國外媒體報(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。
美國國家航空航天局 (NASA) 估計(jì)到 2029 年可能會(huì)有 1.3 億人次出行。一些市場預(yù)測者估計(jì) UAM 市場將從 2021 年的 22 億美元增長到 2031 年的 310 億美元。
在此期間，eVTOL 飛行出租車的城市空中交通 (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/緊急車輛、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)目錄中注冊了 300 多種具有升力和推力布局的設(shè)計(jì)，包括看起來像更大版本的消費(fèi)類四旋翼無人機(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)。
為未來而建
位于華盛頓的美國聯(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，美國聯(lián)邦航空局開始為以 UAM 為中心的垂直起落場制定標(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道：“[工程簡介]草案基于美國聯(lián)邦航空局對目前正在開發(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)將利用垂直起落場設(shè)施。” “指南草案包含對復(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設(shè)施，這些設(shè)施將被其他類型的飛機(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圍分布小型起降區(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)，從法國圖盧茲的空中客車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)代汽車和東京的豐田汽車等汽車和工業(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)合航空公司等美國主要客運(yùn)航空公司和巴西 Azul 等全球其他航空公司都對 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 購買 200 架四座 eVTOL 飛機(jī)，并可選擇再購買 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)來運(yùn)行模擬，以測試和訓(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 的早期訪問權(quán)，這是一個(gè)人工智能 (AI) 優(yōu)先的模擬平臺(tái)，以通過模擬構(gòu)建、測試、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。“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 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)的開發(fā)、部署、運(yùn)營和服務(wù)，并提供滿足 DO-178C 和 DO-356A 的解決方案，航空航天和國防解決方案總監(jiān) Alex Wilson 說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)代開發(fā)環(huán)境，Wind River Studio 提供了未來智能航空電子設(shè)備的基本構(gòu)建塊，在現(xiàn)代開發(fā)環(huán)境中，安全和保障的過程要求被內(nèi)置到自動(dòng)化軟件開發(fā)過程中，”Wilson 說。“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)新能力使用云來擴(kuò)展他們的運(yùn)營。”
安全第一
在美聯(lián)航乘客可以搭乘從長島垂直起降場飛往拉瓜迪亞機(jī)場的航班之前，設(shè)計(jì)師和工程師不僅需要贏得未來乘客的信任，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。“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，從開發(fā)到部署和運(yùn)營。這在某些方面與商用飛機(jī)沒有什么不同，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，隨著制造商從美國聯(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。
“這些緩解措施通過硬件和軟件系統(tǒng)向下流動(dòng)，對每個(gè)子系統(tǒng)應(yīng)用安全和安全要求。對于軟件，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。“驗(yàn)證和驗(yàn)證的級別將由系統(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，例如允許誰在城市周圍運(yùn)營自主服務(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)有某些類型的飛機(jī)禁飛區(qū)——例如學(xué)校或醫(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，這可以通過射頻傳輸和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 來完成。位于北卡羅來納州夏洛特的霍尼韋爾公司無人機(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 信號較弱，無人機(jī)很容易受到干擾攻擊，這些攻擊可以使用在線購買的廉價(jià)干擾器從遠(yuǎn)距離進(jìn)行。無人機(jī)開發(fā)人員和最終用戶目前試圖通過在 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)等傳感器來解決這個(gè)問題。
2021 年底，霍尼韋爾、盒裝無人機(jī)制造商和美國空軍供應(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)的無人機(jī)，在具有干擾方向的 GPS 挑戰(zhàn)環(huán)境和軍用級干擾器的多個(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)，而無需對無人機(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：“你知道在城市環(huán)境中，低海拔地區(qū)存在 GNSS 可用性問題，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)市場帶來的一項(xiàng)技術(shù)。”
無人福利
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)間做更多的事情來使投資這些系統(tǒng)的公司受益。
“我們在霍尼韋爾非常具體地考慮這個(gè)問題，因?yàn)樽灾问欠浅？岬?，對吧？有時(shí)人們認(rèn)為這足以證明這項(xiàng)工作是合理的，”徐說。“當(dāng)然，作為一名工程師，我來找你說，看，這太棒了。太棒了。是的！機(jī)器人！但是我們對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)營的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。”
他繼續(xù)說道，“我們還看到了自主飛機(jī)提高利用率和運(yùn)營效率的機(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)組人員定位來制定路線規(guī)劃。”
徐解釋說，通過取消一名機(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)特問題的任務(wù)，而這些問題只能通過人腦來實(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的事情上。
同樣，許多行業(yè)都存在試點(diǎn)短缺問題。“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。“所以存在獨(dú)立于成本問題的問題。還有一個(gè)試點(diǎn)池約束問題。”
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：“還有一些軟件可以改進(jìn)無人駕駛操作的領(lǐng)域，例如使用傳感器進(jìn)行障礙物檢測和規(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，美國和歐洲的監(jiān)管機(jī)構(gòu)對自動(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)管的角度來看，這在美國聯(lián)邦航空局和歐洲航空安全局之間的自動(dòng)化方法上帶來了一些差異。歐洲當(dāng)局正在推動(dòng)越來越多的自動(dòng)化，因?yàn)樗D(zhuǎn)向單一試點(diǎn)概念，而美國聯(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看，無人操作有好處。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駕駛艙可以消除飛行的風(fēng)險(xiǎn)因素，正如威爾遜所說，無人駕駛系統(tǒng)在人們的“D3”領(lǐng)域真正大放異彩——來自深海的枯燥、骯臟和危險(xiǎn)的工作，以及升入太空。
“在軍事用語中，這些轉(zhuǎn)化為某些偵察、打擊和損害評估任務(wù)，其中缺少機(jī)載操作員不會(huì)對系統(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。“在商業(yè)航空中，許多噴氣客機(jī)上過去由機(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)今對人類的需求副駕駛。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)者正在通過構(gòu)想從一開始就設(shè)計(jì)和開發(fā)為“無人駕駛”的飛行器來突破界限，
眼睛望著天空
無論小型飛機(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)不僅需要避開建筑物和人員，還需要相互避開，這正在形成獨(dú)特的問題，并提出尚未回答的問題。
“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。“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到門的自動(dòng)空中出租車之類的服務(wù)？
Wilson 繼續(xù)說道，“運(yùn)營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)，包括測試和更新操作軟件的能力以解決安全問題。”
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