アーバンエアモビリティ（UAM）のための風洞試験：横風および突風環境下におけるeVTOLとドローン

開けた空を飛ぶために設計された航空機と、都市部を飛ぶために設計された航空機は、全く異なる機械です。その違いは機体にあるのではなく、空気にあります。

屋上の上では、気流は剥離し、再び付着します。2つのタワーの間では加速します。パラペットの背後では、航空機ではなく建物に依存する周波数で渦を放出します。バーティポート（垂直離着陸場）にアプローチする貨物用ドローンやエアタクシーは、大気が最も非協力的な場所で、安全性において最も重要な数分間を過ごすことになります。

だからこそ、eVTOLの風洞試験 は開発後期の検証ステップではなく、設計を牽引する重要な要素となっているのです。以下では、都市部の風の中で機体に実際に何が起こるのか、試験施設でそれらの条件をどのように再現するのか、そしてそれらを再現できる施設の規模をどのように決定するのかについて解説します。

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1. 都市部の空気が開けた空よりも過酷な理由

3つの影響が支配的ですが、従来の性能試験におけるクリーンで安定した気流には、そのどれも存在しません。

ウインドシア（風の断層）。 建物の近くでは、高さによって風速が急激に変化します。バーティポートから上昇する航空機は、数秒の間に大きな速度勾配を通過する可能性があり、その間、各ローターはそれぞれ異なる流入風を受けます。

剥離と後流。 建物のあらゆるエッジが渦発生器となります。タワーの下流では、航空機は構造物によってサイズが決まる特徴的な渦を持つ後流の中を飛行します。そして、小型航空機は大型航空機よりもはるかに幅広いサイズの渦の影響を受けます。乱流は、様々なスケールの渦の重ね合わせとしてイメージするのが最適です。機体は、自身のサイズと同等かそれ以上の渦によって最も大きな乱れを受けます。そのため、3 mのeVTOLは、同じ突風場において旅客機よりもはるかに敏感に反応するのです。

熱および人工的な上昇気流。 太陽で熱せられた建物の外壁、立体駐車場、空調設備の排気などは、1日を通して変化する垂直方向の速度成分を追加しますが、これらは標準的な気象情報には現れません。

その結果、開けた場所の風よりも強いだけでなく、構造化された乱れ環境が生じます。そして、制御システムは平均値に対してではなく、この構造に対して破綻するのです。

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2. 実際に何が破綻するのか

UAVおよびeVTOLの試験プログラムにおける当社の経験から、予期せぬ事態の大部分は以下の4つの故障モードによって説明されます。

• 制御権の喪失。 定常的な横風の中では、機体はローターの推力を常に偏らせることで姿勢を維持します。この偏りが、突風を打ち消すために利用できるマージンを食いつぶします。機体は安定しているように見えますが、突風が吹いたときには、もはや対応できる余力が残っていません。
• 推力の非対称性が電力の非対称性になる。 個々のローターは異なるタイミングで飽和状態に達します。バッテリー駆動の電動プラットフォームでは、これは特定のESCでの電流スパイクとして現れ、空気力学的な限界に達するずっと前に熱的限界に達する可能性があります。
• 姿勢維持よりも先に位置維持が低下する。 オートパイロットは機体を水平に保ちますが、それでも機体はドリフトします。バーティポートでの運用において、このドリフトは安全性に直結する重要な数値です。
• 制御が破綻する前に乗り心地が崩壊する。 旅客輸送用の機体の場合、許容されるエンベロープは、フライトコントローラーが生き残れるかどうかではなく、乗客が許容できるかどうかによって決まります。

これらは無風状態でのホバリング試験では確認できませんが、風洞内であればすべて再現可能です。

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3. 認証で実際に求められること

小型カテゴリーのVTOL機に対する欧州の枠組みは、2019年7月2日に発行されたEASAの特別要件SC-VTOL-01 であり、2020年5月以降、適合性証明手段（Means of Compliance）の文書が継続的に作成されています。

試験エンジニアにとって重要なポイントは、環境定義の幅広さです。SC-VTOLは、着氷、降水、温度と並んで、横風、風の勾配、突風、ウインドシア、乱流を含むあらゆる方向からの風に対処し、これらを「軽度」「中程度」「重度」と表現される異なる振幅で考慮することを求めています。

この構造には、実務上2つの結果をもたらします。

1. テストマトリックスは必然的に多軸になる。 向かい風での性能を実証しても、証明できることはごくわずかです。条件設定は方向性を持ち、非定常な内容を含みます。
2. 数値はプログラム固有である。 宣言される横風および追い風の能力は、普遍的な表から読み取るのではなく、特定の航空機に適用される適合性証明手段を通じて確立されます。eVTOLの横風に対する単一の普遍的な限界値を提示する者がいれば、サプライヤーを含め、疑ってかかるべきです。

したがって、試験施設は、お客様が宣言したエンベロープに加えて、調査を予定している中程度および重度のケースに対するマージンを考慮して仕様を決定する必要があります。

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4. 都市部の風を風洞でどのように再現するか

手法には大きく分けて3つの系統があり、本格的なプログラムでは複数の手法を組み合わせて使用します。

受動的な乱流生成。 上流に配置されたグリッド、スパイア、粗度要素、バリアにより、目標とするプロファイルと強度を持つ乱流境界層を形成します。これは古典的な風工学のアプローチであり、安価で安定しており、再現性が非常に高いですが、ハードウェアが設定されると乱流スペクトルは基本的に固定されます。

能動的な突風生成。 テストセクションの上流にある振動ベーン、または個別に制御されたセルを持つファンアレイにより、離散的な突風、正弦波加振、急激な方向変化、プログラムされたウインドシアなど、時間的に変化する気流を生成します。建物の後流を通過するなどの特定のイベントを再現し、2つの異なる制御則バージョンに対して全く同じ条件を繰り返すことができるのは、この方法だけです。

模型スケールの都市シミュレーション。 バーティポートとその周辺のスケールモデルを上流に配置し、それらが実際に作り出す後流の中で航空機をテストします。これにより、乱流強度の数値で近似するのではなく、構築された環境そのものを試験に組み込むことができます。

どの手法を使用するにしても、他のすべてを決定づける2つの構成上の選択があります。それは、機体を天秤にマウントする か（クリーンな力、モーメント、再現性が得られる）、あるいは独自のオートパイロットでループを閉じた状態で大型のオープンジェットセクション内をフリーフライトさせる か（機体ではなくシステムをテストする）です。流入角が全範囲にわたって変化し、ローターの後流が翼や構造物と相互作用する、ホバリングから前進飛行へのトランジションは、再現すべき最も価値のある単一の機動であり、これには両方のアプローチが必要です。

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5. 実用的なテストマトリックス

都市部で運用される機体の場合、マトリックスは通常以下の範囲を網羅します。

少なくとも以下の項目を測定します：天秤にかかる力とモーメント、ローターごとのRPMと電流、指令された姿勢・位置と実際の姿勢・位置、ペイロードまたはキャビン位置での加速度、および風洞の計測機器からの流入リファレンス。

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6. 施設の規模決定

風洞を時間借りするのではなく、自ら仕様を決定する場合、以下の4つの数値が重要になります。

• テストセクションのサイズ対機体のスパン。 閉塞効果は、視覚的に明らかになるずっと前にデータを損ないます。実物大の小型UAVには、図面上ではかなり大きすぎるように見えるセクションが必要です。
• 低速域を含む速度範囲。 UAMの作業は 0～30 m/s の帯域で行われます。安定して均一な 3 m/s を作り出すことは、25 m/s を作り出すことよりも難しく、ホバリングや低速でのトランジションデータが取得されるのはまさにこの領域です。
• 重要な場所での気流の品質。 低乱流は、風洞が戻ることができなければならないベースラインです。バックグラウンドノイズと区別できない突風を研究することはできません。
• セクションへのアクセスと安全性。 フリーフライト試験には、保護ネット、機体よりも速く作動する緊急停止（E-stop）、そして1日に何度も構成を変更するためのアクセスコンセプトが必要です。

ここでも閉回路風洞アーキテクチャが主流ですが、その理由は他の分野で主流である理由と同じです。すなわち、再現性、温度制御、そしてランニングコストです。そのトレードオフについては

closed-circuit vs open-circuit tunnels

に、その背後にある方向性の決定については当社の

comparison of wind tunnel types

に記載されています。

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7. 避けるべき5つの間違い

• 向かい風のみのテスト。 実行するのに最も安価な条件ですが、得られる情報は最も少なくなります。
• 平均値の報告。 突風応答は過渡的なものです。平均化されたデータは、まさにテストの目的であったイベントそのものを隠してしまいます。
• グラウンドプレーンの無視。 バーティポートのデッキ付近では、再循環と地面効果によって流入風が完全に変化します。
• 機体はテストするが制御則はテストしない。 都市部での障害のほとんどはシステム障害です。コントローラーを固定した状態で天秤にマウントされたモデルでは、それらを明らかにすることはできません。
• 環境試験を設計凍結後まで後回しにする。 横風への対応能力は、ローターのサイズ設定と制御マージンによって得られます。これらは初期段階で決定されるものであり、後になって覆すには多大なコストがかかります。

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8. テスト計画から施設構築へ

アーバンエアモビリティは、方向性があり、非定常で、場所特有の環境に対して認証されようとしています。この基準を満たすということは、航空機が実際の建物の間をアプローチ飛行するずっと前に、地上でその環境を何百回も再現性をもって作り出すことを意味します。

当社は、まさにこの種の作業のためのカスタム試験施設を設計・構築しています。機体サイズに合わせた閉回路風洞であり、低速安定性、突風生成、計測機器の統合が空気力学のコンセプト段階から計画され、プログラムの成熟に合わせて気候モジュールや耐久性モジュールを追加できるようになっています。当社の出発点はカタログではなく、お客様のテストマトリックスです。

お客様のエンベロープと機体寸法をお送りください。 セクションサイズ、速度範囲、駆動電力、建物の設置面積など、施設のコンセプトをご提案いたします。

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出典および注記

• 小型カテゴリーVTOL機に対するEASA特別要件 SC-VTOL-01（2019年7月2日発行）およびその後の適合性証明手段（Means of Compliance）の出版物：SC-VTOL-01, Fourth publication of MoC with SC-VTOL
• 幅広いスケールの渦に対する小型航空機の感度、およびUAM運用に関する風工学的な視点：Urban Air Mobility: A Wind Engineering Perspective, WSP
• 建物の近くにおける突風環境："Gusts Encountered by Flying Vehicles in Proximity to Buildings", Drones, 2023
• 受動的な乱流生成（グリッド、粗度要素、スパイア）は古典的な風工学の実践です。能動的に制御されるファンアレイとの対比による分類は、TunnelTech独自の枠組みです。特に能動的な側面における、ファンアレイ風力発生器のセルごとの制御と乱流特性評価について：Turbulence enhancement of a fan array wind generator, arXiv
• ここでは、eVTOLに対する普遍的な横風限界の数値を意図的に引用していません。宣言される横風および追い風の速度は、適用される適合性証明手段を通じてプログラムごとに確立されます。
• テストマトリックスの範囲および施設の規模決定に関するガイダンスはTunnelTechのエンジニアリング実践に基づくものであり、特定の機体およびサイトに対して確認される必要があります。