تست تونل باد eVTOL در بادهای متقاطع و تندبادها

هواپیمایی که برای آسمان باز طراحی شده و هواپیمایی که برای شهر طراحی شده است، دو ماشین کاملاً متفاوت هستند و تفاوت آن‌ها در بدنه نیست، بلکه در هوا است.

در بالای پشت‌بام، جریان هوا جدا شده و دوباره متصل می‌شود. در میان دو برج، شتاب می‌گیرد. در پشت یک جان‌پناه، گردابه‌هایی با فرکانسی ایجاد می‌کند که به ساختمان بستگی دارد، نه به هواپیما. یک پهپاد باری یا تاکسی هوایی که در حال نزدیک شدن به یک ورتی‌پورت است، حیاتی‌ترین دقایق ایمنی خود را دقیقاً در جایی سپری می‌کند که جو کمترین همکاری را دارد.

به همین دلیل است که تست تونل باد eVTOL دیگر تنها یک مرحله اعتبارسنجی در مراحل پایانی نیست، بلکه به یک محرک اصلی در طراحی تبدیل شده است. در ادامه بررسی می‌کنیم که در بادهای شهری دقیقاً چه اتفاقی برای یک وسیله نقلیه می‌افتد، چگونه این شرایط در یک تاسیسات تست بازسازی می‌شوند و چگونه می‌توان ابعاد تاسیساتی را که قادر به ایجاد این شرایط است، تعیین کرد.

۱. چرا هوای شهری دشوارتر از آسمان باز است

سه اثر در اینجا غالب هستند که هیچ‌کدام در جریان تمیز و پایدار یک تست عملکرد کلاسیک وجود ندارند.

برش (Shear). سرعت باد در نزدیکی ساختمان‌ها با تغییر ارتفاع به سرعت تغییر می‌کند. هواپیمایی که در حال اوج‌گیری از یک ورتی‌پورت است، می‌تواند در عرض چند ثانیه از یک گرادیان سرعت قابل‌توجه عبور کند و در این حین، هر روتور جریان ورودی متفاوتی را تجربه می‌کند.

جدایش و جریان‌های پس‌رو (Wakes). هر لبه ساختمان یک تولیدکننده گردابه است. در پایین‌دست یک برج، هواپیما از میان جریان پس‌رویی پرواز می‌کند که اندازه گردابه‌های مشخصه آن توسط ساختار برج تعیین می‌شود — و هواپیماهای کوچک نسبت به هواپیماهای بزرگ، تحت تاثیر طیف بسیار وسیع‌تری از اندازه‌های گردابه قرار می‌گیرند. آشفتگی (Turbulence) را می‌توان به بهترین شکل به عنوان برهم‌نهی گردابه‌هایی در مقیاس‌های مختلف تصور کرد؛ یک وسیله نقلیه بیشترین اختلال را از گردابه‌هایی هم‌اندازه یا بزرگتر از خود دریافت می‌کند، به همین دلیل است که یک eVTOL با ابعاد 3 m بسیار بیشتر از یک هواپیمای مسافربری به همان میدان تندباد حساس است.

توده‌های حرارتی و مصنوعی. نماهای گرم‌شده توسط خورشید، طبقات پارکینگ‌ها و خروجی‌های سیستم‌های تهویه مطبوع (HVAC)، مؤلفه‌های سرعت عمودی را اضافه می‌کنند که در طول روز متغیر بوده و در گزارش‌های استاندارد هواشناسی نامرئی هستند.

نتیجه این امر، یک محیط پر از اختلال است که نه تنها قوی‌تر از باد در فضای باز است، بلکه ساختاریافته است — و سیستم‌های کنترل در برابر ساختارها شکست می‌خورند، نه در برابر میانگین‌ها.

۲. چه چیزی واقعاً از کار می‌افتد

در تجربه ما با برنامه‌های تست پهپاد (UAV) و eVTOL، چهار حالت خرابی عامل بیشتر غافلگیری‌ها هستند:

از دست رفتن اقتدار کنترلی. در یک باد متقاطع پایدار، وسیله نقلیه با ایجاد انحراف دائمی در نیروی رانش روتور، وضعیت خود را حفظ می‌کند. این انحراف، حاشیه موجود برای دفع تندباد را مصرف می‌کند. وسیله نقلیه پایدار به نظر می‌رسد — تا زمانی که یک تندباد از راه می‌رسد و دیگر توانی برای مقابله باقی نمانده است.
عدم تقارن رانش به عدم تقارن توان تبدیل می‌شود. روتورهای منفرد در زمان‌های متفاوتی به اشباع می‌رسند. در یک پلتفرم الکتریکی باتری‌دار، این امر به صورت جهش‌های جریان در ESC های خاص نشان داده می‌شود و محدودیت‌های حرارتی می‌توانند مدت‌ها قبل از محدودیت‌های آیرودینامیکی فرا برسند.
حفظ موقعیت قبل از حفظ وضعیت (Attitude) دچار افت می‌شود. خلبان خودکار هواپیما را تراز نگه می‌دارد اما همچنان دچار رانش (Drift) می‌شود. برای عملیات در ورتی‌پورت، این رانش یک کمیت حیاتی برای ایمنی است.
کیفیت سواری قبل از کنترل از بین می‌رود. برای وسایل نقلیه مسافربری، پوشش (Envelope) قابل‌قبول بر اساس آنچه افراد می‌توانند تحمل کنند تعیین می‌شود، نه بر اساس آنچه کنترل‌کننده پرواز می‌تواند از آن جان سالم به در ببرد.

هیچ‌یک از این موارد در تست هاور در هوای ساکن قابل مشاهده نیستند و همه آن‌ها در یک تونل باد قابل بازسازی هستند.

۳. گواهینامه‌ها واقعاً چه چیزی را درخواست می‌کنند

برای هواپیماهای VTOL در دسته‌بندی کوچک، چارچوب اروپایی، شرایط ویژه EASA با نام SC-VTOL-01 است که در ۲ ژوئیه ۲۰۱۹ منتشر شد و مجموعه‌ای از اسناد ابزارهای انطباق (Means of Compliance) که از می ۲۰۲۰ در حال توسعه هستند، آن را همراهی می‌کنند.

نکته مهم برای یک مهندس تست، گستردگی تعریف محیطی است. SC-VTOL به باد از هر جهتی — از جمله باد متقاطع، گرادیان باد، تندباد، برش باد و آشفتگی — در کنار یخ‌زدگی، بارندگی و دما می‌پردازد و انتظار دارد که این موارد در دامنه‌های مختلفی که به عنوان سبک، متوسط و شدید توصیف می‌شوند، در نظر گرفته شوند.

این ساختار دو پیامد عملی دارد:

ماتریس تست شما ذاتاً چندمحوره است. اثبات عملکرد در باد روبه‌رو (Headwind) چیز زیادی را ثابت نمی‌کند؛ مجموعه شرایط دارای جهت است و شامل محتوای ناپایدار می‌شود.
اعداد مختص به برنامه هستند. قابلیت اعلام‌شده برای باد متقاطع و باد موافق (Tailwind) از طریق ابزارهای انطباق قابل‌اجرا برای یک هواپیمای خاص تعیین می‌شود، نه اینکه از یک جدول جهانی خوانده شود. به هر کسی که یک حد جهانی واحد برای باد متقاطع eVTOL نقل می‌کند، باید با سوءظن نگاه کرد — و این شامل تامین‌کنندگان نیز می‌شود.

بنابراین، یک تاسیسات تست باید بر اساس پوشش اعلام‌شده شما، به علاوه حاشیه‌ای برای موارد متوسط و شدیدی که قصد بررسی آن‌ها را دارید، مشخص شود.

۴. باد شهری چگونه در یک تونل بازسازی می‌شود

سه خانواده از تکنیک‌ها وجود دارد و برنامه‌های جدی از بیش از یکی از آن‌ها استفاده می‌کنند.

تولید آشفتگی غیرفعال (Passive). شبکه‌ها، مخروط‌ها، عناصر زبری و موانعی که در بالادست قرار می‌گیرند، یک لایه مرزی آشفته با پروفایل و شدت هدف ایجاد می‌کنند. این رویکرد کلاسیک مهندسی باد است: ارزان، پایدار و با قابلیت تکرارپذیری بالا، اما طیف آشفتگی پس از تنظیم سخت‌افزار اساساً ثابت است.

تولید تندباد فعال (Active). پره‌های نوسان‌کننده در بالادست بخش تست، یا آرایه‌ای از فن‌ها با سلول‌های کنترل‌شونده مجزا، جریانی متغیر با زمان تولید می‌کنند — تندبادهای گسسته، تحریک سینوسی، تغییرات ناگهانی جهت، برش برنامه‌ریزی‌شده. این تنها راه برای بازسازی یک رویداد خاص، مانند عبور از جریان پس‌رو یک ساختمان، و تکرار دقیق آن برای دو نسخه متفاوت از قوانین کنترلی است.

شبیه‌سازی شهری در مقیاس مدل. مدل‌های مقیاس‌بندی‌شده از ورتی‌پورت و محیط اطراف آن در بالادست قرار می‌گیرند و هواپیما در داخل جریان پس‌رویی که آن‌ها واقعاً ایجاد می‌کنند، تست می‌شود. این روشی است که محیط ساخته‌شده وارد تست می‌شود، به جای اینکه با یک عدد شدت آشفتگی تقریب زده شود.

از هر کدام که استفاده شود، دو تصمیم پیکربندی به همه چیز شکل می‌دهند: اینکه آیا وسیله نقلیه روی یک ترازوی آیرودینامیکی نصب شده است — که نیروها، گشتاورها و تکرارپذیری تمیزی را ارائه می‌دهد — یا به صورت پرواز آزاد در یک بخش جت باز بزرگ با خلبان خودکار خود که حلقه را می‌بندد، قرار دارد، که به جای بدنه، سیستم را تست می‌کند. انتقال از حالت هاور به پرواز رو به جلو، جایی که زاویه جریان ورودی کل محدوده را در بر می‌گیرد و جریان‌های پس‌رو روتور با بال‌ها و ساختار تعامل دارند، ارزشمندترین مانور واحد برای بازسازی است و به هر دو نیاز دارد.

۵. یک ماتریس تست کارآمد

برای یک وسیله نقلیه با عملیات شهری، این ماتریس معمولاً شامل موارد زیر است:

متغیر	محدوده معمول	چرا اهمیت دارد
سرعت باد	0 تا حد طراحی باد متقاطع، به علاوه حاشیه اطمینان	حاشیه کنترل را در هر نقطه تعیین می‌کند
آزیموت	360° کامل، با وضوح 15°–30°	پاسخ به باد متقاطع به ندرت متقارن است
زاویه جریان ورودی	از هاور تا پرواز رو به جلو	تعامل روتور-بال، رفتار انتقال
دامنه تندباد و زمان صعود	تندبادهای گسسته، چندین زمان صعود	نرخ تغییرات از مقدار اوج مهم‌تر است
شدت آشفتگی	سبک، متوسط، شدید	با زبان دامنه در مقررات همسو است
نرخ نزول	عبور از مرز حلقه گردابه‌ای	تقرب پرخطرترین فاز است
پیکربندی	محموله، CG، افت عملکرد یک روتور	جایی که حاشیه‌های اطمینان زودتر از بین می‌روند

حداقل موارد اندازه‌گیری شده: نیروها و گشتاورها روی ترازوی آیرودینامیکی، RPM و جریان هر روتور، وضعیت و موقعیت فرمان‌داده‌شده در برابر مقدار به‌دست‌آمده، شتاب‌ها در محل محموله یا کابین، و مرجع جریان ورودی از ابزار دقیق تونل.

۶. تعیین ابعاد تاسیسات

اگر به جای اجاره زمان در یک تونل، در حال مشخص کردن ابعاد یک تونل هستید، چهار عدد غالب هستند:

اندازه بخش تست در برابر دهانه وسیله نقلیه. انسداد داده‌ها را مدت‌ها قبل از اینکه از نظر بصری آشکار شود، مخدوش می‌کند. یک پهپاد کوچک در مقیاس کامل به بخشی نیاز دارد که روی کاغذ بسیار بزرگتر از حد معمول به نظر برسد.
محدوده سرعت، از جمله در مقادیر پایین. کارهای UAM در باند 0 تا 30 m/s انجام می‌شود. تولید سرعت 3 m/s پایدار و یکنواخت دشوارتر از تولید 25 m/s است، و این همان جایی است که داده‌های هاور و انتقال در سرعت پایین گرفته می‌شوند.
کیفیت جریان در جایی که اهمیت دارد. آشفتگی پایین، خط پایه‌ای است که تونل باید بتواند به آن بازگردد؛ شما نمی‌توانید تندبادی را مطالعه کنید که نتوانید آن را از پس‌زمینه تشخیص دهید.
دسترسی به بخش تست و ایمنی. تست پرواز آزاد نیازمند تور ایمنی محافظ، یک توقف اضطراری (E-stop) است که سریع‌تر از وسیله نقلیه عمل کند، و یک مفهوم دسترسی برای تغییر پیکربندی‌ها به دفعات زیاد در طول روز است.

معماری‌های مدار بسته در اینجا به همان دلایلی غالب هستند که در جاهای دیگر غالب‌اند: تکرارپذیری، کنترل دما و هزینه راه‌اندازی — این مصالحه در

closed-circuit vs open-circuit tunnels

بیان شده است، و تصمیم‌گیری در مورد جهت‌گیری در پس آن در

comparison of wind tunnel types

ما آمده است.

۷. پنج اشتباهی که ارزش اجتناب دارند

تست فقط در باد روبه‌رو. این ارزان‌ترین شرایط برای اجرا و کم‌اطلاعات‌ترین آن‌هاست.
گزارش مقادیر میانگین. پاسخ به تندباد یک حالت گذرا است. داده‌های میانگین‌گیری‌شده دقیقاً همان رویدادی را پنهان می‌کنند که برای آن تست می‌کردید.
نادیده گرفتن صفحه زمین. در نزدیکی عرشه ورتی‌پورت، بازچرخش و اثر زمین جریان ورودی را به طور کامل تغییر می‌دهند.
تست بدنه اما نه قانون کنترلی. بیشتر خرابی‌های شهری، خرابی‌های سیستمی هستند؛ یک مدل نصب‌شده روی ترازوی آیرودینامیکی با یک کنترلر ثابت آن‌ها را آشکار نخواهد کرد.
موکول کردن تست‌های محیطی به بعد از تثبیت نهایی طراحی. قابلیت باد متقاطع با تعیین اندازه روتور و حاشیه کنترل به دست می‌آید — تصمیماتی که زود گرفته می‌شوند و تغییر آن‌ها در مراحل بعدی بسیار پرهزینه است.

۸. از برنامه تست تا تاسیسات

تحرک هوایی شهری در برابر محیطی گواهی می‌شود که جهت‌دار، ناپایدار و مختص به سایت است. برآورده کردن این استاندارد به معنای بازسازی آن روی زمین، به صورت تکرارپذیر، صدها بار، مدت‌ها قبل از پرواز تقرب یک هواپیما در میان ساختمان‌های واقعی است.

ما تاسیسات تست سفارشی را دقیقاً برای این کلاس از کار طراحی کرده و می‌سازیم — تونل‌های مدار بسته با ابعادی متناسب با وسیله نقلیه، با پایداری در سرعت پایین، تولید تندباد و یکپارچه‌سازی ابزار دقیق که از مفهوم آیرودینامیکی به بعد برنامه‌ریزی شده‌اند، و با ماژول‌های اقلیمی و دوام که می‌توانند با بلوغ برنامه اضافه شوند. نقطه شروع ما ماتریس تست شماست، نه یک کاتالوگ.

پوشش و ابعاد وسیله نقلیه خود را برای ما ارسال کنید و ما با یک مفهوم تاسیسات بازخواهیم گشت: اندازه بخش تست، محدوده سرعت، توان محرکه و فضای اشغالی ساختمان.

منابع و یادداشت‌ها

شرایط ویژه EASA برای هواپیماهای VTOL دسته‌بندی کوچک، SC-VTOL-01، منتشر شده در ۲ ژوئیه ۲۰۱۹، و انتشارات بعدی ابزارهای انطباق: SC-VTOL-01، چهارمین انتشار MoC با SC-VTOL.
حساسیت هواپیماهای کوچک به طیف وسیعی از مقیاس‌های گردابه، و دیدگاه مهندسی باد در عملیات UAM: تحرک هوایی شهری: دیدگاه مهندسی باد، WSP.
محیط تندباد در نزدیکی ساختمان‌ها: "تندبادهای مواجه‌شده توسط وسایل نقلیه پرنده در مجاورت ساختمان‌ها"، Drones، ۲۰۲۳.
تولید آشفتگی غیرفعال (شبکه‌ها، عناصر زبری، مخروط‌ها) یک رویه کلاسیک مهندسی باد است؛ طبقه‌بندی در برابر آرایه‌های فن با کنترل فعال، چارچوب‌بندی اختصاصی TunnelTech است. به طور خاص در سمت فعال، کنترل سلول به سلول و مشخصه‌یابی آشفتگی ژنراتورهای باد آرایه فن: افزایش آشفتگی یک ژنراتور باد آرایه فن، arXiv.
عمداً هیچ حد عددی جهانی برای باد متقاطع eVTOL در اینجا ذکر نشده است: سرعت‌های اعلام‌شده برای باد متقاطع و باد موافق برای هر برنامه از طریق ابزارهای انطباق قابل‌اجرا تعیین می‌شوند.
محدوده‌های ماتریس تست و راهنمای تعیین ابعاد تاسیسات، رویه مهندسی TunnelTech هستند که باید در برابر وسیله نقلیه و سایت خاص تایید شوند.

تست تونل باد برای تحرک هوایی شهری: پهپادها و eVTOL در بادهای متقاطع و تندبادها