Thử nghiệm hầm gió eVTOL trong điều kiện gió ngang và gió giật

Một chiếc máy bay được thiết kế cho bầu trời rộng mở và một chiếc máy bay được thiết kế cho đô thị là hai cỗ máy hoàn toàn khác biệt, và sự khác biệt không nằm ở khung máy bay — mà nằm ở luồng không khí.

Phía trên mái nhà, luồng không khí bị tách ra và nhập lại. Giữa hai tòa tháp, nó tăng tốc. Phía sau một lan can, nó tạo ra các dòng xoáy với tần số phụ thuộc vào tòa nhà, chứ không phải máy bay. Một chiếc drone chở hàng hoặc taxi bay khi tiếp cận bãi đáp (vertiport) sẽ trải qua những phút giây quan trọng nhất về mặt an toàn ở chính nơi mà điều kiện khí quyển ít thuận lợi nhất.

Đó là lý do tại sao thử nghiệm hầm gió cho eVTOL không còn là bước xác chuẩn ở giai đoạn cuối mà đã trở thành yếu tố định hướng thiết kế. Dưới đây là những gì thực sự xảy ra với một phương tiện trong điều kiện gió đô thị, cách những điều kiện đó được tái tạo trong cơ sở thử nghiệm, và cách xác định quy mô của một cơ sở có thể tạo ra chúng.

1. Tại sao không khí đô thị lại khắc nghiệt hơn bầu trời mở

Có ba hiệu ứng chi phối, và không hiệu ứng nào trong số đó xuất hiện trong luồng không khí sạch, ổn định của một bài kiểm tra hiệu suất truyền thống.

Đứt gió (Shear). Tốc độ gió thay đổi nhanh chóng theo độ cao khi ở gần các tòa nhà. Một chiếc máy bay cất cánh từ bãi đáp có thể đi qua một gradient vận tốc đáng kể chỉ trong vài giây, và mỗi rôto tiếp nhận một luồng khí vào khác nhau trong quá trình đó.

Sự tách dòng và luồng khí xoáy (Separation and wakes). Mỗi góc cạnh của tòa nhà đều là một nguồn tạo xoáy. Ở phía hạ lưu của một tòa tháp, máy bay bay qua một luồng khí xoáy mà đặc trưng của các cuộn xoáy được quyết định bởi cấu trúc tòa nhà — và máy bay nhỏ bị ảnh hưởng bởi phạm vi kích thước cuộn xoáy rộng hơn nhiều so với máy bay lớn. Nhiễu loạn (turbulence) được hình dung rõ nhất như sự chồng chất của các cuộn xoáy ở nhiều quy mô khác nhau; một phương tiện bị tác động mạnh nhất bởi các cuộn xoáy có kích thước tương đương hoặc lớn hơn chính nó, đó là lý do tại sao một chiếc eVTOL 3 m nhạy cảm hơn nhiều so với một máy bay chở khách trong cùng một trường gió giật.

Luồng nhiệt và luồng khí nhân tạo. Các mặt tiền bị mặt trời nung nóng, bãi đỗ xe và khí thải từ hệ thống HVAC bổ sung thêm các thành phần vận tốc thẳng đứng thay đổi trong suốt cả ngày và không thể thấy được trên các bản báo cáo thời tiết tiêu chuẩn.

Kết quả là một môi trường nhiễu động không chỉ mạnh hơn gió ở không gian mở, mà còn có cấu trúc — và các hệ thống điều khiển thường thất bại trước cấu trúc, chứ không phải trước các giá trị trung bình.

2. Những vấn đề thực sự phát sinh

Theo kinh nghiệm của chúng tôi với các chương trình thử nghiệm UAV và eVTOL, có bốn hình thức hỏng hóc chiếm phần lớn các tình huống bất ngờ:

Mất khả năng điều khiển. Trong điều kiện gió ngang ổn định, phương tiện duy trì tư thế bằng cách liên tục điều chỉnh lực đẩy của rôto. Sự điều chỉnh này làm tiêu hao biên độ dự trữ dành cho việc triệt tiêu gió giật. Phương tiện trông có vẻ ổn định — cho đến khi một cơn gió giật ập đến và không còn biên độ nào để bù đắp.
Sự bất đối xứng lực đẩy trở thành sự bất đối xứng công suất. Các rôto riêng lẻ đạt đến giới hạn bão hòa ở những thời điểm khác nhau. Trên một nền tảng chạy bằng pin-điện, điều đó thể hiện qua các đợt tăng vọt dòng điện trên các ESC cụ thể, và giới hạn nhiệt có thể đạt đến rất lâu trước khi chạm tới giới hạn khí động học.
Khả năng giữ vị trí suy giảm trước khả năng giữ tư thế. Hệ thống lái tự động giữ cho máy bay thăng bằng nhưng vẫn bị trôi. Đối với các hoạt động tại bãi đáp, sự trôi dạt đó là một yếu tố cực kỳ quan trọng đối với an toàn.
Chất lượng chuyến đi suy giảm trước khi mất kiểm soát. Đối với các phương tiện chở khách, giới hạn chấp nhận được được xác định bởi những gì con người có thể chịu đựng, chứ không phải bởi những gì bộ điều khiển bay có thể vượt qua.

Không có vấn đề nào trong số này có thể nhìn thấy trong một bài kiểm tra bay lơ lửng trong không khí tĩnh, và tất cả chúng đều có thể được tái tạo trong hầm gió.

3. Các yêu cầu thực tế của chứng nhận

Đối với máy bay VTOL hạng nhỏ, khuôn khổ của Châu Âu là Điều kiện Đặc biệt SC-VTOL-01 của EASA, được công bố vào ngày 2 tháng 7 năm 2019, cùng với một loạt các tài liệu Phương thức Tuân thủ (Means of Compliance) liên tục được phát triển từ tháng 5 năm 2020.

Điểm quan trọng đối với một kỹ sư thử nghiệm là phạm vi định nghĩa về môi trường. SC-VTOL đề cập đến gió từ mọi hướng — bao gồm gió ngang, gradient gió, gió giật, đứt gió và nhiễu loạn — cùng với hiện tượng đóng băng, lượng mưa và nhiệt độ, đồng thời yêu cầu những yếu tố này phải được xem xét ở các biên độ khác nhau, được mô tả là nhẹ, trung bình và nghiêm trọng.

Cấu trúc đó mang lại hai hệ quả thực tế:

Ma trận thử nghiệm của bạn theo định nghĩa là đa trục. Việc chứng minh hiệu suất trong điều kiện gió ngược chứng tỏ được rất ít; tập hợp các điều kiện mang tính đa hướng và bao gồm cả các yếu tố không ổn định.
Các con số mang tính đặc thù cho từng chương trình. Khả năng chịu gió ngang và gió xuôi được công bố sẽ được thiết lập thông qua các Phương thức Tuân thủ áp dụng cho một máy bay nhất định, chứ không phải đọc từ một bảng tiêu chuẩn chung. Bất kỳ ai đưa ra một giới hạn chung duy nhất cho khả năng chịu gió ngang của eVTOL đều nên bị nghi ngờ — và điều đó bao gồm cả các nhà cung cấp.

Do đó, một cơ sở thử nghiệm phải được thiết kế dựa trên giới hạn hoạt động mà bạn đã công bố, cộng thêm biên độ dự phòng cho các trường hợp trung bình và nghiêm trọng mà bạn dự định khám phá.

4. Cách tái tạo gió đô thị trong hầm gió

Có ba nhóm kỹ thuật, và các chương trình nghiêm túc thường sử dụng nhiều hơn một kỹ thuật.

Tạo nhiễu loạn thụ động. Các lưới, chóp nhọn, phần tử tạo độ nhám và rào cản được đặt ở thượng nguồn sẽ phát triển một lớp biên nhiễu loạn với biên dạng và cường độ mục tiêu. Đây là phương pháp kỹ thuật gió kinh điển: chi phí thấp, ổn định và có độ lặp lại cao, nhưng phổ nhiễu loạn về cơ bản là cố định một khi phần cứng đã được thiết lập.

Tạo gió giật chủ động. Các cánh vẫy dao động ở thượng nguồn của đoạn thử nghiệm, hoặc một mảng quạt với các ô được điều khiển độc lập, sẽ tạo ra luồng không khí thay đổi theo thời gian — các đợt gió giật rời rạc, kích thích hình sin, thay đổi hướng đột ngột, đứt gió được lập trình. Đây là cách duy nhất để tái tạo một sự kiện cụ thể, chẳng hạn như bay qua luồng khí xoáy của một tòa nhà, và lặp lại nó một cách giống hệt nhau cho hai phiên bản luật điều khiển khác nhau.

Mô phỏng đô thị theo tỷ lệ mô hình. Các mô hình thu nhỏ của bãi đáp và khu vực xung quanh được đặt ở thượng nguồn, và máy bay được thử nghiệm bên trong luồng khí xoáy mà chúng thực sự tạo ra. Đây là cách môi trường xây dựng được đưa vào thử nghiệm thay vì chỉ được ước tính bằng một con số cường độ nhiễu loạn.

Dù sử dụng phương pháp nào, có hai quyết định về cấu hình sẽ định hình mọi thứ khác: liệu phương tiện được gắn trên cân — mang lại các giá trị lực, mô-men xoắn rõ ràng và độ lặp lại cao — hay bay tự do trong một vùng thử nghiệm tia hở (open-jet) lớn với hệ thống lái tự động riêng khép kín vòng lặp, nhằm thử nghiệm hệ thống thay vì chỉ thử nghiệm khung máy bay. Quá trình chuyển đổi từ bay lơ lửng sang bay tiến, nơi góc luồng khí vào quét qua toàn bộ phạm vi và luồng khí xoáy từ rôto tương tác với cánh và cấu trúc, là thao tác giá trị nhất cần được tái tạo, và nó đòi hỏi cả hai cấu hình trên.

5. Một ma trận thử nghiệm khả thi

Đối với một phương tiện hoạt động trong đô thị, ma trận thường bao quát:

Biến số	Phạm vi điển hình	Tại sao nó quan trọng
Tốc độ gió	Từ 0 đến giới hạn gió ngang thiết kế, cộng thêm biên độ dự phòng	Thiết lập biên độ điều khiển tại mỗi điểm
Góc phương vị	Đủ 360°, độ phân giải 15°–30°	Phản ứng với gió ngang hiếm khi đối xứng
Góc luồng khí vào	Từ bay lơ lửng đến bay tiến	Tương tác giữa rôto và cánh, hành vi chuyển đổi
Biên độ gió giật và thời gian tăng	Các đợt gió giật rời rạc, nhiều thời gian tăng khác nhau	Tốc độ thay đổi quan trọng hơn giá trị đỉnh
Cường độ nhiễu loạn	Nhẹ, trung bình, nghiêm trọng	Phù hợp với ngôn ngữ về biên độ của cơ quan quản lý
Tốc độ hạ cánh	Xuyên qua ranh giới vòng xoáy	Tiếp cận là giai đoạn có rủi ro cao nhất
Cấu hình	Tải trọng, CG, suy giảm một rôto	Nơi các biên độ dự phòng biến mất đầu tiên

Các thông số đo lường tối thiểu: lực và mô-men xoắn trên cân, RPM và dòng điện của từng rôto, tư thế và vị trí được lệnh so với thực tế đạt được, gia tốc tại vị trí tải trọng hoặc cabin, và tham chiếu luồng khí vào từ thiết bị đo lường của hầm gió.

6. Xác định quy mô cơ sở thử nghiệm

Nếu bạn đang thiết kế thông số kỹ thuật cho một hầm gió thay vì thuê thời gian sử dụng, có bốn con số mang tính quyết định:

Kích thước đoạn thử nghiệm so với sải cánh phương tiện. Hiện tượng tắc nghẽn làm sai lệch dữ liệu từ rất lâu trước khi nó trở nên rõ ràng bằng mắt thường. Một UAV nhỏ kích thước thực tế cần một đoạn thử nghiệm trông có vẻ quá khổ trên bản vẽ.
Phạm vi tốc độ, bao gồm cả dải tốc độ thấp. Các hoạt động UAM nằm trong dải 0–30 m/s. Việc tạo ra tốc độ 3 m/s ổn định, đồng đều khó hơn nhiều so với việc tạo ra tốc độ 25 m/s, và đây là nơi thu thập dữ liệu bay lơ lửng và chuyển đổi ở tốc độ thấp.
Chất lượng dòng chảy ở những nơi quan trọng. Nhiễu loạn thấp là mức cơ sở mà hầm gió phải có khả năng quay trở lại; bạn không thể nghiên cứu một cơn gió giật nếu không thể phân biệt nó với môi trường nền.
Khả năng tiếp cận đoạn thử nghiệm và an toàn. Thử nghiệm bay tự do đòi hỏi lưới an toàn, hệ thống dừng khẩn cấp (E-stop) phản ứng nhanh hơn phương tiện, và một phương án tiếp cận để thay đổi cấu hình nhiều lần trong ngày.

Các kiến trúc hầm gió mạch kín chiếm ưu thế ở đây vì những lý do tương tự như ở các lĩnh vực khác: khả năng lặp lại, kiểm soát nhiệt độ và chi phí vận hành — sự đánh đổi được trình bày trong

closed-circuit vs open-circuit tunnels

, và quyết định về định hướng đằng sau nó được nêu trong

comparison of wind tunnel types

của chúng tôi.

7. Năm sai lầm cần tránh

Chỉ thử nghiệm gió ngược. Đây là điều kiện thử nghiệm rẻ nhất và cung cấp ít thông tin nhất.
Báo cáo các giá trị trung bình. Phản ứng với gió giật là một quá trình chuyển tiếp. Dữ liệu trung bình sẽ che giấu chính xác sự kiện mà bạn đang muốn thử nghiệm.
Bỏ qua mặt đất. Gần bãi đáp, sự tuần hoàn và hiệu ứng mặt đất làm thay đổi hoàn toàn luồng khí vào.
Thử nghiệm khung máy bay nhưng không thử nghiệm luật điều khiển. Hầu hết các hỏng hóc trong đô thị là hỏng hóc hệ thống; một mô hình gắn trên cân với bộ điều khiển bị đóng băng sẽ không thể hiện ra những hỏng hóc đó.
Để lại thử nghiệm môi trường cho đến sau khi chốt thiết kế. Khả năng chịu gió ngang có được nhờ vào việc định cỡ rôto và biên độ điều khiển — những quyết định được đưa ra từ sớm và sẽ rất tốn kém nếu phải đảo ngược về sau.

8. Từ kế hoạch thử nghiệm đến cơ sở vật chất

Di chuyển trên không trong đô thị đang được cấp chứng nhận dựa trên một môi trường có tính đa hướng, không ổn định và đặc thù theo từng địa điểm. Việc đáp ứng tiêu chuẩn đó đồng nghĩa với việc tái tạo nó trên mặt đất, có thể lặp lại, hàng trăm lần, từ rất lâu trước khi một chiếc máy bay thực hiện tiếp cận giữa các tòa nhà thực tế.

Chúng tôi thiết kế và xây dựng các cơ sở thử nghiệm tùy chỉnh dành riêng cho loại công việc này — các hầm gió mạch kín được định cỡ theo phương tiện, với độ ổn định ở tốc độ thấp, khả năng tạo gió giật và tích hợp thiết bị đo lường được lên kế hoạch ngay từ giai đoạn ý tưởng khí động học, cùng với các mô-đun khí hậu và độ bền có thể được bổ sung khi chương trình phát triển. Điểm khởi đầu của chúng tôi là ma trận thử nghiệm của bạn, chứ không phải một cuốn catalogue.

Hãy gửi cho chúng tôi giới hạn hoạt động và kích thước phương tiện của bạn và chúng tôi sẽ phản hồi với một bản phác thảo cơ sở: kích thước đoạn thử nghiệm, phạm vi tốc độ, công suất truyền động và diện tích xây dựng.

Nguồn và ghi chú

Điều kiện Đặc biệt của EASA dành cho máy bay VTOL hạng nhỏ, SC-VTOL-01, công bố ngày 2 tháng 7 năm 2019, và các ấn phẩm Phương thức Tuân thủ tiếp theo: SC-VTOL-01, Fourth publication of MoC with SC-VTOL.
Độ nhạy của máy bay nhỏ đối với nhiều quy mô cuộn xoáy khác nhau, và góc nhìn kỹ thuật gió về các hoạt động UAM: Urban Air Mobility: A Wind Engineering Perspective, WSP.
Môi trường gió giật gần các tòa nhà: "Gusts Encountered by Flying Vehicles in Proximity to Buildings", Drones, 2023.
Tạo nhiễu loạn thụ động (lưới, phần tử tạo độ nhám, chóp nhọn) là thực tiễn kỹ thuật gió kinh điển; việc phân loại so với các mảng quạt được điều khiển chủ động là cách định hình riêng của TunnelTech. Cụ thể về mặt chủ động, kiểm soát từng ô và đặc tính nhiễu loạn của máy tạo gió dạng mảng quạt: Turbulence enhancement of a fan array wind generator, arXiv.
Không có giới hạn gió ngang bằng số liệu chung nào cho eVTOL được trích dẫn ở đây một cách có chủ ý: vận tốc gió ngang và gió xuôi được công bố sẽ được thiết lập cho từng chương trình thông qua các Phương thức Tuân thủ áp dụng.
Các phạm vi ma trận thử nghiệm và hướng dẫn xác định quy mô cơ sở là thực tiễn kỹ thuật của TunnelTech, cần được xác nhận lại dựa trên phương tiện và địa điểm cụ thể.

Thử nghiệm hầm gió cho Di chuyển trên không trong đô thị: eVTOL và Drone trong điều kiện gió ngang và gió giật