美国发布关于加强空中交通的国家计划（上）

 

 

 

 

美国国家科学、工程与医学院近日发布了《加强空中交通国家蓝图》研究报告，将“城市空中交通”概念拓展为“先进空中交通”，制定了先进空中交通的愿景，评估了先进空中交通的潜在效益和挑战，提出了美国在该领域保持领先地位的建议。

 

报告共分五章。第1章是先进空中交通的介绍。提出了先进空中交通的概念及其发展如何适应美国航空的持续发展历史。第2章描述了空中交通的愿景，包括空中交通必须体现的基本特征，并结合第1章，发展和讨论了空中交通的总体愿景。第3章讨论了如何创建一个环境，让初始运营商可以与联邦机构合作开发市场。第4章详细介绍了安全可靠的先进空中交通网络的关键发展，以及先进空中交通需要对自动化飞机、网络安全和应急管理的安全分析工具进行重大研究。第2、3、4章识别了实现这一愿景的障碍，并考虑了企业对先进空中交通系统的影响，以及NASA如何促进这些努力。最后，第5章提出了实施先进空中交通的途径。讨论了如何通过克服制度障碍，建立公私合作伙伴关系，以及在国家空域发展和部署先进空中交通飞行器，实现先进空中交通的愿景。作者对该报告摘要进行了编译，分为上下两篇，本文为上篇。

 

 

 

在世界范围内，电动飞机和混合动力飞机在城市、郊区和乡村地区的应用正急剧增加，这通常被称为先进空中交通。先进空中交通涉及到变革性和颠覆性的新的机载技术的出现，这些技术支持一个生态系统，旨在将人和货物运送到传统上不接受当前航空运输服务的地点，包括乡村和更具挑战性和更复杂的城市环境。计算机软件、电子和传感器、储能和电动飞机等许多不同领域正处于渐进式发展之中。这些技术具有革命性，有望改变货物和人员的运输方式，影响到各个行业。正在研制的飞机是短程、无需专用跑道、高度自动化的。

 

使用电动机和简化的电控取代复杂的变速器和精密的飞行关键部件，可以大大减少飞行关键部件的数量，提高机械可靠性。这将大大降低飞行器的制造和运营成本。这种创新性的飞行器可在城市和其他环境中执行多种任务，这些任务当前由地面车辆执行。电力推进和日益自动化的飞行也可以提高安全性，简化维护和运营，降低噪声，并提高易用性。

 

数百种不同的飞行器正在研制中，十几个飞行器项目得到私营企业的重大投资；这些飞行器由传统的航空公司以及许多没有或几乎没有航空经验的新入局者开发，大都处于开发的早期阶段。这些企业家正在创造一类可成功地改变运输方式、并能带来根本性的新能力的飞行器。垂直起降运行、配套地面基础设施和所需的空中交通管理系统所构成的这一新兴行业将严重挑战当今的空域监控系统和监管环境。美国航空航天局（NASA）有资格为美国政府及其监管机构（如联邦航空管理局（FAA））提供技术指导，促进这些技术的采用，并建立监管框架，以促进该垂直飞行行业的发展，使整个航空业受益。

 

2019年初，NASA要求美国国家科学院、工程院和医学院进行一项研究，并对“城市空中交通”（UAM）的未来进行展望。加强空中交通国家蓝图委员会（以下简称“委员会”）确定，UAM只是“先进空中交通”这个更广泛领域的一个子集，NASA的出版物和管理层也采用了“先进空中交通”这一更广泛的术语。先进空中交通可以包括为乡村和郊区以及更具挑战性的城市区域提供服务。

 

一、新任务可以满足潜在需求

先进空中交通可以为许多行业带来变革，如运输、应急响应和货物/包裹物流。然而，重要的是要确保使用基于场景的分析来帮助充分了解实施的社会效益和成本，因为在部署和用户适应新功能之前，所有应用都很可能不明显。能够就社会效益开展交流将有助于公众接受和社区推广。NASA可以发挥关键作用，与其他相关政府机构以及学术界合作。

 

新的能力可以触发空中出租车和包裹快递以外的任务，因此很可能包括安保巡逻、紧急情况和火灾快速反应、警察巡逻，甚至在紧急情况下运送救生药品。有可能像手机和电脑一样，随着这项新的航空技术的发展，新的、尚未预见的飞行任务将得以实现，而这些任务将满足经济发展的迫切需求。

 

委员会认为，商业货运市场似乎是自主飞机技术/能力乡村货运业务的明显“最初采用者”之一。这将包括“最后一英里”本地包裹投递和“中间一英里”货运，作为各公司部署的首批应用之一，包括那些最终将向终端客户交付货物的应用。

 

建议：NASA应在明年年内与首批采用该技术的货运物流供应商和相关制造商建立战略伙伴关系。合作伙伴应将重点放在技术成熟上，以期在3年内部署小型、中型和大型自主货运飞机。

 

二、未来空域和空中交通管理环境展望

委员会对未来空域系统的设想并不一定将任何类别的飞行器限制在一个受限空域内；事实上，委员会和大多数接受采访的人都支持使用技术将所有飞行器类型联网以控制交通、隔离和路径的概念。因此，它并没有设想多种基础设施，而是采用一套基础设施，根据用户的不同区分了复杂程度等级。委员会认为，适当管理的飞行器数据共享网络可以实现突破性的空域分配。这种未来的数据共享网络可以看作是为先进空中交通运营商提供的一种实用工具，以提升其利用率，提高安全性，并提供实用的交通管理和隔离，同时不会给飞行器在增加传感器、可靠性、重量和成本上带来负担。

 

作为这种数字网络概念的一个例证，在圣诞节前一周，联邦快递每天处理超过2000万件邮件，并在运送过程中以数米的精度控制和跟踪每件物品。类似地，谷歌使用网络化的手机追踪技术，在美国各地创建一个实时交通报告系统，准确显示所有主要道路的行程时间。

 

重要的是要用分阶段、迭代的方法来开发、测试和引入新的能力。一个如此复杂的多学科系统，有那么多的利益相关者（包括公众）参与，每一步都有监管部门的参与，这样一个系统从大量不协调的创新努力中自行组合起来是不合理的。相反，实现互用性和标准的协调是必不可少的。

 

建议：NASA应与FAA协调，开展研究，扩展无人机系统交通管理概念，以适应各种空域中新兴的先进空中交通。

 

三、美国航空应保持领先地位

FAA的独特使命是促进国家空域系统的安全，并有权作为空域系统的监管机构。其他联邦机构对国家空域系统有着切身利益，无论是出于国家安全、环境还是其他因素。NASA拥有研究能力，但无权监管或决定国家空域系统的技术实施。事实证明，这种安排在促进安全方面是有效的，但它限制了航空业的发展步伐。成熟的技术正在创造具有变革性的飞行能力，有望在整个经济体中扩展航空的使用案例，并将国家空域系统的活动规模扩大一个数量级。虽然美国在航空领域的领导地位符合国家利益，但美国政府内没有任何实体明确授权促进商用航空或新技术或新应用的开发、采用和商业化。实现具有多个应用和用户的多功能先进空中交通系统是面临复杂的、多学科的挑战。任何实体，无论是公共的还是私人的，都不具备应对该挑战的所有必要技能。目前也没有任何一个实体有足够的监督/责任来在未来3-5年内有效地实现先进空中交通，同时实现社会效益最大化。

 

历史上，美国在航空技术方面一直处于世界领先地位。通过多措并举，美国有可能继续保持这一优势，即对人力和研究进行强有力的学术性投资，开发关键的人工智能和自主技术，保持投资资本的可用性和提升投资者技术理解力。同样重要的是美国城市/郊区/乡村的社会和物理基础设施，它似乎已经准备好支持新的航空运输方式。

 

在开发这些新技术方面，美国的另一个优势是拥有一批知识丰富的政府监管机构人员，包括FAA、国防部（DoD）和NASA的技术专家，他们准备以指导方针引领技术发展。确保美国继续发挥领导作用，所需要的是一份明确的国家意志声明、一份明确的总体规划和执行该计划的国家承诺。

 

建议：为了制定美国联合先进空中交通总体规划，NASA和FAA应建立伙伴关系，管理参与总体规划制定的各利益者相关的责任与义务。

 

四、从城市空中交通到先进空中交通

人们普遍认为，NASA具有客观的、受人尊敬的知识库和研究能力库，是空域管理和航空领域新概念方面值得信赖的领导者，也是保持美国在航空航天领域领导地位的诚实的代言人。诚然，NASA有一定的权限可将想法转化为现实。而FAA拥有最大的执行权，其他联邦机构，如联邦通信委员会、国家标准和技术研究所、国土安全部、DoD、内政部和农业部则是关键的利益相关者。NASA和FAA有着长期的合作关系，因而，NASA可以作为FAA开发先进空中交通的风险共担的、创新的合作伙伴。

 

大众媒体对先进空中交通话题的关注通常集中在小型电动飞机投递家庭包裹和城市空中出租车服务上。然而，面向公众的城市空中出租车服务，由于其对飞行器性能、安全性、复杂操作、基础设施、运营成本、系统规模和发展速度的要求，是先进空中交通最苛刻的应用之一。当运输系统中各种能力具备之时，它将是一个有吸引力的应用。然而，如果不首先在其他要求较低的先进空中交通领域建立和积累经验，就不可能实现UAM或实现其愿景。前者已经在发生：在本研究开展的同时，多项涉及乡村地区包裹递送的商业试验活动启动或者发布，多种新的有人驾驶载客飞行器推出。

 

委员会认为，目前针对这一基础设施变革的发展计划涉及一系列逐步发展的应用，从当前开始，将挑战性较小、更加可控的低密度区域作为开发飞行器、控制方案和联网概念的测试案例。该计划将首先解决基本问题，然后通过将现场解决方案引入更多的郊区和城市环境，逐步提高复杂性。在这些环境中，人口、障碍物密度和交通密度的增加带来了更多挑战。委员会认为，将讨论局限于城市空中运输，会阻挠这一自然发展进程，并形成只有城市环境才值得研究和带来效益的印象。此外，实际飞行系统开发商提交给委员会的概念并没有根据其运行环境来区分这些飞行器；开发商正在将同一级别的飞行器同时引入城市、乡村和混合市场。

 

委员会的结论是，许多要求较低的应用可以作为建立城市空中出租车服务所需全套能力过程中积累经验和改进技术的机会。这些应用在建立社会对技术的接受程度方面也可以发挥重要作用。近期的应用包括在人口较少的地区进行货物运送、检查和监视。应用可以包括紧急医疗服务、急救人员、救灾、企业运输、货物物流等。鉴于技术为飞行提供了新的能力，先进空中交通的应用范围很广，很难全部预见。

 

五、实现愿景的挑战

实现这种先进空中交通的愿景并非易事。接受先进空中交通技术将特别具有挑战性，除非与公共和私人实体获得重大协调，对其开展教育，并与之达成协议。它将对现有的航空系统进行重大改革，特别是在国家空域系统如何安全地集成新技术来管理和整合高交通密度下的运行。从某种程度上说，美国还没有准备好迎接这种转变，新的参与者（如小型初创企业）的进入存在严重障碍。

 

企业家和早期投资者的热情与实施的现实情况（例如跨越几代人发展起来的、针对更传统的航空运输形式的飞机认证系统）之间存在着不匹配之处。还有潜在的负面影响，如社区噪声问题、新的安全风险、碳足迹的增加以及其他相关的社会问题。

 

从经济、社会和监管的立场来看，先进空中交通系统要想被接受取决于多种因素，其中一些因素如下：

 

﹡安全性：先进空中交通必须证明具有公众对现代航空运输系统所预期的高安全水平；

 

﹡安保：新兴技术带来了新的网络安全风险和漏洞，必须加以管理；

 

﹡社会接受度：应用先进空中交通的新产品或服务必须得到公众的信任和支持，并考虑到多种因素；

 

﹡恢复力：应急管理，即管理预期的能力和从意外中恢复的能力，将是成功的关键；

 

﹡环境影响：飞行器对环境和非参与者的噪声和视觉影响，以及温室气体排放和任何相关的空气污染物排放等因素，必须尽量减少到可接受的水平；

 

﹡法规：必须制定新的法规，以适应这项技术，并界定其与国家空域系统的融合方式；

 

﹡可扩展性：任何成功的先进空中交通方法都需要能够随着细分市场的出现和增长而扩展；

 

﹡灵活性：对于任何具有破坏性的新计划，随着新的用例和运营概念的出现，灵活性是至关重要的。

 

六、需要高层次的架构和要求

国家空域系统提供了安全性、自主系统的逐步接入和可扩展性，但对具体的预期飞行运行几乎没有限制性假设，这将为探索先进空中交通的应用提供灵活性，并完美地适应未来规模和能力的增长。尽管管理国家空域系统是FAA的责任，但委员会得出结论认为，NASA可以在实现国家空域系统规模和能力增长方面发挥重要作用。

 

需要定义一系列连续的更复杂的能力里程碑以及支持这些里程碑的系统架构组件。这些要求体现了国家空域系统中逐步增加的复杂运行，增加了系统的能力和规模。这些要求作为标准开发和基于这些要求的系统的目标，最终为国家空域系统制定新的飞行规则。架构决策包括在以下领域为未来标准和实施开发提供足够的规范：

 

﹡系统架构框架——定义系统的主要元素、功能和接口；

 

﹡通信——承担通信能力，包括频谱、数据交换和网络安全标准的决策；

 

﹡随时间调整架构功能和组件的方法；

 

﹡现有安全性评估方法的发展。

 

建议：NASA应优先研究开发架构、要求和支持技术，以便将先进空中交通能力整合到未来的国家空域系统中。

 

（航空工业发展中心 孙友师 王妙香）