ファンアレイ風力発生装置 vs 閉回路風洞：UAV試験施設の選び方

ドローン開発プログラムが進むと、風洞試験施設の導入が求められる段階が必ず訪れます。その際、同じ予算枠で全く異なる2つのハードウェアが提案されることがよくあります。個別に制御可能なファンをモジュール式に壁状に配置したファンアレイ風力発生装置 と、従来の閉回路風洞（循環式）です。

これらは同じ機械の競合モデルではありません。それぞれが異なる課題に対する答えを提供します。ファンアレイは「機体が状況に対応できるか？」という問いに答え、風洞は「数値はいくつか、その精度はどの程度か？」という問いに答えます。

以下に、私たちがクライアントに「風洞を購入すべきではない」とアドバイスするケースも含め、率直な比較を示します。

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1. ファンアレイの実際の仕組み

ファンアレイは、約25 × 25 cmのモジュールから構成されており、各モジュールには「ウィンドピクセル」と呼ばれる小さなグリッドが含まれています。これは通常、個別に制御可能な二重反転ファンのペアです。モジュールを積み重ねることで、実質的に任意のサイズの壁を構築でき、階層型コントローラーがモジュール単位またはピクセル単位でこれらを駆動します。

このアーキテクチャにより、従来の風洞では提供できない利点が得られます。それは、流れ場を空間的および時間的に形成できる という点です。出口全体にわたる勾配、回転する渦、方向の急激な変化、プログラムされたせん断層など、すべてがソフトウェア上で実現可能になります。

公表されている数値から、その性能レベルを把握できます。各ウィンドピクセル（二重反転ファンのペア）は最大16 m/sの風速を発生させる定格を持ち、1つのモジュールにはこれが9つ搭載されています。壁のサイズと総電力は、出口に必要なモジュール数に応じてスケールアップします。市販のウィンドウォールは最大20 m/s、収縮部を取り付けた場合は最大約58 m/sとされています。乱流（乱れ強さ）は約5%であり、オプションの整流フィルターを使用すれば1%未満に抑えることができます。

面積、風速、電力、乱流というこれら4つの数値が、比較の全体像を端的に表しています。

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2. ファンアレイが真に優れている点

• フリーフライト（自由飛行）: 機体は壁の前で支持されず、独自のオートパイロットをループに組み込んだ状態で飛行します。スティング（支持棒）も天秤（バランス）も支持干渉もありません。これにより、都市部でのドローン障害の主な原因となるシステム全体の試験が可能になります。
• プログラム可能な外乱: 建物の後流乱れ、ローターのダウンウォッシュの交差、急激な40度の方向変化など、特定の事象を再現し、2つの異なるファームウェアビルドに対して全く同じ条件で繰り返し試験を行うことは、まさにファンアレイが設計された本来の目的です。
• 拡張性: より大きな流れ場が必要な場合は、モジュールを追加するだけです。一方、風洞のテストセクション（試験部）は、建設初日からコンクリートで固定されています。
• アクセス性とターンアラウンド: 試験の合間にペイロード、プロペラ、バッテリーパックを交換する作業は数分で完了し、機体にはあらゆる方向からアクセスできます。
• 小規模な土木工事: これはダクトを覆うように建てられた建物ではなく、ホール内に設置される機械にすぎません。

制御則の開発、オートパイロットのチューニング、突風応答のデモンストレーション、および顧客向けの試験においては、多くの場合、これが正しい選択となります。

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3. ファンアレイの限界

その限界は商業的なものではなく物理的なものであり、誠実なサプライヤーであればそれを明記しています。

• 流れの品質: 約5%の乱流（乱れ強さ）は、堅牢性の試験には十分ですが、正確な揚抗極曲線の取得には無意味です。フィルターは役立ちますが、風速と電力の犠牲を伴います。認証レベルの空力係数をこのような環境で取得することはできません。
• オープンジェットの挙動: 流れは壁から出た直後に室内の空気を巻き込み始め、拡散して減衰します。使用可能な均一なコア部分は出口面積よりも大幅に小さく、距離が離れるにつれてさらに縮小します。
• 単位面積あたりの風速上限: 電力は速度の3乗に比例します。大きな出口で高速を得ようとすると、ファンアレイの電気代が風洞を上回ります。オープンジェットは、稼働している間、常に静止している室内の空気を加速させ続けるためです。
• 環境制御の欠如: 温度、湿度、空気密度は、設置されているホールの環境に完全に依存します。1月に行った測定を7月に正確に再現することは容易ではありません。
• 力は測定ではなく推定: 天秤（バランス）がないため、空力係数は直接的な力の測定ではなく、搭載されたテレメトリとモデルから導き出されます。

風速上限が抽象的ではなく具体的な問題となるケースが1つあります。現在、

high-speed FPV interceptor and racing drones

は300〜400 km/hで飛行しており、このセグメントは急速に成長しているため、私たちにも直接問い合わせが寄せられます。市場にあるファンアレイでこの速度に達するものはありません。収縮部を取り付けた場合でも、商業的な上限は約58 m/s（約209 km/h）であり、迎撃ドローンが必要とする速度の半分強にすぎません。この速度クラスにおいて、閉回路風洞（循環式）は単なる高級な選択肢ではなく、物理的に機能する唯一の選択肢なのです。

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4. 閉回路風洞の違い

閉回路（循環式）では、コーナーの案内羽根（ガイドベーン）、ハニカム（整流材）とスクリーン（整流スクリーン）を備えた整流室、そして流れを加速させると同時に乱流を抑える収縮部を通じて、同じ空気を循環させます。この構造により、以下の3つの利点が得られます。

• 構造による流れの品質: 低乱流条件とテストセクション全体にわたる均一な速度分布（流れの均一性）。これは、再現性のある係数を取得し、意図的に導入した外乱を研究するために必要なベースラインとなります。
• 環境制御: 空気が内部に閉じ込められているため、温度を一定に保つことができます。これにより、夏と冬のデータを比較することが可能になり、気候モジュールや着氷モジュールを導入するための前提条件となります。
• ランニングコスト: ファンは静止した空気を加速させるのではなく、すでにループ内にある運動エネルギーを再利用します。同じサイズと風速の場合、開回路風洞（オープンフロー）と比較して電気代を約60〜70%節約できます。その計算については

closed-circuit vs open-circuit wind tunnels

をご覧ください。

その代償となるのが柔軟性の欠如です。テストセクションのサイズは設計時に決定され、モデルは通常支持装置で固定され、閉塞率の制限が適用され、建物自体が機械の一部となります。

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5. タスクと施設の対応

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6. ハイブリッドな解決策と導入のフェーズ分け

本格的な開発プログラムの多くは、最終的に両方を導入することになります。そして通常、どちらを選ぶかよりも、どのような順序で導入するかが重要になります。

実用的なアプローチは、制御則が未成熟で機体設計がまだ変化している段階では、ファンアレイから始める ことです。この時期には、迅速で安価、かつ柔軟な反復試験が数多く必要になります。そして、効率、耐久性、ローターの相互作用、騒音、認証の証拠、環境エンベロープなど、課題が「数値」に変わった段階で風洞を追加 します。

よくある間違いは、18ヶ月後には存在しないであろう機体に合わせてサイズが固定された風洞を最初に購入してしまうことです。

また、私たちが定期的に建設している中間的な選択肢もあります。それは、オープンジェットのテストセクション を備えた閉回路風洞（循環式）です。これにより、ループの優れた流れの品質と温度制御を維持しながら、ファンアレイのようなアクセス性とフリーフライトの特性の多くを取り戻すことができます。コストはウィンドウォールより高くなりますが、目的に合わない施設を導入するよりは安く済みます。

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7. よく見られる5つの間違い

• 最大風速の比較: 壁からの20 m/sと風洞内の20 m/sは、同じ20 m/sではありません。均一なコア、乱流（乱れ強さ）、および温度の安定性を比較してください。
• ホールの環境を無視する: オープンジェットは室内の空気と相互作用します。小さなホールでは、再循環によってすべての試験データが知らず知らずのうちに損なわれます。
• 閉塞率を忘れる: 風洞では、モデルが大きすぎると、見た目に窮屈さを感じるずっと前にデータが無効になります。
• 音響対策が不要だと思い込む: ファンアレイは構造上騒音が大きくなります。プロペラの騒音試験には、音響処理されたセクションが必要です。
• 現在の機体に合わせてサイズを決める: どちらの施設も、その導入理由となった機体よりも長く使用されます。プロトタイプではなく、将来のファミリー機を見据えて仕様を決定してください。

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8. 独自のテストマトリックスに基づく決定

率直にまとめると、未解決の課題が挙動 に関するものであれば、ファンアレイを購入してください。数値 に関するものであれば、風洞を購入してください。認証や製品の経済性に関するものであれば、最終的には両方必要になります。行き当たりばったりではなく、計画的に導入順序を決定してください。

私たちは、フリーフライト用のオープンジェットセクションを含む、カスタムの閉回路風洞（循環式）の設計と建設を行っています。また、プロジェクトがまだ風洞を必要としていない場合は、はっきりとそうお伝えします。どちらにしても出発点は同じです。何を、どの程度の不確かさで、どの速度で、どの機体で測定しなければならないか、ということです。関連資料：

eVTOL crosswind and gust testing

および当社の

comparison of wind tunnel types

。

お客様のテストマトリックスをお送りください。 どの部分に風洞が必要で、どの部分には不要かをお伝えします。

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出典および注記

• ファンアレイのアーキテクチャ（約25 × 25 cmのモジュール、二重反転ファンによる9つのウィンドピクセル、個別制御可能、階層制御）：How a WindShaper Works, Tyto Robotics
• ピクセルあたりの定格風速16 m/sおよびモジュールアーキテクチャ：Custom Wind Tunnel Datasheet, Tyto Robotics/WindShape
• ファンアレイ風力発生装置のセル単位のアクティブ制御および乱流特性（この技術クラスの一般的な参考資料として）：Turbulence enhancement of a fan array wind generator, arXiv および Aerodynamic Characterization of a Fan Array Wind Generator, arXiv
• 引用された商業的限界（最大20 m/s、収縮部ありで最大約58 m/s、乱流約5%、整流フィルター使用で1%未満）：How WindShaper fan arrays enhance drone testing, Dantec Dynamics
• UAVおよびAAM検証のためのファンアレイを用いた実スケールの大気風および乱流の再現：AIAA SciTech 2023-0812
• 閉回路と開回路のエネルギー比較（60〜70%）はTunnelTechのプロジェクトデータであり、回路選択に関する当社の公開記事と一致しています。
• 特定の市販製品の数値は各サプライヤーからの引用であり、提案書で使用する前に最新のデータシートで再確認する必要があります。