Городская воздушная мобильность

Городская воздушная мобильность (UAM) - это использование небольших высокоавтоматизированных воздушных судов для перевозки пассажиров или грузов на меньших высотах в городских и пригородных районах, которые были созданы в ответ на пробки на дорогах. Обычно это относится к существующим и появляющимся технологиям, таким как традиционные вертолеты, самолеты вертикального взлета и посадки (VTOL), самолеты вертикального взлета и посадки с электроприводом (eVTOL) и беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Для этих самолетов характерно использование нескольких роторов или вентиляторов с электрическим приводом для подъема и приведения в движение, а также проводных систем управления ими. Изобретатели изучали концепции городской воздушной мобильности с первых дней полетов с приводом. Однако достижения в области материалов, компьютеризированного управления полетом, аккумуляторов и электродвигателей улучшили инновации и дизайн, начавшиеся в конце 2010-х годов. Большинство сторонников UAM предполагают, что самолеты будут принадлежать и эксплуатироваться профессиональными операторами, как в случае с такси, а не частными лицами.

Городская воздушная мобильность - это подмножество более широкой концепции расширенной воздушной мобильности (AAM), которая включает другие варианты использования, кроме внутригородских пассажирских перевозок; НАСА описывает расширенную воздушную мобильность как включающую небольшие беспилотные летательные аппараты, электрические самолеты и автоматизированное управление воздушным движением среди других технологий для выполнения широкого спектра задач, включая грузы и логистику. Это также поддерживается консалтинговой фирмой по рынку дронов Drone Industry Insights, которая также включает vertiports в определение AAM и UAM.

История

Предыстория

Разработка самых ранних предшественников самолетов UAM началась в начале 1900-х годов с ранних концепций “летающих автомобилей”, таких как автоплан Гленна Кертисса, разработанный в 1917 году. Три года спустя Генри Форд начал создавать прототипы ”плоскомобилей" как одноместных самолетов, но остановил разработку после аварии со смертельным исходом на ранних тестах. Одним из первых самолетов вертикального взлета и посадки (СВВП) был Berliner № 5 1924 года выпуска. Он продемонстрировал свои наилучшие характеристики, когда достиг высоты 4,57 м (15 футов) во время полета продолжительностью одна минута и тридцать пять секунд. Питкэрн, Сиерва, Буль и другие производители разработали прототипы автожиров. В Avrocar был дискообразным самолетом, предназначенным для военного использования. Первоначально проект финансировался правительством Канады, но был свернут из-за затрат, пока армия и ВВС США не взяли на себя разработку Avrocar в 1958 году. У Avrocar возникли проблемы как с тягой, так и со стабильностью, и в конечном итоге проект был отменен в 1961 году.

Вертолеты и услуги воздушного такси

Начиная с начала 1950-х годов авиаперевозчики предлагали услуги воздушного такси UAM с помощью вертолетов в нескольких городах США, включая Нью-Йорк, Лос-Анджелес и Сан-Франциско. В 1964 году New York Airways (NYA) и Pan American предлагали более 30 рейсов между международным аэропортом Джона Ф. Кеннеди и международным аэропортом Ньюарк Либерти с остановками в Манхэттене, таких как Уолл-стрит. Средняя стоимость проезда в одну сторону составляла 4-11 долларов.

С 1964 по 1968 год PanAm обеспечивала регулярное вертолетное сообщение между центром Манхэттена и международным аэропортом Джона Ф. Кеннеди, что позволяло пассажирам напрямую садиться на свои рейсы из панамериканского здания в Нью-Йорке. Обслуживание было остановлено в 1979 году после авиакатастрофы 1977 года, в результате которой погибли четыре человека на крыше и один на земле внизу. В 1980-х компания Trump Shuttle предлагала вертолетные перевозки между Уолл-стрит и аэропортом Ла Гуардия с использованием вертолетов Sikorsky S-61. Услуга была прекращена в 1990-х годах после того, как Trump Shuttle была приобретена US Airways.[16] В 1986 году Helijet начала свою деятельность как вертолетная авиакомпания с маршрутами между Ванкувером и Викторией в Британской Колумбии.

BLADE, запущенный в 2014 году в Нью-Йорке, предоставляет услуги воздушного такси на вертолетах. С тех пор BLADE запустил аналогичные услуги в районе залива Сан-Франциско и Мумбаи. В 2017 году Voom, дочерняя компания авиастроителя Airbus, перевезла более 15 000 пассажиров в Сан-Паулу, Бразилия на вертолетах Airbus. Демонстрационная программа Voom UAM действовала четыре года и была закрыта в марте 2020 года. В 2019 году Uber начал предлагать Uber Copter в Нижнем Манхэттене, штат Нью-Йорк, международному аэропорту Джона Ф. Кеннеди. Некоторые города поощряют идею недорогих авиаперелетов "точка-точка" как способ уменьшения пробок на дорогах и перевозки грузов.

СВВП и eVTOLs

К середине 2000-х авиаконструкторы внедряли технологии, впервые примененные в небольших беспилотных летательных аппаратах, в новые конструкции самолетов для пассажиров. Эти технологии включали распределенную силовую установку (использование нескольких роторов или вентиляторов), литий-ионные аккумуляторы, недорогие акселерометры, миниатюрные навигационные системы и конструкцию из углеродного волокна. В 2010 году корпорация "Китти Хок", финансируемая соучредителем Google Ларри Пейджем, начала разработку листовки "Китти Хок". 5 октября 2011 года Маркус Ленг, основатель Opener, совершил первый пилотируемый полет полностью электрического самолета VTOL с неподвижным крылом. 21 октября 2011 года соучредитель и главный конструктор Volocopter Томас Сенкель совершил первый пилотируемый полет электрического мультикоптера, прототипа Volocopter VC1. В 2012 году Joby Aviation и NASA объединились для создания прототипа экспериментального eVTOL. В 2014 году в рамках сотрудничества Исследовательского центра НАСА в Лэнгли и Центра летных исследований НАСА Армстронга, а также Empirical Systems Aerospace (ESAero) и Joby Aviation был запущен проект Leading Edge Asynchronous Propeller Technology (LEAPTech).

Компания Lockheed Martin дебютировала со своим вертолетом с дополнительным пилотированием S-76B Sikorsky Autonomous Research Aircraft (SARA) в 2019 году в центре Лос-Анджелеса. В 2018 году испытательный полет Wisk Cora eVTOL состоялся в Маунтин-Вью, Калифорния. В том же году Opener после девяти лет разработки запустил личный летательный аппарат BlackFly. Joby Aviation испытала свой беспилотный летательный аппарат UAM с наклонным винтом в полете в марте 2021 года. В июне 2021 года EHang завершил первый беспилотный испытательный полет AAV EHang216 в Хонсю, Китай. В том же месяце Volocopter продемонстрировала свой первый публичный полет электрического аэротакси во Франции вместе с дистанционно управляемым полетом своего eVTOL, Volocopter 2X. В июле 2021 года Joby завершила полет на своем eVTOL, который пролетел 150 миль на одном заряде аккумулятора, описав 11 кругов длиной 14 миль, общее время полета составило один час 17 минут.

Воздушная мобильность развивается как в пилотируемом, так и в беспилотном направлениях. В Гамбурге проект WiNDroVe – (использование беспилотных летательных аппаратов в мегаполисе) реализовывался с мая 2017 по январь 2018 года. В Ингольштадте, Германия, проект городской воздушной мобильности начался в июне 2018 года с участием Audi, Airbus, Исследовательского центра Carisma, Центра приложений мобильности Фраунгофера, Университета прикладных наук (THI в исследовательской сети искусственного интеллекта) и других партнеров. Предполагалось использование UAM в экстренных службах, перевозке крови и органов, мониторинге дорожного движения, общественной безопасности и пассажирском транспорте.

Немецкие, голландские и бельгийские города Маастрихт, Ахен, Хассельт, Херлен и Льеж присоединились к инициативе UAM Европейского инновационного партнерства по умным городам и сообществам (EIP-SCC).[30] Тулуза, Франция, участвует в Европейской инициативе городской воздушной мобильности. Проект координируется Airbus, европейским институциональным партнером Eurocontrol и EASA (Европейское агентство авиационной безопасности).

Реализация

Концепция была реализована в Сан-Паулу, Бразилия, где Voom перевез более 15 000 пассажиров. Там городская воздушная мобильность обеспечивалась вертолетами. Вертолетные аэротакси уже доступны в Мехико, Мексика.[32] Быстрое воздушное сообщение по-прежнему связано с высокими затратами и вызывает значительный шум и высокое энергопотребление.

Демонстрационная программа Voom UAM действовала в течение четырех лет и была закрыта в марте 2020 года.

Urban-Air Port, спонсируемая правительством Великобритании научно-исследовательская фирма helipad + startup, имеющая прототип в Ковентри, оборудованный для eVTOL, PAVs и беспилотных летательных аппаратов, совместно с Hyundai.

Воздушное судно

Т

Тип воздушного судна	Описание
Короткий взлет и посадка (STOL)	Для самолетов STOL требуются более короткие взлетно-посадочные полосы как для взлета, так и для посадки.
Малый беспилотный летательный аппарат (SUA)	SUA - это беспилотные летательные аппараты общим весом (включая груз) менее 55 фунтов.
Беспилотные летательные аппараты (БПЛА)	Беспилотные летательные аппараты чаще называют “дронами”, и ими можно управлять дистанционно или автономно. Хотя большинство беспилотных летательных аппаратов используются для перевозки грузов, более крупные беспилотники могут перевозить пассажиров без возможности вмешиваться в работу летательного аппарата.
Беспилотный летательный аппарат (UA)	Беспилотные летательные аппараты обычно относятся к воздушным судам без возможности вмешательства человека в эксплуатацию воздушного судна со стороны пилотов или пассажиров.
Вертикальный взлет и посадка (СВВП)	Самолеты VTOL могут взлетать и приземляться вертикально, а также зависать. eVTOL - это самолеты VTOL с электрическим приводом.

Персональные воздушные транспортные средства (PAVs) находятся в стадии разработки для городской воздушной мобильности. К ним относятся такие проекты, как демонстратор CityAirbus, реактивный самолет Lilium или Volocopter, EHang 216 и экспериментальный пассажирский летательный аппарат Boeing.

На этапе разработки концепции городские воздушные транспортные средства, обладающие возможностями СВВП, используются для вертикального взлета и посадки на относительно небольшой площади, чтобы избежать необходимости в использовании взлетно-посадочной полосы. Большинство конструкций являются электрическими и используют несколько несущих винтов для минимизации шума (из-за частоты вращения), обеспечивая при этом высокую избыточность системы. Многие из них совершили свой первый полет.

Наиболее распространенными конфигурациями городских самолетов для воздушной мобильности являются мультикоптеры (такие как Volocopter) или так называемые конвертопланы наклонным крылом (например, A3 Vahana). В первом типе используются только несущие винты с вертикальной осью, в то время как во втором дополнительно установлены движители и системы подъемной силы для горизонтального полета (например, напорный пропеллер и крыло)

Источник питания

Для того, чтобы самолеты UAM были максимально эффективными, подзарядка и дозаправка должны выполняться как можно быстрее, будь то замена аккумуляторов, быстрая подзарядка аккумуляторов или заправка водородом.

Обычное топливо

Обычные виды ископаемого топлива легкодоступны и обеспечивают высокую удельную мощность (количество вырабатываемой энергии на килограмм топлива). Однако традиционные поршневые или турбинные двигатели выделяют дым и шум. Тяжелые механические соединения, необходимые для распределения мощности, ограничивают количество и конфигурацию несущих винтов на самолете.

Устойчивое или синтетического авиационного топлива Синтетическое топливо потенциально способно производить энергию, почти не содержащую CO2, при использовании существующей инфраструктуры заправки.[44] Но они создают те же проблемы, что и обычное топливо, с точки зрения шума и механических ограничений.

Электрическая

Аккумуляторные батареи часто используются в беспилотных летательных аппаратах и eVTOL. Новые транспортные средства eVTOL ограничены относительно низким соотношением плотности энергии к весу в современных аккумуляторных технологиях, а также отсутствием инфраструктуры, необходимой для станций подзарядки.

Гибридно-электрический

Гибридно-электрические системы используют комбинацию двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и компонентов электрической силовой установки. Возможны различные комбинации. Эти системы могут обеспечивать комбинированные преимущества за счет различных источников энергии, но их все равно следует рассматривать с точки зрения общей эффективности системы.

Водородные топливные элементы

Водородные топливные элементы вырабатывают электроэнергию за счет циркуляции газообразного водорода через каталитическую мембрану. Небольшие топливные элементы могут питать легкие дроны в три раза дольше, чем аналогичные батареи. Топливные элементы разрабатываются для более крупных самолетов. Экспериментальный региональный самолет, модернизированный силовыми установками на топливных элементах, совершил полет в 2023 году. В январе 2023 года ZeroAvia совершила полет на Dornier 228 с одним оригинальным турбовинтовым двигателем Honeywell TPE 331 на правом крыле и фирменным водородно-электрическим двигателем ZeroAvia на левом крыле. В марте 2023 года электромобиль Universal Hydrogen Dash 8-300 совершил свой первый полет.

Двигательной

Распространенные конфигурации VTOL и eVTOL включают:

Мультиротор или мультикоптер

У многороторных самолетов маленькие крылья или их вообще нет. Они используют обращенные вниз пропеллеры или вентиляторы для создания большей части подъемной силы.

Лифт плюс круиз

В самолетах Lift-plus-cruise используются вертикально установленные пропеллеры для взлета и посадки, но горизонтальный пропеллер и крылья обеспечивают устойчивый крейсерский полет.

Канальные вентиляторы

Канальные вентиляторы представляют собой тип пропеллера, установленного внутри воздуховода, который оптимизирует тягу от кончиков лопастей.

Конвертопланы

Конвертопланы поднимаются исключительно за счет жесткого пропеллера и не имеют другого типа горизонтальной тяги. Они создают горизонтальную тягу за счет физического наклона несущих винтов в горизонтальное положение после взлета.

Наклонное крыло

Самолеты с наклонным крылом похожи на конвертопланы, но вместо независимого вращения несущих винтов вращается все крыло.[44][8]

Управление полетом

Контролёр для компактной проводной системы

Управление полетом состоит из поверхностей управления полетом, органов управления кабиной пилота и рабочих механизмов для управления направлением полета самолета. Honeywell, Pipistrel, Vertical Aerospace, Lilium и другие компании сотрудничают в создании новых средств управления полетом для различных самолетов eVTOL. Компания Honeywell разработала беспроводной компьютер, который управляет несколькими несущими винтами, радар обнаружения и уклонения для навигации по трафику и программное обеспечение для отслеживания зон приземления для повторяемых вертикальных посадок

Летать по проводам

Системы "Полет по проводам" преобразуют входные данные пилота в команды, посылаемые двигателям самолета, регуляторам воздушного винта, элеронам, руля высоты и другим движущимся поверхностям. Они необходимы в многорыхлительных конструкциях, потому что пилоты-люди не могут управлять несколькими пропеллерами без помощи компьютера. В июне 2019 года Honeywell представила миниатюрный компьютер, специально разработанный для самолетов UAM.

Программное обеспечение

Для масштабирования до прибыльных уровней продвинутым автономным автопаркам eVTOL требуется программное обеспечение для управления. Обучение пилотов обходится дорого, и сами пилоты занимают большую часть полезной нагрузки самолета. По мере совершенствования технологий автоматизации многие производители разрабатывают самолеты, которые могут летать автономно. Sikorsky разрабатывает матричную технологию, в то время как Honeywell сотрудничает с Pipistrel и другими производителями в разработке систем автоматической посадки для их соответствующих самолетов. Искусственный интеллект (ИИ) и машинное обучение необходимы для разработки автономных летательных аппаратов, но усложняют сертификацию, поскольку они недетерминированы, то есть могут вести себя по-разному при одних и тех же входных данных в одном и том же сценарии.

Авионика

Авионика - это электронные системы, предназначенные для самолетов. Honeywell разрабатывает интегрированные системы авионики, включающие систему управления транспортным средством, автономную навигацию, систему управления по проводам и компактную спутниковую связь. Авионика является модульной и способна интегрироваться со сторонними приложениями. Архитектура также может включать упрощенное управление транспортным средством, которое заменяет традиционные дисплеи пилотов изображениями, похожими на автомобильную систему GPS или приложение для смартфона.

Инфраструктура

UAM требует инфраструктуры для взлета, посадки, ремонта, подзарядки или дозаправки транспортных средств и парковки. Размер физической инфраструктуры определяет размер рынка, поскольку рейсы могут совершаться только между установленными зонами посадки. Хотя некоторые компоненты могут быть интегрированы в существующую авиационную и аэрокосмическую инфраструктуру, необходимо построить дополнительные объекты. Для крупных городов, по оценкам, может быть 85-100 взлетно-посадочных площадок для размещения в условиях UAM.

Вертикальные порты

Смотрите основную статью Vertiport

Согласно FAA, вертодром - это идентифицируемая наземная или возвышенная зона, которая может быть связана с различным оборудованием и сооружениями, используемыми для взлета и посадки конвертопланов и винтокрылых машин. Отрасль использовала разные термины для описания различных уровней оснащения и размеров этих объектов. Вертипады - это простые посадочные площадки, предназначенные для использования одним самолетом одновременно. Вертодромы или вертибазы могут включать в себя одну или несколько зон окончательного захода на посадку и взлета (FATO) и приземления и взлета (TLOF), а также несколько площадок для СВВП и других воздушных судов и пассажирских помещений. Вертихвостки - это более крупные авиационные объекты, обслуживающие крупнейшую структуру в среде UAM. Они могут предлагать такие услуги, как FBO и MRO. Vertihubs будут обслуживать регионы с интенсивным движением транспорта.

В 2020 году Lilium объявила о своих планах построить вертопорт рядом с международным аэропортом Орландо. Джоби в партнерстве с REEF Technology и Neighborhood Property Group (NPG) использует крыши парковочных сооружений в качестве площадок для взлета и посадки.

Вертолетные площадки

Существующие вертолетные площадки, или вертолетные площадки для посадки, могут использоваться для размещения самолетов UAM. Вертолетных площадок недостаточно для поддержания отрасли без строительства дополнительной инфраструктуры или модификации существующих вертолетных площадок.[64]

Аэропорты

Аэропорты уже используются в ограниченных местах для облегчения обслуживания вертолетами и eVTOL по запросу. К таким аэропортам относятся аэропорт Джона Уэйна, международный аэропорт Джона Ф. Кеннеди и международный аэропорт Портленда.

Управление воздушным движением

Беспилотные авиационные системы (UAS) управления воздушным движением (совместно UTM) - это особая система управления воздушным движением, разработанная с учетом уникальных потребностей беспилотных и маловысотных самолетов. UTM обеспечивает интеграцию воздушного пространства, необходимую для обеспечения безопасной эксплуатации, с помощью таких услуг, как проектирование фактического воздушного пространства, определение воздушных коридоров, динамическое геозонирование для поддержания траекторий полета, предотвращение непогоды и планирование маршрута без постоянного наблюдения со стороны человека. Airspace Link разработала AirHub, систему для объединения городов, штатов, операторов беспилотных летательных аппаратов и FAA в единое пространство для определения наиболее безопасных маршрутов автономных дронов с использованием общедоступных полетных данных.

Правила

Правительства по всему миру начали обсуждать изменения в своих правилах воздушного пространства для размещения большого количества автономных или полуавтономных самолетов, работающих на малых высотах. НАСА и EASA предложили концепции требований к системе UAM. Концепция операций НАСА, или ConOps, основана на определенных коридорах для кораблей UAM, которые затем должны соблюдать определенные протоколы, находясь внутри коридора. Нормативный подход EASA оставляет местные решения за “местными субъектами” и вместо этого будет стремиться самостоятельно сертифицировать воздушные суда на предмет безопасности. Они разработали Специальное условие VTOL для сертификации определенного класса воздушных судов, которые ранее не были определены.

Сертификаты

Воздушное судно

Воздушные суда должны быть сертифицированы как годные к полетам, а также зарегистрированы в соответствующем руководящем органе. Правила для воздушных судов UAM наиболее схожи с правилами для вертолетов, но потребуются дополнительные правила для электрических и / или автономных летательных аппаратов. FAA установило основу сертификации для своего eVTOL craft. eVTOL классифицируются FAA как самолеты, которые могут взлетать и приземляться вертикально. EASA выпустило сертификат VTOL на особых условиях для отделения VTOL и eVTOL от обычных rotocraft или самолетов с неподвижным крылом. Archer Aviation использует сочетание требований FAA, части 23, 27, 33, 35 и 36 для сертификации своего eVTOL.[75] BETA подала заявку на сертификацию eVTOL в соответствии с частью 23 FAA. БЕТА был первым пилотируемым eVTOL, получившим от Военно-воздушных сил подтверждение летной годности.

Операции

Все воздушные суда VTOL и eVTOL, на которых в аренду перевозятся люди или имущество, должны эксплуатироваться надлежащим образом сертифицированным эксплуатантом. Джоби подал заявку на получение сертификата FAA Part 135 для эксплуатации собственного самолета в проектах UAM. Lilium в партнерстве с Luxaviation эксплуатировала самолеты eVTOL в Европе.[78]

Пилоты

Пилоты должны быть сертифицированы для управления eVTOL и удаленными eVTOL. Пилоты могут получить лицензию коммерческого пилота (CPL (H)) или лицензию пилота воздушного транспорта (ATPL (H)) для пилотируемых кораблей. CAE разрабатывает учебные программы с использованием анализа данных на сложных тренажерах. CAE и BETA в партнерстве предложили обучение пилотов и техников по техническому обслуживанию eVTOL для ALIA eVTOLs. CAE и Volocopter совместно разработали программу обучения пилотов для Volocopter eVTOLs.

Механика

Механики также должны быть сертифицированы, но, поскольку это развивающаяся отрасль, пока нет соответствующих правил для соответствующих самолетов и технологий.

Приложения

Приложения включают в себя поездки на работу, правоохранительные органы, воздушную медицину, пожарных, частную охрану и военных.

Общественное признание

Общественное признание UAM зависит от множества факторов, включая, но не ограничиваясь ими, безопасность, энергопотребление, шум, защищенность и социальную справедливость. Риски безопасности перекрываются с большинством текущих рисков для воздушных судов, включая возможность полетов за пределами утвержденного воздушного пространства, близость к людям и / или зданиям, критические системные сбои или потерю управления, а также потерю корпуса. В случае автономных самолетов или самолетов с дистанционным пилотированием кибербезопасность также становится угрозой. Тип и громкость шума, создаваемого самолетами и винтокрылыми машинами, являются двумя ведущими факторами, влияющими на общественное восприятие eVTOL craft в приложениях UAM. Конкретные проблемы безопасности включают физическую безопасность пассажиров в отсутствие членов экипажа и кибербезопасность как воздушного судна, так и систем, управляющих им. Что касается социальной справедливости, то высокие первоначальные затраты на услуги UAM могут оказаться пагубными для общественного мнения, тем более что доступность услуг и технологий не гарантируется. В исследовании рынка UAM, проведенном НАСА, респонденты с более высокими доходами чаще совершали поездки на UAM. Опрос EASA показал, что 83% респондентов положительно относятся к UAM, в то время как 71% были готовы попробовать услуги UAM. Реализуемые проекты включают в себя объявление Lilium о создании первого в США vertihub в Орландо для обслуживания электромобилей по запросу и создание EHang пилотной программы UAM в Испании, в городе Севилья.

Обучение и образование

В декабре 2016 года Исследовательские центры передового опыта в области вертикального подъема (VLRCOE) объявили о создании новых академических групп для своей программы. Совместные усилия армии США, Военно-морского флота США и НАСА направлены на развитие прямого сотрудничества между правительством и академическими институтами. Университеты были объединены в различные команды: Технологический институт Джорджии, Университет штата Айова, Университет Пердью, Мичиганский университет и Вашингтонский университет; Ливерпульский университет, Пенсильванский государственный университет, Авиационный университет Эмбри Риддла, Калифорнийский университет в Дэвисе и Университет Теннесси, Мэрилендский университет, Военно–морская академия США, Техасский университет в Арлингтоне, Техасский университет в Остине и Техасский университет A & M; Мюнхенский технический университет , Университет Рома Тре и Технион - Израильский технологический институт.

Volocopter и CAE объединились для создания первой программы обучения и развития пилотов eVTOL в июле 2021 года.

Смотреть также

Списки авиационных тем

• Список сокращений авиации, авионики, аэрокосмической отрасли и воздухоплавания
• Указатель авиационных статей
• Вакуумный дирижабль
• Ардуино