Ιπτάμενα ταξί και αναταράξεις: Το πείραμα της NASA που καθορίζει τον σχεδιασμό των eVTOLs

Σύνοψη

• Η NASA χρησιμοποίησε εξοπλισμό εικονικής πραγματικότητας στο Armstrong Flight Research Center για να δοκιμάσει την ανοχή επιβατών σε απότομες κινήσεις ιπτάμενων ταξί.
• Τα πρακτικά δεδομένα δείχνουν ότι οι σημερινοί ταξιδιώτες είναι σημαντικά λιγότερο ανεκτικοί σε έντονες αναταράξεις συγκριτικά με τους επιβάτες αεροπορικών εταιρειών 50 χρόνια πριν.
• Τα αποτελέσματα θα χρησιμοποιηθούν για τον επανασχεδιασμό των συστημάτων ελέγχου των eVTOLs, ώστε να αποτρέπονται αυτόματα ελιγμοί που υπερβαίνουν το ανθρώπινο όριο δυσφορίας.
• Ο σχεδιασμός με γνώμονα την απόσβεση των ριπών ανέμου είναι απόλυτη προϋπόθεση για τη βιώσιμη δρομολόγηση ιπτάμενων ταξί.

Η ανάπτυξη της Αστικής Εναέριας Κινητικότητας (Urban Air Mobility - UAM) εξαρτάται σε τεράστιο βαθμό από την αποδοχή του επιβατικού κοινού. Η μηχανική και κατασκευαστική ολοκλήρωση ενός ηλεκτρικού αεροσκάφους κάθετης απογείωσης και προσγείωσης (eVTOL) αποτελεί μόνο τη βάση της εξίσωσης. Το πραγματικό στοίχημα εντοπίζεται στην αλληλεπίδραση της μηχανής με την ανθρώπινη βιολογία. 

Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της τελευταίας πολυετούς μελέτης της NASA, η οποία ολοκληρώθηκε στο Armstrong Flight Research Center της Καλιφόρνιας, η άνεση των επιβατών κατά τη διάρκεια πτήσεων με μικρά ιπτάμενα ταξί θα κρίνει εξ ολοκλήρου την εμπορική βιωσιμότητα του κλάδου.

Τα μικρά αεροσκάφη τεχνολογίας VTOL, λόγω της γεωμετρίας, του χαμηλού τους βάρους και του υψομέτρου στο οποίο επιχειρούν, είναι ιδιαίτερα ευάλωτα στις ατμοσφαιρικές διαταραχές. Οι μηχανικοί της NASA εστίασαν στο πώς οι απότομες κινήσεις, οι κλίσεις και οι αναταράξεις επηρεάζουν την εμπιστοσύνη και την προθυμία των ταξιδιωτών να χρησιμοποιήσουν την υπηρεσία μελλοντικά. Τα ευρήματα πρακτικά επιβάλλουν αλλαγές στον τρόπο με τον οποίο οι κατασκευαστές θα προγραμματίσουν τα συστήματα ελέγχου πτήσης.

Προσομοίωση σε περιβάλλον Εικονικής Πραγματικότητας

Για τη συλλογή αντικειμενικών δεδομένων, οι ερευνητές της NASA, υπό την καθοδήγηση του Curtis Hanson, ανέπτυξαν έναν εξειδικευμένο προσομοιωτή εικονικής πραγματικότητας. Αντί να βασιστούν σε θεωρητικά υπολογιστικά μοντέλα, τοποθέτησαν εθελοντές σε μια μηχανική πλατφόρμα κίνησης που αναπαριστούσε με ακρίβεια την καμπίνα ενός ιπτάμενου ταξί. Η πλατφόρμα ήταν ικανή να εκτελεί βίαιες, απότομες κινήσεις στους τρεις άξονες (pitch, roll, yaw), καθώς και ραγδαίες κατακόρυφες επιταχύνσεις ή βυθίσεις (heave).

Η εικονική διαδρομή που εκτελέστηκε κατά τη διάρκεια του πειράματος προσομοίωνε μια πτήση από το κέντρο του Σαν Φρανσίσκο προς το νησί Αλκατράζ, εκθέτοντας το σκάφος σε μεταβαλλόμενα αεροπορικά ρεύματα πάνω από τον ωκεανό και τον αστικό ιστό. Οι συμμετέχοντες αξιολόγησαν την εμπειρία τους σε μια κλίμακα πέντε βαθμίδων, καταγράφοντας με ακρίβεια τη χρονική στιγμή που η φυσιολογική κίνηση της πτήσης μετατρεπόταν σε δυσφορία.

Η φυσιολογία της πτήσης και η ανθρώπινη ανοχή

Τα καταγεγραμμένα δεδομένα αποκάλυψαν κάτι ιδιαίτερα ενδιαφέρον για τις σύγχρονες προσδοκίες του επιβατικού κοινού. Οι σημερινοί ταξιδιώτες εμφανίζονται σημαντικά λιγότερο ανεκτικοί στις αναταράξεις και τις απότομες κινήσεις σε σύγκριση με τους επιβάτες των εμπορικών αερογραμμών πριν από μισό αιώνα. Η άμεση αντιπαραβολή με παλαιότερες έρευνες της διαστημικής υπηρεσίας (από τη δεκαετία του 1970) για την ποιότητα των πτήσεων έδειξε ότι το «κατώφλι ανοχής» έχει μειωθεί δραματικά.

Το ανθρώπινο αιθουσαίο σύστημα (το κέντρο ισορροπίας στο έσω ους) δυσκολεύεται να διαχειριστεί την αναντιστοιχία αισθητηριακών δεδομένων. Όταν το σώμα βιώνει μια απότομη βύθιση (έντονη αρνητική επιτάχυνση - g-force) ενώ η οπτική επαφή με το εξωτερικό περιβάλλον παραμένει σταθερή μέσα από τα μεγάλα παράθυρα ενός eVTOL, ενεργοποιούνται τα αντανακλαστικά κινητικής ναυτίας. Ακόμη και μέτριες αλλαγές στην κλίση του αεροσκάφους μείωσαν αισθητά την αίσθηση ασφάλειας των εθελοντών.

Τεχνολογικές προεκτάσεις και σχεδιασμός λογισμικού

Η διαπίστωση ότι τα περιθώρια άνεσης είναι στενά, δημιουργεί τεράστιες τεχνικές προκλήσεις για τις κορυφαίες εταιρείες κατασκευής eVTOL (όπως η Joby Aviation, η Archer και η Volocopter). Τα ιπτάμενα ταξί προορίζονται να πετούν σε χαμηλά υψόμετρα, συνήθως μεταξύ 1.000 και 3.000 ποδιών. Εκεί δημιουργούνται τοπικά μικροκλίματα, ισχυρά θερμικά ρεύματα λόγω της αστικής υποδομής και ριπές ανέμου που εγκλωβίζονται ανάμεσα σε ουρανοξύστες.

Με βάση τα νέα δεδομένα, η ευθύνη μετατοπίζεται αποκλειστικά στο λογισμικό. Οι αλγόριθμοι πλοήγησης και το σύστημα fly-by-wire θα πρέπει να είναι βαθιά «προστατευτικά», ενσωματώνοντας πρωτόκολλα ενεργού περιορισμού του φακέλου πτήσης. Ο υπολογιστής του αεροσκάφους θα πρέπει να αρνείται την εκτέλεση ελιγμών που ξεπερνούν τα όρια επιτάχυνσης ή κλίσης που η NASA ορίζει ως ανεκτά. Σε περίπτωση ριπαίου ανέμου, οι ελεγκτές των ηλεκτροκινητήρων στους ρότορες θα πρέπει να ανταποκρίνονται σε χιλιοστά του δευτερολέπτου, προσαρμόζοντας ασύμμετρα τη ροπή για να αποσβέσουν την κινητική ενέργεια προτού αυτή μεταφερθεί στο κάθισμα του επιβάτη.

Η στρατηγική και η ανοιχτή διάθεση δεδομένων

Η συγκεκριμένη έρευνα χρηματοδοτείται από το πρόγραμμα Subsonic Vehicle Technologies and Tools της Διεύθυνσης Ερευνών και Τεχνολογίας της NASA. Ο ρόλος του οργανισμού δεν είναι η κατασκευή ανταγωνιστικών εμπορικών οχημάτων, αλλά η δημιουργία ενός ανοιχτού, θεμελιώδους συνόλου δεδομένων για ολόκληρη την αεροδιαστημική βιομηχανία. Διαμοιράζοντας αυτά τα μοντέλα, η NASA επιτρέπει στις εταιρείες κατασκευής να παρακάμψουν δαπανηρές δοκιμές ετών, ενσωματώνοντας τις βιομετρικές παραμέτρους ασφαλείας απευθείας στον αρχικό σχεδιασμό των αεροσκαφών.

Ο στόχος είναι η πτήση να προσομοιάζει ολοένα και περισσότερο με την εμπειρία οδήγησης ενός premium ηλεκτρικού αυτοκινήτου σε άψογο οδόστρωμα, καθιστώντας την απουσία κραδασμών βασικό πυλώνα για την πιστοποίηση των πτητικών ικανοτήτων των μελλοντικών στόλων UAM.