Comprendre les véhicules de mobilité aérienne urbaine

Urban Air Mobility (UAM) désigne un système de transport aérien sûr, efficace et durable pour les passagers et les marchandises dans les milieux urbains et suburbains. Le type de véhicule principal qui conduit à cette vision est l'avion électrique vertical au décollage et à l'atterrissage (eVTOL). Contrairement aux hélicoptères traditionnels ou aux avions, les eVTOL sont conçus pour être plus silencieux, produire des émissions directes nulles et possèdent des systèmes de propulsion électrique distribués qui permettent de redondancer et de réduire les coûts d'exploitation.

Le développement de véhicules UAM comporte de nouvelles configurations, comme des conceptions de levage plus croisière, de poussée vectorielle et de multirotor, qui remettent en question les cadres de certification des aéronefs conventionnels. Chaque configuration présente des complexités uniques d'intégration aérodynamique, structurelle et de systèmes. Par exemple, des rotors de levage plus croisière séparés des hélices de croisière horizontales, tandis que des unités de propulsion entières des avions à poussée vectorielle sont passées entre le vol en vol stationnaire et le vol en avant.

La promesse de l'UMA va au-delà du simple transport, qui peut présenter des avantages pour les services médicaux d'urgence, la livraison de colis et la connectivité régionale. Toutefois, avant que ces véhicules puissent circuler commercialement dans un espace aérien urbain dense, ils doivent passer par un processus de certification rigoureux et à plusieurs étapes supervisé par les autorités de l'aviation civile.

Le cadre de certification

Autorités et normes de réglementation

La certification des véhicules de l'UAM est principalement régie par les autorités aéronautiques nationales, notamment la Federal Aviation Administration (FAA) aux États-Unis et l'Agence de la sécurité aérienne de l'Union européenne (AESA) en Europe. Ces agences adaptent les normes de navigabilité existantes ou créent de nouvelles conditions spéciales pour répondre aux caractéristiques uniques des aéronefs eVTOL. La FAA utilise les procédures de certification de type de la partie 21, tandis que l'AESA suit son propre cadre de navigabilité initial.

L'approche de certification de la FAA pour les aéronefs eVTOL repose actuellement sur les règlements existants avec des modifications. Par exemple, l'agence a appliqué la réglementation fédérale de l'aviation spéciale (SFAR) 2023-01 (en vigueur en avril 2024) pour rationaliser la certification des aéronefs de transport motorisé, y compris de nombreuses conceptions UAM. Cette SFAR définit les normes de navigabilité en vertu de la nouvelle partie 43 du CFR (Maintenance), de la partie 61 (Certification par pilote) et de la partie 91 (Règles d'exploitation).

Processus de certification de type

Le processus de certification de type d'un véhicule UAM suit une approche progressive:

  1. Conception et application : Le constructeur soumet une demande de certificat de type ainsi qu'un document de conception préliminaire détaillé, comprenant des descriptions d'aéronef de premier niveau, des architectures de systèmes et un plan de certification qui identifie les règlements applicables et les moyens de conformité.
  2. Détermination de conformité[: Le fabricant démontre sa conformité par l'analyse, les essais au sol, les essais en vol et les évaluations de sécurité.
  3. Inspection et essais: La navigabilité exige que les prototypes de véhicules subissent des essais exhaustifs, y compris des essais de charge structurale, de résistance aux impacts d'oiseaux, de protection contre la foudre, de confinement thermique des rafales de batterie et des centaines d'heures de vol dans tous les modes de vol. L'autorité est témoin de tests critiques.
  4. Délivrance du certificat de type[: Après que l'autorité a approuvé la conception, elle délivre un certificat de type (TC). Le TC définit la conception approuvée, les limitations opérationnelles et les instructions obligatoires de maintien de la navigabilité.
  5. Certificat de production et certificat de navigabilité[ : Le fabricant doit, séparément, obtenir un certificat de production (PC) pour construire plusieurs unités conformes à la conception approuvée. Chaque aéronef reçoit ensuite un certificat de navigabilité avant de pouvoir être exploité commercialement.

Ce cycle peut prendre des années, les estimations existantes pour une première version de la norme eVTOL varient de cinq à sept ans, les coûts atteignant des centaines de millions de dollars. Les fabricants doivent également prévoir des mises à jour et des modifications après certification, qui nécessitent des certificats de type supplémentaires ou des modifications approuvées.

Exigences clés de certification pour les véhicules UAM

Pour les véhicules de l'UAM, cela englobe toutes les conditions de vol du décollage à l'atterrissage, y compris les scénarios de défaillances potentielles. Les normes de certification traditionnelles pour les hélicoptères (partie 27/29 de la FAR pour les catégories normales et de transport) sont souvent utilisées comme base de référence, mais les conceptions eVTOL nécessitent des améliorations parce qu'elles fonctionnent avec plusieurs moteurs électriques, batteries et systèmes de contrôle de vol par fil. La nécessité d'une redondance élevée est essentielle : une défaillance motrice unique ne devrait pas entraîner une perte de contrôle.

Les objectifs de sécurité sont définis par la probabilité de défaillance par heure de vol. Par exemple, les défaillances catastrophiques (p. ex. perte de coque) doivent avoir une probabilité de moins d'une heure de vol sur un milliard pour les opérations commerciales de passagers. Cela entraîne la nécessité de plusieurs autobus électriques indépendants, d'ordinateurs de contrôle de vol redondants et de systèmes de surveillance de la santé qui détectent le déséquilibre des piles à piles, la surchauffe des moteurs ou la maîtrise des défaillances de surface avant qu'elles ne provoquent des urgences en vol.

Systèmes de propulsion et de batteries

La technologie de la batterie est le pivot de la certification eVTOL. Les piles à ion lithium doivent satisfaire à des normes de sécurité rigoureuses pour prévenir les fuites thermiques, phénomène où une cellule endommagée surchauffe de façon catastrophique et peut se propager aux cellules adjacentes. La certification exige que les piles résistent à un scénario de défaillance d'un seul point, tel qu'un court-circuit, un incendie externe ou une perforation mécanique, sans propager le feu ou le gaz toxique dans la cabine des passagers.

Les moteurs eux-mêmes doivent être conçus pour une haute fiabilité, souvent à l'aide de moteurs synchrones à aimant permanent avec enroulements redondants. La motorisation entière – de la batterie au moteur à l'hélice – doit être testée au moyen de cycles de vie accélérés et de conditions thermiques extrêmes ( à 40°C à +55°C) pour assurer la performance sur la durée de vie prévue du véhicule.

Normes environnementales et bruit

L'EASA a proposé des limites de bruit spécifiques pour les opérations de l'UAM, exigeant des fabricants qu'ils démontrent que les niveaux de bruit aux points de mesure prescrits (p. ex. 150 mètres horizontalement) ne dépassent pas 65 dB(A) pendant le décollage et l'atterrissage. Les fabricants doivent soumettre des données d'essais sonores à partir d'essais en vol contrôlés, et les autorités peuvent imposer des couvre-feux ou des restrictions de route en cas de bruit excessif. La certification environnementale comprend également les émissions : en tant que véhicules électriques, les aéronefs de l'UAM n'ont aucune émission directe de tuyau d'échappement, mais les autorités continuent d'évaluer les impacts du cycle de vie (p. ex., la production de batteries) et exigent la conformité aux règlements locaux sur la qualité de l'air, le cas échéant.

Autonomie et considérations pilotes

Pour les versions pilotes, la FAA élabore un nouveau certificat pilote -élévateur motorisé -levé sous SFAR 2023-01, qui combine des éléments de qualification à voilure fixe et à rotor. Les exigences de formation comprennent des manœuvres spécifiques pour le vol de transition, des procédures d'urgence après panne moteur et des opérations de vertiport. Pour les opérations autonomes, le parcours de certification est plus complexe. Les autorités exigent que le système d'automatisation puisse gérer toutes les défaillances prévisibles et les perturbations environnementales sans intervention humaine. Cela comprend des ordinateurs de contrôle de vol redondants, la fusion de capteurs (GPS, radar, LIDAR, caméras) et un système de détection et d'évitement qui répond aux exigences pour les opérations dans un espace aérien contrôlé à basse altitude.

La voie de la certification : défis actuels

Lacunes réglementaires et évolution des normes

Les catégories de certification existantes, comme les avions de catégorie normale (partie 23), les avions de transport (partie 25), les giravions de catégorie normale (partie 27) et les giravions de transport (partie 29), ne correspondent pas parfaitement aux caractéristiques eVTOL. La création d'une nouvelle catégorie de transport motorisé est une étape importante, mais de nombreux critères spécifiques demeurent en cours d'élaboration. Par exemple, il n'existe pas de méthode de certification établie pour les signatures -très peu bruyantes, et l'interaction de rotors multiples à proximité étroite (un phénomène appelé -interférence rotor-rotor) n'est pas bien couverte par les normes existantes.

L'harmonisation internationale pose également un défi.Un véhicule de l'UMA certifié dans un pays peut avoir besoin d'approbations supplémentaires pour les opérations dans un autre pays.Les différences dans les normes de rendement, les licences de pilote et les règles opérationnelles (p. ex., limites de plafond, minima météorologiques) peuvent retarder l'entrée sur le marché.

Intégration de l'espace aérien

Pour intégrer en toute sécurité des milliers de vols quotidiens, les systèmes de gestion du trafic aérien (ATM) doivent évoluer. La certification du véhicule à elle seule est insuffisante; l'ensemble du système opérationnel, y compris les vertiports, les réseaux de communication et les procédures de navigation, doit être certifié. La FAA met au point un écosystème de gestion du trafic aérien (UTM) qui pourrait être étendu à l'UAM. Les exigences clés comprennent le suivi en temps réel, la géofendance dynamique et la résolution des conflits. La certification de ces systèmes au sol exigera leurs propres évaluations de navigabilité et de sécurité, distinctes du véhicule. Par exemple, toute liaison de données ADS-B ou 5G utilisée pour le commandement et le contrôle doit être prouvée robuste contre les brouillages, les interférences et les latences.

Infrastructures et Vertiports

Bien que des lignes directrices de conception de vertiport aient été proposées (p. ex. FAA Engineering Brief 105), elles ne sont pas encore codifiées comme normes de certification. Les vertiports doivent être certifiés pour la sécurité, y compris les systèmes d'extinction d'incendie pour les incendies de batteries au lithium-ion, le chargement/déchargement des passagers et la compatibilité électromagnétique avec les systèmes de navigation des véhicules. L'intégration de plusieurs coussinets d'atterrissage, de stations de recharge et d'équipement de manutention au sol nécessite des processus de certification au niveau des aéroports auxquels de nombreux promoteurs urbains sont confrontés pour la première fois.

Perspectives d'avenir : L'avenir de la certification

Les autorités réglementaires ont commencé à accepter un certain niveau d'assurance de conception par le biais de la modélisation de systèmes plutôt que de tests physiques approfondis, en particulier pour les logiciels et l'électronique. Le projet NASA Advanced Air Mobility (AAM)[ effectue des recherches actives sur les outils de prévision du bruit, l'estimation de l'enveloppe de vol sécuritaire et les simulations numériques à deux niveaux qui pourraient réduire les coûts de certification et les délais.

Un autre domaine d'évolution est la navigabilité continue. - Comme les véhicules UAM subiront probablement des mises à jour logicielles et des améliorations de batterie après certification, les autorités développent des processus plus souples pour approuver les changements mineurs et majeurs sans refaire des vols de certification entiers.

Enfin, la voie menant aux premières opérations commerciales est déjà en cours. Plusieurs fabricants, dont Joby Aviation et Archer Aviation, ont franchi des étapes clés de certification, comme l'autorisation d'inspection de type (TIA) et effectuent des essais en vol finaux. La première certification de type de la FAA pour un eVTOL en équipage est prévue entre 2025 et 2027, marquant une étape importante non seulement pour les véhicules eux-mêmes, mais pour l'ensemble du cadre de certification qui régira la mobilité aérienne urbaine pendant des décennies.