Vėjo tunelių bandymai miesto oro mobilumui: eVTOL ir bepiločių orlaivių (dronų) bandymai esant šoniniam vėjui ir gūsiams

Atviram dangui sukurtas orlaivis ir miestui sukurtas orlaivis yra dvi skirtingos mašinos, ir skirtumas slypi ne lėktuvo korpuse, o ore.

Virš stogo oro srautas atsiskiria ir vėl susijungia. Tarp dviejų bokštų jis pagreitėja. Už parapeto jis sukuria sūkurius, kurių dažnis priklauso nuo pastato, o ne nuo orlaivio. Krovininis dronas ar oro taksi, artėdamas prie vertiporto, praleidžia pačias kritiškiausias saugumo požiūriu minutes būtent ten, kur atmosfera yra mažiausiai palanki.

Būtent todėl eVTOL vėjo tunelių bandymai nustojo būti tik vėlyvojo etapo patvirtinimo žingsniu ir tapo projektavimą lemiančiu veiksniu. Žemiau pateikiama informacija apie tai, kas iš tikrųjų nutinka transporto priemonei miesto vėjyje, kaip šios sąlygos atkuriamos bandymų įrenginyje ir kaip apskaičiuoti įrenginio, galinčio jas sukurti, dydį.

---

1. Kodėl miesto oras yra sudėtingesnis nei atviras dangus

Dominuoja trys efektai, ir nė vieno iš jų nėra švariame, pastoviame klasikinio našumo bandymo oro sraute.

Šlytis (vėjo poslinkis). Šalia pastatų vėjo greitis greitai kinta priklausomai nuo aukščio. Iš vertiporto kylantis orlaivis per kelias sekundes gali pereiti didelį greičio gradientą, ir tuo metu kiekvienas rotorius susiduria su skirtingu įtekančiu srautu.

Srauto atsiskyrimas ir aerodinaminiai pėdsakai. Kiekvienas pastato kraštas yra sūkurių generatorius. Už bokšto orlaivis skrenda per aerodinaminį pėdsaką, kurio būdingų sūkurių dydį lemia pati struktūra, o mažus orlaivius veikia daug platesnis sūkurių dydžių diapazonas nei didelius. Turbulencija geriausiai įsivaizduojama kaip daugelio mastelių sūkurių superpozicija; transporto priemonę labiausiai trikdo sūkuriai, kurių dydis panašus į jos pačios arba didesnis, todėl 3 m ilgio eVTOL yra kur kas jautresnis tam pačiam gūsių laukui nei keleivinis lėktuvas.

Šiluminiai ir dirbtiniai srautai. Saulės įkaitinti fasadai, automobilių stovėjimo aikštelės ir ŠVOK išmetamosios dujos prideda vertikalių greičio komponenčių, kurios kinta dienos bėgyje ir yra nematomos standartinėse orų prognozėse.

Rezultatas – trikdžių aplinka, kuri yra ne tik stipresnė už atviro lauko vėją, bet ir struktūruota, o valdymo sistemos sugenda susidūrusios su struktūra, o ne su vidurkiais.

---

2. Kas iš tikrųjų sugenda

Remiantis mūsų patirtimi su UAV ir eVTOL bandymų programomis, daugiausia netikėtumų sukelia keturi gedimų tipai:

• Išsenka valdymo galimybės. Esant pastoviam šoniniam vėjui, transporto priemonė išlaiko padėtį nuolat keisdama rotoriaus trauką. Šis poslinkis sumažina atsargą, skirtą gūsių kompensavimui. Transporto priemonė atrodo stabili – kol nepasirodo gūsis ir nebelieka jokių resursų jam atremti.
• Traukos asimetrija tampa galios asimetrija. Atskiri rotoriai pasiekia prisotinimo ribą skirtingu laiku. Akumuliatorinėje elektrinėje platformoje tai pasireiškia kaip srovės šuoliai specifiniuose ESC, ir šiluminės ribos gali būti pasiektos daug anksčiau nei aerodinaminės.
• Pozicijos išlaikymas pablogėja anksčiau nei padėties išlaikymas. Autopilotas išlaiko orlaivį horizontalioje padėtyje, tačiau jis vis tiek dreifuoja. Vertiporto operacijoms šis dreifas yra kritinis saugumo parametras.
• Skrydžio komfortas žlunga anksčiau nei valdymas. Keleivinėse transporto priemonėse priimtiną ribą nustato tai, ką gali toleruoti žmonės, o ne tai, ką gali atlaikyti skrydžio valdiklis.

Nė vienas iš šių reiškinių nėra matomas kybojimo bandyme ramiame ore, ir visi jie gali būti atkuriami vėjo tunelyje.

---

3. Ko iš tikrųjų reikalauja sertifikavimas

Mažos kategorijos VTOL orlaiviams Europos sistema yra EASA specialioji sąlyga SC-VTOL-01 , paskelbta 2019 m. liepos 2 d., kartu su nuolatine atitikties užtikrinimo priemonių dokumentų serija, rengiama nuo 2020 m. gegužės mėn.

Bandymų inžinieriui svarbiausias dalykas yra aplinkos apibrėžimo platumas. SC-VTOL apima vėją iš bet kurios krypties – įskaitant šoninį vėją, vėjo gradientą, gūsius, vėjo šlytį ir turbulenciją – kartu su apledėjimu, krituliais ir temperatūra, ir reikalauja, kad į tai būtų atsižvelgiama esant skirtingoms amplitudėms, apibūdinamoms kaip lengvos, vidutinės ir sunkios.

Ši struktūra turi dvi praktines pasekmes:

1. Jūsų bandymų matrica pagal apibrėžimą yra daugiakryptė. Našumo demonstravimas esant priešiniam vėjui įrodo labai mažai; sąlygų rinkinys yra kryptinis ir apima nestabilų turinį.
2. Skaičiai yra specifiniai programai. Deklaruojamos šoninio ir galinio vėjo galimybės nustatomos taikant atitinkamas atitikties užtikrinimo priemones konkrečiam orlaiviui, o ne nuskaitomos iš universalios lentelės. Į bet kurį asmenį, nurodantį vieną universalią eVTOL šoninio vėjo ribą, reikėtų žiūrėti įtariai – tai galioja ir tiekėjams.

Todėl bandymų įrenginys turi būti suprojektuotas atsižvelgiant į jūsų deklaruojamas ribas, pridedant atsargą vidutiniams ir sunkiems atvejams, kuriuos ketinate tirti.

---

4. Kaip miesto vėjas atkuriamas vėjo tunelyje

Yra trys metodų grupės, ir rimtose programose naudojama daugiau nei viena.

Pasyvus turbulencijos generavimas. Prieš srovę išdėstyti tinkleliai, smailės, šiurkštumo elementai ir barjerai sukuria turbulencinį ribinį sluoksnį su tiksliniu profiliu ir intensyvumu. Tai klasikinis vėjo inžinerijos požiūris: pigus, stabilus ir labai lengvai atkartojamas, tačiau turbulencijos spektras iš esmės tampa fiksuotas, kai tik įranga yra sumontuota.

Aktyvus gūsių generavimas. Prieš bandymo sekciją esančios svyruojančios mentės arba ventiliatorių matrica su individualiai valdomomis celėmis sukuria laike kintantį oro srautą – pavienius gūsius, sinusoidinį žadinimą, staigius krypties pokyčius, užprogramuotą šlytį. Tai vienintelis būdas atkurti konkretų įvykį, pavyzdžiui, skrydį per pastato aerodinaminį pėdsaką, ir identiškai jį pakartoti dviem skirtingoms valdymo algoritmų versijoms.

Sumažinto mastelio miesto simuliacija. Sumažinti vertiporto ir jo aplinkos modeliai patalpinami prieš srovę, o orlaivis bandomas jų realiai sukuriamame aerodinaminiame pėdsake. Taip užstatyta aplinka įtraukiama į bandymą, užuot ją apytiksliai įvertinus turbulencijos intensyvumo skaičiumi.

Nepriklausomai nuo to, kuris metodas naudojamas, viską lemia du konfigūracijos sprendimai: ar transporto priemonė yra sumontuota ant svarstyklių – tai užtikrina švarias jėgas, momentus ir pakartojamumą – ar laisvai skrendanti didelėje atviro srauto sekcijoje su savo pačios autopilotu, uždarančiu ciklą, kas leidžia išbandyti sistemą, o ne lėktuvo korpusą. Perėjimas iš kybojimo į skrydį pirmyn, kai įtekančio srauto kampas apima visą diapazoną, o rotorių aerodinaminiai pėdsakai sąveikauja su sparnais ir struktūra, yra pats vertingiausias manevras, kurį reikia atkurti, ir tam reikia abiejų konfigūracijų.

---

5. Veikianti bandymų matrica

Miesto operacijoms skirtai transporto priemonei matrica paprastai apima:

Matuojama mažiausiai: jėgos ir momentai ant svarstyklių, kiekvieno rotoriaus RPM ir srovė, nurodyta ir pasiekta padėtis bei pozicija, pagreičiai naudingosios apkrovos arba kabinos vietoje ir įtekančio srauto atskaitos duomenys iš vėjo tunelio matavimo įrangos.

---

6. Įrenginio dydžio nustatymas

Jei projektuojate vėjo tunelį, o ne nuomojatės jame laiką, dominuoja keturi skaičiai:

• Bandymo sekcijos dydis palyginti su transporto priemonės pločiu. Blokavimas iškraipo duomenis daug anksčiau, nei tai tampa vizualiai akivaizdu. Pilno mastelio mažam UAV reikia sekcijos, kuri popieriuje atrodo gerokai per didelė.
• Greičio diapazonas, įskaitant žemutinę ribą. UAM darbai vyksta 0–30 m/s diapazone. Sukurti stabilų, tolygų 3 m/s oro srautą yra sunkiau nei 25 m/s, o būtent čia renkami kybojimo ir mažo greičio perėjimo duomenys.
• Srauto kokybė ten, kur tai svarbu. Žema turbulencija yra bazinė linija, į kurią vėjo tunelis turi sugebėti grįžti; negalite tirti gūsio, kurio negalite atskirti nuo fono.
• Prieiga prie sekcijos ir saugumas. Laisvo skrydžio bandymams reikalingas apsauginis tinklas, avarinis sustabdymas (E-stop), kuris suveiktų greičiau nei transporto priemonė, ir prieigos koncepcija, leidžianti keisti konfigūracijas daug kartų per dieną.

Uždaro kontūro architektūros čia dominuoja dėl tų pačių priežasčių, dėl kurių jos dominuoja kitur: pakartojamumo, temperatūros kontrolės ir eksploatacinių išlaidų – kompromisas pateiktas

closed-circuit vs open-circuit tunnels

, o su tuo susijęs orientacijos sprendimas – mūsų

comparison of wind tunnel types

.

---

7. Penkios klaidos, kurių verta išvengti

• Bandymas tik esant priešiniam vėjui. Tai pigiausia bandymo sąlyga ir mažiausiai informatyvi.
• Vidutinių verčių pateikimas. Reakcija į gūsį yra trumpalaikis reiškinys. Vidutiniški duomenys paslepia būtent tą įvykį, kurį bandėte ištirti.
• Žemės plokštumos ignoravimas. Šalia vertiporto aikštelės recirkuliacija ir žemės efektas visiškai pakeičia įtekantį srautą.
• Lėktuvo korpuso, bet ne valdymo algoritmo bandymas. Dauguma gedimų mieste yra sisteminiai gedimai; ant svarstyklių sumontuotas modelis su užfiksuotu valdikliu jų neatskleis.
• Aplinkos bandymų atidėjimas po projekto užbaigimo. Šoninio vėjo galimybės pasiekiamos parenkant rotoriaus dydį ir valdymo atsargą – tai sprendimai, kurie priimami anksti, o vėliau juos pakeisti kainuoja brangiai.

---

8. Nuo bandymų plano iki įrenginio

Miesto oro mobilumas sertifikuojamas atsižvelgiant į aplinką, kuri yra kryptinga, nestabili ir specifiška vietai. Šio standarto atitikimas reiškia jo atkūrimą ant žemės, pakartotinai, šimtus kartų, dar ilgai prieš tai, kai orlaivis atliks artėjimą tūpti tarp realių pastatų.

Mes projektuojame ir statome nestandartinius bandymų įrenginius būtent tokios klasės darbams – uždaro kontūro vėjo tunelius, kurių dydis pritaikytas transporto priemonei, su mažo greičio stabilumu, gūsių generavimu ir matavimo įrangos integracija, suplanuota nuo pat aerodinaminės koncepcijos etapo, bei su klimato ir ilgaamžiškumo moduliais, kuriuos galima pridėti programai tobulėjant. Mūsų atskaitos taškas yra jūsų bandymų matrica, o ne katalogas.

Atsiųskite mums savo eksploatacines ribas ir transporto priemonės matmenis , ir mes pateiksime įrenginio koncepciją: sekcijos dydį, greičio diapazoną, pavaros galią ir pastato užimamą plotą.

---

Šaltiniai ir pastabos

• EASA specialioji sąlyga mažos kategorijos VTOL orlaiviams, SC-VTOL-01, paskelbta 2019 m. liepos 2 d., ir vėlesnės atitikties užtikrinimo priemonių publikacijos: SC-VTOL-01, Fourth publication of MoC with SC-VTOL.
• Mažų orlaivių jautrumas plačiam sūkurių mastelių diapazonui ir vėjo inžinerijos požiūris į UAM operacijas: Urban Air Mobility: A Wind Engineering Perspective, WSP.
• Gūsių aplinka šalia pastatų: „Gusts Encountered by Flying Vehicles in Proximity to Buildings“, Drones, 2023.
• Pasyvus turbulencijos generavimas (tinkleliai, šiurkštumo elementai, smailės) yra klasikinė vėjo inžinerijos praktika; klasifikacija, lyginant su aktyviai valdomomis ventiliatorių matricomis, yra pačios TunnelTech suformuluota. Kalbant konkrečiai apie aktyviąją pusę, ventiliatorių matricos vėjo generatorių valdymas kiekvienoje celėje ir turbulencijos apibūdinimas: Turbulence enhancement of a fan array wind generator, arXiv.
• Jokia universali skaitinė eVTOL šoninio vėjo riba čia sąmoningai nenurodoma: deklaruojami šoninio ir galinio vėjo greičiai nustatomi kiekvienai programai atskirai, taikant atitinkamas atitikties užtikrinimo priemones.
• Bandymų matricos diapazonai ir įrenginio dydžio nustatymo gairės yra TunnelTech inžinerinė praktika, kurią reikia patvirtinti atsižvelgiant į konkrečią transporto priemonę ir vietą.