eVTOL/UAM的美好未来与空域集成挑战

 

 

原创 陈向 向哥谈无人机过去两个月，eVTOL/UAM（电动垂直起降飞行器/城市空中交通）行业很是热闹。

 

 

FAA发布了《城市空中交通（UAM）运行概念2.0》，并宣布针对eVTOL等动力起降飞行器制定了一部关于飞行员培训和认证的综合性规章的提案，这标志着美国在安全实现先进空中交通（AAM）方面又向前迈出了重要一步；

波音公司全资收购eVTOL开发商Wisk，后者有希望成为美国首个获得自动驾驶载客eVTOL的候选人；

国内更加热闹。亿航216在日本冲绳岛上完成了针对空中游览、跳岛场景的飞行演示；

小鹏汇天旅航者X2飞行汽车在宁夏沙坡头景区首次在国内进行实地实验试飞，完成“飞越黄河”。

民航局适航司发布通知，就峰飞V2000CG型无人驾驶航空器系统型号合格审定项目专用条件征求意见，该专用条件将成为首款2吨级载物eVTOL的适航审定专用条件。此外，峰飞将携载人版eVTOL“盛世龙”在即将开幕的巴黎航展上完成国际首秀；

时的科技正式对外发布采用倾转旋翼构型的5座载人电动飞机E20 eVTOL；

御风未来在上交会展出其MATRIX 1的二分之一模型机；

航空工业通飞在研eVTOL项目AG-EX照片公布。

（以上排名不分先后）

而昨天在西安举办的第二届中国无人机安全高峰论坛上，我有幸聆听并学习了空中交通管理系统全国重点实验室陈志杰院士的发言《有人与无人驾驶航空器融合运行安全风险问题研究》，因此想趁热打铁，总结一下我对eVTOL/UAM的美好未来与空域集成（或者称为“有人机-无人机融合运行”）挑战的看法，部分观点我采纳自陈志杰院士的报告。

 

 

本文分为三部分：

eVTOL/UAM的美好未来

UAM行业发展带来有人机-无人机融合运行的挑战

解决有人机-无人机融合运行的方法与展望

 

一、eVTOL/UAM的美好未来

摩根士丹利（MS）曾于2018年12月发布《飞行汽车：UAM的投资影响》（Flying Cars: Investment Implications of Urban Air Mobility）蓝皮书，预测全球eVTOL/UAM市场规模将在2040年达到1.5万亿美元。两年多以后的2021年5月，MS又发布了一份新报告《eVTOL/UAM市场规模更新：起步缓慢，但前景无限》（eVTOL/Urban Air Mobility TAM Update: A Slow Take-Off, But Sky's the Limit）显示，全球2040年eVTOL/UAM市场规预测下调至1万亿美元，2050年攀升至9万亿美元，其中美国市场占27%，中国占24%，欧洲占16%，其他地方占33%。      

 

 

 

UAM全球市场容量（2018-2050）

今年5月3日，FAA发布了《UAM运行概念2.0版》（1.0版于2020年发布），这是一份针对空中出租车（Air Taxi）和其他先进空中交通（Advanced Air Mobility，AAM）运行的空域与程序变更的新蓝图，由政府和产业界根据行业发展现状和未来需要共同编写。

 

 

 

该蓝图是FAA为安全地引入并支撑下一个航空时代所做工作中的关键环节（还包括随后发布的对飞机和飞行员的审定方法），为了开发新型空中运输系统，利用创新型的飞机、技术、基础设施和运营方式，在以往未实现服务或未充分实现服务的本地、区域内和城市之间运送人员和货物。

 

 

空中廊道俯视图

AAM运行最开始将以较低的频率、密度和复杂度（统称为节奏-Tempo）进行，像如今的直升机一样，他们使用现有的航路和基础设施，如直升机停机坪、早期的垂直起降机场（vertiports），飞行员在机上控制飞机（与目前驾驶有人机类似），按需与空中交通管制员进行通信。

 

 

早期单向空中走廊

随着运营规模增加，空中出租车将在主要机场和市中心垂直起降机场之间的空中廊道中飞行，这些空中廊道的复杂度会越来越高，从单向到双向，连接起降点的个数和航线也越来越多，越来越多的飞行员从机上挪了地面控制台可以进行远程操控。

 

 

后期双向空中走廊

         

二、UAM行业发展带来有人机-无人机融合运行的挑战

正如上一章所讲，全球正在发生一场以UAM为代表的航空运输变革，UAM为人类带来各种好处的同时，其进入传统有人机运行的空域也带来了巨大的安全性挑战。

 

 

美国作为全球UAM领域发展最领先的国家，制定了以无人驾驶航空器为核心的AAM愿景，提出了美国在该领域保持领先地位的建议，并制定先进空中交通发展战略。

 

美国无人机空管的核心技术理念是有人机-无人机融合运行，要保障无人机实现与有人机等同的安全水平，包括场面运行管理、终端区运行和航路航线飞行。2021年FAA实施了以RTCA DO-365A/B和感知-避撞(DAA)为核心的关键技术测试验证。

 

美国还制定了无人机空域系统集成路线图：按运行复杂程度和安全风险可控性，分类开展无人机运行管理和空域进入审定。

 

欧盟也有类似的动作，其顶层计划被称为“SESAR 2020 数字化欧洲天空愿景” 。

 

国际民航组织（ICAO）也专门成立远程操控飞行器系统（RPASP）专家小组，梳理有人机空管中集成无人机的适应性与安全性。

 

 

我国无人机空管的理念是：分类实施监管，当前重点解决150米以下的低空安全进入问题。2023年4月国务院常务会议审议通过的《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例（草案）》，基于军民融合、管放结合、空地联合原则，按任务性质将无人机区分为国家无人机和民用无人机；按飞行管理模式和按重量又将民用无人机分为若干类，如图所示，并分别建立相应的管控办法和安全准入要求，要求建立民用无人机实名注册登记制度，接入无人机云系统（如UTIMISS），试点建设联合监管平台。

 

 

以无人机为代表的先进空中交通已成为未来重要的发展趋势，过去十几年来，西方国家积极布局和前瞻推进有人机-无人机融合运行的下一代空管系统研发，围绕无人机进入有人空域，纷纷开展政策制度审查、交通规则研究、关键技术攻关等。由于无人机进入有人空域，存在管控自动化回路不闭环、交通防撞功能不健全、安全设计缺乏可靠方法等问题，真正达成先进空中交通模式面临着一系列从受限飞行到自由飞行的风险挑战，包括：

运行模式的挑战：从隔离空域运行发展到有人机无人机混合运行的挑战；

管制能力的挑战：从区别对待管制到有人机无人机无差别化管制的挑战；

自身设备技术的挑战：从SAA/DAA、编队运行到融合技术新体制的挑战。

具体来讲：

挑战1:总体运行层面，如何降低无人机大规模空域进入带来的安全风险；

挑战2:在政策与法规层面，如何摆脱以应急与疏堵为核心的监管思路；

挑战3:在无人机适航层面，如何建立与有人机等效的“看见即避让”能力；

挑战4:在无人机管控层面，如何形成“八个方面”交通服务能力。“八个方面”包括融合运行概念、空域规划管理、空管系统整合、无人机适航、指挥与控制链、感知与避撞、人-机-环因素分析和远程飞行员许可；

挑战5:在无人机交通态势共享层面，如何建设军民融合的数据信息体系。

三、解决有人机-无人机融合运行的方法与展望

解决上述挑战是一个系统工程，这里既包括运行概念总体设计、安全标准规范设计等“道”层面的顶层规划设计，也包括安全风险识别与监控、态势感知与非合作目标识别、感知与规避系统及算法设计、链路系统设计等“术”层面的子系统、算法级设计。

 

2013年，我去美国华盛顿参加国际无人系统协会（AUVSI）年会的时候，三分之一的分论坛是关于有人机-无人机融合运行的，那时候的叫法是无人系统空域集成（UAS Airspace Integration），这一晃整整十年过去了，最初级的有人机-无人机融合运行仍然没有实现。

 

eVTOL/UAM的未来，很美。

 

有人无人空域集成之路，很长。