國(guó)外媒體報(bào)道: 城市很快就會(huì)充滿各種電動(dòng)垂直起降 (eVTOL) 飛機(jī)，這些飛機(jī)穿過(guò)密集的城市中心在下面擁擠的街道上方運(yùn)送乘客和貨物。
與任何新興技術(shù)一樣，隨著市場(chǎng)的震蕩，出現(xiàn)了大量設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)提供了運(yùn)營(yíng)商需要的安全性、彈性、舒適性和需求，將通勤公眾轉(zhuǎn)變?yōu)樵诔鞘谢蚨际袇^(qū)進(jìn)行短途旅行的常旅客。
美國(guó)國(guó)家航空航天局 (NASA) 估計(jì)到 2029 年可能會(huì)有 1.3 億人次出行。一些市場(chǎng)預(yù)測(cè)者估計(jì) UAM 市場(chǎng)將從 2021 年的 22 億美元增長(zhǎng)到 2031 年的 310 億美元。
在此期間，eVTOL 飛行出租車(chē)的城市空中交通 (UAM) 領(lǐng)域?qū)⑿枰吹椒ㄒ?guī)、最佳實(shí)踐和基礎(chǔ)設(shè)施的快速采用投資以確保在以高樓大廈、巨大的射頻 (RF) 傳輸流量以及很快其他飛機(jī)為主的城市中實(shí)現(xiàn)安全的航空旅行。
雖然許多人關(guān)注的是飛越市中心交通擁堵的乘客，但 UAM 領(lǐng)域的范圍更廣。除了飛行出租車(chē)的承諾之外，自主 eVTOL、混合動(dòng)力和傳統(tǒng)燃料飛機(jī)運(yùn)營(yíng)商表示，他們打算為穿梭機(jī)、個(gè)人飛行器、航空貨運(yùn)、空中救護(hù)車(chē)/緊急車(chē)輛、最后一英里交付等尋找客戶軍事應(yīng)用。這些飛機(jī)可以遠(yuǎn)程駕駛，也可以由機(jī)上飛行員駕駛，或者在市內(nèi)和城際航線上完全自主駕駛。
截至 2023 年，位于弗吉尼亞州費(fèi)爾法克斯的垂直飛行協(xié)會(huì)的 eVTOL 飛機(jī)目錄中注冊(cè)了 300 多種具有升力和推力布局的設(shè)計(jì)，包括看起來(lái)像更大版本的消費(fèi)類(lèi)四旋翼無(wú)人機(jī)；分布式多軸飛行器；使用混合概念的設(shè)計(jì)，其中固定或傾斜的機(jī)翼驅(qū)動(dòng)向前飛行，而其他風(fēng)扇或螺旋槳用于升空、懸停和著陸；和快速的噴射設(shè)計(jì)。當(dāng)然，每個(gè)都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
除了 UAM 的目標(biāo)是在人口稠密的環(huán)境中運(yùn)送人員和貨物外，同樣的技術(shù)也有望用于城市中心以外的民用和軍用，被稱為先進(jìn)空中機(jī)動(dòng)性 (AAM)。
為未來(lái)而建
位于華盛頓的美國(guó)聯(lián)邦航空管理局 (FAA) 指出，UAM 飛機(jī)最初將使用傳統(tǒng)直升機(jī)已有的飛行生態(tài)系統(tǒng)，其中包括航線、直升機(jī)停機(jī)坪和空中交通管制 (ATC) 服務(wù)。2023 年 3 月，美國(guó)聯(lián)邦航空局開(kāi)始為以 UAM 為中心的垂直起落場(chǎng)制定標(biāo)準(zhǔn)，包括標(biāo)志和混凝土規(guī)范。
該機(jī)構(gòu)在去年春天的一份聲明中寫(xiě)道：“[工程簡(jiǎn)介]草案基于美國(guó)聯(lián)邦航空局對(duì)目前正在開(kāi)發(fā)的各種飛機(jī)設(shè)計(jì)的性能特征進(jìn)行的研究，這些飛機(jī)將利用垂直起落場(chǎng)設(shè)施。” “指南草案包含對(duì)復(fù)合材料飛機(jī)（或參考飛機(jī)）的討論，指南草案中包含的推薦安全標(biāo)準(zhǔn)僅適用于該復(fù)合材料飛機(jī)或性能特征范圍內(nèi)的任何飛機(jī)使用的垂直起落場(chǎng)作為該復(fù)合材料飛機(jī)。安全標(biāo)準(zhǔn)草案不適用于垂直起落場(chǎng)設(shè)施，這些設(shè)施將被其他類(lèi)型的飛機(jī)使用，超出該復(fù)合飛機(jī)的性能特征。”
在各機(jī)構(gòu)制定標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，工程師們正在研究如何在城市周?chē)植夹⌒推鸾祬^(qū)，以實(shí)現(xiàn)安全維護(hù)以及客運(yùn)和貨物裝卸。
在確定具體細(xì)節(jié)的同時(shí)，從法國(guó)圖盧茲的空中客車(chē)公司和弗吉尼亞州阿靈頓的波音公司等航空巨頭，到首爾的現(xiàn)代汽車(chē)和東京的豐田汽車(chē)等汽車(chē)和工業(yè)企業(yè)，以及科技公司-前瞻性初創(chuàng)企業(yè)試圖在 UAM 領(lǐng)域建立足跡。
芝加哥聯(lián)合航空公司等美國(guó)主要客運(yùn)航空公司和巴西 Azul 等全球其他航空公司都對(duì) UAM 進(jìn)行了大量投資。9 月，美聯(lián)航宣布計(jì)劃從巴西制造商巴西航空工業(yè)公司的子公司 Eve Air Mobility 購(gòu)買(mǎi) 200 架四座 eVTOL 飛機(jī)，并可選擇再購(gòu)買(mǎi) 200 架。
Eve 的設(shè)計(jì)使用傳統(tǒng)的固定翼、旋翼和推進(jìn)器，使其具有升力加巡航設(shè)計(jì)，航程可達(dá) 60 英里，并聲稱可將噪音水平降低與目前的傳統(tǒng)飛機(jī)相比，減少了 90%。Eve 還創(chuàng)建了空中交通管理，以使 UAM 行業(yè)能夠安全擴(kuò)展。該軟件的安全級(jí)別與 Embraer 現(xiàn)有的空中交通管理軟件相同。
安全模擬
上個(gè)月，現(xiàn)代汽車(chē)集團(tuán)旗下的 Supernal 宣布與華盛頓的微軟公司 Redmond 合作，整合這家軟件巨頭的 Azure 云平臺(tái)來(lái)運(yùn)行模擬，以測(cè)試和訓(xùn)練自動(dòng)駕駛飛機(jī)運(yùn)輸。
微軟表示，它將為 Supernal 提供 Project AirSim 的早期訪問(wèn)權(quán)，這是一個(gè)人工智能 (AI) 優(yōu)先的模擬平臺(tái)，以通過(guò)模擬構(gòu)建、測(cè)試、訓(xùn)練和驗(yàn)證安全的自動(dòng)駕駛飛機(jī)運(yùn)輸。Project AirSim 使用 Azure 生成大量環(huán)境和感官數(shù)據(jù)，以訓(xùn)練模擬飛行所有階段和可變天氣模式的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。AirSim 項(xiàng)目提供預(yù)訓(xùn)練人工智能模型庫(kù)和代表城市和鄉(xiāng)村景觀的行星規(guī)模 3D 環(huán)境，以及提供合成數(shù)據(jù)生成的合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)。
“航空運(yùn)輸是移動(dòng)民主化的關(guān)鍵支柱，它通過(guò)安全的飛行體驗(yàn)連接更多的人、貨物和地點(diǎn)，”微軟云 + AI 公司副總裁 Ulrich Homann 說(shuō)。“借助 Microsoft 云，Supernal 可以釋放大規(guī)模構(gòu)建、驗(yàn)證和部署電動(dòng)飛行器所需的計(jì)算能力，從而促進(jìn)先進(jìn)空中交通解決方案的商業(yè)化。”
位于加利福尼亞州阿拉米達(dá)的實(shí)時(shí)軟件專家 Wind River Systems 還通過(guò) Wind River Studio 為 UAM/AAM 和其他關(guān)鍵任務(wù)智能系統(tǒng)提供基于云的解決方案。
Wind River Studio 是一個(gè)云原生平臺(tái)，用于關(guān)鍵任務(wù)智能系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、部署、運(yùn)營(yíng)和服務(wù)，并提供滿足 DO-178C 和 DO-356A 的解決方案，航空航天和國(guó)防解決方案總監(jiān) Alex Wilson 說(shuō)在加利福尼亞州阿拉米達(dá)的實(shí)時(shí)軟件專家 Wind River Systems。
“基于現(xiàn)代開(kāi)發(fā)環(huán)境，Wind River Studio 提供了未來(lái)智能航空電子設(shè)備的基本構(gòu)建塊，在現(xiàn)代開(kāi)發(fā)環(huán)境中，安全和保障的過(guò)程要求被內(nèi)置到自動(dòng)化軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，”Wilson 說(shuō)。“Wind River Studio 安全認(rèn)證平臺(tái)支持 Arm、Intel 和 PowerPC 等航空領(lǐng)域的流行架構(gòu)。Wind River Studio 包括使用數(shù)字孿生的自動(dòng)驗(yàn)證和驗(yàn)證。這使軟件開(kāi)發(fā)人員不僅可以滿足法規(guī)要求，還可以提供整個(gè)艦隊(duì)的創(chuàng)新能力使用云來(lái)擴(kuò)展他們的運(yùn)營(yíng)。”
安全第一
在美聯(lián)航乘客可以搭乘從長(zhǎng)島垂直起降場(chǎng)飛往拉瓜迪亞機(jī)場(chǎng)的航班之前，設(shè)計(jì)師和工程師不僅需要贏得未來(lái)乘客的信任，還需要贏得監(jiān)管機(jī)構(gòu)的信任。由于許多飛機(jī)都以完全或部分自主飛行為目標(biāo)，專家們需要展示能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩項(xiàng)功能的完美系統(tǒng)。
Wind River 的 Wilson 指出，最大的挑戰(zhàn)是確保這些飛機(jī)在充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境中安全可靠地運(yùn)行。
“密集的城市環(huán)境意味著這些飛機(jī)不會(huì)因適航原因或網(wǎng)絡(luò)攻擊而造成人員傷亡，”威爾遜說(shuō)。“法規(guī)必須在這一挑戰(zhàn)中發(fā)揮作用。這涵蓋了飛機(jī)生命周期的許多方面，從開(kāi)發(fā)到部署和運(yùn)營(yíng)。這在某些方面與商用飛機(jī)沒(méi)有什么不同，規(guī)定了如何獲得適航性，飛機(jī)的條件是什么是為運(yùn)行而設(shè)計(jì)的，以及如何在整個(gè)生命周期中保持適航性。除此之外，還有關(guān)于如何允許你在空域中運(yùn)行的規(guī)定，包括你需要遵守的通信和傳感器。”
Wilson 說(shuō)，隨著制造商從美國(guó)聯(lián)邦航空局 (FAA) 和歐洲航空安全局 (EASA) 等監(jiān)管機(jī)構(gòu)獲得適航性，設(shè)計(jì)師必須分析潛在的故障模式并提供必要的遷移，以確保不會(huì)發(fā)生任何致命事故。
“這些緩解措施通過(guò)硬件和軟件系統(tǒng)向下流動(dòng)，對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)應(yīng)用安全和安全要求。對(duì)于軟件，這將要求這些組件根據(jù) DO-178C 進(jìn)行安全認(rèn)證，并根據(jù) DO-356A 進(jìn)行安全認(rèn)證，”Wilson 說(shuō)。“驗(yàn)證和驗(yàn)證的級(jí)別將由系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在確定關(guān)鍵子系統(tǒng)時(shí)設(shè)置。
Wilson 繼續(xù)說(shuō)道，“這還必須與圍繞智能交通的城市規(guī)劃保持一致，例如允許誰(shuí)在城市周?chē)\(yùn)營(yíng)自主服務(wù)，允許他們提供什么服務(wù)，以及他們?nèi)绾芜m應(yīng)整個(gè)城市的大局。例如，他們會(huì)使用 5G 基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行導(dǎo)航和通信，客運(yùn)服務(wù)如何與地面、鐵路和商業(yè)航空服務(wù)保持一致，是否會(huì)有某些類(lèi)型的飛機(jī)禁飛區(qū)——例如學(xué)?；蜥t(yī)院？”
建立聯(lián)系
由于許多計(jì)劃中的 UAM 飛機(jī)使用自主或半自主系統(tǒng)，因此需要持續(xù)連接以保持準(zhǔn)時(shí)起飛和著陸以及精確的路線。就像手機(jī)給你指路一樣，這可以通過(guò)射頻傳輸和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 來(lái)完成。位于北卡羅來(lái)納州夏洛特的霍尼韋爾公司無(wú)人機(jī)系統(tǒng) (UAS) 業(yè)務(wù)部首席技術(shù)官 Jia Xu 表示，保持與這些系統(tǒng)的連接至關(guān)重要。驅(qū)動(dòng)；熱管理和電機(jī)，但其抗 GPS 干擾解決方案可以幫助無(wú)人駕駛系統(tǒng)在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中飛行。
由于 GNSS 信號(hào)較弱，無(wú)人機(jī)很容易受到干擾攻擊，這些攻擊可以使用在線購(gòu)買(mǎi)的廉價(jià)干擾器從遠(yuǎn)距離進(jìn)行。無(wú)人機(jī)開(kāi)發(fā)人員和最終用戶目前試圖通過(guò)在 GNSS 挑戰(zhàn)環(huán)境中創(chuàng)建“安全著陸協(xié)議”或在其飛行控制器中添加激光雷達(dá)或光學(xué)激光雷達(dá)等傳感器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。
2021 年底，霍尼韋爾、盒裝無(wú)人機(jī)制造商和美國(guó)空軍供應(yīng)商 Easy Aerial 以及以色列導(dǎo)航彈性公司 infiniDome 合作，將基于 GNSS 的無(wú)人機(jī)定制霍尼韋爾緊湊型慣性導(dǎo)航系統(tǒng) (HCINS) 與 infiniDome 的 GPS 反干擾技術(shù)，與霍尼韋爾基于雷達(dá)的速度系統(tǒng) (HRVS) 集成。
聯(lián)合技術(shù)演示表明，受魯棒導(dǎo)航系統(tǒng)保護(hù)的無(wú)人機(jī)，在具有干擾方向的 GPS 挑戰(zhàn)環(huán)境和軍用級(jí)干擾器的多個(gè)方向強(qiáng)大干擾的拒絕環(huán)境下，可以準(zhǔn)確、安全地執(zhí)行 BVLOS 和自主任務(wù)，而無(wú)需對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行手動(dòng)控制。
民用領(lǐng)空也可能會(huì)遇到試圖干擾 GNSS 系統(tǒng)的惡意行為者，以及來(lái)自城市景觀的更溫和但仍具有潛在危險(xiǎn)的干擾。
霍尼韋爾的 Xu 說(shuō)：“你知道在城市環(huán)境中，低海拔地區(qū)存在 GNSS 可用性問(wèn)題，你現(xiàn)在必須管理與 RF 導(dǎo)航輔助設(shè)備通信的多路徑問(wèn)題。” “我們考慮的方式是，在自動(dòng)駕駛飛機(jī)的情況下，飛行員不一定總是在飛機(jī)上，當(dāng)然，可以引導(dǎo)你擺脫這種情況。所以，你需要這種更高水平的完整性，更高級(jí)別的保證。因此，擁有 GPS 拒絕功能是有意義的，霍尼韋爾有一個(gè)解決方案。GPSDome 解決方案幫助了我們。
霍尼韋爾的 Xu 指出，“我們的激光環(huán)形陀螺儀導(dǎo)航解決方案可用于提高 GPS 的彈性。因?yàn)樗菢O低漂移的航位推算慣性參考系統(tǒng)，你不需要外部輔助；你可以跟蹤飛機(jī)的進(jìn)展，將加速度集成到速度中，將速度集成到位置中，以獲得您的 [導(dǎo)航] 解決方案。因此，這也是我們?yōu)檫@個(gè)市場(chǎng)帶來(lái)的一項(xiàng)技術(shù)。”
無(wú)人福利
實(shí)現(xiàn)自主飛行系統(tǒng)需要大量的技術(shù)訣竅，但它正在通過(guò)潛在地降低工資成本或允許專業(yè)人員以更少的停機(jī)時(shí)間做更多的事情來(lái)使投資這些系統(tǒng)的公司受益。
“我們?cè)诨裟犴f爾非常具體地考慮這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樽灾问欠浅？岬?，?duì)吧？有時(shí)人們認(rèn)為這足以證明這項(xiàng)工作是合理的，”徐說(shuō)。“當(dāng)然，作為一名工程師，我來(lái)找你說(shuō)，看，這太棒了。太棒了。是的！機(jī)器人！但是我們對(duì)飛行方式的影響非常有動(dòng)力，以我們的生活方式以及自主運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。”
他繼續(xù)說(shuō)道，“我們還看到了自主飛機(jī)提高利用率和運(yùn)營(yíng)效率的機(jī)會(huì)。因此，如果你擁有自主飛行能力，那么你就可以獨(dú)立于機(jī)組人員定位來(lái)制定路線規(guī)劃。”
徐解釋說(shuō)，通過(guò)取消一名機(jī)載飛行員，可以減少培訓(xùn)時(shí)間和勞動(dòng)時(shí)間。即使是遙控飛機(jī)，飛行自動(dòng)化水平的提高也能讓人們專注于適合解決獨(dú)特問(wèn)題的任務(wù)，而這些問(wèn)題只能通過(guò)人腦來(lái)實(shí)現(xiàn)。
霍尼韋爾的 Xu 指出，在軍事和商業(yè)領(lǐng)域的貨運(yùn)飛行中，有很多時(shí)間需要等待飛行員從飛機(jī)上取下物資。有了能夠立即跳到另一艘遙控飛行器的飛行員，等待時(shí)間就被消除了，他們可以回到他們最擅長(zhǎng)的事情上。
同樣，許多行業(yè)都存在試點(diǎn)短缺問(wèn)題。“它不會(huì)在有即時(shí)需求和即時(shí)響應(yīng)的地方增加，”徐談到培訓(xùn)項(xiàng)目時(shí)說(shuō)。“所以存在獨(dú)立于成本問(wèn)題的問(wèn)題。還有一個(gè)試點(diǎn)池約束問(wèn)題。”
此外，Wind River 的 Wilson 表示，軟件和硬件可以幫助提高飛行員在危險(xiǎn)條件下遠(yuǎn)離麻煩的能力。
威爾遜說(shuō)：“還有一些軟件可以改進(jìn)無(wú)人駕駛操作的領(lǐng)域，例如使用傳感器進(jìn)行障礙物檢測(cè)和規(guī)避。”在所有情況下。例如，在夜間、大霧天氣或大雨中。”
降低風(fēng)險(xiǎn)
Wind River 的 Wilson 解釋說(shuō)，美國(guó)和歐洲的監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)自動(dòng)化有不同的看法，這在他們的建議中有所體現(xiàn)。“從商業(yè)運(yùn)輸監(jiān)管的角度來(lái)看，這在美國(guó)聯(lián)邦航空局和歐洲航空安全局之間的自動(dòng)化方法上帶來(lái)了一些差異。歐洲當(dāng)局正在推動(dòng)越來(lái)越多的自動(dòng)化，因?yàn)樗D(zhuǎn)向單一試點(diǎn)概念，而美國(guó)聯(lián)邦航空局建議減少自動(dòng)化和提高手動(dòng)飛行技能。純粹從軟件的角度來(lái)看，無(wú)人操作有好處。許多增加飛機(jī)復(fù)雜性的系統(tǒng)都是為了支持機(jī)組人員。從車(chē)輛中移除機(jī)組人員意味著我們可以消除這些系統(tǒng). 例如駕駛艙顯示、氧氣和生命
支持系統(tǒng)，語(yǔ)音通信。然而，這些系統(tǒng)的整體功能可能需要被自動(dòng)化系統(tǒng)取代，這通常意味著軟件系統(tǒng)。然而，雖然飛機(jī)上不需要顯示器，但它們可能需要作為遠(yuǎn)程飛行員工作站整個(gè)系統(tǒng)的一部分，如果車(chē)輛是‘可選’駕駛的，它們也可能需要。”
當(dāng)然，讓一名或多名飛行員離開(kāi)駕駛艙可以消除飛行的風(fēng)險(xiǎn)因素，正如威爾遜所說(shuō)，無(wú)人駕駛系統(tǒng)在人們的“D3”領(lǐng)域真正大放異彩——來(lái)自深海的枯燥、骯臟和危險(xiǎn)的工作，以及升入太空。
“在軍事用語(yǔ)中，這些轉(zhuǎn)化為某些偵察、打擊和損害評(píng)估任務(wù)，其中缺少機(jī)載操作員不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的能力產(chǎn)生不利影響，同時(shí)降低機(jī)組人員的風(fēng)險(xiǎn)，”威爾遜解釋說(shuō)。“在商業(yè)航空中，許多噴氣客機(jī)上過(guò)去由機(jī)組人員手動(dòng)執(zhí)行的某些功能和檢查清單已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，航空貨運(yùn)業(yè)正在提倡可能引入單人駕駛艙，從而消除當(dāng)今對(duì)人類(lèi)的需求副駕駛。隨著先進(jìn)/城市空中交通領(lǐng)域的不斷成熟，一些 AAM/UAM 行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者正在通過(guò)構(gòu)想從一開(kāi)始就設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)為“無(wú)人駕駛”的飛行器來(lái)突破界限，
眼睛望著天空
無(wú)論小型飛機(jī)是自動(dòng)駕駛的、由機(jī)上飛行員駕駛還是遠(yuǎn)程駕駛，UAM/AAM 系統(tǒng)不僅需要避開(kāi)建筑物和人員，還需要相互避開(kāi)，這正在形成獨(dú)特的問(wèn)題，并提出尚未回答的問(wèn)題。
“除了這些挑戰(zhàn)之外，還有交通管理方面的挑戰(zhàn)，”Wind River 的 Wilson 說(shuō)。“UAS 交通管理 (UTM) 的規(guī)模也將比目前的空中交通管理 (ATM) 更大、更復(fù)雜。這既是由于交通量，也是由于它運(yùn)行的環(huán)境。你會(huì)如何雕刻在城市環(huán)境中為不同類(lèi)型的交通增加空域以保持安全并有效地運(yùn)行這些系統(tǒng)？一些服務(wù)的臨時(shí)性質(zhì)會(huì)使這進(jìn)一步復(fù)雜化，你將如何管理諸如門(mén)到門(mén)的自動(dòng)空中出租車(chē)之類(lèi)的服務(wù)？
Wilson 繼續(xù)說(shuō)道，“運(yùn)營(yíng)商還必須管理這些飛機(jī)的機(jī)隊(duì)，在某些情況下，這些飛機(jī)的數(shù)量可能比我們傳統(tǒng)習(xí)慣的要多得多，例如向大型零售供應(yīng)商運(yùn)送飛機(jī)的機(jī)隊(duì)。因此他們會(huì)需要大規(guī)模維護(hù)和操作這些飛機(jī)，包括測(cè)試和更新操作軟件的能力以解決安全問(wèn)題。”
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