Urban Air Mobility
Urban Air Mobility (UAM) är användningen av små, högautomatiserade flygplan för att transportera passagerare eller last på lägre höjder i stads- och förortsområden som har utvecklats som svar på trafikstockningar. Det hänvisar vanligtvis till befintliga och framväxande teknologier som traditionella helikoptrar , vertikalt startande och landande flygplan (VTOL), elektriskt drivna, vertikalt startande och landande flygplan ( eVTOL ) och obemannade flygfarkoster (UAV). Dessa flygplan kännetecknas av användningen av flera eldrivna rotorer eller fläktar för lyft och framdrivning, tillsammans med fly-by-wire- system för att styra dem. Uppfinnare har utforskat koncept för rörlighet i städerna sedan de första dagarna av motorflyg. Framsteg inom material, datoriserade flygkontroller, batterier och elmotorer förbättrade dock innovation och design med början i slutet av 2010-talet. De flesta UAM-förespråkare föreställer sig att flygplanet kommer att ägas och drivas av professionella operatörer, som med taxibilar, snarare än av privatpersoner.
Urban luftmobilitet är en delmängd av ett bredare koncept för avancerad luftmobilitet (AAM) som inkluderar andra användningsfall än passagerartransport inom städer; NASA beskriver Advanced Air Mobility som inkluderar små drönare, elektriska flygplan och automatiserad flygtrafikledning bland andra tekniker för att utföra en mängd olika uppdrag inklusive last och logistik. Detta stöds också av drönarmarknadskonsultföretaget Drone Industry Insights, som också inkluderar vertiports i definitionen av AAM och UAM.
Historia
Förhistoria
Utvecklingen av de tidigaste föregångarna till UAM-flygplan började i början av 1900-talet med tidiga koncept för " flygande bilar " som Glenn Curtisss Autoplane, som utvecklades 1917. Tre år senare började Henry Ford göra prototyper av "planbilar" som ensitsiga flygplan, men stoppade utvecklingen efter en dödsolycka i tidiga tester. Ett av de första vertikala start-och-landningsflygplanen (VTOL) var 1924 Berliner No. 5. Det noterade sin bästa prestanda när det nådde en höjd av 4,57 m (15 fot) under en minut och trettiofem sekunder flyg. Pitcairn , Cierva , Buhl och andra tillverkare utvecklade prototyper för autogyros . Avrocar var ett skivformat flygplan designat för militärt bruk . Projektet finansierades från början av den kanadensiska regeringen och lades ner på grund av kostnader tills den amerikanska armén och flygvapnet tog över utvecklingen av Avrocar 1958. Avrocar stötte på problem med både dragkraft och stabilitet och projektet avbröts så småningom 1961.
Helikoptrar och flygtaxitjänster
Från början av 1950-talet erbjöd flygoperatörer UAM flygtaxitjänster via helikoptrar i en handfull amerikanska städer, inklusive New York , Los Angeles och San Francisco . 1964 New York Airways (NYA) och Pan American mer än 30 flygningar mellan John F. Kennedy International Airport och Newark Liberty International Airport med stopp på Manhattan som Wall Street . Den genomsnittliga kostnaden för en enkel resa var 4–11 USD.
Från 1964 till 1968 erbjöd PanAm regelbundna helikopterförbindelser mellan Midtown Manhattan och John F. Kennedy International Airport, vilket gjorde det möjligt för passagerare att ansluta direkt till sina flyg från New York City Pan American-byggnaden. Tjänsten stoppades 1979 efter en krasch 1977 dödade fyra personer på taket och en på marken nedanför. På 1980-talet Trump Shuttle helikopterservice mellan Wall Street och LaGuardia Airport , med hjälp av Sikorsky S-61 helikoptrar. Tjänsten avbröts på 1990-talet efter att Trump Shuttle köptes upp av US Airways. 1986 Helijet som ett helikopterflygbolag med rutter mellan Vancouver och Victoria i British Columbia .
BLADE, som lanserades 2014 i New York City och tillhandahåller helikopterbaserade flygtaxitjänster. BLADE har sedan dess lanserat liknande tjänster i San Francisco Bay Area och Mumbai . 2017 flög Voom, ett dotterbolag till flygplanstillverkaren Airbus , mer än 15 000 passagerare i São Paulo, Brasilien med hjälp av Airbus-helikoptrar. Voom UAM-demonstrationsprogrammet pågick i fyra år och lades ner i mars 2020. 2019 Uber erbjuda Uber Copter på Lower Manhattan New York till John F. Kennedy International Airport. Vissa städer har uppmuntrat tanken på billiga, punkt-till-punkt flygresor som ett sätt att minska trafikstockningar och flytta varor.
VTOL och eVTOL
I mitten av 2000-talet införlivade flygplansdesigner teknologier som banat väg för små drönare i nya flygplansdesigner för passagerare. Dessa teknologier inkluderade distribuerad framdrivning (användning av flera rotorer eller fläktar), litiumjonbatterier , billiga accelerometrar , miniatyriserade navigationssystem och kolfiberkonstruktion . 2010 började Kitty Hawk Corporation , finansierat av Googles grundare Larry Page, utveckla Kitty Hawk Flyer . Den 5 oktober 2011 styrde Marcus Leng, grundare av Opener, den första bemannade flygningen av ett helt elektriskt VTOL-flygplan med fast vingar. Den 21 oktober 2011 flög medgrundaren och huvuddesignern av Volocopter, Thomas Senkel, den första bemannade flygningen av en elektrisk multikopter , Prototypen Volocopter VC1. 2012 Joby Aviation och NASA ett samarbete för att prototypa en experimentell eVTOL. 2014 lanserades projektet Leading Edge Asynchronous Propeller Technology (LEAPTech) som ett samarbete mellan NASA Langley Research Center och NASA Armstrong Flight Research Center tillsammans med Empirical Systems Aerospace (ESAero) och Joby Aviation.
Lockheed Martin debuterade sin valfritt piloterade helikopter, S-76B Sikorsky Autonomous Research Aircraft (SARA) 2019, i centrala Los Angeles. Under 2018 inträffade Wisk Cora eVTOL-testflygningen i Mountain View, CA. Samma år flög Opener BlackFly, ett personligt flygfordon, efter nio års utveckling. Joby Aviation testade sitt UAM-fordon med tilt-rotor under flygning i mars 2021. I juni 2021 EHang den första pilotlösa testflygningen av AAV EHang216 i Honshu, Kina. Samma månad demonstrerade Volocopter sin första offentliga flygning av en elektrisk flygtaxi i Frankrike tillsammans med fjärrstyrd flygning av sin eVTOL, Volocopter 2X. I juli 2021 slutförde Joby en flygning av sin eVTOL som flög en flygning på 150 mil på en enda batteriladdning genom att flyga i en 14 mils cirkel 11 gånger under en total flygtid på en timme och 17 minuter.
Luftrörligheten går framåt i både bemannade och UAV- riktningar. I Hamburg implementerades WiNDroVe-projektet – (användning av drönare i ett storstadsområde) från maj 2017 till januari 2018. I Ingolstadt , Tyskland, startade Urban Air Mobility-projektet i juni 2018, som involverade Audi , Airbus , Carisma Research Center, Fraunhofer Application Center for Mobility, THI University of Applied Sciences (THI i forskningsnätverket för artificiell intelligens) och andra partners. Tänkt var användning av UAM i räddningstjänst, transport av blod och organ, trafikövervakning, allmän säkerhet och passagerartransport.
De tyska, holländska och belgiska städerna Maastricht , Aachen , Hasselt , Heerlen och Liège gick med i UAM-initiativet för European Innovation Partnership on Smart Cities and Communities (EIP-SCC). Toulouse , Frankrike, deltar i European Urban Air Mobility Initiative. Projektet koordineras av Airbus, den europeiska institutionella partnern Eurocontrol och EASA (European Aviation Safety Agency).
Genomförande
Konceptet realiserades i São Paulo , Brasilien, med över 15 000 passagerare som flögs av Voom. Där tillhandahölls stadsflyg med helikoptrar . Helikopterflygtaxi finns redan i Mexico City , Mexiko. Snabba luftanslutningar är fortfarande förknippade med höga kostnader och orsakar avsevärt buller och hög energiförbrukning.
Voom UAM-demonstrationsprogrammet pågick i fyra år och lades ner i mars 2020.
Urban-Air Port, en brittisk regeringssponsrad helikopterplatta+ FoU-företag, med en prototyp på Coventry , utrustad för eVTOL, PAV och drönare, i samarbete med Hyundai .
Flygplan
| Flygplanstyp | Beskrivning |
|---|---|
| Kort start och landning (STOL) | STOL-flygplan har kortare bankrav för både start och landning. |
| Små obemannade flygplan (SUA) | SUA är obemannade flygplan med en totalvikt (inklusive last) under 55 pund. |
| Unmanned Aerial Vehicles (UAV) | UAV kallas oftare för "drönare" och kan styras på distans eller autonomt. Medan de flesta UAV används för att transportera last, kan större UAV transportera passagerare utan möjlighet att ingripa i farkostens drift. |
| Obemannade flygplan (UA) | UA avser generellt flygplan utan möjlighet till mänskligt ingripande i farkostens drift, från vare sig piloter eller passagerare. |
| Vertikal start och landning (VTOL) | VTOL-flygplan kan lyfta och landa vertikalt, samt sväva. eVTOL är elektriskt drivna VTOL-flygplan. |
Personliga flygfordon (PAV) är under utveckling för stadsflyg. Dessa inkluderar projekt som CityAirbus -demonstratorn, Lilium Jet eller Volocopter , EHang 216 och det experimentella Boeing Passenger Air Vehicle .
I konceptfasen sätts flygplan för stadsflyg, med VTOL- kapacitet, ut för att starta och landa vertikalt på ett relativt litet område för att undvika behovet av en bana. Majoriteten av konstruktionerna är elektriska och använder flera rotorer för att minimera buller (på grund av rotationshastighet) samtidigt som det ger hög systemredundans. Många av dem har genomfört sin första flygning.
De vanligaste konfigurationerna av stadsflygplan är multikoptrar (som Volocopter) eller så kallade tiltwing- konverteringsflygplan (t.ex. A³ Vahana ). Den första typen använder endast rotorer med vertikal axel, medan den andra dessutom har framdrivning och lyftsystem för horisontell flygning (t.ex. tryckpropeller och vinge ) .
Kraftkälla
För att UAM-flygplan ska vara mest effektiva måste laddning och tankning ske så snabbt som möjligt, oavsett om det handlar om batteribyte, snabbladdning av batterier eller vätgastankning.
Konventionellt bränsle
Konventionella fossila bränslen är lättillgängliga och erbjuder hög effekttäthet (mängden energi som produceras per kilogram bränsle). Men traditionella kolv- eller turbinmotorer avger rök och buller. De tunga mekaniska kopplingarna som behövs för att distribuera kraft begränsar antalet och konfigurationen av rotorer på ett flygplan.
Hållbart eller syntetiskt flygbränsle
Syntetiska bränslen har potential att producera nästan CO 2 -neutral energi samtidigt som befintlig infrastruktur för tankning utnyttjas. Men de innebär samma utmaningar som konventionellt bränsle när det gäller buller och mekaniska begränsningar.
Elektrisk
Uppladdningsbara batterier används ofta i UAV och eVTOL. Nya eVTOL-fordon begränsas av det relativt låga förhållandet mellan energitäthet och vikt i nuvarande batteriteknik, samt av bristen på infrastruktur som krävs för laddningsstationer.
Hybrid-Elektrisk
Hybrid-elektriska system använder en kombination av förbränningsmotor (ICE) och komponenter för elektriska framdrivningssystem. Olika kombinationer är möjliga. Dessa system kan ge kombinerade fördelar från olika energikällor, men måste ändå ses i termer av det övergripande systemets effektivitet.
Vätebränsleceller
Vätebränsleceller genererar elektricitet genom att cirkulera vätgas genom ett katalytiskt membran. Små bränsleceller kan driva lätta drönare tre gånger längre än motsvarande batterier. Bränsleceller är under utveckling för större flygplan. Experimentella regionala flygplan eftermonterade med bränslecellselektriska framdrivningssystem har flugit 2023. I januari 2023 ZeroAvia en Dornier 228 med en original Honeywell TPE 331 turbopropmotor på höger vinge och en proprietär ZeroAvia väteelektrisk motor på vänster vinge. I mars 2023 Universal Hydrogens elektriska Dash 8-300 sin första flygning.
Framdrivning
Vanliga VTOL- och eVTOL-konfigurationer inkluderar:
Multirotor eller multikopter
Flerrotorflygplan har små vingar, eller inga vingar alls. De använder nedåtriktade propellrar eller fläktar för att generera större delen av sitt lyft.
Lift-plus-kryssning
Lift-plus-kryssningsflygplan använder vertikalt monterade propellrar för start och landning, men en horisontell propeller och vingar för ihållande kryssningsflyg.
Kanaliserade fläktar
Kanalfläktar är en typ av propeller monterad i en kanal, som optimerar dragkraften från spetsarna på bladen.
Tiltrotorer
Tiltrotorflygplan lyfter uteslutande med stel propeller och har ingen annan horisontell framdrivningstyp. De genererar horisontell dragkraft genom att fysiskt luta rotorerna till ett horisontellt läge när de väl är luftburna.
Tiltwing
Tiltwing-flygplan liknar tiltrotorflygplan, men i stället för att rotorerna roterar oberoende roteras hela vingen.
Flygkontroller
Flygkontroller består av flygkontrollytor, cockpitkontroller och manövermekanismer för att styra ett flygplans riktning under flygning. Honeywell, Pipistrel, Vertical Aerospace, Lilium och andra företag samarbetar för att skapa nya flygkontroller för en mängd olika eVTOL-flygplan. Honeywell utvecklade en fly-by-wire-dator som styr flera rotorer, en detekterings- och undvikanderadar för att navigera i trafik och programvara för att spåra landningszoner för repeterbara vertikala landningar.
Fly by Wire
Fly-by-wire-system översätter en pilots indata till kommandon som skickas till ett flygplans motorer, propellerregulatorer, skevroder, hissar och andra rörliga ytor. De är viktiga i multirotorkonstruktioner eftersom mänskliga piloter inte kan styra flera propellrar utan datorhjälp. I juni 2019 introducerade Honeywell en miniatyriserad dator speciellt designad för UAM-flygplan.
programvara
Avancerade autonoma eVTOL-flottor kräver hanteringsprogramvara för att skala till lönsamma nivåer. Pilotutbildning är kostsamt och dyrt, och piloterna själva tar upp mycket av ett flygplans nyttolast. Så många tillverkare designar flygplan som kan flyga autonomt i takt med att automationstekniken förbättras. Sikorsky utvecklar MATRIX-teknik, medan Honeywell samarbetar med Pipistrel och andra tillverkare för att utveckla automatiska landningssystem för sina respektive flygplan. Artificiell intelligens (AI) och maskininlärning är nödvändiga för att utveckla autonoma farkoster, men utgör en komplikation till certifieringen eftersom de är icke-deterministiska, dvs de kan bete sig annorlunda givet samma input i samma scenario.
Avionics
Avionik är elektroniska system designade för flygplan. Honeywell utvecklar integrerade flygelektroniksystem som omfattar ett fordonshanteringssystem, autonom navigering, ett flyg-för-tråd-kontrollsystem och kompakt satellitanslutning. Avionikerna är modulära och kan integreras med tredjepartsapplikationer. Arkitekturen kan också inkludera Simplified Vehicle Operations, som ersätter traditionella pilotskärmar med bilder som liknar en bils GPS-system eller smartphone-app.
Infrastruktur
UAM kräver infrastruktur för att fordon ska kunna lyfta, landa, repareras, ladda eller tanka och parkera. Storleken på den fysiska infrastrukturen avgör marknadsstorleken, eftersom resor endast kan genomföras mellan etablerade landningsområden. Även om vissa komponenter kan integreras i befintlig infrastruktur för flyg och rymd, behöver ytterligare anläggningar byggas. För stora städer beräknas det kunna finnas 85–100 start- och landningsplattor för att rymma en UAM-miljö.
Vertiports
Enligt FAA är en vertiport en identifierbar mark eller ett upphöjt område, som kan associeras med olika utrustning och faciliteter, som används för start och landning av tiltrotorflygplan och rotorplan. Branschen har använt olika termer för att beskriva de olika utrustningsnivåerna och storlekarna på dessa anläggningar. Vertipads är enkla landningsplattor designade för att användas av ett flygplan åt gången. Vertiportar eller vertibaser kan ha en eller flera Final Approach and Takeoff (FATO) och Touch-down and Lift-off (TLOF) områden, såväl som flera VTOL-stånd och andra flygplans- och passagerarfaciliteter. Vertihubs är större flyganläggningar som betjänar den största strukturen i UAM-miljön. De kan erbjuda tjänster som FBO och MRO . Vertihubs skulle tjäna koncentrerade högtrafikerade regioner.
År 2020 tillkännagav Lilium sina planer på att bygga en vertiport nära Orlando International Airport. Joby har samarbetat med REEF Technology and Neighborhood Property Group (NPG) för att använda hustaken på parkeringsstrukturer som start- och landningsområden.
Helipads
Befintliga helikopterplattor, eller helikopterlandningsplattor, kan användas för att rymma UAM-flygplan. Helipads är otillräckliga för att upprätthålla industrin utan att bygga ytterligare infrastruktur eller modifiera befintliga helikopterplattor.
Flygplatser
Flygplatser används redan på begränsade platser för att underlätta helikopter- och eVTOL-tjänster på begäran. Sådana flygplatser inkluderar John Wayne Airport, John F. Kennedy International Airport och Portland International Airport.
Flygtrafikledning
Unmanned Aircraft Systems (UAS) Traffic Management (kollektivt UTM) är ett specifikt flygledningssystem designat kring de unika behoven hos obemannade flygplan och flygplan på låg höjd. UTM tillhandahåller luftrumsintegrationer som är nödvändiga för att säkerställa säker drift genom tjänster som design av det faktiska luftrummet, avgränsningar av luftkorridorer, dynamisk geofencing för att upprätthålla flygvägar, undvikande av väder och ruttplanering utan kontinuerlig mänsklig övervakning. Airspace Link utvecklade AirHub, ett system för att koppla samman städer, stater, drönaroperatörer och FAA till ett enda utrymme för att kartlägga de säkraste rutterna för autonoma drönare med hjälp av allmänt tillgänglig flygdata.
förordningar
Regeringar runt om i världen har börjat diskutera förändringar av sina luftrumsregler för att tillgodose ett stort antal autonoma eller halvautonoma flygplan som opererar på låg höjd. NASA och EASA har föreslagit koncept för kraven på ett UAM-system. NASA:s verksamhetskoncept, eller ConOps, bygger på definierade korridorer för UAM-farkoster som sedan måste följa specifika protokoll när de är inne i korridoren. EASA:s regulatoriska tillvägagångssätt överlåter lokala beslut till "lokala aktörer" och kommer istället att försöka certifiera flygplanen själva för säkerhets skull. De utvecklade VTOL Special Condition för att certifiera den specifika klass av flygplan som tidigare var odefinierade.
Certifieringar
Flygplan
Flygplan måste vara certifierade som luftvärdiga, samt registreras hos lämpligt styrande organ. Reglerna för UAM-flygplan liknar mest helikopterregler men kommer att behöva ytterligare regler för elektriska och/eller autonoma farkoster. FAA etablerade certifieringsgrunden för sina eVTOL-farkoster. eVTOLs klassificeras med FAA som ett flygplan som kan lyfta och landa vertikalt. EASA släppte Special Condition VTOL-certifiering för att skilja VTOL och eVTOL från konventionella rotocraft eller fastvingade flygplan. Archer Aviation använder en blandning av FAA Part 23, 27, 33, 35 och 36 krav för att certifiera sin eVTOL. BETA ansökte om eVTOL-certifiering enligt del 23 hos FAA. BETA var den första bemannade eVTOL som fick militär luftvärdighet från flygvapnet.
Operationer
Alla VTOL- och eVTOL-flygplan som transporterar personer eller egendom för uthyrning måste flygas av en lämpligt certifierad operatör. Joby ansökte om ett FAA Part 135-certifikat för att driva sina egna flygplan för UAM-projekt. Lilium samarbetade med Luxaviation för att driva eVTOL-jetplan i Europa.
Piloter
Piloter måste vara certifierade för att kunna använda en eVTOL och fjärrstyrda eVTOL. Piloter kan erhålla ett Commercial Pilot License (CPL(H)) eller ett Air Transport Pilot License (ATPL(H)) för bemannade farkoster. CAE utvecklar utbildningsprogram som använder dataanalys med komplexa simulatorer. CAE och BETA samarbetade för att erbjuda eVTOL pilot- och underhållsteknikerutbildning för ALIA eVTOL. CAE och Volocopter samarbetade för att utveckla ett pilotutbildningsprogram för Volocopter eVTOL.
Mekanik
Mekaniker måste också certifieras, men eftersom detta är en framväxande bransch finns det ännu inga regler på plats för att göra det för relevanta flygplan och teknologier.
Ansökningar
Tillämpningar inkluderar pendling, brottsbekämpning, flygmedicin, brand, privat säkerhet och militär.
Allmän acceptans
Allmänhetens acceptans av UAM är beroende av en mängd olika faktorer, inklusive men inte begränsat till säkerhet, energiförbrukning, buller, säkerhet och social rättvisa. Säkerhetsrisker överlappar de flesta aktuella flygplansrisker, inklusive potentialen för flygningar utanför godkänt luftrum, närhet till människor och/eller byggnader, kritiska systemfel eller förlust av kontroll och skrovförlust. I fallet med autonoma eller fjärrstyrda flygplan blir även cybersäkerhet en risk. Typen av och volymen av buller som orsakas av flygplan och rotorplan är två ledande faktorer när det gäller allmänhetens uppfattning om eVTOL-farkoster i UAM-tillämpningar. Specifika säkerhetsfrågor inkluderar den fysiska säkerheten för passagerare i frånvaro av besättningsmedlemmar och cybersäkerheten för både farkosten och de system som styr den. När det gäller social rättvisa kan de höga initialkostnaderna för UAM-tjänster visa sig vara skadliga för den allmänna opinionen, särskilt som överkomliga tjänster och tekniker inte garanteras. I NASAs UAM Market Study var det mer sannolikt att respondenter med högre inkomster tog UAM-resor. En EASA-undersökning visade att 83 % av de tillfrågade hade en positiv inställning till UAM, medan 71 % var redo att prova UAM-tjänster. Pågående projekt inkluderar Lilium som tillkännager att skapa den första amerikanska vertihubben i Orlando för sin eljettjänst på begäran och EHang skapade ett UAM-pilotprogram i Spanien i staden Sevilla.
Utbildning och utbildning
I december 2016 tillkännagav Vertical Lift Research Centers of Excellence (VLRCOE) sina nya akademiska team för sitt program. Den gemensamma ansträngningen av Förenta staternas armé , Förenta staternas flotta och NASA syftar till att främja direkt samarbete mellan regeringen och akademiska institutioner. Universitet har associerats till olika team: Georgia Institute of Technology , Iowa State University , Purdue University , University of Michigan och Washington University ; University of Liverpool , Pennsylvania State University , Embry Riddle Aeronautical University , University of California, Davis och University of Tennessee , University of Maryland, United States Naval Academy , University of Texas i Arlington , University of Texas i Austin och Texas A&M University ; Tekniska universitetet i München , Roma Tre-universitetet och Technion – Israel Institute of Technology .
Volocopter och CAE samarbetade för att skapa det första eVTOL-pilotutbildnings- och utvecklingsprogrammet i juli 2021.