وتتطور شبكات سيارات الأجرة الجوية الحضرية بسرعة من الخيال العلمي إلى حل ملموس للنقل بالنسبة للمدن المكتظة في جميع أنحاء العالم، حيث تستكمل طائرات الرحل العمودية الكهربائية والهبوط رحلاتها التجريبية الأولى وتبدأ البلديات في تخطيط شبكات الموانئ، يقف المهندسون في مركز التحول الذي يبشر بإعادة تشكيل الطريقة التي يتحرك بها الناس من خلال بيئات حضرية كثيفة، ويرتبط الطريق المسبق بالعقبات التقنية الهائلة والفرص غير المسبوقة للابتكار.

المؤسسة التقنية للتنقل الجوي الحضري

يعتمد تنقل الهواء في المناطق الحضرية على تقارب التكنولوجيات التي نضجت بشكل كبير خلال العقد الماضي، وفي جوهرها طائرات الإي فيتو إل، تختلف أساسا عن الطائرات العمودية التقليدية من خلال نظمها الموزعة للدفع الكهربائي، وتستخدم هذه الطائرات عدة مروحيات لتحقيق رفع عمودي، ثم الانتقال إلى رحلات ثابتة الجناحين من أجل التطهير الفعال، وقد أظهرت الشركات مثل جوبي للطيران، وطائرة آرتشر، وشحنة ليلوم على نطاق كامل يزيد على 150 ركابا.

وتظل تكنولوجيا البطارية هي العامل المقيد، إذ توفر الخلايا الحالية للليثيوم كثافة للطاقة تتراوح بين 250 و 300 وليمتر لكل كيلوغرام، بينما يقدر المحللون أن طائرات الإي فيتو إل تحتاج إلى 400 وليمتر على الأقل لتحقيق قدرة تجارية على التحمل على النطاقات، ويطور المهندسون بنشاط البطاريات الصلبة وكيماويات الليثيوم التي تعد بسد هذه الفجوة في السنوات الخمس القادمة.

هيكل نظام إصدار الأحكام

وتستحدث نظم الدفع الكهربائي الموزعة في طائرات الإي في تي تي إل أساليب الفشل التي يجب على المهندسين معالجتها من خلال التكرار، وتشمل معظم التصميمات ست أو اثني عشر جمعية مستقلة للتحكم في السيارات، مما يتيح للطائرة مواصلة الطيران والهبوط الآمنين بعد فقدان واحدة أو حتى محركين، ويتطلب ذلك توزيعا إلكترونيا متطورا للكهرباء، ومراقبين للمحركات، ونظما للرصد الصحي في الوقت الحقيقي يمكن أن تصاعق قبل ذلك.

وتولد الطائرات العمودية التقليدية مستويات ضوضاء تتراوح بين 90 و 100 من الديسيبل أثناء عمليات الطيران، مما يجعلها غير مرغوب فيها في المناطق السكنية، وتنتج طائرات الإي في تي إل، التي تقل فيها مركباتها الصغيرة ومحركاتها الكهربائية، توقيعات أقل بكثير من الضوضاء، وينظر المهندسون في قياس درجة الحرارة القصوى على نحو 65 من علامات التصفير، وسرعات الإرسال، وسرعات التسارع إلى تحقيق مستويات ضوضاء تقل عن 65 من السيارات خلال الرحلة البحرية،

إدارة الملاحة الجوية المستقلة والمرور الجوي

ولا يمكن للسيارات الجوية الحضرية أن تحقق إمكاناتها الاقتصادية دون مستويات عالية من التشغيل الآلي، إذ أن تكلفة الطيارين البشريين ستجعل الأسعار المحيطة بالبحار باهظة، كما أن كثافة العمليات التي تتوخاها شبكات حركة عدم الانحياز في المستقبل ستتغلب على متحكمي الحركة الجوية البشرية، ويجب على المهندسين أن يطوروا نظما مستقلة للملاحة يمكن أن تعمل بأمان في بيئات حضرية معقدة ودينامية، مع التواصل مع إطار لا مركزي لإدارة الحركة الجوية.

نظم كشف وتجنب

وعلى عكس الطائرات التجارية العاملة في المجال الجوي الخاضع للمراقبة، فإن سيارات الأجرة الجوية الحضرية ستتقاسم المجال الجوي المنخفض الارتفاع مع الطائرات بدون طيار والطائرات العمودية وطائرات الطيران العامة، ويجب أن تحدد نظم الاكتشاف والتجنب النزاعات المحتملة وتنفذ مناورات تجنبية دون تدخل بشري، ويتطلب ذلك صمامات حساسية تجمع بين الرادار والليدار والكاميرات الكهربائية البصرية، ومستقبلات نظم التعقب المثلى.

إدارة حركة المرور غير المأهولة

ولا يمكن أن تتسع نطاق المراقبة التقليدية للملاحة الجوية للتعامل مع آلاف العمليات الجوية الحضرية المتزامنة، وقد وضع شركاء من الوكالة الوطنية للملاحة الجوية والصناعة إطار إدارة حركة المرور غير المأهولة بالطائرات، الذي يحوّل المسؤولية عن النظم المركزية للرقابة إلى نظم موزعة وآلية، كما أن كل طائرة تتفاوض على مسارها الجوي من خلال نظام إيكولوجي رقمي يلغي مسارات النزاع ويدير القيود الجوية وينفذ المناطق الخالية من الترددات، بل يجب على المهنة أن تصمم بروتوكولات اللاسلكية التي تكفل وجود بيئة منخفضة.

التحديات في مجال الهياكل الأساسية وتصميم الموانئ

وتتطلب شبكات سيارات الأجرة الجوية الحضرية البنية التحتية المادية الموجودة حاليا فقط في المشاريع التجريبية، ويجب أن تدمج في النسيج الحضري الحالي دون وجود حيز شاسع أو إحداث آثار غير مقبولة، وأن تشمل التحديات الهندسية مجالات هيكلية وكهربية ولوجستية.

الاحتياجات الهيكلية

ويتطلب ميناء أرضي حزمة أرض قادرة على دعم وزن الطائرات بالإضافة إلى حمولات دينامية أثناء هبوطها، ويجب تصميم أكوام ملموسة على أسطح السطح أو على الأرض لتحميل ما يصل إلى 000 6 كيلوغرام موزعة عبر البصمات الصغيرة لأجهزة الهبوط، ويجب أن تكفل القيود ونظم التعادل الطائرات أثناء الشحن وفي الهواء العالي.

الهياكل الأساسية الكهربائية

وتحتاج طائرات الإي فيتو إلتقاطها بسرعة إلى طاقة كهربائية هائلة، إذ أن طائرة واحدة تشحن على 350 كيلوواط - مقارنة بعدد محطات المركبات الكهربائية السريعة الدفع مجتمعة - تضع عبئا كبيرا على الشبكات الكهربائية المحلية، وقد تتطلب الموانئ التي تحمل عدة رزمات شحن فرعية ونظما احتياطية للشبكة تخزن الطاقة خلال ساعات العمل غير المكتملة وتفرغها أثناء عمليات الذروة.

مسافرين يتدفقون ويؤمنون

ويجب أن تجهز شركة فيرتيبورت الركاب بكفاءة لتحقيق فترات التحول السريع - التي تستهدف عادة خمس دقائق - والتي تجعل الاقتصاد يعمل، وهذا يتطلب إجراء فحص آلي، وفحص أمني على النحو الأمثل لحجم الركاب الصغيرة لكل رحلة، ونظم الصعود التي تقلل من الوقت إلى الحد الأدنى، وتصمم البطاريات والمهندسات تشكيلات للشحنات العمودية التي يمكن نشرها بسرعة وتوسيع نطاقها كلما زاد الطلب.

مسارات الملكية التنظيمية والتوثيق

إن إصدار شهادات على طائرات الإي فيتو لتشغيل الركاب التجاريين هو أحد أكثر التحديات الهندسية تعقيدا في تاريخ الطيران، وقد صممت أطر التصديق القائمة للطائرات التقليدية، ولا تمثل الخصائص الجديدة للنشر الكهربائي الموزع، والضوابط المستقلة للرحلات الجوية، ونظم بطارية الليثيوم -يون، ويجب على المهندسين العمل عن كثب مع المنظمين لوضع معايير جديدة مع إظهار مستويات مكافئة من الأمان.

النوع من الشهادات

وقد وضعت القوات المسلحة الأنغولية ووكالة الدول الأمريكية شروطا خاصة لطائرات البعث الإلكتروني التي تعالج أساليب الفشل الفريدة التي لا تغطيها الأنظمة القائمة، وتشمل هذه الشروط احتواء المجرى الحراري للبطارية وحماية انفجار الدوار وموثوقية برامجيات مراقبة الطيران، وتشترط وكالة الطيران الاتحادية أن تحقق طائرات الإيفوتول شهادة بموجب معايير الباب 23 أو الباب 25، مع شروط خاصة إضافية، ونشرت وكالة الفضاء الأوروبية إطارا أكثر شمولا يسمى " الشرط الخاص لتحطم الطائرات " .

ويجب على المهندسين توثيق كل جانب من جوانب تصميم الطائرات من خلال آلاف الصفحات من بيانات الامتثال، بما في ذلك تحليل نمط الفشل والآثار، وتقييمات سلامة النظام، وسجلات التحقق من البرمجيات، وتستغرق عملية التصديق على نوع جديد من الطائرات ما بين خمس وسبع سنوات، وتكلف مئات الملايين من الدولارات، وقد أنفقت شركات مثل شركة جوبي للطيران أكثر من بليون دولار على أنشطة التنمية والتصديق، ويتوقع أن تبدأ العمليات التجارية في عام 2025 أو 2026.

النظام التنفيذي

وحتى بعد إصدار شهادات الطائرات، يجب على المشغلين الامتثال للأنظمة التي تنظم النقل الجوي التجاري، وتقوم وكالة الطيران الاتحادية بوضع قواعد لعمليات النقل السريع التي تعالج متطلبات التدريب التجريبي، والقيود التشغيلية، ومعايير الصيانة، والتكامل الجوي، ويجب على المهندسين تصميم طائرات ونظم تلبي هذه المتطلبات التشغيلية، بما في ذلك أحكام تتعلق بالتصوير في الرحلات الجوية، وحماية البرق، والعمليات التي تضاءل وضوحها، ومن المرجح أن يتطلب الإطار التشغيلي نهجا تدريجيا في مجال الطيران، بدءا بالخط البصري.

فرص الابتكار الهندسي

وعلى الرغم من التحديات الكبيرة، فإن التنقل الجوي في المناطق الحضرية يتيح فرصا هائلة للمهندسين لإيجاد حلول تحدد النقل منذ عقود، فالميدان صغير بما فيه الكفاية بحيث تظل خيارات التصميم الأساسية مفتوحة، والمهندسين الذين يتخذون القرارات الصحيحة يمكنهم وضع معايير مستمرة.

نظم الطاقة المستدامة

وتتوقف الحالة البيئية لضريبة الطيران الحضرية على قدرتها على العمل بأقل من انبعاثات الكربون من بدائل النقل البري، ويقوم المهندسون بتطوير نظم خلايا الوقود الهيدروجينية التي يمكن أن تمتد إلى ٥٠٠ كيلومتر أو أكثر، مما يتيح وصلات النقل الجوي الإقليمية بين المدن، كما أن البنى الكهربائية الهجينة، حيث تُفرض بطاريات المولدات الكهربائية في التربين أثناء الرحلة، تقدم مسارا انتقاليا بينما تنضج تكنولوجيا البطاريات.

تكنولوجيا التخفيف من حدة الضغائن

ويتوقف القبول العام لضريبة الهواء الحضرية اعتمادا كبيرا على الضوضاء، ويقوم المهندسون باستكشاف نظم نشطة لإلغاء الضوضاء تولد موجات مضادة للنووية لإلغاء الأنين المتميزين للمحركات الكهربائية، وقد تؤدي تصميمات الدفع المتقدمة باستخدام شفرات الدفن التي تتغير خلال مراحل الطيران المختلفة إلى الحد من الضجيج في المصدر، وقد تؤدي تشكيلات متعددة الأطقم ذات التوقيت المتحكم فيه بعناية بين المتسابقين إلى إحداث تدخل مدمر يقلل من الضجيج على المستوى الأرضي.

إدارة حركة المرور الذكية

ويتطلب النظام الإيكولوجي للشركة الغوريث الذكية التي يمكن أن تُحدِّد مسارات المئات أو الآلاف من الرحلات الجوية المتزامنة مع التكيف مع تغير الطقس والقيود المفروضة على المجال الجوي وأنماط الطلب، ويطبق المهندسون أنظمة للتعلم المعزز ونظما متعددة العناصر لتطوير الخوارزميات التي تجد تدفقات حركة المرور المثلى عالميا، ويجب أن تعمل هذه النظم في الوقت الحقيقي، وتتخذ القرارات في غضون ثوانٍ من أجل الحفاظ على الفصل الآمن.

ألف - الرؤية الاقتصادية والفرص السوقية

ولكي تصبح شبكات سيارات الأجرة الجوية الحضرية حقيقة واقعة، يجب أن تعمل الاقتصادات لصالح المشغلين والمستثمرين والمسافرين، ويؤدي المهندسون دورا حاسما في خفض التكاليف عن طريق التصاميم الأمثل وكفاءة التصنيع وتحسين العمليات.

وضع النماذج والتعظيم للتكاليف

ويقدر المحللون أن أسعار سيارات الأجرة الجوية الأولية ستتراوح بين ٤ و ٨ دولارات لكل مسافر، مقارنة بخدمات الرفع من أقساط السفر، ومع مرور الوقت، ومع ارتفاع استخدام الطائرات وحجم التصنيع، يمكن أن تهبط التكاليف إلى ٢ دولارا لكل ميل، مما يجعل سيارات الأجرة الجوية قادرة على المنافسة مع النقل البري لرحلات تزيد على ٢٠ ميلا، ويجب على المهندسين أن يصمموا تصميمات الطائرات بأسعار عالية الاستخدام - تستهدف ٨ ساعات طيران في اليوم - مع تقليل تكاليف الصيانة إلى ١٢ ساعة.

نظم إدارة الأسطول

ويحتاج تشغيل أسطول من طائرات الإنترنت إلى برامجيات متطورة لإدارة الجدولة والصيانة، وتعيينات الطاقم، ودورات الشحن، كما يقوم المهندسون بتطوير نظامين رقميين يحفزان عمليات الأسطول في الوقت الحقيقي، ويتوقعون احتياجات الصيانة قبل حدوث الفشل، ويحققون الحد الأمثل من رسوم البطاريات استنادا إلى أسعار الكهرباء وجداول الرحلات الجوية، ويجب أن تتكامل هذه النظم مع إدارة الميزات في مجال النقل الجوي، وبرمجيات لا تحصى.

التعاون عبر القطاعات

ولا يمكن لأي شركة أو انضباط أن يحل جميع التحديات التي تواجه التنقل الجوي الحضري، فالنشر الناجح يتطلب التعاون بين مهندسي الفضاء الجوي، والمخططين الحضريين، ومشغلي الشبكات الكهربائية، ومقدمي الاتصالات السلكية واللاسلكية، وواضعي السياسات، وسيكون للمهندسين الذين يستطيعون الاتصال عبر هذه المجالات وإدماج الاحتياجات المتنوعة في تصميمات النظم المتسقة قيمة خاصة.

وتبرز الشراكات بين القطاعين العام والخاص كنموذج رئيسي لتطوير الهياكل الأساسية، وقد أبرمت مدن مثل لوس أنجلوس وباريس وسنغافورة اتفاقات مع شركات حركة عدم الانحياز لشبكات النقل التجريبية واستكشاف التكامل مع نظم النقل القائمة، وتحتاج هذه الشراكات إلى مهندسين لمسح المناظر المعقدة لأصحاب المصلحة، والموازنة بين احتياجات السكان والشركات والمجموعات البيئية والوكالات الحكومية.

النظر إلى الرأس: الطريق إلى العمليات التجارية

ومن المتوقع أن تبدأ العمليات التجارية الأولى لسيارة الأجرة الجوية في المناطق الحضرية خلال السنتين أو الثلاث سنوات القادمة، بدءاً بخطوط محدودة في المدن التي قامت بأعمال تحضيرية تنظيمية وبيئة أساسية، وستركز هذه العمليات الأولية على مكوكات المطارات والهوامات الحضرية القصيرة، باستخدام طائرات طيارة بشرية على متنها من أجل السلامة والامتثال التنظيمي، ومع تزايد الثقة ونضج التكنولوجيا، ستتوسع الشبكات لتشمل المزيد من الطرق، وستبدأ عمليات مستقلة تدريجياً.

وتشمل الرؤية الطويلة الأجل للتنقل الجوي الحضري التكامل مع نظم النقل البري، حيث يمكن للمسافرين حجز رحلات متعددة الوسائط تجمع بين سيارات الأجرة الجوية والقطارات والحافلات وخدمات الرفع على منصة واحدة. إطار تنظيمي للوكالة بالنسبة لحركة النقل البحري، يؤكد هذا التكامل، ويشترط أن تعمل خدمات سيارات الأجرة الجوية في السياق الأوسع للهياكل الأساسية للضوابط التجارية الحضرية.

ولا تتحقق الفوائد البيئية والاجتماعية لضريبة الطيران الحضرية إلا إذا تم نشر التكنولوجيا بصورة عادلة، وتقع على المهندسين مسؤولية تصميم نظم تخدم مختلف المجتمعات المحلية، وليس فقط المعتمدين المبكرين ذوي الفائدة، ويعني ذلك تخطيط مواقع الموانئ في المناطق التي لا تحظى بخدمات كافية، وتصميم طائرات هادئة تقلل من التلوث الضوئي، ووضع نماذج تسعيرية تجعل خدمات التاكسي الجوية متاحة أمام عدد كبير من السكان. [تكلفة التوسع]

والتحديات التي تواجه شبكات سيارات الأجرة الجوية الحضرية حقيقية وهامة، ولكن الفرص المتاحة أيضاً، فالمهندسين الذين يحتضنون هذا المجال لديهم فرصة لتشكيل نموذج للنقل يمكن أن يجعل المدن أكثر نظافة وهدوءاً وأكثر سهولة، وسيتطلب العمل الاستمرار من خلال العقبات التي تعترض التصديق، وإيجاد حلول مبتكرة لقيود البنية التحتية، وتحقيق أقصى قدر من النجاح لكل عنصر من عناصر النظام، ولكي يتمكن هؤلاء الراغبون في التصدي لهذه التحديات، فإن المكافآت تتجاوز الإنجاز المهني لتحسين مستوى الربط الشبكي