孙友师 王妙香
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。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。先进空中交通涉及变革性和颠覆性的机载技术的出现，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无法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。
从城市空中交通到先进空中交通
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。
Joby航空公司自动驾驶飞行汽车。
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。
虽然航空器认证与空域系统的集成具有一定挑战性，但还需要考虑其他障碍。公众对先进空中交通，特别在噪声方面和心理上的接受程度，是和安全性一样面临的最大挑战之一。如果不能解决这些问题，可能会阻碍先进空中交通的实现。来自飞机和其他交通工具的噪声问题比较复杂，涉及声学、人类对噪声的生理体验，以及听众对噪声来源和噪声对他们的影响的心理感知。在过去的一个世纪里，对这一领域进行了大量的研究，并取得了与现代航空相关的研究成果。早期运营可能对大众产生的噪声影响不太强烈（如在乡村地区进行的少量运营），而产生的积极社会影响较为强烈（如紧急医疗服务、搜索和救援、救灾）。这些应用可以成为学习和改进低噪声运行的有价值的测试平台，并积极塑造公众对该技术的正面看法。建议：应开展研究，以量化和减轻由于不同类型的先进空中交通运营产生的噪声对公众造成的困扰，包括心理、声学和健康方面的影响；NASA应该促进相关政府机构之间的合作，包括FAA、DoD、美国国立卫生研究院、学术界、州和地方政府、行业、原始设备制造商、运营商和非营利组织之间的协作，按优先次序进行研究，合理分配责任。研究应在两年内完成。
NASA应该促进与其他相关政府机构（FAA，商务部和环境保护局）以及行业（原始设备制造商、运营商以及学术界和非营利组织）之间的合作，开展基于情景的研究，评估先进空中交通及其相关基础设施的社会影响（例如，隐私、入侵、公共卫生和福利、透明度、环境、不平等）。这些研究应建议优先考虑最大公共利益的实施途径。
贝尔Nexus飞机概念图。
NASA国家行动
NASA国家行动（以前称为“大挑战”）计划旨在通过对候选运营概念和场景的综合验证，来提高先进空中交通安全性并加快可扩展性。该目标由五个主要目标支持：加速认证和批准；制定飞行程序指南；评估通信、导航和监视权衡空间；验证空域运营管理架构；表征飞行器噪声。鉴于新进入者和企业投资给先进的空中交通发展带来了很多机会，NASA基于核心参与者——航空工业界的反馈而不断完善国家运营计划是值得称赞的。
NASA国家行动的优先任务之一是开拓研究、系统和运营概念，以便在国家空域系统中实现先进空中交通能力。这是使所有人受益的关键推动因素，因为它将有助于提高监管机构明确系统架构、运营和监管的要求。NASA国家行动的目的是推动这些目标的实现，但其内容设置和时间表导致很多公司不能或不愿参加。NASA在“国家行动”计划中的另一项成果是，针对先进空中交通数据、最佳实践和资源，以及对整个美国业内人士都有价值的其他结果。如果这些资产得到有效的捕获和传播，可以加速整个行业的发展，并促进美国在航空航天领域的持续领先地位。建议：NASA应与工业界合作，继续发展和加强国家行动计划，并将其学习成果发展为正式的最佳实践、工具、资源和培训计划，供所有美国利益相关者使用。测试、仿真、网络安全和应急管理
仅依赖传统的测试和仿真不足以确保复杂的软件密集型自主系统（如先进空中交通）的安全性。传统的危害分析和安全工程建模和分析工具不足以评估和认证这种复杂的系统。NASA与FAA合作，可以为先进空中交通开发团体提供培训，有助于他们了解有关测试和仿真之外的新方法的需求。
建议：NASA应该支持研究新的、更强大的安全分析工具，这些工具目前被广泛应用于软件密集型的先进系统；NASA应该为先进空中交通系统进行网络安全方面的研究和开发；NASA应开发潜在的软件和硬件认证技术和指南，以确认和验证复杂软件和硬件的性能，包括不确定性功能。NASA对证明性能方法的研究将为FAA提供有价值的投入，包括咨询通告的材料，以帮助申请人进行认证过程。
考虑到飞行器日运行数量增加，飞行员训练渠道不断减少的趋势，应急管理的自主性将成为先进空中交通的重要组成部分。应急管理是指管理、减少或消除由于与飞机运行相关的异常事件而给人员、财产或其他飞机造成意外风险的能力。
建议：NASA应进行自主性应急管理的研究、开发和测试，以支持安全先进空中交通能力。
飞行测试资源先进空中交通的一个关键是，能够实现先前的飞机不能实现的新应用。对于这些新应用最有效的运行细节尚不清楚，目前缺乏合适的飞行测试能力。无人飞机必须在特殊条件下进行测试，在大多数情况下，需要在专用的试验场内进行飞行测试，或者在某些情况下，需要在受限的空域内进行飞行测试。对测试的这种需求意味着公司需要进行扩展测试和开发的地点，可以持续不断地进入空域，进入和改造地面基础设施，以支持飞行测试场景和应用开发，总之需要易于进入试验场且在试验场内方便工作。
建议：NASA应与FAA协调，分配设施资源、空域和监管设施，以建立持续飞行测试能力。此飞行测试能力的设计应使行业能够更快地对其平台/应用进行创新和商业化。这项工作可以基于现有试验场计划的进度和资产。
直升机场和垂直起降机场由于对公共设施的监管要求不明确，新建直升机场、垂直起降机场或其他地面基础设施耗资巨大且复杂。FAA正通过一份正式的信息征询书征求业界意见，为垂直起降机场设计制定标准。支持UAM系统的基础设施将包括垂直起降机场、机库和维修区，以及相关的充电/加油基础设施。垂直起降机场是允许垂直起降飞机起飞和着陆的设施。因此，UAM基础设施必须是分布式的，而不是集中式的。公私合作协议可用于促进大都市地区分布式UAM基础设施的增长，同时使这种基础设施成为来自不同公司的不同类型飞行器的通用载体。这将促进UAM系统的竞争和创新。
建议：应建立公私合作伙伴关系，促进在虚拟环境中实施先进空中交通，定义交通系统和基础设施要求的近期能力；由NASA、工业界、学术界和标准开发组织组成的工作小组应该优先研究协议、数据格式和数据交换标准，这些将在地理空间实时系统中支持先进空中交通飞行器，支持跨国家空域系统的关键安全运营。目的是使所开发的工具将提供必要的清晰度，以催化和使工业上的系统组件商业化。