การทดสอบ eVTOL ในอุโมงค์ลมในสภาวะลมขวางและลมกระโชก

อากาศยานที่ออกแบบมาสำหรับท้องฟ้าเปิดและอากาศยานที่ออกแบบมาสำหรับเขตเมืองคือเครื่องจักรสองชนิดที่แตกต่างกัน และความแตกต่างนั้นไม่ได้อยู่ที่โครงสร้างอากาศยาน — แต่อยู่ที่สภาพอากาศ

เหนือหลังคาอาคาร กระแสลมจะเกิดการแยกตัวและกลับมารวมตัวกันใหม่ ระหว่างตึกสูงสองตึก กระแสลมจะมีความเร็วเพิ่มขึ้น ที่ด้านหลังกำแพงกันตก กระแสลมจะปล่อยกระแสวนออกมาในความถี่ที่ขึ้นอยู่กับตัวอาคาร ไม่ใช่อากาศยาน โดรนขนส่งสินค้าหรือแท็กซี่ทางอากาศที่กำลังบินเข้าจอดที่จุดขึ้นลง (vertiport) จะต้องใช้เวลาในช่วงที่สำคัญต่อความปลอดภัยมากที่สุดในบริเวณที่สภาพอากาศไม่เอื้ออำนวยมากที่สุด

นั่นคือเหตุผลที่ การทดสอบ eVTOL ในอุโมงค์ลม ไม่ได้เป็นเพียงขั้นตอนการตรวจสอบความถูกต้องในระยะท้ายๆ อีกต่อไป แต่ได้กลายมาเป็นปัจจัยหลักในการขับเคลื่อนการออกแบบ ด้านล่างนี้คือสิ่งที่จะเกิดขึ้นจริงกับยานพาหนะเมื่อเผชิญกับลมในเขตเมือง วิธีการจำลองสภาวะเหล่านั้นในศูนย์ทดสอบ และวิธีการกำหนดขนาดของศูนย์ทดสอบที่สามารถสร้างสภาวะเหล่านั้นได้

1. ทำไมสภาพอากาศในเมืองจึงรับมือได้ยากกว่าท้องฟ้าเปิด

มีผลกระทบหลัก 3 ประการ และไม่มีผลกระทบใดเลยที่จะพบได้ในกระแสลมที่ราบเรียบและสม่ำเสมอของการทดสอบสมรรถนะแบบคลาสสิก

แรงเฉือน (Shear) ความเร็วลมจะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วตามระดับความสูงเมื่ออยู่ใกล้อาคาร อากาศยานที่กำลังไต่ระดับออกจากจุดขึ้นลงอาจต้องบินผ่านความลาดชันของความเร็วลมในเวลาเพียงไม่กี่วินาที และโรเตอร์แต่ละตัวจะเผชิญกับกระแสลมไหลเข้าที่แตกต่างกันในขณะที่เกิดเหตุการณ์นั้น

การแยกตัวและกระแสลมตาม (Separation and wakes) ขอบอาคารทุกแห่งคือตัวสร้างกระแสวน ที่บริเวณท้ายลมของตึกสูง อากาศยานจะต้องบินผ่านกระแสลมตามซึ่งมีกระแสวนย่อยที่มีขนาดขึ้นอยู่กับโครงสร้างอาคาร — และอากาศยานขนาดเล็กจะได้รับผลกระทบจากขนาดของกระแสวนย่อยที่หลากหลายกว่าอากาศยานขนาดใหญ่ ความปั่นป่วนสามารถอธิบายให้เห็นภาพได้ดีที่สุดว่าเป็นการซ้อนทับกันของกระแสวนย่อยหลายขนาด ยานพาหนะจะถูกรบกวนมากที่สุดจากกระแสวนย่อยที่มีขนาดใกล้เคียงหรือใหญ่กว่าตัวมันเอง ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไม eVTOL ขนาด 3 ม. จึงมีความไวต่อสนามลมกระโชกเดียวกันมากกว่าเครื่องบินโดยสารพาณิชย์อย่างมาก

มวลอากาศร้อนและมวลอากาศที่เกิดจากมนุษย์ (Thermal and man-made plumes) ผนังอาคารที่ได้รับความร้อนจากแสงอาทิตย์ ลานจอดรถ และท่อไอเสียจากระบบ HVAC จะเพิ่มองค์ประกอบของความเร็วในแนวดิ่งซึ่งแปรผันตลอดทั้งวัน และไม่สามารถมองเห็นได้ในรายงานสภาพอากาศมาตรฐาน

ผลลัพธ์ที่ได้คือสภาพแวดล้อมที่มีการรบกวนซึ่งไม่เพียงแต่รุนแรงกว่าลมในพื้นที่เปิดโล่งเท่านั้น แต่ยังมี โครงสร้าง ที่ซับซ้อน — และระบบควบคุมมักจะล้มเหลวเมื่อต้องรับมือกับโครงสร้างของลม ไม่ใช่ค่าเฉลี่ยของลม

2. สิ่งที่มักจะล้มเหลวในความเป็นจริง

จากประสบการณ์ของเราในโปรแกรมการทดสอบ UAV และ eVTOL รูปแบบความล้มเหลว 4 ประการนี้คือสาเหตุของเหตุการณ์ที่ไม่คาดคิดส่วนใหญ่:

สูญเสียอำนาจการควบคุม ในสภาวะลมขวางที่สม่ำเสมอ ยานพาหนะจะรักษาระดับทัศนคติการบินโดยการปรับเอียงแรงขับของโรเตอร์อย่างถาวร การปรับเอียงดังกล่าวจะกินพื้นที่ส่วนเผื่อที่มีไว้สำหรับการต้านทานลมกระโชก ยานพาหนะอาจดูเหมือนมีเสถียรภาพ — จนกระทั่งลมกระโชกพัดมา และไม่มีส่วนเผื่อเหลือให้ปรับแก้ได้อีก
ความไม่สมมาตรของแรงขับกลายเป็นความไม่สมมาตรของพลังงาน โรเตอร์แต่ละตัวจะถึงขีดจำกัดในเวลาที่ต่างกัน บนแพลตฟอร์มที่ใช้พลังงานแบตเตอรี่ไฟฟ้า สิ่งนี้จะแสดงออกมาในรูปแบบของกระแสไฟฟ้าที่พุ่งสูงขึ้นใน ESC บางตัว และอาจถึงขีดจำกัดทางความร้อนได้ก่อนที่จะถึงขีดจำกัดทางอากาศพลศาสตร์
การรักษาตำแหน่งแย่ลงก่อนการรักษาทัศนคติการบิน ระบบออโตไพลอตสามารถรักษาระดับของอากาศยานไว้ได้แต่ตัวเครื่องยังคงลอยเบี่ยงเบนออกไป สำหรับการปฏิบัติการที่จุดขึ้นลง การเบี่ยงเบนดังกล่าวคือตัวแปรที่สำคัญยิ่งต่อความปลอดภัย
คุณภาพการโดยสารลดลงก่อนการควบคุมจะสูญเสียไป สำหรับยานพาหนะที่บรรทุกผู้โดยสาร ขอบเขตที่ยอมรับได้จะถูกกำหนดโดยสิ่งที่ผู้คนสามารถทนได้ ไม่ใช่สิ่งที่ระบบควบคุมการบินสามารถเอาตัวรอดได้

ไม่มีข้อใดเลยที่สามารถมองเห็นได้ในการทดสอบการบินลอยตัวในอากาศนิ่ง และทั้งหมดนี้สามารถจำลองขึ้นใหม่ได้ในอุโมงค์ลม

3. สิ่งที่การรับรองมาตรฐานต้องการอย่างแท้จริง

สำหรับอากาศยาน VTOL ขนาดเล็ก กรอบการทำงานของยุโรปคือเงื่อนไขพิเศษ SC-VTOL-01 ของ EASA ซึ่งเผยแพร่เมื่อวันที่ 2 กรกฎาคม 2019 พร้อมกับชุดเอกสารวิธีการปฏิบัติตามข้อกำหนดที่ได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องตั้งแต่เดือนพฤษภาคม 2020

ประเด็นสำคัญสำหรับวิศวกรทดสอบคือความครอบคลุมของคำจำกัดความด้านสภาพแวดล้อม SC-VTOL ครอบคลุมถึงลมจากทุกทิศทาง — รวมถึงลมขวาง ลมลาดชัน ลมกระโชก ลมเฉือน และความปั่นป่วน — ควบคู่ไปกับสภาวะน้ำแข็งเกาะ หยาดน้ำฟ้า และอุณหภูมิ โดยคาดหวังให้พิจารณาสิ่งเหล่านี้ในระดับความรุนแรงที่แตกต่างกัน ซึ่งอธิบายไว้ว่า เล็กน้อย ปานกลาง และรุนแรง

โครงสร้างดังกล่าวส่งผลในทางปฏิบัติ 2 ประการ:

เมทริกซ์การทดสอบของคุณต้องเป็นแบบหลายแกนโดยปริยาย การสาธิตสมรรถนะในสภาวะลมต้านพิสูจน์อะไรได้น้อยมาก ชุดเงื่อนไขจะต้องมีทิศทางและรวมถึงเนื้อหาที่ไม่คงที่ด้วย
ตัวเลขต่างๆ จะเฉพาะเจาะจงสำหรับแต่ละโปรแกรม ขีดความสามารถในการรับลมขวางและลมตามที่ประกาศไว้ จะถูกกำหนดผ่านวิธีการปฏิบัติตามข้อกำหนดที่บังคับใช้สำหรับอากาศยานแต่ละลำ ไม่ใช่การอ่านจากตารางสากล ใครก็ตามที่อ้างอิงขีดจำกัดสากลเพียงค่าเดียวสำหรับลมขวางของ eVTOL ควรถูกตั้งข้อสงสัย — และนั่นรวมถึงซัพพลายเออร์ด้วย

ดังนั้น ศูนย์ทดสอบจึงต้องถูกกำหนดรายละเอียดตามขอบเขตที่ คุณ ประกาศไว้ บวกกับส่วนเผื่อสำหรับกรณีระดับปานกลางและรุนแรงที่คุณตั้งใจจะทำการสำรวจ

4. ลมในเขตเมืองถูกจำลองขึ้นในอุโมงค์ลมได้อย่างไร

มีเทคนิคอยู่ 3 กลุ่มหลัก และโปรแกรมที่จริงจังมักจะใช้มากกว่าหนึ่งเทคนิค

การสร้างความปั่นป่วนแบบพาสซีฟ ตะแกรง ยอดแหลม องค์ประกอบความขรุขระ และสิ่งกีดขวางที่วางไว้ที่ต้นน้ำจะสร้างชั้นขอบเขตที่มีความปั่นป่วนตามโปรไฟล์และความเข้มข้นเป้าหมาย นี่คือแนวทางวิศวกรรมลมแบบคลาสสิก: ราคาถูก มีเสถียรภาพ และทำซ้ำได้สูงมาก แต่สเปกตรัมของความปั่นป่วนจะถูกกำหนดตายตัวเมื่อติดตั้งฮาร์ดแวร์เสร็จแล้ว

การสร้างลมกระโชกแบบแอคทีฟ ใบปรับทิศทางลมที่แกว่งไปมาบริเวณต้นน้ำของส่วนทดสอบ หรือแผงพัดลมที่ควบคุมแต่ละเซลล์แยกกัน จะสร้างกระแสลมที่แปรผันตามเวลา — ลมกระโชกแบบแยกส่วน การกระตุ้นแบบไซน์ การเปลี่ยนทิศทางกะทันหัน แรงเฉือนที่ตั้งโปรแกรมไว้ นี่เป็นวิธีเดียวที่จะจำลองเหตุการณ์เฉพาะเจาะจง เช่น การบินผ่านกระแสลมตามของอาคาร และทำซ้ำให้เหมือนเดิมทุกประการสำหรับกฎการควบคุมสองเวอร์ชันที่แตกต่างกัน

การจำลองสภาพเมืองด้วยแบบจำลองย่อส่วน แบบจำลองย่อส่วนของจุดขึ้นลงและสภาพแวดล้อมโดยรอบจะถูกวางไว้ที่ต้นน้ำ และอากาศยานจะถูกทดสอบภายในกระแสลมตามที่แบบจำลองเหล่านั้นสร้างขึ้นจริง นี่คือวิธีที่สภาพแวดล้อมของสิ่งปลูกสร้างถูกนำเข้าสู่การทดสอบ แทนที่จะเป็นการประมาณค่าด้วยตัวเลขความเข้มความปั่นป่วน

ไม่ว่าจะใช้วิธีใด การตัดสินใจเลือกรูปแบบการติดตั้ง 2 ประการจะเป็นตัวกำหนดสิ่งอื่นๆ ทั้งหมด: ไม่ว่ายานพาหนะจะถูก ติดตั้งบนเครื่องชั่ง — ซึ่งให้ค่าแรง โมเมนต์ และความสามารถในการทำซ้ำที่ชัดเจน — หรือ บินอิสระ ในส่วนทดสอบแบบเปิดขนาดใหญ่โดยมีระบบออโตไพลอตของตัวเองทำหน้าที่ควบคุมแบบวงจรปิด ซึ่งเป็นการทดสอบระบบมากกว่าโครงสร้างอากาศยาน การเปลี่ยนผ่านจากการบินลอยตัวไปสู่การบินไปข้างหน้า ซึ่งมุมของกระแสลมไหลเข้าจะกวาดผ่านช่วงทั้งหมด และกระแสลมตามจากโรเตอร์จะทำปฏิกิริยากับปีกและโครงสร้าง ถือเป็นการเคลื่อนที่ที่มีค่าที่สุดเพียงหนึ่งเดียวที่ควรจำลองขึ้นมา และจำเป็นต้องใช้ทั้งสองรูปแบบ

5. เมทริกซ์การทดสอบที่ใช้งานได้จริง

สำหรับยานพาหนะที่ปฏิบัติการในเขตเมือง เมทริกซ์มักจะครอบคลุม:

ตัวแปร	ช่วงทั่วไป	ทำไมจึงสำคัญ
ความเร็วลม	0 ถึงขีดจำกัดลมขวางที่ออกแบบไว้ บวกส่วนเผื่อ	กำหนดส่วนเผื่อการควบคุมในแต่ละจุด
มุมทิศ	เต็ม 360° ความละเอียด 15°–30°	การตอบสนองต่อลมขวางแทบจะไม่สมมาตร
มุมกระแสลมไหลเข้า	การบินลอยตัวไปจนถึงการบินไปข้างหน้า	ปฏิกิริยาระหว่างโรเตอร์กับปีก พฤติกรรมการเปลี่ยนผ่าน
แอมพลิจูดลมกระโชกและเวลาที่เพิ่มขึ้น	ลมกระโชกแบบแยกส่วน เวลาที่เพิ่มขึ้นหลายระดับ	อัตราการเปลี่ยนแปลงมีความสำคัญมากกว่าค่าสูงสุด
ความเข้มความปั่นป่วน	เล็กน้อย ปานกลาง รุนแรง	สอดคล้องกับภาษาที่ใช้ระบุแอมพลิจูดในข้อบังคับ
อัตราการร่อนลง	ผ่านขอบเขตวงแหวนกระแสวน	การบินเข้าหาเป้าหมายคือระยะที่มีความเสี่ยงสูงสุด
โครงสร้างการจัดวาง	น้ำหนักบรรทุก, จุดศูนย์ถ่วง, โรเตอร์เสื่อมสภาพหนึ่งตัว	จุดที่ส่วนเผื่อจะหายไปก่อน

สิ่งที่ต้องวัดเป็นอย่างน้อย: แรงและโมเมนต์บนเครื่องชั่ง, RPM และกระแสไฟฟ้าของแต่ละโรเตอร์, ทัศนคติการบินและตำแหน่งที่สั่งการเทียบกับที่ทำได้จริง, ความเร่งที่ตำแหน่งน้ำหนักบรรทุกหรือห้องโดยสาร และค่าอ้างอิงกระแสลมไหลเข้าจากเครื่องมือวัดของอุโมงค์ลม

6. การกำหนดขนาดของศูนย์ทดสอบ

หากคุณกำลังกำหนดสเปกของอุโมงค์ลมแทนที่จะเช่าเวลาใช้งาน จะมีตัวเลข 4 ตัวที่เป็นปัจจัยหลัก:

ขนาดของส่วนทดสอบเทียบกับความกว้างของยานพาหนะ การกีดขวางจะทำให้ข้อมูลผิดเพี้ยนไปนานก่อนที่มันจะปรากฏให้เห็นอย่างชัดเจน UAV ขนาดเล็กขนาดเท่าของจริงจำเป็นต้องมีส่วนทดสอบที่ดูเหมือนมีขนาดใหญ่เกินความจำเป็นอย่างมากเมื่ออยู่บนหน้ากระดาษ
ช่วงความเร็ว รวมถึงช่วงความเร็วต่ำ งาน UAM จะอยู่ในช่วง 0–30 m/s การสร้างความเร็ว 3 m/s ที่ มีเสถียรภาพและสม่ำเสมอ นั้นยากกว่าการสร้างความเร็ว 25 m/s และนั่นคือจุดที่มีการเก็บข้อมูลการบินลอยตัวและการเปลี่ยนผ่านที่ความเร็วต่ำ
คุณภาพการไหลในจุดที่สำคัญ ความปั่นป่วนต่ำคือเส้นฐานที่อุโมงค์ลมต้องสามารถกลับไปได้ คุณไม่สามารถศึกษาลมกระโชกที่คุณไม่สามารถแยกแยะออกจากสภาพแวดล้อมพื้นหลังได้
การเข้าถึงส่วนทดสอบและความปลอดภัย การทดสอบการบินอิสระจำเป็นต้องมีตาข่ายนิรภัย ปุ่มหยุดฉุกเฉิน (E-stop) ที่ทำงานได้เร็วกว่ายานพาหนะ และแนวคิดในการเข้าถึงเพื่อเปลี่ยนโครงสร้างการจัดวางหลายครั้งต่อวัน

สถาปัตยกรรมแบบวงจรปิดเป็นที่นิยมในที่นี้ด้วยเหตุผลเดียวกับที่เป็นที่นิยมในที่อื่นๆ: ความสามารถในการทำซ้ำ การควบคุมอุณหภูมิ และต้นทุนการดำเนินงาน — ข้อดีข้อเสียได้ถูกระบุไว้ใน

closed-circuit vs open-circuit tunnels

และการตัดสินใจเลือกทิศทางที่อยู่เบื้องหลังนั้นอยู่ใน

comparison of wind tunnel types

ของเรา

7. ข้อผิดพลาด 5 ประการที่ควรหลีกเลี่ยง

ทดสอบเฉพาะลมต้าน เป็นเงื่อนไขที่ถูกที่สุดในการดำเนินการและให้ข้อมูลน้อยที่สุด
รายงานเฉพาะค่าเฉลี่ย การตอบสนองต่อลมกระโชกเป็นสภาวะชั่วครู่ ข้อมูลเฉลี่ยจะซ่อนเหตุการณ์ที่คุณกำลังทดสอบอยู่อย่างมิดชิด
เพิกเฉยต่อระนาบพื้น เมื่ออยู่ใกล้ลานจอดของจุดขึ้นลง การหมุนเวียนกลับและกราวด์เอฟเฟกต์จะเปลี่ยนกระแสลมไหลเข้าโดยสิ้นเชิง
ทดสอบโครงสร้างอากาศยานแต่ไม่ทดสอบกฎการควบคุม ความล้มเหลวในเขตเมืองส่วนใหญ่คือความล้มเหลวของระบบ แบบจำลองที่ติดตั้งบนเครื่องชั่งพร้อมกับตัวควบคุมที่ถูกแช่แข็งไว้จะไม่เปิดเผยความล้มเหลวเหล่านั้น
ปล่อยการทดสอบสภาพแวดล้อมไว้จนกว่าจะสิ้นสุดการออกแบบ ขีดความสามารถในการรับลมขวางได้มาจากการกำหนดขนาดโรเตอร์และส่วนเผื่อการควบคุม — ซึ่งเป็นการตัดสินใจที่ต้องทำตั้งแต่เนิ่นๆ และมีค่าใช้จ่ายสูงหากต้องแก้ไขในภายหลัง

8. จากแผนการทดสอบสู่ศูนย์ทดสอบ

การสัญจรทางอากาศในเขตเมืองกำลังได้รับการรับรองเทียบกับสภาพแวดล้อมที่มีทิศทาง ไม่คงที่ และเฉพาะเจาะจงตามพื้นที่ การบรรลุมาตรฐานดังกล่าวหมายถึงการจำลองสภาพแวดล้อมนั้นบนภาคพื้นดิน ซ้ำแล้วซ้ำเล่าเป็นร้อยๆ ครั้ง นานก่อนที่อากาศยานจะบินเข้าหาเป้าหมายระหว่างอาคารจริง

เราออกแบบและสร้างศูนย์ทดสอบแบบสั่งทำพิเศษสำหรับงานประเภทนี้โดยเฉพาะ — อุโมงค์ลมแบบวงจรปิดที่มีขนาดเหมาะสมกับยานพาหนะ พร้อมด้วยเสถียรภาพที่ความเร็วต่ำ การสร้างลมกระโชก และการบูรณาการเครื่องมือวัดที่วางแผนไว้ตั้งแต่แนวคิดทางอากาศพลศาสตร์เป็นต้นไป และด้วยโมดูลสภาพอากาศและความทนทานที่สามารถเพิ่มเข้าไปได้เมื่อโปรแกรมมีความพร้อมมากขึ้น จุดเริ่มต้นของเราคือเมทริกซ์การทดสอบของคุณ ไม่ใช่แคตตาล็อก

ส่งขอบเขตและขนาดของยานพาหนะของคุณมาให้เรา แล้วเราจะกลับไปพร้อมกับแนวคิดของศูนย์ทดสอบ: ขนาดของส่วนทดสอบ ช่วงความเร็ว กำลังขับ และพื้นที่อาคาร

แหล่งที่มาและหมายเหตุ

เงื่อนไขพิเศษของ EASA สำหรับอากาศยาน VTOL ขนาดเล็ก, SC-VTOL-01, เผยแพร่เมื่อวันที่ 2 กรกฎาคม 2019 และเอกสารวิธีการปฏิบัติตามข้อกำหนดที่เผยแพร่ในเวลาต่อมา: SC-VTOL-01, Fourth publication of MoC with SC-VTOL
ความไวของอากาศยานขนาดเล็กต่อขนาดของกระแสวนย่อยที่หลากหลาย และมุมมองทางวิศวกรรมลมของการปฏิบัติการ UAM: Urban Air Mobility: A Wind Engineering Perspective, WSP
สภาพแวดล้อมของลมกระโชกใกล้อาคาร: "Gusts Encountered by Flying Vehicles in Proximity to Buildings", Drones, 2023
การสร้างความปั่นป่วนแบบพาสซีฟ (ตะแกรง องค์ประกอบความขรุขระ ยอดแหลม) เป็นแนวทางปฏิบัติด้านวิศวกรรมลมแบบคลาสสิก การจำแนกประเภทเทียบกับแผงพัดลมที่ควบคุมแบบแอคทีฟเป็นกรอบแนวคิดของ TunnelTech เอง ในด้านแอคทีฟโดยเฉพาะ การควบคุมแต่ละเซลล์และการกำหนดลักษณะความปั่นป่วนของเครื่องกำเนิดลมแบบแผงพัดลม: Turbulence enhancement of a fan array wind generator, arXiv
ไม่มีการอ้างอิงขีดจำกัดตัวเลขสากลสำหรับลมขวางของ eVTOL ในที่นี้โดยเจตนา: ความเร็วลมขวางและลมตามที่ประกาศไว้จะถูกกำหนดตามแต่ละโปรแกรมผ่านวิธีการปฏิบัติตามข้อกำหนดที่บังคับใช้
ช่วงของเมทริกซ์การทดสอบและคำแนะนำในการกำหนดขนาดศูนย์ทดสอบเป็นแนวทางปฏิบัติด้านวิศวกรรมของ TunnelTech ซึ่งจะต้องได้รับการยืนยันเทียบกับยานพาหนะและสถานที่เฉพาะเจาะจง

การทดสอบในอุโมงค์ลมสำหรับการสัญจรทางอากาศในเขตเมือง: eVTOL และโดรนในสภาวะลมขวางและลมกระโชก