eVTOL数字化低空新基建

作者: 罗亮生 潘杨生

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无人驾驶航空器是低空经济的核心,是典型新质生产力,无人机物流和无人机载人将创造新的航空运输业态。eVTOL数字化低空新基建是基于数字化起降场与通感一体数字网络平台的新型低空基础设施,是无人驾驶航空器商业化网络运营的基础。

垂直起降场地是指在距离地面一定高度(通常为1000米以内,视地区特性和实际需求可扩展至3000米以内)的空域内,用于垂直起降飞行器(如电动垂直起降飞行器eVTOL、飞行汽车等)的起降点。垂直起降场地是城市空中出行(UAM)的重要组成部分,一般由用于低空飞行器垂直起降的起降区和可能包括的机库等设施组成,这些区域和设施能够为低空飞行器提供安全和高效的运营保障。

一、国内外发展研究现状

1.欧洲航空安全局(EASA)

2022年3月24日,EASA发布的《垂直起降飞行器机场技术设计规范》,也是国际首份关于垂直起降飞行器机场设计的指南,该指南针对拥挤的城市环境提供了创新性解决方案,提出了机场上方的漏斗形区域的概念,被称为“无障碍空间”。这一概念是针对垂直起降航空器的特点量身定制的,让垂直起降航空器可以在一个特定空间内执行垂直着陆和起飞,更加适应城市环境中的净空限制,使垂直起降场相比传统直升机机场更适合城市环境。

2.美国联邦航空管理局(FAA)

2022年9月26日,美国联邦航空管理局(FAA)发布的垂直起降机场设计指南,旨在支持具有垂直起降能力的先进空中交通(AAM)飞机的运营,指南参考了直升机场规范要求,主要内容包括起降区域设计要素、照明标记和视觉辅助设施、充电基础设施、机场内垂直起降场、高架垂直起降场等内容。

3.中国民用机场协会

2024年5月22日,中国民用机场协会在第五届中国机场发展大会上发布《电动垂直起降航空器(eVTOL)起降场技术要求》团体标准。该标准于2023年底正式启动编制,是我国首部针对电动垂直起降航空器(eVTOL)起降场的技术规范。该标准共分为11个章节,对电动垂直起降航空器(eVTOL)起降场的物理特性、障碍物限制、场址选择、结构设计、专用设施设备等诸多技术参数进行了明确阐释。

4.其他

2020年8月31日,亿航智能发布了Q/EHE 005-2020《亿航载人级自动驾驶飞行器(AAV)基础设施建设使用标准》企业标准,标准针对EH216系列载人自动驾驶航空器起降场地的物理特性、起降区工艺、机库、目视助航设施、救援和消防内容进行了详细规定,并按照此标准在国内外修建了30余个起降场和50余个临时起降场开展飞行服务。

2022年8月11日,美国材料与试验学会发布了ASTM F3423/F3423M-22《垂直起降场设计标准规范》,定义了用于垂直起降航空器的垂直起降场的规划、设计和建立要求。

2023年6月2日,国际标准化组织发布了ISO5491:2023《垂直起降场一电动垂直起降货运无人机系统的基础设施和设备》,旨在为电动垂直起降货运无人机系统垂直起降场及相关设施的设计、建设和运营提供全面指导。

二、垂直起降场地建设要求

1.国内主流eVTOL

垂直起降场总体设计首先需要对保障机型、保障类别进行确认。通过对国内eVTOL厂商的参数(见表1)指标进行统计,主要为多旋翼、复合翼和倾转旋翼等构型,起飞重量为650~2500千克。

2.起降场地分类

根据垂直起降场地的起降区规模、专用设施配置,可将垂直起降场地分类为起降点、起降站和起降枢纽。

“起降点”往往只包含1个机位以及保证安全高效运行的基本保障设施(如安全、标志、消防、气象、通导等设备),甚至机位和起降区可以共用。“起降站”不仅包含起降点的所有设施和多个机位和多个起降区,还包括能源供应等其他设施。“起降枢纽”指的是在起降场基础上还包括指挥室、机库、候机区、堆货区等区域,可以与其他地面交通一起构成联运综合客货运枢纽。

3.场址选址要求

在垂直起降场地场址选址中,除了考虑空域条件和净空条件之外,还需要考虑地理位置、通信导航条件、气象条件、电磁环境条件、生态保护等因素。

在地理位置上,应充分考虑eVTOL飞行活动可能对公共安全、国家安全等的影响,应与军事禁区、重要保护设施、加油站等公共设施保持一定安全距离。

在通信导航条件上,应充分考虑起降场地的通信导航设施信号覆盖的完善,确保满足eVTOL控制、数据传输要求。

在气象条件上,应充分考虑风场、降水、能见度等气象条件对飞行安全和eVTOL起降场利用率的影响,尤其是位于城市高层建筑顶部的垂直起降场地需实地勘察穿堂风、排烟风机、空调风机等局部气流的影响。

在电磁环境条件上,应充分考虑空间电磁环境对航空活动影响,如4G/5G、GPS、北斗等信息,应避开气象雷达站等对电磁环境实施特殊保护的设施。

在噪声防护上,eVTOL的噪声相比直升机要低得多,但对起降频次比较高的垂直起降场地,宜避开老年康养、生态敏感等区域。

4.净空条件要求

为确保eVTOL起降运行的安全,需要对起降场地周边空域进行障碍物限制。

在起降场地周边空域环境良好时,起降场地的障碍物限制面宜参照MH 5013《民用直升机场飞行场地技术标准》中的规定,并以eVTOL最大全尺寸D代替直升机最大旋翼直径RD。

由于eVTOL主要在城市运行,高耸建筑和构筑物对障碍限制有时难以满足直升机场的障碍物限制要求,无法参照MH 5013设置障碍物限制面,宜考虑设置悬停高度及相应的无障碍空间(OFV),悬停高度的设置应根据周边航路上的障碍物及eVTOL的飞行性能确定。

当垂直起降场地周边障碍物高度较低时,eVTOL悬停高度(以h0表示)小于全长尺寸D值时,无障碍空间底面为起降场地标高处、边长数值至少为2D的正方形,顶面为悬停高度处、边长至少为(D+h0)数值2倍的正方形,侧面为线性延伸斜面。

当垂直起降场地周边障碍物高度较高时,eVTOL悬停高度(以h0表示)大于全长尺寸D值时,无障碍空间底面为起降场地标高处、边长数值至少为2D的正方形,顶面为h0高度处、边长数值至少为4D正方形。侧面由两部分拼接,高度在D取值以下时为以底面边界起,侧面为向外450斜面;高度在D取值以上时,侧面为竖直面。

由于目前国内相关运行经验尚未成熟,上述垂直起降场地净空条件的设置也有待后续进一步的验证。

5.场地物理特性

开展低空飞行的航空器主要以eVTOL为主,在起降方式上与直升机有相似之处,垂直起降场场地物理特性上是可以参考现有直升机场,国内外已发布的垂直起降场标准规范中也引用了直升机场相关场地特性的描述。

垂直起降场地起降区由最终进近和起飞区、接地离地区和安全区组成。最终进近和起飞区、接地离地区表面应为硬质实体,平整并确保有效排水,不应在航空器下洗流的作用下造成表面退化,也不应产生飞散的碎片。接地离地区位于最终进近和起飞区内,其表面应与最终进近和起飞区连续顺接。安全区可不为实体,如为实体时,其表面应与最终进近和起飞区连续顺接,并能抵抗旋翼下洗流的作用。

结合国内各主机厂实际运行经验,最终进近和起飞区(FATO)尺寸至少为1.5D、接地离地区(TIOF)尺寸至少为1.0D、安全区边界距离最终进近和起飞区(FATO)边界至少3.0米。

6.专用设备设施

为保障保障机型的起降安全,起降场地宜包含安全设施、目视助降设施、气象设施、通信导航监视设备、充放电设施、指挥室、机库、候机区、堆货区等保障设施。

在安全设施上,针对布置在构筑物上起降场地的临边防护和地面起降场的人员侵入,要做好安全防护措施,考虑到在大风天气下航空器存放安全需要布置系留设施。

在目视助降设施上,可以参照民用直升机场标准在起降场地设置标志和标志物,用于对垂直起降场地的标志识别和边界指示,对于具备夜航要求的起降场地还需要配置助降灯光设施。

在气象设施上,需要配置具备本场气象信息采集的气象仪,针对有人驾驶型航空器还需要配置风向标,对存在雷电频发的区域还需要配置雷电预警系统。

在通信导航监视设备上,需满足保障机型的通信、进近引导、周边环境监视等要求,可应用5G-A通感一体、ADS-B等技术。

在充放电设施上,要充分考虑保障机型的电力保障要求,配置标准化、兼容性强的充放电设施。

在指挥室、机库、候机区、堆货区等区域设置上,要针对垂直起降场地的应用场景要求,结合具体保障机型的适航要求,做好以上区域的规划。

垂直起降场地专用设备设施可考虑实现状态信息采集及远程控制的功能,接入区域飞行指挥调度指挥中心,实现全区域内起降场地的数字化、网络化、智能化。

三、未来城市空中交通商业化路径

民航局92部规章《民用无人驾驶航空器运行安全管理规则》面向运行场景、基于运行风险对无人机驾驶航空器运营进行分级分类管理。未来城市空中交通将按载物、载人、载客;留空和航线飞行进行分类管理。未来城市空中交通将从点到线,又从一条线到多条线,形成网,构建规模化的商业运营体系,这就是低空经济的未来。亿航216s将在全世界率先建立载人留空飞行的文旅商业模式和载客航线飞行的空中交通模式。5G-A毫米波技术的无人机感知能力,助力智能化飞行管控平台和数字化低空保障体系建设、保障无人机的安全运营。低空起降场数字,接入运营云,催生未来空中商务平台。

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