Mathieu
Dans le monde entier, des startups, des agences gouvernementales, des universités et des compagnies aériennes collaborent pour lancer une nouvelle catégorie d’aviation basée sur des avions électriques capables de décoller verticalement et de voler horizontalement de manière efficace. Dans les zones métropolitaines confrontées à la congestion routière, ces avions pourraient remplacer les trajets en voiture ainsi que certains vols court-courriers. Cependant, pour concrétiser cette vision, de nouvelles réglementations et règles de vol devront être mises en place pour assurer la sécurité des passagers volant à bord de ces petits avions, relativement proches les uns des autres, dans toutes les conditions météorologiques. Ce défi est complexifié par plusieurs facteurs, notamment le fait que ces avions sont novateurs et finiront par être pilotés de manière autonome. Rien de tel n’a jamais été tenté à grande échelle. Dans le cadre d’un programme visant à développer les règles de vol et les systèmes de communication nécessaires, nous dirigeons un consortium composé d’une douzaine d’entreprises et d’universités, appelé le North Texas Cohort, qui exploite un corridor aérien expérimental au nord de Dallas, au Texas. Nous avons réalisé notre première démonstration de vol le 11 octobre 2022, en utilisant un hélicoptère Bell 407GXi (fourni par Bell Textron, membre du consortium) comme substitut d’un futur véhicule électrique à décollage et atterrissage vertical, ou eVTOL. Nous faisons partie d’un programme plus vaste de la NASA appelé Advanced Air Mobility National Campaign, et notre travail est financé par la NASA et d’autres agences gouvernementales américaines. Notre corridor aérien est l’un des plusieurs installations de test similaires ; des zones similaires sont déjà en fonctionnement ou prévues à New York, en Ohio et en Caroline du Nord. Si ce projet aboutit, des dizaines, voire des centaines d’eVTOL arpenteront un jour les zones métropolitaines pendant les heures de pointe. Ils voleront entre des stations spécialement conçues appelées vertiports, ainsi que vers les aéroports, les terminaux de transport, les hôpitaux et les dépôts de marchandises. Cela pourrait réduire les temps de trajet et les émissions de gaz à effet de serre. Sept défis fondamentaux doivent être résolus. Les eVTOLs sont déjà testés. Les principaux constructeurs, Joby Aviation, Volocopter, Archer Aviation, Beta Technologies, Wisk Aero et Lilium, ont construit de nombreux appareils et les ont collectivement fait voler pendant des milliers d’heures. En effet, certaines des startups les plus financées, comme Joby, travaillent maintenant sur les détails de la production de masse des avions. Les organismes de réglementation, tels que l’Agence de la sécurité aérienne de l’Union européenne, travaillent avec les startups eVTOL pour mettre en place des régimes de certification pour ces nouveaux avions. Cependant, il y a des défis majeurs qui vont bien au-delà des eVTOLs eux-mêmes. Un “plan d’action” récemment publié par la National Academies Press et un article co-écrit par nous et plusieurs collègues identifient sept problèmes : Les ingénieurs doivent créer des systèmes de contrôle assez avancés pour permettre un vol autonome ultra fiable ; Il faudra mettre en place des protocoles pour permettre des communications au-delà de la ligne de visée ; Les régulateurs de l’aviation ont besoin de nouveaux systèmes de contrôle du trafic aérien, appelés règles de vol digital, pour gérer les vols simultanés vers et en provenance des vertiports et autres terminaux ; Les acteurs de l’industrie et les régulateurs de l’aviation doivent développer des règles de circulation pour garantir la sécurité dans les airs et au sol ; Les organismes de normalisation doivent élaborer des protocoles de vol pour s’assurer que les avions ne se rapprochent pas dangereusement les uns des autres. Ces règles s’appliqueront à tous les aéronefs sans pilote – petits, moyens et grands drones, ainsi qu’aux avions à voilure fixe et à rotor ; Les exploitants de ces eVTOL devront trouver un moyen de garantir la sécurité et la confidentialité des communications vers et depuis les avions pendant le vol ; Les premiers exploitants d’eVTOLs rencontreront une résistance publique : lorsque les avions volent à des altitudes relativement basses, ils sont audibles depuis le sol. Et de nombreux – probablement la plupart – des passagers potentiels seront réticents à voler à bord d’un avion sans pilote. Notre groupe basé au Texas se concentre sur trois de ces questions : l’autonomie, les communications et les normes. La plupart des eVTOL actuellement conçus ou en vol sont destinés à être pilotés par un pilote à bord, du moins pendant les premières années d’exploitation commerciale. Cependant, pour que la mobilité aérienne urbaine soit économiquement viable à long terme, le vol autonome sera nécessaire. C’est pourquoi nous, et d’autres, travaillons à la mise en place de ces vols. En bref, les eVTOL seront pilotés par un système de contrôle de vol, ou pilote automatique, basé sur les données fournies par des ordinateurs embarqués redondants. Ces ordinateurs recevront des données de commande et de contrôle des stations de contrôle au sol ainsi que des capteurs optiques, infrarouges et lidar (détection et télémétrie) à bord de l’avion. Ces capteurs détecteront d’autres avions, des oiseaux, des bâtiments et des nuages épais. En collectant et en analysant en continu ces données, les ordinateurs pourront avoir une perception de la situation dans l’espace aérien. Pour que les trajets les plus demandés fonctionnent, les eVTOL devront être en contact permanent avec un système de gestion du trafic. Les stations de contrôle au sol seront situées aux vertiports, qui seront composés de grappes de plates-formes d’atterrissage sur les toits équipées de l’infrastructure nécessaire pour recharger et assurer la maintenance des eVTOLs, ainsi que pour permettre l’embarquement et le débarquement des passagers. En vol, les eVTOLs recevront parfois des instructions de vol mises à jour et des itinéraires modifiés. Ces mises à jour peuvent être provoquées par divers facteurs, tels que des changements soudains de météo, des variations de la charge des passagers dans les différents vertiports, des zones d’interdiction de vol imprévues dues à des événements sur le sol, ou des accidents. Supposons, par exemple, qu’un éclair ou une collision avec un gros oiseau endommage une pale du rotor. Les ordinateurs embarqués devraient immédiatement déterminer s’il est sûr de poursuivre le vol. Ils devront également communiquer avec les passagers, compréhensiblement paniqués dans une telle situation, de manière aussi efficace qu’un pilote humain. Une communication continue sera donc obligatoire. Pour y parvenir, plusieurs fonctions devront être exécutées. Deux des plus importantes sont l’évaluation rapide de l’état de santé d’un véhicule et la collaboration efficace entre un opérateur humain au sol et les ordinateurs à bord de l’eVTOL. Les chercheurs du département de science et ingénierie des matériaux de l’université du Nord du Texas développent des stratégies de modélisation et de simulation de vol pour évaluer l’impact des défaillances structurelles sur les performances en vol. De même, les ingénieurs de Bell Textron étudient comment un pilote humain pourrait collaborer avec un pilote automatique en cas d’urgence. La communication continue et extrêmement fiable avec les stations de contrôle au sol, ainsi qu’avec les autres véhicules dans l’espace aérien, représente également des défis notables. Pour comprendre pourquoi, il suffit de se pencher sur les situations auxquelles les eVTOL devraient régulièrement être confrontés. Ces avions voleront selon des “voies aériennes” désignées au-dessus des zones urbaines. Pendant les heures de pointe, deux avions ou plus se retrouveront fréquemment à essayer de traverser une intersection en même temps, ou à essayer d’entrer dans une voie aérienne très fréquentée. De plus, une communication constante sera nécessaire pour permettre aux véhicules de maintenir une distance de sécurité entre eux, pour détecter conjointement les obstacles et pour relayer des informations d’un véhicule à un autre lorsque ceux-ci sont situés hors de la portée de vue des stations de contrôle au sol. Dans les années à venir, de nombreux types d’avions différents partageront probablement l’espace aérien près des zones urbaines. Pour leur permettre à tous de le faire en toute sécurité, des zones verticales seront désignées spécifiquement pour certaines classes d’avions. Ces classes incluront celles pour la mobilité aérienne urbaine (UAM) ainsi que pour les véhicules aériens personnels (PAV) – de petits avions à décollage vertical conçus pour transporter une ou deux personnes. En termes de
