क्रॉसविंड और झोंकों में eVTOL विंड टनल परीक्षण

खुले आसमान के लिए डिज़ाइन किया गया विमान और शहर के लिए डिज़ाइन किया गया विमान दो अलग-अलग मशीनें हैं, और यह अंतर एयरफ्रेम का नहीं — बल्कि हवा का है।

छत के ऊपर, प्रवाह (flow) अलग होता है और फिर से जुड़ता है। दो टावरों के बीच, इसकी गति बढ़ जाती है। मुंडेर (parapet) के पीछे, यह एक ऐसी आवृत्ति पर भंवर (vortices) छोड़ता है जो इमारत पर निर्भर करती है, न कि विमान पर। वर्टिपोर्ट (vertiport) की ओर उड़ान भरने वाला एक कार्गो ड्रोन या एयर टैक्सी अपने सबसे सुरक्षा-संवेदनशील मिनट ठीक वहीं बिताता है जहाँ वायुमंडल सबसे कम अनुकूल होता है。

यही कारण है कि eVTOL विंड टनल परीक्षण अब अंतिम चरण का सत्यापन कदम न रहकर एक डिज़ाइन ड्राइवर बन गया है। नीचे बताया गया है कि शहरी हवा में किसी वाहन के साथ वास्तव में क्या होता है, परीक्षण सुविधा में उन स्थितियों को कैसे दोहराया जाता है, और उन्हें उत्पन्न करने वाली सुविधा का आकार कैसे तय किया जाता है।

1. शहरी हवा खुले आसमान से अधिक कठिन क्यों है

तीन प्रभाव हावी होते हैं, और इनमें से कोई भी क्लासिक प्रदर्शन परीक्षण के स्वच्छ, स्थिर प्रवाह में मौजूद नहीं होता है।

विंड शियर (Shear)। इमारतों के पास ऊंचाई के साथ हवा की गति तेज़ी से बदलती है। वर्टिपोर्ट से ऊपर चढ़ने वाला विमान कुछ ही सेकंड में एक बड़े वेग प्रवणता (velocity gradient) से गुज़र सकता है, और इस दौरान प्रत्येक रोटर को एक अलग इनफ्लो (inflow) का सामना करना पड़ता है।

पृथक्करण (Separation) और वेक्स (wakes)। इमारत का हर किनारा एक भंवर जनरेटर (vortex generator) होता है। टावर के डाउनस्ट्रीम में, एक विमान ऐसे वेक (wake) से होकर उड़ता है जिसकी विशिष्ट भंवरों (eddies) का आकार संरचना द्वारा तय होता है — और छोटे विमान बड़े विमानों की तुलना में भंवर आकारों की एक बहुत विस्तृत श्रृंखला से प्रभावित होते हैं। टर्बुलेंस (Turbulence) को कई पैमानों के भंवरों के सुपरपोज़िशन के रूप में सबसे अच्छी तरह से समझा जा सकता है; एक वाहन अपने बराबर या उससे बड़े भंवरों से सबसे अधिक विचलित होता है, यही कारण है कि 3 m का eVTOL उसी झोंके वाले क्षेत्र (gust field) में एक एयरलाइनर की तुलना में कहीं अधिक संवेदनशील होता है。

थर्मल और मानव निर्मित प्लूम्स (plumes)। धूप से गर्म हुए अग्रभाग (façades), पार्किंग डेक और HVAC निकास ऊर्ध्वाधर वेग घटक (vertical velocity components) जोड़ते हैं जो दिन भर बदलते रहते हैं और एक मानक मौसम रिपोर्ट में दिखाई नहीं देते हैं।

परिणाम एक ऐसा विक्षोभ वातावरण (disturbance environment) है जो न केवल खुले मैदान की हवा से अधिक मजबूत है, बल्कि संरचित (structured) है — और नियंत्रण प्रणालियाँ (control systems) औसत के खिलाफ नहीं, बल्कि संरचना के खिलाफ विफल होती हैं।

2. वास्तव में क्या विफल होता है

UAV और eVTOL परीक्षण कार्यक्रमों के हमारे अनुभव में, चार विफलता मोड (failure modes) अधिकांश अप्रत्याशित समस्याओं का कारण बनते हैं:

नियंत्रण अधिकार (Control authority) समाप्त हो जाता है। एक स्थिर क्रॉसविंड में वाहन रोटर थ्रस्ट को स्थायी रूप से बायस (bias) करके अपना एटीट्यूड (attitude) बनाए रखता है। यह बायस झोंकों (gusts) को रोकने के लिए उपलब्ध मार्जिन को कम कर देता है। वाहन स्थिर दिखता है — जब तक कि कोई झोंका न आ जाए और प्रतिक्रिया देने के लिए कुछ न बचे।
थ्रस्ट विषमता (Thrust asymmetry) पावर विषमता बन जाती है। व्यक्तिगत रोटर अलग-अलग समय पर संतृप्त (saturate) होते हैं। बैटरी-इलेक्ट्रिक प्लेटफॉर्म पर, यह विशिष्ट ESCs पर करंट स्पाइक्स के रूप में दिखाई देता है, और एयरोडायनामिक सीमाओं से बहुत पहले थर्मल सीमाएं तक पहुंचा जा सकता है।
एटीट्यूड होल्ड से पहले पोज़िशन होल्ड (Position hold) खराब हो जाता है। ऑटोपायलट विमान को समतल रखता है लेकिन फिर भी वह ड्रिफ्ट (drift) करता है। वर्टिपोर्ट संचालन के लिए, वह ड्रिफ्ट सुरक्षा-संवेदनशील मात्रा है।
नियंत्रण से पहले सवारी की गुणवत्ता (Ride quality) गिर जाती है। यात्री ले जाने वाले वाहनों के लिए, स्वीकार्य एनवलप (envelope) इस बात से तय होता है कि लोग क्या सहन कर सकते हैं, न कि इस बात से कि फ्लाइट कंट्रोलर क्या झेल सकता है।

इनमें से कोई भी स्थिर-हवा होवर परीक्षण (still-air hover test) में दिखाई नहीं देता है, और इन सभी को विंड टनल में दोहराया जा सकता है।

3. प्रमाणन (Certification) वास्तव में क्या मांगता है

छोटी-श्रेणी के VTOL विमानों के लिए, यूरोपीय ढांचा EASA की विशेष शर्त SC-VTOL-01 है, जिसे 2 जुलाई 2019 को प्रकाशित किया गया था, जिसके साथ मई 2020 से विकसित किए जा रहे मीन्स ऑफ़ कंप्लायंस (Means of Compliance) दस्तावेज़ों की एक सतत श्रृंखला है।

एक परीक्षण इंजीनियर के लिए महत्वपूर्ण बिंदु पर्यावरणीय परिभाषा की व्यापकता है। SC-VTOL किसी भी दिशा से आने वाली हवा — जिसमें क्रॉसविंड, विंड ग्रेडिएंट, झोंका (gust), विंड शियर और टर्बुलेंस (turbulence) शामिल हैं — के साथ-साथ आइसिंग, वर्षा और तापमान को संबोधित करता है, और उम्मीद करता है कि इन पर विभिन्न आयामों (amplitudes) पर विचार किया जाए, जिन्हें हल्का, मध्यम और गंभीर (light, moderate and severe) बताया गया है।

उस संरचना के दो व्यावहारिक परिणाम हैं:

आपका परीक्षण मैट्रिक्स (test matrix) परिभाषा के अनुसार मल्टी-एक्सिस (multi-axis) है। हेडविंड में प्रदर्शन का प्रदर्शन बहुत कम साबित करता है; स्थिति सेट दिशात्मक है और इसमें अस्थिर सामग्री शामिल है।
आंकड़े कार्यक्रम-विशिष्ट (programme-specific) हैं। घोषित क्रॉसविंड और टेलविंड क्षमता किसी दिए गए विमान के लिए लागू मीन्स ऑफ़ कंप्लायंस के माध्यम से स्थापित की जाती है, न कि किसी सार्वभौमिक तालिका से पढ़ी जाती है। eVTOL क्रॉसविंड के लिए एकल सार्वभौमिक सीमा का हवाला देने वाले किसी भी व्यक्ति को संदेह की दृष्टि से देखा जाना चाहिए — और इसमें आपूर्तिकर्ता भी शामिल हैं।

इसलिए एक परीक्षण सुविधा को आपके घोषित एनवलप (envelope) के आसपास निर्दिष्ट किया जाना चाहिए, साथ ही उन मध्यम और गंभीर मामलों के लिए मार्जिन भी होना चाहिए जिनका आप पता लगाना चाहते हैं。

4. विंड टनल में शहरी हवा को कैसे दोहराया जाता है

तकनीक के तीन परिवार हैं, और गंभीर कार्यक्रम एक से अधिक का उपयोग करते हैं।

निष्क्रिय टर्बुलेंस जनरेशन (Passive turbulence generation)। अपस्ट्रीम में रखे गए ग्रिड, स्पियर्स, रफनेस एलिमेंट्स और बैरियर एक लक्षित प्रोफ़ाइल और तीव्रता के साथ एक टर्बुलेंट बाउंड्री लेयर (turbulent boundary layer) विकसित करते हैं। यह क्लासिक विंड-इंजीनियरिंग दृष्टिकोण है: सस्ता, स्थिर और अत्यधिक दोहराने योग्य, लेकिन एक बार हार्डवेयर सेट हो जाने के बाद टर्बुलेंस स्पेक्ट्रम अनिवार्य रूप से तय हो जाता है।

सक्रिय गस्ट जनरेशन (Active gust generation)। परीक्षण अनुभाग (test section) के अपस्ट्रीम में ऑसिलेटिंग वेन्स, या व्यक्तिगत रूप से नियंत्रित सेल वाले फैन एरे, समय-भिन्न प्रवाह (time-varying flow) उत्पन्न करते हैं — असतत झोंके, साइनसोइडल उत्तेजना, अचानक दिशा परिवर्तन, प्रोग्राम्ड शियर। किसी विशिष्ट घटना को दोहराने का यह एकमात्र तरीका है, जैसे कि किसी इमारत के वेक (wake) से गुजरना, और इसे दो अलग-अलग नियंत्रण-कानून संस्करणों के लिए समान रूप से दोहराना।

मॉडल-स्केल शहरी सिमुलेशन। वर्टिपोर्ट और उसके परिवेश के स्केल मॉडल अपस्ट्रीम में रखे जाते हैं, और विमान का परीक्षण उस वेक के अंदर किया जाता है जो वे वास्तव में बनाते हैं। इस तरह निर्मित वातावरण परीक्षण में प्रवेश करता है, बजाय इसके कि इसे टर्बुलेंस तीव्रता संख्या द्वारा अनुमानित किया जाए।

चाहे जो भी उपयोग किया जाए, दो कॉन्फ़िगरेशन निर्णय बाकी सब कुछ आकार देते हैं: क्या वाहन बैलेंस पर माउंट किया गया है (mounted on a balance) — जो स्वच्छ बल, क्षण (moments) और दोहराव देता है — या अपने स्वयं के ऑटोपायलट क्लोजिंग लूप के साथ एक बड़े ओपन-जेट सेक्शन में फ्री-फ्लाइंग (free-flying) कर रहा है, जो एयरफ्रेम के बजाय सिस्टम का परीक्षण करता है। होवर से फॉरवर्ड फ्लाइट में ट्रांज़िशन (transition), जहां इनफ्लो कोण पूरी रेंज में स्वीप करता है और रोटर वेक पंखों और संरचना के साथ इंटरैक्ट करते हैं, दोहराने के लिए सबसे मूल्यवान युद्धाभ्यास (manoeuvre) है, और इसके लिए दोनों की आवश्यकता होती है。

5. एक व्यावहारिक परीक्षण मैट्रिक्स (test matrix)

शहरी-संचालन वाहन के लिए, मैट्रिक्स आमतौर पर कवर करता है:

चर (Variable)	विशिष्ट सीमा (Typical range)	यह क्यों मायने रखता है
पवन वेग (Wind speed)	0 से डिज़ाइन क्रॉसविंड सीमा तक, प्लस मार्जिन	प्रत्येक बिंदु पर नियंत्रण मार्जिन स्थापित करता है
अज़ीमुथ (Azimuth)	पूर्ण 360°, रिज़ॉल्यूशन 15°–30°	क्रॉसविंड प्रतिक्रिया शायद ही कभी सममित (symmetric) होती है
इनफ्लो कोण (Inflow angle)	होवर से फॉरवर्ड फ्लाइट तक	रोटर-विंग इंटरैक्शन, ट्रांज़िशन (transition) व्यवहार
झोंके का आयाम (Gust amplitude) और वृद्धि का समय	असतत झोंके, कई वृद्धि समय	चरम मूल्य (peak value) से अधिक परिवर्तन की दर मायने रखती है
टर्बुलेंस (Turbulence) तीव्रता	हल्का, मध्यम, गंभीर	विनियामक आयाम भाषा के साथ संरेखित होता है
डिसेंट रेट (Descent rate)	भंवर वलय सीमा (vortex ring boundary) के माध्यम से	एप्रोच (Approach) सबसे अधिक जोखिम वाला चरण है
कॉन्फ़िगरेशन (Configuration)	पेलोड, CG, वन-रोटर-डिग्रेडेड	जहां मार्जिन सबसे पहले गायब हो जाते हैं

कम से कम मापा गया: बैलेंस पर बल और क्षण (moments), प्रति-रोटर RPM और करंट, कमांडेड बनाम प्राप्त एटीट्यूड और पोज़िशन, पेलोड या केबिन स्थान पर त्वरण (accelerations), और टनल इंस्ट्रूमेंटेशन से इनफ्लो संदर्भ।

6. सुविधा का आकार तय करना

यदि आप किसी विंड टनल में समय किराए पर लेने के बजाय उसे निर्दिष्ट कर रहे हैं, तो चार आंकड़े हावी होते हैं:

परीक्षण अनुभाग (Test section) का आकार बनाम वाहन का स्पैन। ब्लॉकेज (Blockage) डेटा को दृश्य रूप से स्पष्ट होने से बहुत पहले ही दूषित कर देता है। एक पूर्ण-स्केल छोटे UAV को एक ऐसे अनुभाग की आवश्यकता होती है जो कागज़ पर बहुत बड़े आकार का दिखता हो।
गति सीमा, निचले छोर सहित। UAM कार्य 0–30 m/s बैंड में रहता है। 25 m/s की तुलना में स्थिर, एकसमान 3 m/s उत्पन्न करना अधिक कठिन है, और यहीं पर होवर और कम गति वाले ट्रांज़िशन (transition) डेटा लिए जाते हैं।
प्रवाह की गुणवत्ता (Flow quality) जहां यह मायने रखती है। कम टर्बुलेंस (Low turbulence) वह बेसलाइन है जिस पर टनल को वापस लौटने में सक्षम होना चाहिए; आप ऐसे झोंके का अध्ययन नहीं कर सकते जिसे आप पृष्ठभूमि (background) से अलग नहीं कर सकते।
अनुभाग तक पहुंच और सुरक्षा। फ्री-फ्लाइट परीक्षण के लिए सुरक्षा जाल (protective netting), एक आपातकालीन स्टॉप (emergency stop) जो वाहन से तेज़ हो, और दिन में कई बार कॉन्फ़िगरेशन बदलने के लिए एक एक्सेस अवधारणा की आवश्यकता होती है।

क्लोज्ड-लूप आर्किटेक्चर यहां उन्हीं कारणों से हावी हैं जिन कारणों से वे अन्य जगहों पर हावी हैं: दोहराव, तापमान नियंत्रण और चलने की लागत — ट्रेड-ऑफ़

closed-circuit vs open-circuit tunnels

में निर्धारित किया गया है, और इसके पीछे का ओरिएंटेशन निर्णय हमारे

comparison of wind tunnel types

में है。

7. बचने योग्य पांच गलतियां

केवल हेडविंड का परीक्षण करना। यह चलाने के लिए सबसे सस्ती स्थिति है और सबसे कम जानकारीपूर्ण है।
माध्य (mean) मानों की रिपोर्टिंग। गस्ट रिस्पॉन्स (Gust response) एक क्षणिक (transient) घटना है। औसत डेटा ठीक उसी घटना को छुपा देता है जिसके लिए आप परीक्षण कर रहे थे।
ग्राउंड प्लेन को नज़रअंदाज़ करना। वर्टिपोर्ट डेक के पास, रीसर्क्युलेशन और ग्राउंड इफ़ेक्ट इनफ्लो को पूरी तरह से बदल देते हैं।
एयरफ्रेम का परीक्षण करना लेकिन नियंत्रण कानून (control law) का नहीं। अधिकांश शहरी विफलताएं सिस्टम विफलताएं हैं; एक फ्रोज़न कंट्रोलर के साथ बैलेंस-माउंटेड मॉडल उन्हें प्रकट नहीं करेगा।
डिज़ाइन फ़्रीज़ होने के बाद तक पर्यावरण परीक्षण को छोड़ना। क्रॉसविंड क्षमता रोटर साइज़िंग और कंट्रोल मार्जिन के साथ खरीदी जाती है — जो निर्णय जल्दी लिए जाते हैं और जिन्हें बाद में पलटना महंगा पड़ता है।

8. परीक्षण योजना से सुविधा तक

अर्बन एयर मोबिलिटी को एक ऐसे वातावरण के खिलाफ प्रमाणित किया जा रहा है जो दिशात्मक, अस्थिर और साइट-विशिष्ट है। उस मानक को पूरा करने का अर्थ है इसे ज़मीन पर, बार-बार, सैकड़ों बार दोहराना, इससे बहुत पहले कि कोई विमान वास्तविक इमारतों के बीच उड़ान भरे।

हम ठीक इसी श्रेणी के काम के लिए कस्टम परीक्षण सुविधाएं डिज़ाइन करते हैं और बनाते हैं — वाहन के आकार के अनुसार क्लोज्ड-लूप विंड टनल, जिसमें कम गति की स्थिरता, गस्ट जनरेशन और इंस्ट्रूमेंटेशन एकीकरण की योजना एयरोडायनामिक अवधारणा से ही बनाई जाती है, और जलवायु और स्थायित्व मॉड्यूल के साथ जिन्हें कार्यक्रम के परिपक्व होने पर जोड़ा जा सकता है। हमारा शुरुआती बिंदु आपका परीक्षण मैट्रिक्स है, कोई कैटलॉग नहीं।

हमें अपना एनवलप और वाहन के आयाम भेजें और हम एक सुविधा अवधारणा के साथ वापस आएंगे: अनुभाग का आकार, गति सीमा, ड्राइव पावर और बिल्डिंग फुटप्रिंट।

स्रोत और नोट्स

छोटी-श्रेणी के VTOL विमानों के लिए EASA विशेष शर्त, SC-VTOL-01, 2 जुलाई 2019 को प्रकाशित, और बाद के मीन्स ऑफ़ कंप्लायंस प्रकाशन: SC-VTOL-01, Fourth publication of MoC with SC-VTOL।
भंवर पैमानों (eddy scales) की एक विस्तृत श्रृंखला के प्रति छोटे विमानों की संवेदनशीलता, और UAM संचालन का विंड-इंजीनियरिंग दृष्टिकोण: Urban Air Mobility: A Wind Engineering Perspective, WSP।
इमारतों के पास गस्ट (झोंका) वातावरण: "Gusts Encountered by Flying Vehicles in Proximity to Buildings", Drones, 2023।
निष्क्रिय टर्बुलेंस जनरेशन (ग्रिड, रफनेस एलिमेंट्स, स्पियर्स) क्लासिक विंड-इंजीनियरिंग अभ्यास है; सक्रिय रूप से नियंत्रित फैन एरे के खिलाफ वर्गीकरण TunnelTech की अपनी रूपरेखा है। विशेष रूप से सक्रिय पक्ष पर, फैन-एरे विंड जनरेटर का प्रति-सेल नियंत्रण और टर्बुलेंस लक्षण वर्णन: Turbulence enhancement of a fan array wind generator, arXiv।
eVTOL के लिए कोई सार्वभौमिक संख्यात्मक क्रॉसविंड सीमा जानबूझकर यहां उद्धृत नहीं की गई है: घोषित क्रॉसविंड और टेलविंड वेग लागू मीन्स ऑफ़ कंप्लायंस के माध्यम से प्रति कार्यक्रम स्थापित किए जाते हैं।
परीक्षण मैट्रिक्स रेंज और सुविधा आकार मार्गदर्शन TunnelTech इंजीनियरिंग अभ्यास हैं, जिनकी पुष्टि विशिष्ट वाहन और साइट के खिलाफ की जानी चाहिए।

अर्बन एयर मोबिलिटी (UAM) के लिए विंड टनल परीक्षण: क्रॉसविंड और झोंकों में eVTOL और ड्रोन