Đặt nền tảng cho di chuyển hàng không đô thị

Hội thảo VFS lần thứ 5 về Cơ sở hạ tầng eVTOL là một thành công lớn khác, đào sâu vào những thách thức và cơ hội đối với di chuyển hàng không đô thị.

Trong bối cảnh thị trường máy bay cất cánh và hạ cánh thẳng đứng bằng điện (eVTOL) đang trưởng thành, các chuyên gia và cơ quan quản lý ngành hàng không vũ trụ ngày càng chú ý đến việc xem xét các loại cơ sở hạ tầng cần thiết để hỗ trợ các hoạt động này. “Hội thảo về cơ sở hạ tầng eVTOL cho di chuyển hàng không đô thị (UAM)” được tổ chức nửa năm một lần lần thứ năm của Hiệp hội chuyến bay thẳng đứng đã mang đến cho các bên liên quan và các bên quan tâm một diễn đàn để khám phá các câu hỏi chính liên quan đến hoạt động của eVTOL trong tương lai. Trong một loạt các cuộc thảo luận và thuyết trình nhóm trong hai ngày, các chuyên gia từ khắp ngành hàng không vũ trụ đã tham gia vào các cuộc trò chuyện về những thách thức xác định mà cộng đồng UAM phải đối mặt trong thiết kế và phát triển vertiport vì nó liên quan đến các giới hạn hoạt động của máy bay, an toàn cháy nổ và an toàn thời tiết. Hội thảo đã cung cấp cho các bên liên quan một loạt các quan điểm thiết yếu về các chiến lược để tạo điều kiện cho các khái niệm hoạt động của UAM trong tương lai.

Với tiềm năng giảm tiếng ồn và lợi thế về môi trường so với máy bay trực thăng truyền thống, máy bay eVTOL có thể tăng đáng kể việc di chuyển bằng đường hàng không — và giao thông — trong môi trường đô thị.  Làm như vậy sẽ yêu cầu cơ sở hạ tầng có khả năng hỗ trợ cả các yêu cầu cụ thể của máy bay chạy bằng điện và những yêu cầu hoạt động an toàn trong môi trường đô thị.  Vertiports sẽ đóng vai trò là nút trong lõi đô thị để hành khách lên và xuống máy bay, cũng như phân phối hàng hóa.  Hầu hết các chuyên gia đồng ý rằng các vertiport sẽ chia sẻ nhiều đặc điểm của các sân bay trực thăng ngày nay, chẳng hạn như các khu vực được chỉ định để cất cánh và hạ cánh, khu vực đỗ xe, cơ sở hỗ trợ và khu vực chờ hành khách.  Tuy nhiên, không giống như sân bay trực thăng, vertiport sẽ được thiết kế để phù hợp với nhiều loại thiết kế máy bay khác nhau có thể được điều khiển hoặc tự lái. 

Tự động hóa Vertiport

Jonathan Daniels, Giám đốc điều hành và người sáng lập của Praxis Aerospace Concepts International, giải thích rằng việc xây dựng cơ sở hạ tầng để hỗ trợ các hoạt động eVTOL tại các vertiport có thể yêu cầu các cách tiếp cận hoàn toàn khác so với các cách tiếp cận liên quan đến sân bay hoặc bãi đáp trực thăng.  Vertiports sẽ cần hỗ trợ mức độ tự động hóa và điện khí hóa cao được tích hợp trong máy bay eVTOL, yêu cầu nguồn điện ổn định và đáng tin cậy.  Một số vertiport sẽ là trung tâm đa phương thức, cho phép hành khách chuyển đổi nhanh chóng từ phương thức vận chuyển này sang phương thức vận chuyển khác.  Phương tiện mà một chiếc máy bay tiếp cận vertiport cũng có thể thay đổi, phát triển từ các quy tắc bay trực quan (VFR) và quy tắc bay bằng thiết bị (IFR) ngày nay sang một thứ gì đó gần giống với hệ thống “quy tắc bay kỹ thuật số” (DFR) — một hệ thống dựa trên cả hai  thông tin liên lạc tự động giữa phương tiện với mặt đất và phương tiện với phương tiện để cung cấp sự phân tách giữa các máy bay — bao gồm ưu tiên và sắp xếp thứ tự máy bay đến các bãi đáp được chỉ định.

Các hoạt động tại vertiports có thể được tự động hóa cao để đáp ứng lưu lượng máy bay cao, đặc biệt là những hoạt động liên quan đến các trường hợp sử dụng nhất định, chẳng hạn như dịch vụ tàu điện ngầm chở khách đô thị.  Joseph Block của Crown Consulting đã trình bày một nghiên cứu về khái niệm vận hành chủ yếu dựa vào tự động hóa để quản lý các tài nguyên của cảng theo chiều dọc, chẳng hạn như bãi cất cánh và hạ cánh, bãi đỗ máy bay và dịch vụ sạc.  Block cho biết, làm như vậy có thể tăng nhịp độ của các hoạt động đến và đi từ vertiport bằng cách giảm thiểu thời gian quay vòng và tối ưu hóa việc phân bổ tài nguyên hiệu quả.  Mặc dù vậy, Ray Adams, Giám đốc điều hành của Hiệp hội Vận tải Độ cao Đô thị (ULTRA) cho biết, nếu không có cơ quan trung ương điều hành giao thông, mức độ tắc nghẽn hành khách và máy bay tại các sân bay có thể gây ra vấn đề cho các hoạt động trong tương lai.  Adams giải thích, một hệ thống quản lý không lưu được gắn vào các vertiport có thể giúp xử lý các hiệu ứng động và bất thường do thời tiết và các sự kiện không lường trước khác gây ra. 

Hiệu suất máy bay và thiết kế Vertiport

Torrie Meliska, Giám đốc sản phẩm của Wisk Aero cho biết trong hội thảo thứ hai của hội thảo rằng việc điều hướng việc đưa máy bay eVTOL vào không phận quốc gia sẽ cần sự hợp tác chặt chẽ giữa ngành và cơ quan quản lý.  Các nhà sản xuất máy bay, chẳng hạn như Wisk, đang tìm kiếm cơ quan quản lý để phát triển các tiêu chuẩn cho vertiport mà họ có thể kết hợp vào quy trình thiết kế máy bay.  David Webber, kỹ sư thử nghiệm chuyến bay cho Dịch vụ Chứng nhận Máy bay của Cục Hàng không Liên bang Hoa Kỳ (FAA), cho biết FAA tìm kiếm sự cân bằng giữa các tiêu chuẩn sẽ cho phép các trường hợp sử dụng vận hành mới.  Webber cho biết, điều quan trọng là thiết lập các yêu cầu chứng nhận máy bay phù hợp cho máy bay eVTOL.  Một số hoạt động nhất định có thể thúc đẩy các yêu cầu đối với máy bay;  chẳng hạn, Webber kỳ vọng rằng máy bay sẽ cần có khả năng bay trong điều kiện thiết bị nếu khách hàng mong đợi khả năng di chuyển trên không theo yêu cầu trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt.  Cả Meliska và Webber đều nói rằng khả năng có một hệ thống DFR tự động rất đáng để khám phá.

Giống như trên không, việc giới thiệu máy bay eVTOL có thể thúc đẩy các yêu cầu mới đối với các tòa nhà trên mặt đất.  Rory Feely, cựu Chỉ huy trưởng của Trường Phi công Thử nghiệm Hải quân Hoa Kỳ và phi công thử nghiệm của Thủy quân lục chiến và là người điều hành hội thảo, đã nhận xét rằng máy bay eVTOL có thể dẫn đến sự thay đổi lớn về yêu cầu năng lượng điển hình cho các tòa nhà.  Tương tự như việc các sân bay được yêu cầu duy trì nguồn dự trữ nhiên liệu hàng không, cơ sở hạ tầng vật chất của các sân bay sẽ cần phải thay đổi để phù hợp với các trạm sạc eVTOL.  Terrence McKenna, trưởng nhóm thử nghiệm và thử nghiệm cho sáng kiến ​​Agility Prime của Lực lượng Không quân Hoa Kỳ, lưu ý rằng các cuộc thảo luận liên quan đến quyền lực thường có sự tham gia của các bên liên quan, chẳng hạn như các công ty tiện ích, có thể không quen thuộc với hoạt động của ngành hàng không vũ trụ.  McKenna gợi ý rằng kinh nghiệm của ngành công nghiệp ô tô điện khi chúng liên quan đến việc lắp đặt các trạm sạc có thể là một sự tương tự hữu ích đối với các yêu cầu về năng lượng của eVTOL trong các cuộc thảo luận trong tương lai với các tiện ích và các bên liên quan khác. 

An toàn cháy nổ Vertiport

Một yếu tố quan trọng trong việc mở và vận hành các vertiport sẽ là liệu các cơ sở này có tuân thủ các quy tắc phòng cháy chữa cháy hay không. David Phelan, một cộng tác viên của Davidson Code Concepts, đã quan sát thấy rằng máy bay eVTOL không phù hợp với các mã hoặc mô hình phòng cháy chữa cháy hiện tại. Ví dụ, tại thời điểm hiện tại, mã phòng cháy chữa cháy cho nhà ga hành khách, cơ sở và mô hình máy bay dựa trên nhiên liệu gốc lỏng. Việc sử dụng năng lượng điện hoặc hydro được lưu trữ có thể sẽ yêu cầu các thành phố, quận và tiểu bang địa phương phát triển các quy tắc chữa cháy mới cho các cơ sở này.

Hơn nữa, Phelan cho biết, các nhân viên cứu hỏa thành phố hiện được trang bị để đối phó phần lớn với các đám cháy công trình sẽ cần được đào tạo về các kỹ thuật và hoạt động chữa cháy trên máy bay, đặc biệt là do các hoạt động eVTOL dự kiến ​​sẽ diễn ra chủ yếu ở các khu vực đô thị và có khả năng liên quan đến các tòa nhà cao tầng. Việc áp dụng và thực hiện các quy tắc phòng cháy chữa cháy mới và các chiến thuật ứng phó khẩn cấp có thể bị tụt hậu so với sự phát triển của chúng, dẫn đến sự chậm trễ tiềm tàng của dự án.

Michael Gorin, giám đốc chương trình về các vấn đề mới nổi tại Hiệp hội Phòng cháy chữa cháy Quốc gia (NFPA) cho biết, ngành công nghiệp eVTOL và vertiport nên bắt đầu làm việc với cộng đồng chuẩn bị cho trường hợp khẩn cấp.  Các hệ thống lưu trữ năng lượng và các phương tiện chạy bằng nhiên liệu điện và hybrid, những công nghệ ban đầu vượt xa các quy tắc và quy định, có thể mang lại một giải pháp tương tự hữu ích để tích hợp máy bay điện vào cơ sở hạ tầng hiện có.

Đối với các hệ thống lưu trữ năng lượng và phương tiện sử dụng nhiên liệu điện, giáo dục và nâng cao nhận thức là những thành phần thiết yếu để lập kế hoạch áp dụng máy bay eVTOL, đặc biệt là khi các phương pháp hay nhất tiếp tục phát triển.  Ví dụ, một trong những thách thức quản lý nhiệt hiện đang phải đối mặt với các dịch vụ cứu hỏa là thực tế là pin cho xe điện thường được chứa trong vỏ thép, khiến lính cứu hỏa khó tiếp cận bằng các phương pháp dập lửa.  Gorin cho biết: Việc tiêu chuẩn hóa một số phương pháp sản xuất nhất định và đảm bảo rằng những người phản hồi đầu tiên cảm thấy thoải mái khi đối phó với các trường hợp khẩn cấp eVTOL sẽ rất quan trọng đối với tương lai của ngành. 

Vertiport Thời tiết & Bất ổn

Đối với việc chuẩn bị cho trường hợp khẩn cấp, khi nói đến ảnh hưởng của thời tiết đối với các hoạt động của eVTOL trong tương lai, cộng đồng UAM sẽ phải đối mặt với những thách thức riêng. Tiến sĩ Colleen Reiche, trưởng nhóm kinh doanh hàng không tại Giải pháp khoa học định lượng, nhận xét rằng máy bay eVTOL sẽ nhỏ hơn và nhạy cảm hơn với thời tiết bất lợi so với máy bay lớn hơn. Hơn nữa, nhiều hoạt động trong số này có khả năng xảy ra ở độ cao thấp hơn và trong môi trường đô thị, điều này sẽ gây ra các hiệu ứng thời tiết như sưởi ấm đảo đô thị, vốn không phải là yếu tố đối với hàng không thương mại ngày nay.

Tiến sĩ Peter Zaal, kiến ​​trúc sư hệ thống chính của Metis Technology Solutions, hỗ trợ SimLabs của NASA tại Trung tâm nghiên cứu Ames cho biết, ngay cả những tác động thời tiết nhỏ cũng có thể có tác động tiêu cực đến sự thoải mái của hành khách, đây sẽ là yếu tố chính khiến hành khách chấp nhận taxi hàng không đô thị. Sự kết hợp giữa gió giật và nhiễu loạn khi xe di chuyển trong môi trường đô thị có thể khiến hành khách khó chịu khi xe di chuyển.

Phát biểu vào ngày thứ hai của hội thảo, Perry Comeau, trưởng phi công thử nghiệm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Chuyến bay của Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Canada (NRC), nhận xét rằng thường có nhiều nhiễu động giữa các tòa nhà và có rất ít chỗ để điều động để tránh những điều này.  các hiệu ứng.  Bằng cách mở rộng các thử nghiệm chuyến bay mô phỏng và thu thập dữ liệu, các nhà hoạch định hàng không vũ trụ có thể bắt đầu xây dựng các mô hình để giảm sự không chắc chắn và tăng khả năng dự đoán trong các hoạt động eVTOL trong tương lai.  Reiche đề xuất, trang bị cho máy bay eVTOL các cảm biến thời tiết sẽ cung cấp cho các nhà lập kế hoạch bức tranh ba chiều về điều kiện thời tiết nơi các máy bay này đang hoạt động và cải thiện các mô hình dự báo.

Nghiên cứu trường hợp sân bay trực thăng

Ngay cả khi các hoạt động của sân bay trực thăng đô thị eVTOL còn vài năm nữa, các nhà quy hoạch hàng không vũ trụ có thể học hỏi kinh nghiệm của các nhà khai thác sân bay trực thăng ngày nay.  Danny Sitnam, chủ tịch kiêm giám đốc điều hành của Helijet International, một hãng hàng không trực thăng có trụ sở tại Vancouver vận hành một số sân bay trực thăng trong khu vực, nhận xét rằng sự chấp nhận của cộng đồng cơ sở hạ tầng là rất quan trọng đối với hoạt động của trực thăng.  Theo Sitnam, các sân bay trực thăng ở khu vực Vancouver phụ thuộc vào doanh thu của các chuyến bay chở khách theo lịch trình thường xuyên của Helijet, nếu không có điều đó thì các sân bay trực thăng sẽ không thể thành công. 

Patricia Wagner, tổng giám đốc của Atlantic Aviation, cho biết một động lực thúc đẩy doanh thu tại Sân bay trực thăng East 34th Street của Thành phố New York là các công ty trực thăng như Blade cung cấp mức giá theo nhóm và các giao dịch trọn gói.

Quan hệ cộng đồng là một yếu tố quan trọng của hoạt động sân bay trực thăng.  Theo Sitnam, mọi khiếu nại về tiếng ồn liên quan đến máy bay trực thăng của công ty anh đều nhận được phản hồi riêng từ một giám đốc điều hành để đảm bảo rằng họ giải quyết đúng đắn các mối lo ngại.  Wagner lưu ý rằng ngay cả khi hoạt động của sân bay trực thăng không bị gián đoạn, áp lực của cộng đồng đối với các sân bay và cơ sở khác chấp nhận các chuyến bay trực thăng có khả năng làm gián đoạn đáng kể các dịch vụ.

Jeff Hyman, Giám đốc điều hành của Helo Holding Inc. (HHI) — công ty điều hành sân bay trực thăng bận rộn ở Kearney, New Jersey (xem “Phục vụ Big Apple: Sân bay trực thăng Kearny,” Vertiflite, tháng 7/tháng 8 năm 2021) — cho biết sự thành công của các sân bay trực thăng  phụ thuộc vào mối quan hệ chặt chẽ với chính quyền địa phương.  Hyman hy vọng rằng những lợi thế mà máy bay eVTOL mang lại về giảm tiếng ồn và ô nhiễm sẽ thu hút các thành phố tự trị địa phương và giảm bớt một số lo ngại của công chúng về máy bay trực thăng truyền thống. 

Cả Sitnam và Hyman đều đang thực hiện các bước để chuyển đổi từ sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và chuẩn bị sân bay trực thăng của họ để cuối cùng đưa vào hoạt động eVTOL.  Sitnam cho biết họ đang làm việc trên các cơ sở điện khí hóa trên mặt đất để phù hợp với hệ thống sạc điện và chuyển sang đội xe đưa đón chạy hoàn toàn bằng điện vào năm tới.  Trong khi đó, HHI của Hyman đang hợp tác với một công ty eVTOL để lắp đặt một trạm sạc thân thiện với eVTOL.

Tuy nhiên, Hyman cho biết, các nhà sản xuất eVTOL sẽ cần phải phù hợp hoặc vượt quá các thông số nhiệm vụ và sự thoải mái của máy bay trực thăng truyền thống và có cấu hình năng lượng phù hợp để đối phó với các điều kiện thời tiết và các mối nguy hiểm khác.  Đối với Sitnam, điều bắt buộc là quá trình chuyển đổi sang hoạt động eVTOL phải diễn ra liền mạch và suôn sẻ cho khách hàng nhất có thể.  Lý tưởng nhất là công ty của ông muốn thấy các nhà sản xuất cung cấp máy bay tầm xa, tốc độ cao với sức chứa từ 7 đến 10 hành khách để thay thế đội máy bay Sikorsky S-76 hiện có của mình.  Tại một thành phố như Vancouver, nơi thời tiết khắc nghiệt thường không thuận lợi cho các hoạt động của VFR, Sitnam nói rằng các máy bay eVTOL trong tương lai sẽ cần phải có khả năng hoạt động IFR nếu chúng muốn thành công. 

Phân tích Nguy cơ & Rủi ro cho Hoạt động của UAM

Nhiều tài nguyên và nghiên cứu hiện có có thể cung cấp thông tin cho các nhà phát triển eVTOL và vertiport về rủi ro từ các mối nguy tiềm ẩn, chẳng hạn như động vật hoang dã và đường dây điện. Phyllis Miller, người quản lý Cơ sở dữ liệu Động vật hoang dã Quốc gia, nơi liệt kê hơn 252.0000 báo cáo về các cuộc tấn công của động vật hoang dã đối với máy bay ở hơn 108 quốc gia từ năm 1990 đến năm 2020, cho biết các hoạt động của sân bay trong tương lai có thể khác với các sân bay tiêu chuẩn, dữ liệu hiện có về các cuộc đình công và mô hình động vật hoang dã có thể giúp các nhà hoạch định hàng không vũ trụ lường trước các mối nguy hiểm đối với máy bay eVTOL. Richard Dolbeer, một nhà khoa học tại Dịch vụ Kiểm tra Sức khỏe Động vật và Thực vật của Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ, cho biết tác động của các cuộc tấn công của chim đối với các cảm biến máy bay nên được xem xét đáng kể đối với các nhà phát triển máy bay trong tương lai.

Ngoài động vật hoang dã, Tiến sĩ Alexia Payan, thành viên của khoa nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Thiết kế Hệ thống Hàng không vũ trụ (ASDL) của Viện Công nghệ Georgia, lưu ý rằng các phương tiện UAM sẽ cần xem xét rủi ro do dây dẫn như đường dây điện gây ra, vì nhiều trong số những phương tiện này sẽ bay trong môi trường có độ cao thấp. Khi mô phỏng các vụ va chạm bằng dây điện, Payan phát hiện ra rằng sự kết hợp của máy cắt dây được kích hoạt bằng cơ học nằm trên thân máy bay và máy cắt dây tích hợp bên dưới cánh quạt có thể bảo vệ máy bay trực thăng hạng nhẹ khỏi tới 80% các vụ va chạm do va chạm bằng dây điện. Nghiên cứu ASDL cũng tìm cách phát triển các thuật toán để định vị các cột tiện ích từ hình ảnh vệ tinh và một khuôn khổ để xác định các đường tiếp cận VFR và IFR có thể không phù hợp cho các sứ mệnh tầm thấp.

Giải quyết thách thức về cơ sở hạ tầng

Hội thảo lần thứ năm này nêu bật hoạt động và an toàn của cơ sở hạ tầng UAM. Thông qua năm hội thảo tập trung vào giải pháp này về cơ sở hạ tầng eVTOL, VFS đã đặt ra những thách thức cơ bản trong việc phát triển các cổng chuyển tiếp cho máy bay UAM. Liên kết đến các video và/hoặc bài thuyết trình cho mỗi hội thảo có sẵn thông qua www.vtol.org/infrastructure.