低空航路是个伪命题

文摘   教育   2024-04-07 13:28   北京  

前言

本文所述低空空域,是指我国的W、G类空域,其他类型空域低空特征不显著,不做讨论。

正文

世上本没有路,走的人多了,就有了路;路修的好,就有了车;车多了,就堵车;被堵的司机都幻想过,哪天能原地起飞,不受这个罪;没想到专家说,天上我也要修路,你就是飞起来也得堵,否则专家心里好难受。

如今国家在力推低空经济,各种型号的eVTOL(电飞车)正在纷纷取证,与此同时,各地乱象丛生,政府忙着喊口号,专家忙着上眼药。最大的眼药,就是所谓低空航路,似乎没了它就不能飞,而实现低空航路的构想,专家说还需要很多钱很多年。

那么,低空航路是我们的需求吗?回答是否定的,这完全是一个伪命题

首先,要问一下为什么有路。

在陆地上,因为地面崎岖不平,有草原、有森林,有山有水,所以想日行千里,是非常困难的,如果修了路,可以大大减轻前行的阻力。在海上,灯塔指路,目的是引导船只避开小岛、暗礁、浅滩(和吃水线相关),还有政治、环保因素,剩下的水面都可以航行;船只则遵循两点之间,直线最短的原则航行。

无论是陆地道路,还是海上航行,都会有交错,都会有碰撞和避让问题:对于公路行车,防相撞靠司机的眼力;海上行船,靠一众水手的眼力和望远镜,现代还有雷达和船舶识别系统。
在空中,按说更像海面,有些山或特定区域不能去,搞个电子围栏,其余皆可飞,为什么却像陆地一样划设了那么多航路呢?

我们来想象一下,如果学校有个大操场,周边星罗棋布着各年级教室,课间时分孩子们涌入操场,结束时又返回教室,是否需要划设进出路线呢?一般的校长根本不会想这个事,这太匪夷所思;但是,在视觉障碍和听觉障碍人士为主的特殊学校,校长有可能考虑这个事。问题的关键在于学生个体的感知和避让能力(DAA)是否健全。
6000米以上的高空,飞机地速往往在800km/hr上下,靠飞行员眼力是完全无法避让的,情况类似于盲校。所以过去的很长时间内,高空划设了很多的航路,早期靠时序间隔来控制流量,避免相撞,称为程序管制;后来通信、导航、监视技术发展起来,逐渐变成雷达管制,也就是管制员通过雷达等先进技术实现对飞机的感知,加上计算机辅助,从而实现更短距离的避让。6000米以下的空域,特别是3000米以下,距离运输机场较近的空域,和上述情况差不多,距离较远的空域则航路不多,目视规则VFR盛行,小飞机仍然可以依靠飞行员的眼力劲儿避让。
随着科技进步,雷达监视全面覆盖,飞机的感知能力飞速提升,TCAS、GPWS、PBN、CPDLC等设备逐渐成为标配,特殊学校变成了普通学校,因此航路的必要性逐渐消失,例如欧洲在多年前开始试水FRA(Free Route Airspace,即无航路空域,全部直飞,之后FRA在欧洲不断扩大,最近的通告是意大利已经全境FRA;预计2025年欧洲全境FRA,也就是说不再有航路,变回大操场。

去年的法国上空

现在的意大利上空
有人会说,没有航路,飞机相撞怎么办?其实航路并不能避免交叉,直飞的交叉点反而更分散,对于雷达管制的计算机而言,防相撞算法是一样的,直飞的阻塞强度远低于航路,所以FRA一经推出,便非常受欢迎。

我们回到低空空域,飞机以800km/hr的速度在高空穿梭,都不需要航路了,时速80km/hr的电飞车,在低空为什么需要航路呢?瞎么?更何况低空遍布着5G信号,通信带宽远高于高空,且正在向通感一体迈进;导航精度更是RTK级别,按厘米计算;视觉感知功能也早已是成熟技术;等等这般,低空的飞行器感知避让能力和高空比是跨维度的强,完全可以自主避让,没有必要划设航路,航路是用来添堵的。

专家又说了,航路可以没有,管制员总的有替代吧?能行使管制员智能的AI,还需要大量资金和时间来开发,真的是这样吗?

完全不用,这事儿扯不上AI,用数学公式即可解决,下面呈现的视频是利用公式和业余时间写的代码,500行代码解决:

视频中的圆点表示以eVTOL为中心,半径500 米的圆圈,算法只要保持所有圆圈相切不相交即可。这还是假设在同一平面运行;对于利用高度差避让的模式,容量将更大,但是电飞车的下洗气流强度缺乏相关报告,错层间隔目前尚未明确。

这算是Drone FRA的基础模型,如果加上eFence电子围栏,即构成Digital Sky(数字天空),运行规则是基于数字化的DFR,不同于VFR、IFR。如果传统航空器进入该空域,则划设临时航路,类似盲道。

另外,空域容量和速度的平方成反比关系,随着eVTOL速度的增加,空域容量将急剧下降,因此为了容量,需要限制eVTOL的最大速度。

结论:电飞车具备低速飞行乃至悬停特性,还具有高度感知功能,在算法的加持下可以实现自主避让,低空航路完全没有必要。



后记


如果通航是燕雀,鸿鹄就代表运输,eVTOL,则属于蜂蝶之类。

以树冠层划分,其上主要是鸟的世界,其下基本是虫虫的天地,虽然偶有燕雀出没。所以,人类的高空仍然是传统航空构型的飞机为主,即便改成无人机内核,基本构造还是没多大变化;而低空出现的嗡嗡嗡,从内核到外形全部是颠覆性的,完全是另一个生态。虽然都是飞的,但不可以用鸟的思维去考察虫虫没人见过滑翔的蚊子,有人却给eVTOL加装滑翔的翅膀;倾转旋翼在传统航空器上就没有成功商用,有人却将它安装在eVTOL上......

传统航空的人才来自航空院校,心心念念的只有伯努利方程;而低空飞行科技的缔造者基本来自电子科大,满脑子傅里叶变换。前者的专家到了后者的世界就是个渣。航空人才在创新园搞的多是重新发明各种气动构型无人机,市场上全无认可,战场上也难觅踪迹。无人机的核心,是算法和通信


做新时代的Bee Keeper

驱除低空发展的一切鞑虏


名词解释

eVTOL:electric Vertical Take-off and Landing,电动垂直起降飞行器,风火轮的弟弟,也可称电飞车。

FRA:IFR Direct Routing (and Free Route Airspace)航路空域,仪表飞行规则下全部直飞。

DAADetect-and-Avoid,感知和避让

VFR:目视飞行规则,用眼力规避碰撞和触地的飞行。

IFR:仪表飞行规则,飞行员看不见外面,利用机载设备和地面导航台站来避免碰撞和触地的飞行方式,类似持拐杖在盲道上行走。

TCAS:机载防撞系统,官方称ACAS。

GPWS:近地警告系统,官方称TAWS。

PBN、PBS、PBC:可量化的的导航、监视、通信技术。

CPDLC:管制员和飞行员通信的QQ。



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空域条例图解
欧洲的FRA
无人机规章简单看
无人机条例极简版
新质生产力的过渡高度
简画无人机适航


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