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发布时间:2020-05-11 00:00:00
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城市空中交通-垂直起降场的空侧规划考虑因素
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城市空中交通-垂直起降场的空侧规划考虑因素

2021-08-11 16:39

本文重点:

  • 垂直起降场的规划和发展已经落后于城市空中交通体系的其它部分

  • 在垂直起降场的建设和运营仍缺乏明确规范指导的情况下,应当关注的主要问题有哪些

  • 将直升机场设计规范直接用于垂直起降场规划工作的适用性和潜在风险

 

本文是AAM(先进空中交通)系列文章中的第一篇。AAM是一整套新兴航空技术的统称,它能够为旅客和货物在本地、城市和地区范围内提供新的空中运输方式。UAM(城市空中交通)是AAM的类型之一,本文将重点介绍UAM及其空域和空侧问题。L&B Lab今后还会研究AAM的其他领域。

 

UAM是指在城市建成区内所有的空中运输方式,包括传统的直升机和电动飞机。传统直升机运营在20世纪初就开始了,但是由于高昂的运营成本和巨大的噪声问题,直升机运输始终未能成为城市空中交通的主流选项。近些年,电池技术的发展吸引了一批发明家、工程师和投资人,他们的共同目标是将电动飞机引入这一市场。目前全世界有超过 200 种电动飞机正在开发中,与直升机相比,预期能够实现更低的运营成本和更安静的操作环境。

 

目前,部分电动飞机制造商已与FAA(美国联邦航空局)针对商业运营的认证要求达成了一致意见,多样化的UAM服务已触手可及。在投资人、地方政府、以及飞机制造商的共同推动下,已有多家UAM运营商宣布将在未来3-4年推出使用垂直起降电动飞行器(eVTOL、下称“电动飞机”)的服务。因此各城市和地方政府现在已有必要行动起来,为辖区内未来的UAM运营环境制定政策和拟定规划。NASA(美国宇航局)根据运量、自动化水平和空中管理水平提出了六个UAM成熟度等级。

 

本文重点介绍其中第一、第二等级(下称“UML1 和UML2”)。这两类基础等级代表在受控环境下,由飞行员操作的低密度运行,预计在未来5-10年间可以实现。在UAM服务落地的众多必要因素中,最重要的三个因素分别是飞行器、配套设施、空域结构与管理。

 

电动飞机的发展迅速,而目前的空域结构和运行概念也很可能足以达到UML1和UML2的水平,因此配套设施的规划与发展水平需要与上述两个重要因素相匹配。垂直起降场应当是现有直升机场的升级版和以需求为导向的新设施这两者的结合。

城市垂直起降场概念方案效果图

 

FAA和ICAO(国际民航组织)尚未发布有关垂直起降场规划设计的标准。FAA正在针对垂直起降场的设计工作制定“咨询通告”(AC),但距离发布可能仍需数年时间。与之类似,EASA(欧洲航空安全局)成立了一个工作组来编制垂直起降场的设计手册,但该手册发布时间尚未确定。由于监管规范已经落后于业内的技术和商业发展水平,而电动飞机和直升机之间又存在一些相似性,因此很多垂直起降场的规划均采用了FAA的直升机场设计咨询通告(AC 150/5390)和ICAO的直升机场设计规范(附件14,卷II)作为依据。

 

最新版本的FAA直升机场设计咨询通告目前正在接受行业审查,其中明确指出,该规范并不支持非直升机运营设施。FAA计划在未来 18 个月内发布关于垂直起降场设计的工程简报,并将其作为临时性规划指导依据,但使用直升机场规划标准来指导UAM运营设施无疑是存在风险的。

 

 
01

垂直起降场的空侧规划

规划垂直起降场时,城市、地方当局和现有机场运营商在其职责范围内应考虑许多重要因素。兰德隆与布朗在为城市、医院和独立运营商规划直升机场方面有着悠久的历史,利用其技术和全球经验解决了很多垂直起降场规划和开发的常见问题。许多商业机场和通航机场都设有直升机坪,而且城市环境中的独立直升机场与垂直起降场在规划、开发和运营方面的考虑因素非常相似。
 
垂直起降场适用何种认证和规划准则?  
与商业机场不同,由于直升机场只提供少量的定期航空服务,FAA和EASA并未要求直升机场在开航前完成严密的认证过程。虽然UAM运营初期以点对点服务为基础,但未来如果会发展定期航空服务,那么很可能引发新的认证要求。ICAO成员国的航空监管部门可能会针对ICAO附件14中的设计规范提出合规要求,但在美国,FAA只对接受了FAA拨款的直升机场拥有直接监管权。目前,美国境内的6000个直升机场之中只有三个接受了FAA的拨款,因此需要遵守直升机场设计咨询通告。FAA无权强制实施直升机场设计咨询通告,但地方和州级法规可能要求其管辖范围内的直升机场运营商遵守上述FAA咨询通告。实际上,地方法规可能包含更多或更严苛的规划和运营标准,这对于垂直起降场的开发是不利的。例如,美国的立法者们已经在2019年制定了直升机安全改进法案(H.R. 4880, Improving Helicopter Safety Act of 2019),要求直升机不得飞越人口超过八百万的城市。虽然该法案尚未在众议院获得通过,但是州政府和地方政府可以引入类似的规定。不同城市或地区依据的规划标准和规范不同,因此垂直起降场的建设方在规划过程中应与当地政府广泛接触,确定在当地具体适用的法律和规范。

 

设施使用方是谁?

垂直起降场的开发可以由市政府或独立的设施运营商投资参与,也可以根据UAM运营商的具体需求来建设。服务于特定运营商的设施可能只适用于一部分飞机,可以优化设施方案以更好地利用这类飞机的特性;但从另一方面来看,也会触发一些问题,比如垂直起降场的数量大幅增加导致相互之间的需求冲突,重复建设的分散设施导致整体资源利用率下降,以及设施废弃导致的昂贵成本等。通用型设施可以服务于多家运营商的多个飞机类型,在规划时应当考虑关键机型,即某个机型或某几个机型的组合。FAA表示“垂直起降场设计咨询通告”会根据设施运行能力为垂直起降场分类,这样有助于在规划阶段缩小需要考虑的机型数量。

 

假设已经实施了与直升机类似的法规要求,那么垂直起降场的管理方和运营商应当获得政府许可,并且保证执飞许可航班的飞行员们完全熟悉设施状况、运行程序、以及其他限制条件等。因此,垂直起降场的管理方和运营商应在规划过程中考虑灵活性和实用性之间的平衡,将运营限制条件或机型限制条件作为飞行审批流程的考虑因素之一。此外,地方政府还应当在当前的需求和未来的灵活性之间寻求平衡,以满足设施的可持续运营需求。根据直升机场规划方面的经验,兰德隆还建议在规划阶段考虑紧急情况下的运营需求,例如军事、消防、执法需求等。即使某个直升机场的规划用途仅有客运或医疗运输,兰德隆通常还会考虑西科斯基 UH-60 黑鹰直升机(一种军用直升机)的运营要求。

 
垂直起降场的空侧组成有哪些?

垂直起降场空侧的主要组成部分有:最后进近和起飞区(FATO),接地和离地区(TLOF),停机位和滑行道。

- 最后进近和起飞区是飞行员完成进近的最后阶段并过渡到悬停或着陆的区域,以及飞行员从静止或悬停过渡到起飞的区域。

- 接地和离地区是配有铺装面的承重区域,用于飞机着陆或起飞。接地和离地区通常位于最后进近和起飞区的中央位置,但也可以在其之外。
- 停机位是飞机临时停放区,以避免过度占用最后进近和起飞区、接地和离地区。乘客上下飞机和飞机充电都在停机位完成。

- 飞机需要使用滑行道在停机位以及最后进近和起飞区之间滑行。由于大多数电动飞机没有着地滑行的轮子,因此垂直起降场的规划需要考虑飞机悬停滑行的需求。

 

从左上角顺时针方向依次为Lilium、Joby Aviation、Vertical Aerospace和Wisk Aero的UAM

 

以上因素的规划依据是关键机型的物理特性。对于直升机而言,主要参数包括最大重量、总长度、旋翼直径、尾旋翼圆弧半径和起落架尺寸。一个直升机场的设计关键机型是指能够体现各个关键参数最高要求的一种或几种直升机。但是,电动飞机与传统直升机的设计完全不同,这些差异不仅体现在机身设计,甚至还存在于产生垂直升力和水平动力的底层机制。

 

规划方在确定关键的设计参数时将面临诸多问题,导致根据直升机场规范开发其他城市空中交通设施存在很大的风险。

 

典型的设施布局是怎样的?

设施布局可以有多种不同形式,大多数垂直起降场会参照高吞吐量的直升机场,配备一个或多个最后进近和起飞区、以及对应的接地和离地区,并配备独立的停机空间,如下图所示。但传统直升机场的规划条件可能并不适合电动飞机运行的安全要求。乘客误入主旋翼区或尾旋翼区是旋翼机面临的主要安全问题之一。由于采用的技术原理不同,每种机型的电动飞机需要使用不同的乘客安全风险评估方式,从而确定有针对性的机位布局。

 

传统直升机场布局

 

如果初期的业务量只需要一个最后进近和起飞区,那么新建垂直起降场应当在规划中预留多个最后进近和起飞区的扩展空间,以适应未来的需求增长。

 

现行的直升机场法规要求,如果多个最后进近和起飞区同时运行,则必须规划至少 200 英尺 (60米) 的横向间隔。而不同的垂直起降场可能存在不同的飞机尺寸、飞行程序和设施布局,上述要求也将随之变动。在没有乘客上下机或充电业务的情况下,单个最后进近和起飞区的容量预计为每小时 20 架次左右。兰德隆建议在新建垂直起降场的规划中设置多个最后进近和起飞区并分别划分为单独的进场和离场用途,以最大限度地提高容量。

 

垂直起降场的各个组成部分都有其各自的容量,例如最后进近和起飞区、滑行道、停机位数量、充电座数量等。整个垂直起降场的容量取决于设施布局和运行理念,且遵循“木桶效应”,即各组成部分之中的最低容量。例如,虽然一座垂直起降场的面积足够设置多个最后进近和起飞区,但空域限制却可能无法支撑更大容量。因此,兰德隆建议采用整体规划的方法,促进设施的协调发展。

 

需要什么空域程序?

最后进近和起飞区仅仅是指飞行员完成进近最后阶段或起飞最初阶段的区域。而进场或离场路线从最后进近和起飞区向外大幅延伸,将垂直起降场和更广阔的空域联系起来。与直升机场类似,垂直起降场应当规划两条不受障碍物影响的进场/离场路线。理想状态下,其中一条路线与主要风向一致,另一条次要路线应当提供足够的风向覆盖,避免出现强侧风下的运行。

 

如今,多数民用直升机的运行条件都是良好天气和目视条件。预计最初的 UAM 服务将有类似的限制,并且飞行员可能会在目视飞行规则下执行基于GPS导航的仪表飞行程序。

 

能否在机场附近运营垂直起降场?

优步航空公司(Uber Elevate)曾经计划在初期将机场纳入首发城市的垂直起降场网络,因为机场可能是UAM网络在初期和后期的一个关键因素。

 

机场范围内或机场附近的垂直起降场可能成为未来UAM运营商网络的初始节点之一。但主要问题在于如何设置垂直起降场且不影响机场的运行。一些运营商提出了建议,将垂直起降场设于机场的空侧;但是,此类布局很可能无法满足安全和安保要求。那么更大的可能性是,将垂直起降场设于机场的陆侧,同时配备安全的空侧通道。除了《联邦法典》第14卷第77部分(14 CFR Part 77)针对机场而定义的保护面之外,UAM的运行还不得影响航空公司的单发失效飞行程序。在垂直起降场的选址过程中,这将带来更多的限制因素。

 

如果UAM设施在机场的范围之外,虽然需要和商用飞机共享空域,存在一定难度,但由于在此情况下UAM飞机与商用飞机可以通过不同的飞行高度相互协调,因此较容易实现空域共享。相比之下,如果UAM设施在机场附近,由于与商用飞机在同样的空域范围和飞行高度进行起降,则需要投入更多的协调工作以避免运行冲突。例如,机场附近的UAM运行更有可能触发商用飞机上的空中防撞系统警报。

 

如何管理障碍物和土地使用?

垂直起降场预计将使用仪表进近程序,并且需要遵守14 CFR Part 77的规定。该法案定义了数个假想的保护面,用于确定障碍物是否会对运行构成危险。下图说明了直升机场的进场面、离场面和过渡面。任何可能构成危险的障碍物均不得穿透上述保护面。

 

直升机场净空保护面示例

 

障碍物的穿透问题可以通过以下方式缓解:调整进场/离场路线、拆除障碍物、降低其高度、或为其配备灯光指示。在相同的规划逻辑下,电动飞机的特性与直升机虽然不同,但仍需要在垂直起降场设置类似的保护面以确保运行的安全。正在开发中的各种电动飞机的性能特点将影响上述保护面的坡度和尺寸,但目前可用的数据十分有限。因此,在规划和选址过程中单纯采用直升机的保护面可能对垂直起降场的运行构成重大风险。规划工作者们需要寻求一种平衡,既能灵活地容纳更多机型,又能解决可能存在的障碍物问题。

 

与直升机场保护区(HPZ)类似,规划方应预留紧邻最后进近和起飞区末端和进场/离场路线下方的地块,以保障垂直起降场的长期发展。直升机场保护区从最后进近和起飞区的边缘向外延伸400英尺(122米)。设立上述保护区的目的在于限制可能存在冲突的土地使用,例如航路正下方的住宅开发等。但在土地供应紧张的城市,为垂直起降场预留此类区域可能存在困难。

 

如何管理噪声影响?

噪声暴露是直升机运行的一个主要问题,也是直升机场的审批过程中的重点考虑因素之一。在下图中,紫色区域表示的进场直升机的噪声水平仅高于正常对话的声音水平。尽管电动飞机可能较为安静(有报道称,某些机型的噪声指数约为15dB),但即使噪声影响微乎其微,周边社区也往往反对飞机在其上空飞越。
 

单个直升机运行噪声等值线图示意

 

在过去的数十年间,兰德隆通过支持机场噪声办公室运行,以及参与评估航空设施周围的噪声影响,在机场周边社区观察到这样的现象:“看到(飞机)就是听到(噪声)”。因此,垂直起降场的规划中,解决噪声问题和提升社区接受度最为关键。地方政府可以主动发布噪声管制条例,限制某个设施或某条特定航路上每天的航班总数,以减少对邻近社区的不利影响。噪声管制因素应当纳入垂直起降场的选址过程以及航路开发过程。作为全球航空环境影响评价领域内的领导者之一,我们预计未来新建设施前可能需要获得国家和地方环保部门的批准。

 

需要哪些公用设施?

垂直起飞和着陆的操作耗电量高,因此,电动飞机最主要的设施需求就是充电站,甚至可能每次飞行之后都要再次充电。每小时只有少量航班时,飞机充电的功率需求可能是一千千瓦(一兆瓦),而航班数量增加之后,功率需求可达数千千瓦。为了满足电力方面的需求,高吞吐量的垂直起降场必须直接连接到电网或设置专用变电站。连接到电网的电力线路成本预计将达到每英里100万美元;因此,垂直起降场的选址过程应当将这一因素重点考虑。

 

此外,消防安全装备也是直升机场的基础配套之一,美国消防协会的《NFPA 418——直升机场标准》规定了直升机场的消防安全标准;但与传统航空燃料相比,充电设备或电池相关的火灾具有不同的起火和燃烧特性。因此,与直升机场的现行标准相比,电动飞机的垂直起降场可能需要更多或更严格的安全标准,包括不同的设备、培训、防火间距和建筑材料等。

 
 
02

其他考虑因素

UAM服务和垂直起降场的规划、运行以及设计工作还涉及诸多其他方面,本文并未逐一介绍。兰德隆今后的文章将针对一部分问题展开讨论,其中一些主题如下:

结构:在现有建筑的顶部规划垂直起降场将显著地增加结构承重需求,这不仅是铺装面要求,也因为需要安装额外的配套运行设施。

客运设施:客运设施的规模应当满足高峰时段的需求,但仍有一些问题需要进一步讨论。上述设施是否包括旅客安检?如何制定旅客行李限额并安排行李安检?如果垂直起降场位于楼顶,现有的电梯运输能力是否能够满足因UAM服务而产生的额外需求?

陆侧设施:大多数情况下,旅客到达垂直起降场之后仍然需要完成其旅程的“最后一公里”。因此,垂直起降场的规划方案中必须包含通往邻近街道的合适路线以及各种交通方式之间的便捷换乘。垂直起降场投入使用必然带来更高的人流量,而道路、停车位、车道边、人行道等陆侧的基础设施能否满足其需求?为了旅客的无缝换乘,垂直起降场能否设在多式联运交通枢纽?

 

引入城市空中交通(UAM)业务无疑是激动人心的,但持久而成功的运营则依赖于成熟和完整的设施规划。这需要监管机构和运营商采取创新方式和整体考虑在各种相互冲突的目标之间寻求平衡,建设基础设施,推动UAM服务的发展。

 


作者:Prakash Dikshit、Tom Cornell、Jeffrey Jackson、Tom Burkman(兰德隆美洲地区)

编译:Sinyi Chu、张瑞(兰德隆亚太地区)

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