非傳統(tǒng)參與者推動(dòng)空中交通管理發(fā)展

比爾·凱利

包括小型無(wú)人機(jī)、城市空中交通、超聲速飛機(jī)、商用航天器和高空偽衛(wèi)星（HAPS），以及先進(jìn)氣球等非傳統(tǒng)航空器的發(fā)展，展現(xiàn)了新的收益潛力，也推動(dòng)了將為這些飛行器制定空中交通管理政策的發(fā)展。

由于新冠疫情的爆發(fā)，航空業(yè)在過(guò)去的一年中收到了巨大的沖擊。出現(xiàn)飛機(jī)運(yùn)行架次大大減少、技術(shù)部署放緩、從業(yè)人員待崗等諸多困境?？罩薪煌ü芾硇袠I(yè)的管理者們正在謀劃未來(lái)的場(chǎng)景，并考慮將空域系統(tǒng)中的非傳統(tǒng)參與者納入整個(gè)體系。

這些非傳統(tǒng)參與者，包括在疫情期間也仍迅速發(fā)展的小型無(wú)人機(jī)、城市空中交通（UAM）飛行器、超聲速飛機(jī)、商用航天器和高空偽衛(wèi)星（HAPS），以及熱氣球等。

國(guó)際民用航空組織（ICAO）表示，新型電動(dòng)飛行器和噴氣式飛行器可以在性能特征、高/低空飛行以及可選有人駕駛方面設(shè)想出不同組合，這推動(dòng)了制定空中交通管理（ATM）新程序和新法規(guī)的需求。

國(guó)際民用航空組織建議：“隨著航空業(yè)出現(xiàn)前所未有的創(chuàng)新趨勢(shì)，以及考慮新冠疫情對(duì)目前航空業(yè)的影響，長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)航空業(yè)未來(lái)的設(shè)想將得到根本性的重塑?！币蛞咔槎Y金難以為繼的空中導(dǎo)航服務(wù)提供商和第三方服務(wù)提供商，都看到了非傳統(tǒng)參與者成為新營(yíng)收來(lái)源的潛力。

一個(gè)典型的案例，肯尼亞民航局（KCAA）已從高空氣球運(yùn)營(yíng)中獲得收益。2020年7月，肯尼亞電信公司和阿爾法貝塔旗下的在肯尼亞推出了一項(xiàng)新的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。該公司提供了一個(gè)由35個(gè)氣球組成的網(wǎng)絡(luò)基站群，每個(gè)氣球均配備LTE無(wú)線基站，氣球在東非上空20km的平流層中不斷移動(dòng)?？夏醽喢窈骄挚偢墒录獱柌亍せ惙Q這帶來(lái)了一筆收入，肯尼亞民航局像對(duì)待其他飛機(jī)一樣向這些氣球收取導(dǎo)航費(fèi)。

據(jù)2020年9月中旬的數(shù)據(jù)顯示，美國(guó)30個(gè)核心機(jī)場(chǎng)的航班運(yùn)營(yíng)數(shù)量相比正常時(shí)期下降了51%。出于這一原因，在因疫情而改為在線舉行的空中交通管制協(xié)會(huì)（ATCA）年度技術(shù)研討會(huì)上，無(wú)人機(jī)和UAM飛行器的議題占據(jù)了重要地位。

圖1 2020年5月，F(xiàn)AA 發(fā)布了適用于在18300m以飛行器的上層E 類交通管理操作概念第1版。

圖2 2018年8月，一架空客Zephyr S高空偽衛(wèi)星創(chuàng)下近26天的飛行續(xù)航紀(jì)錄。

FAA 加強(qiáng)eVTOL審核

FAA適航審定管理機(jī)構(gòu)執(zhí)行總監(jiān)厄爾·勞倫斯將其部門描述為進(jìn)入空域系統(tǒng)的門戶，他所在的辦公室正在對(duì)多個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行型號(hào)認(rèn)證（TC），這些項(xiàng)目涉及到電動(dòng)垂直起降（eVTOL）飛行器和用于基礎(chǔ)設(shè)施檢查與送貨任務(wù)的無(wú)人機(jī)。

該部門正在處理30種無(wú)人機(jī)的型號(hào)認(rèn)證申請(qǐng)。其中，44%的申請(qǐng)人希望根據(jù)第91部通用航空飛行員的操作規(guī)則操控?zé)o人機(jī)，32%的申請(qǐng)人希望根據(jù)第135部商業(yè)航空承運(yùn)人提供無(wú)人機(jī)服務(wù)。余下的24%申請(qǐng)人希望根據(jù)第91部和第107部來(lái)運(yùn)營(yíng)無(wú)人機(jī)，這兩項(xiàng)法規(guī)適用于重量不到25kg的商用無(wú)人機(jī)。

勞倫斯在ATCA研討會(huì)上說(shuō)，現(xiàn)在有4項(xiàng)eVTOL飛行器的正式型號(hào)認(rèn)證申請(qǐng)，這些將成為未來(lái)的城市空中交通飛機(jī)。這些項(xiàng)目不僅僅停留在概念上，而是完全活躍的型號(hào)認(rèn)證項(xiàng)目。FAA在2022年之前有望向其中一種無(wú)人機(jī)發(fā)布型號(hào)證書。

該部門還在處理多個(gè)補(bǔ)充型號(hào)證書（STC）項(xiàng)目的申請(qǐng)，對(duì)現(xiàn)有飛機(jī)進(jìn)行無(wú)人、自主化改裝，變?yōu)闊o(wú)人機(jī)使用，特別是在貨運(yùn)業(yè)務(wù)領(lǐng)域。這些項(xiàng)目都是活躍的STC應(yīng)用，雖然目前仍主要用于研究，但已開始走向商業(yè)使用。

商業(yè)太空更加頻繁

截至2020年9月中旬，F(xiàn)AA商業(yè)太空運(yùn)輸辦公室（AST）已經(jīng)批準(zhǔn)了32次商業(yè)太空發(fā)射，創(chuàng)下了新記錄。FAA負(fù)責(zé)商業(yè)太空運(yùn)輸?shù)母本珠L(zhǎng)韋恩·蒙蒂思指出，僅在8月，NASA所支持的發(fā)射數(shù)量就相當(dāng)于2010至2011年的總和。他在商業(yè)太空運(yùn)輸咨詢委員會(huì)的一次在線會(huì)議上說(shuō)，即使是在全球疫情緊急情況下，商業(yè)太空運(yùn)輸辦公室仍將迎來(lái)有史以來(lái)最繁忙的一年，并且在不遠(yuǎn)的將來(lái)每年將進(jìn)行50、75、100次發(fā)射。

雖然商業(yè)航天活動(dòng)有所增加，但FAA還沒(méi)有啟動(dòng)空間數(shù)據(jù)集成器（SDI），該系統(tǒng)可在火箭通過(guò)空域時(shí)將遙測(cè)數(shù)據(jù)傳送到FAA的交通流量管理系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)數(shù)年的發(fā)展，空間數(shù)據(jù)集成器將有助于減少FAA在發(fā)射過(guò)程中進(jìn)行圍欄控制的時(shí)間和空間。該系統(tǒng)原定2020年8月投入使用，由于疫情期間而推遲。

FAA副局長(zhǎng)丹·埃爾威爾在ATCA研討會(huì)上表示，傳統(tǒng)空中交通活動(dòng)的減少并沒(méi)有讓商業(yè)太空運(yùn)輸辦公室的工作變得輕松?？臻g數(shù)據(jù)集成器還沒(méi)有啟動(dòng)和運(yùn)行，發(fā)射依然不容易，因?yàn)镕AA需要發(fā)放發(fā)射許可證，而發(fā)放發(fā)射許可證的工作情況也沒(méi)有改變。現(xiàn)在已經(jīng)能夠更加動(dòng)態(tài)地優(yōu)化發(fā)射窗口，這是運(yùn)營(yíng)商和FAA共同努力的結(jié)果，F(xiàn)AA在所保護(hù)的空域和窗口開放的時(shí)長(zhǎng)上都取得了進(jìn)步。

無(wú)人機(jī)交通管理

2020年3月，F(xiàn)AA發(fā)布了無(wú)人機(jī)交通管理（UTM）操作概念的第2版。該文件描述了對(duì)在地面以上120m高度飛行的無(wú)人機(jī)交通進(jìn)行管理的框架，并涉及穿越G類非監(jiān)管空域（即非管制空域）和其他類別監(jiān)管空域等更復(fù)雜的操作。

圖3 2020年9月3日，SpaceX“獵鷹” 9火箭進(jìn)行“星鏈-11”發(fā)射任務(wù)，從佛州肯尼迪航天中心發(fā)射升空。

UTM是NASA在2013年提出的概念，建立在由第三方無(wú)人機(jī)服務(wù)供應(yīng)商支持的云服務(wù)設(shè)施上，在FAA的監(jiān)管下，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信息交換達(dá)到協(xié)作管理低空無(wú)人機(jī)飛行的目的。

FAA已開展第二輪現(xiàn)場(chǎng)演示以驗(yàn)證UTM的結(jié)構(gòu)。2020年4月，F(xiàn)AA選擇弗吉尼亞理工大學(xué)中大西洋航空合作伙伴公司和紐約的格里菲斯（Griffiss）國(guó)際機(jī)場(chǎng)，在其UTM試點(diǎn)項(xiàng)目下測(cè)試第二階段工作中的無(wú)人機(jī)交通管理服務(wù)手段。FAA表示，測(cè)試期間收集的數(shù)據(jù)將有助于制定跨機(jī)構(gòu)的UTM啟動(dòng)計(jì)劃。

波音和空客的空中交通管理（ATM）部門共同構(gòu)想了一個(gè)單一集成的空域管理系統(tǒng)，從地面往上延伸并包含所有空域用戶。該部門在2020年6月中旬向國(guó)際民航組織的空中導(dǎo)航委員會(huì)簡(jiǎn)要介紹了這個(gè)愿景，發(fā)表了“航空業(yè)新數(shù)字時(shí)代”的主題演講。

制造商們希望UTM和ATM融合，利用自動(dòng)化、數(shù)字化和連通性作為共同主線，將空域領(lǐng)域編織在一起。支撐UTM的這些技術(shù)主干將遷移到空域系統(tǒng)中，在很大程度上仍依賴于人類的監(jiān)控干預(yù)以及飛行員和管制員之間的無(wú)線電通信。

空客副總裁兼UTM負(fù)責(zé)人德爾波佐表示，為了確保整合不同類型的飛行器，不僅是為了小型無(wú)人機(jī)，也不僅僅是為了低層空域，UTM是一次巨大的機(jī)遇。

德爾波佐在國(guó)際民航組織的一次視頻采訪中補(bǔ)充，這是空客與波音共同的愿景，開發(fā)能在全球范圍集成并滿足最終用戶需求的飛行器。需要按照全球標(biāo)準(zhǔn)和全球理解交通管理的方式，以一種可互操作的方式進(jìn)行管理，這與飛行器的發(fā)展密切相關(guān)。波音在一份聲明中解釋了這一聯(lián)合陳述：“這樣做的目的是讓所有航空利益相關(guān)方都參與進(jìn)來(lái)，共享對(duì)未來(lái)空域和交通管理的期望，將新飛行器運(yùn)營(yíng)安全納入現(xiàn)有飛機(jī)中?！?/p>

制定高空飛行管理

2020年5月，F(xiàn)AA發(fā)布了適用于在18300m以上飛行的飛行器的上層E類交通管理（ETM）操作概念第1版。該文件源于NASA艾姆斯研究中心與FAA和航空航天公司于2019年4月和12月共同舉辦的桌面演練，目的是加深對(duì)人跡罕至高度上的計(jì)劃飛行操作的理解。

參與演練的工業(yè)部門包括AS2超聲速公務(wù)機(jī)開發(fā)商伊利昂公司（Aerion）、RQ-4“全球鷹”高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)制造商諾斯羅普·格魯門、先進(jìn)高空氣球開發(fā)商潛鳥公司、平流層飛艇開發(fā)商斯凱公司（Sceye），以及太陽(yáng)能固定翼飛機(jī)“鷹-30”（Hawk30）開發(fā)商航空環(huán)境公司（AeroVironment）、“西風(fēng)之神”（Zephyr）太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)開發(fā)商空客和“奧德修斯”（Odysseus）高空偽衛(wèi)星開發(fā)商極光飛行科學(xué)公司。

FAA稱目前還沒(méi)有適用于這一層級(jí)的民用飛機(jī)運(yùn)行的空域管理法規(guī)。目前適用的法規(guī)為低空E類空域，受監(jiān)管空域的高度一般不超過(guò)5500m，尚未另做分類。ETM將借鑒NASA艾姆斯研究中心對(duì)小型無(wú)人機(jī)構(gòu)想的UTM結(jié)構(gòu)。

操作概念文件指出：“雖然ETM的開發(fā)可能借助了UTM的概念元素，但它的協(xié)作分離環(huán)境已經(jīng)過(guò)修改，以支持這一空域所獨(dú)有的特點(diǎn)——長(zhǎng)時(shí)間飛行、跨國(guó)土飛行、差異極大的飛行速度和性能特征以及不同的高空安全風(fēng)險(xiǎn)等?！薄?/p>

圖4 潛鳥公司高空氣球裝有LTE天線，前面是一個(gè)移動(dòng)式龍門起重機(jī)發(fā)射器。