L&B LAB丨城市空中交通-垂直起降场的空侧规划考虑因素
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
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。
垂直起降场的空侧规划
设施使用方是谁?
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。
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?
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?
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?
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?
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?
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?
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。
其他考虑因素
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)