο των συνθηκών είναι κατευθυντικό και περιλαμβάνει μη μόνιμο (unsteady) περιεχόμενο.
Οι αριθμοί αφορούν το εκάστοτε πρόγραμμα. Η δηλωμένη ικανότητα σε πλευρικό και ουραίο άνεμο καθορίζεται μέσω των εφαρμοστέων Μέσων Συμμόρφωσης για ένα δεδομένο αεροσκάφος, και δεν διαβάζεται από έναν καθολικό πίνακα. Όποιος αναφέρει ένα ενιαίο καθολικό όριο για τον πλευρικό άνεμο των eVTOL θα πρέπει να αντιμετωπίζεται με καχυποψία — και αυτό περιλαμβάνει και τους προμηθευτές.

Επομένως, μια εγκατάσταση δοκιμών πρέπει να προδιαγράφεται γύρω από τον δικό σας δηλωμένο φάκελο, συν το περιθώριο για τις μέτριες και σοβαρές περιπτώσεις που σκοπεύετε να διερευνήσετε.

4. Πώς αναπαράγεται ο αστικός άνεμος σε μια αεροσήραγγα

Υπάρχουν τρεις οικογένειες τεχνικών, και τα σοβαρά προγράμματα χρησιμοποιούν περισσότερες από μία.

Παθητική δημιουργία τυρβώδους ροής. Πλέγματα, κώνοι (spires), στοιχεία τραχύτητας και εμπόδια που τοποθετούνται ανάντη αναπτύσσουν ένα τυρβώδες οριακό στρώμα με στοχευμένο προφίλ και ένταση. Αυτή είναι η κλασική προσέγγιση της μηχανικής του ανέμου: φθηνή, σταθερή και εξαιρετικά επαναλήψιμη, αλλά το φάσμα της τυρβώδους ροής είναι ουσιαστικά σταθερό από τη στιγμή που θα ρυθμιστεί ο εξοπλισμός.

Ενεργή δημιουργία ριπών. Ταλαντευόμενα πτερύγια ανάντη του τμήματος δοκιμών, ή μια συστοιχία ανεμιστήρων με μεμονωμένα ελεγχόμενες κυψέλες, παράγουν χρονικά μεταβαλλόμενη ροή — διακριτές ριπές, ημιτονοειδή διέγερση, ξαφνικές αλλαγές κατεύθυνσης, προγραμματισμένη διάτμηση. Αυτός είναι ο μόνος τρόπος για να αναπαραχθεί ένα συγκεκριμένο συμβάν, όπως το πέρασμα μέσα από τον ομόρρουν ενός κτιρίου, και να επαναληφθεί πανομοιότυπα για δύο διαφορετικές εκδόσεις του νόμου ελέγχου.

Αστική προσομοίωση υπό κλίμακα. Μοντέλα υπό κλίμακα του vertiport και του περιβάλλοντός του τοποθετούνται ανάντη, και το αεροσκάφος δοκιμάζεται μέσα στον ομόρρουν που πραγματικά δημιουργούν. Με αυτόν τον τρόπο το δομημένο περιβάλλον εισέρχεται στη δοκιμή αντί να προσεγγίζεται από έναν αριθμό έντασης τυρβώδους ροής.

Όποια κι αν χρησιμοποιηθεί, δύο αποφάσεις διαμόρφωσης διαμορφώνουν όλα τα υπόλοιπα: εάν το όχημα είναι τοποθετημένο σε ζυγό (balance) — παρέχοντας καθαρές δυνάμεις, ροπές και επαναληψιμότητα — ή ελεύθερης πτήσης (free-flying) σε ένα μεγάλο τμήμα ανοιχτού πίδακα (open-jet) με τον δικό του αυτόματο πιλότο να κλείνει τον βρόχο, γεγονός που δοκιμάζει το σύστημα και όχι την άτρακτο. Η μετάβαση από την αιώρηση στην εμπρόσθια πτήση, όπου η γωνία εισροής σαρώνει όλο το εύρος και οι ομόρροι των ροτόρων αλληλεπιδρούν με τα φτερά και τη δομή, είναι ο πιο πολύτιμος ελιγμός προς αναπαραγωγή, και χρειάζεται και τα δύο.

5. Ένα λειτουργικό πλέγμα δοκιμών

Για ένα όχημα αστικών λειτουργιών, το πλέγμα συνήθως σαρώνει:

Μεταβλητή	Τυπικό εύρος	Γιατί έχει σημασία
Ταχύτητα ανέμου	0 έως το σχεδιαστικό όριο πλευρικού ανέμου, συν περιθώριο	Καθορίζει το περιθώριο ελέγχου σε κάθε σημείο
Αζιμούθιο	Πλήρεις 360°, ανάλυση 15°–30°	Η απόκριση στον πλευρικό άνεμο σπάνια είναι συμμετρική
Γωνία εισροής	Από αιώρηση έως εμπρόσθια πτήση	Αλληλεπίδραση ρότορα–φτερού, συμπεριφορά μετάβασης
Πλάτος ριπής και χρόνος ανόδου	Διακριτές ριπές, διάφοροι χρόνοι ανόδου	Ο ρυθμός μεταβολής έχει μεγαλύτερη σημασία από τη μέγιστη τιμή
Ένταση τυρβώδους ροής	Ελαφριά, μέτρια, σοβαρή	Ευθυγραμμίζεται με την κανονιστική ορολογία περί πλάτους
Ρυθμός καθόδου	Μέσα από το όριο του δακτυλίου στροβίλων (vortex ring)	Η προσέγγιση είναι η φάση υψηλότερου κινδύνου
Διαμόρφωση	Ωφέλιμο φορτίο, Κέντρο Βάρους (CG), υποβάθμιση ενός ρότορα	Εκεί όπου τα περιθώρια εξαφανίζονται πρώτα

Μετρούμενα, κατ' ελάχιστον: δυνάμεις και ροπές στον ζυγό, RPM και ρεύμα ανά ρότορα, εντελλόμενη έναντι επιτευχθείσας στάσης και θέσης, επιταχύνσεις στη θέση του ωφέλιμου φορτίου ή της καμπίνας, και αναφορά εισροής από την οργανολογία της αεροσήραγγας.

6. Καθορισμός μεγέθους της εγκατάστασης

Εάν προδιαγράφετε μια αεροσήραγγα αντί να νοικιάζετε χρόνο σε μία, τέσσερις αριθμοί κυριαρχούν:

Μέγεθος τμήματος δοκιμών έναντι εκπετάσματος οχήματος. Το φαινόμενο της απόφραξης (blockage) αλλοιώνει τα δεδομένα πολύ πριν γίνει οπτικά προφανές. Ένα μικρό UAV πλήρους κλίμακας χρειάζεται ένα τμήμα που φαίνεται γενναιόδωρα υπερμεγέθες στα χαρτιά.
Εύρος ταχυτήτων, συμπεριλαμβανομένου του χαμηλού άκρου. Οι εργασίες UAM κινούνται στη ζώνη 0–30 m/s. Η παραγωγή μιας σταθερής, ομοιόμορφης ταχύτητας 3 m/s είναι πιο δύσκολη από την παραγωγή 25 m/s, και εκεί είναι που λαμβάνονται τα δεδομένα αιώρησης και μετάβασης χαμηλής ταχύτητας.
Ποιότητα ροής εκεί που έχει σημασία. Η χαμηλή τυρβώδης ροή είναι η βάση στην οποία πρέπει να μπορεί να επιστρέψει η αεροσήραγγα· δεν μπορείτε να μελετήσετε μια ριπή που δεν μπορείτε να ξεχωρίσετε από το υπόβαθρο.
Πρόσβαση στο τμήμα και ασφάλεια. Οι δοκιμές ελεύθερης πτήσης απαιτούν προστατευτικό δίχτυ, μια διακοπή έκτακτης ανάγκης (E-stop) που να είναι ταχύτερη από το όχημα, και μια φιλοσοφία πρόσβασης για την αλλαγή διαμορφώσεων πολλές φορές την ημέρα.

Οι αρχιτεκτονικές κλειστού βρόχου κυριαρχούν εδώ για τους ίδιους λόγους που κυριαρχούν και αλλού: επαναληψιμότητα, έλεγχος θερμοκρασίας και κόστος λειτουργίας — ο συμβιβασμός παρατίθεται στο

closed-circuit vs open-circuit tunnels

, και η απόφαση προσανατολισμού πίσω από αυτό στο

comparison of wind tunnel types

7. Πέντε λάθη που αξίζει να αποφύγετε

Δοκιμή μόνο σε μετωπικό άνεμο. Είναι η φθηνότερη συνθήκη για να εκτελεστεί και η λιγότερο κατατοπιστική.
Αναφορά μέσων τιμών. Η απόκριση στις ριπές είναι ένα μεταβατικό φαινόμενο. Τα δεδομένα μέσου όρου κρύβουν ακριβώς το γεγονός για το οποίο κάνατε τη δοκιμή.
Αγνόηση του επιπέδου του εδάφους. Κοντά στο κατάστρωμα ενός vertiport, η ανακυκλοφορία και το φαινόμενο του εδάφους (ground effect) αλλάζουν εντελώς την εισροή.
Δοκιμή της ατράκτου αλλά όχι του νόμου ελέγχου. Οι περισσότερες αστικές αστοχίες είναι αστοχίες συστήματος· ένα μοντέλο τοποθετημένο σε ζυγό με «παγωμένο» ελεγκτή δεν θα τις αποκαλύψει.
Αναβολή των περιβαλλοντικών δοκιμών για μετά το «πάγωμα» του σχεδιασμού. Η ικανότητα σε πλευρικό άνεμο εξασφαλίζεται με το μέγεθος των ρότορων και το περιθώριο ελέγχου — αποφάσεις που λαμβάνονται νωρίς και ανατρέπονται με μεγάλο κόστος αργότερα.

8. Από το σχέδιο δοκιμών στην εγκατάσταση

Η αστική αεροκινητικότητα πιστοποιείται έναντι ενός περιβάλλοντος που είναι κατευθυντικό, μη μόνιμο και ειδικό για κάθε τοποθεσία. Η ικανοποίηση αυτού του προτύπου σημαίνει την αναπαραγωγή του στο έδαφος, με επαναληψιμότητα, εκατοντάδες φορές, πολύ πριν ένα αεροσκάφος πετάξει σε μια προσέγγιση ανάμεσα σε πραγματικά κτίρια.

Σχεδιάζουμε και κατασκευάζουμε προσαρμοσμένες εγκαταστάσεις δοκιμών ακριβώς για αυτήν την κατηγορία εργασιών — αεροσήραγγες κλειστού βρόχου με μέγεθος προσαρμοσμένο στο όχημα, με σταθερότητα σε χαμηλές ταχύτητες, παραγωγή ριπών και ενσωμάτωση οργανολογίας που σχεδιάζονται από την αεροδυναμική σύλληψη και έπειτα, και με μονάδες κλίματος και ανθεκτικότητας που μπορούν να προστεθούν καθώς το πρόγραμμα ωριμάζει. Η αφετηρία μας είναι το δικό σας πλέγμα δοκιμών, όχι ένας κατάλογος.

Στείλτε μας τον φάκελο πτήσης και τις διαστάσεις του οχήματός σας και θα επανέλθουμε με μια φιλοσοφία εγκατάστασης: μέγεθος τμήματος, εύρος ταχυτήτων, ισχύς κίνησης και αποτύπωμα κτιρίου.

Πηγές και σημειώσεις

Ειδική Συνθήκη της EASA για αεροσκάφη VTOL μικρής κατηγορίας, SC-VTOL-01, που δημοσιεύθηκε στις 2 Ιουλίου 2019, και οι επακόλουθες δημοσιεύσεις Μέσων Συμμόρφωσης: SC-VTOL-01, Fourth publication of MoC with SC-VTOL.
Ευαισθησία των μικρών αεροσκαφών σε ένα ευρύ φάσμα κλιμάκων δίνης, και η οπτική της μηχανικής του ανέμου για τις λειτουργίες UAM: Urban Air Mobility: A Wind Engineering Perspective, WSP.
Περιβάλλον ριπών κοντά σε κτίρια: "Gusts Encountered by Flying Vehicles in Proximity to Buildings", Drones, 2023.
Η παθητική δημιουργία τυρβώδους ροής (πλέγματα, στοιχεία τραχύτητας, κώνοι) είναι κλασική πρακτική της μηχανικής του ανέμου· η ταξινόμηση έναντι των ενεργά ελεγχόμενων συστοιχιών ανεμιστήρων αποτελεί το δικό μας πλαίσιο της TunnelTech. Σχετικά με την ενεργή πλευρά ειδικότερα, ο έλεγχος ανά κυψέλη και ο χαρακτηρισμός της τυρβώδους ροής των γεννητριών ανέμου με συστοιχία ανεμιστήρων: Turbulence enhancement of a fan array wind generator, arXiv.
Κανένα καθολικό αριθμητικό όριο πλευρικού ανέμου για eVTOL δεν αναφέρεται εδώ σκόπιμα: οι δηλωμένες ταχύτητες πλευρικού και ουραίου ανέμου καθορίζονται ανά πρόγραμμα μέσω των εφαρμοστέων Μέσων Συμμόρφωσης.
Τα εύρη του πλέγματος δοκιμών και οι οδηγίες καθορισμού μεγέθους της εγκατάστασης αποτελούν μηχανική πρακτική της TunnelTech, και πρέπει να επιβεβαιώνονται σε σχέση με το συγκεκριμένο όχημα και την τοποθεσία.

Δοκιμές σε Αεροσήραγγα για την Αστική Αεροκινητικότητα: eVTOL και Drones σε Πλευρικούς Ανέμους και Ριπές