面向城市低空的多机型eVTOL安全间隔评估

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30604

Abstract

Abstract:

In the future， urban low altitude may face a large number of demands for operation of electric Vertical Take-Off and Landing （eVTOL）， which will result in potential problems of low airspace utilization， high collision risk， etc. To ensure the safety and efficiency of aircraft operation， it is necessary to establish appropriate safety interval standards. To study the safety interval of multi-model eVTOL in urban low altitude， a classical Event longitudinal， lateral and vertical collision model is established for composite-wing eVTOL， and an improved Event model based on the frustum of the cone collision box is established for multi-rotor eVTOL. The eVTOLs are classified into three categories of light， medium and heavy types according to their payload and number of passengers. The mainstream models are selected for statistical analysis， and the collision box sizes of the models are calculated. Considering the positioning error， the longitudinal， lateral and vertical overlap probability of the aforementioned parameters is calculated using the concept of Required Navigation Performance （RNP）. A simulation environment is established to calculate the parameter of relative velocity， taking into account the distribution of heading angle， pitch angle limitation， and velocity error distribution. Finally， the lateral， longitudinal and vertical safety intervals of different types of eVTOLs are calculated according to the established collision model. The target level of safety of light， medium and heavy eVTOL are set to 10^-7， 10^-8 and 10^-9 times/flight hour， respectively. The minimum intervals between different types of eVTOL are finally derived. These intervals are determined to be 82， 83， 93， 102 m， respectively， for light multi-rotor， light composite wings， medium composite wings， and heavy composite wings. The results of the study can provide a reference for the development of eVTOL interval standards.

Key words: air transportation, urban air mobility, electric Vertical Take-Off and Landing (eVTOL), safety interval, collision risk model, target level of safety

CLC Number:

V355

Xinglong WANG, Youjie WANG. Safety interval evaluation for multi-aircraft eVTOL in urban low altitude[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(1): 330604.

Figures/Tables 22

Fig.1

Fig.2

Fig.3

Fig.4

Fig.5

Fig.6

Fig.7

Fig.8

Table 1

Table 2

Table 3

EH216-S parameters

$V m a x$ /（km·h^-1）	相对速度/（km·h^-1）
$V m a x$ /（km·h^-1）	纵向模型	侧向模型	垂直模型
130	22，51，9	22，51，9	80，51，21

Table 3

Table 4

Other parameters of collision model

参数	数值
$P y 0$	0.538 2（低精度）、0.730 4（中精度）、0.973 9（高精度）
$P z 0$	0.488 1
$E O$	0.01
$E S$	0.2
$σ A 1 /$ m	5
$σ A 3 /$ m	2
σ_v/（km·h^-1）	2

Table 4

Fig.9

Fig.10

Table 5

Table 6

Collision model parameters between eVTOLs of the same type

类型	a/m	b/m	c/m	h/m	$V m a x$ /（km·h^-1）	相对速度/（km·h^-1）		$P z 0$	$P y 0$
类型	a/m	b/m	c/m	h/m	$V m a x$ /（km·h^-1）	纵侧向	垂直	$P z 0$	$P y 0$
轻型多旋翼	7.7	7.7	3.4	2.0	118	20、47、8	74、47、19	0.520 5	0.523 4
轻型复合翼	7.2	8.6		2.3	185	30、70、13	111、71、29	0.583 9	0.494 3
中型复合翼	8.3	13.1		3.0	271	48、111、20	174、111、45	0.711 2	0.557 0
重型复合翼	8.8	14.2		3.4	300	51、118、21	186、118、48	0.770 7	0.584 0

Table 6

Fig.11

Table 7

Combination collision model parameters of multi-rotor and composite wing eVTOL

类型	a/m	b/m	h/m	相对速度/（km·h^-1）		$P z 0$	$P y 0$
类型	a/m	b/m	h/m	纵侧向	垂直	$P z 0$	$P y 0$
多旋翼-轻型复合翼	7.5	8.3	2.2	35、64、13	94、65、26	0.563 3	0.511 8
多旋翼-中型复合翼	8.0	10.4	2.5	56、88、21	121、89、36	0.623 2	0.540 4
多旋翼-重型复合翼	8.3	11	2.7	64、97、23	130、97、39	0.660 2	0.557 0

Table 7

Fig.12

Table 8

Combination collision model parameters for eVTOL of different composite wing types

类型	a/m	b/m	h/m	相对速度/（km·h^-1）		$P z 0$	$P y 0$
类型	a/m	b/m	h/m	纵侧向	垂直	$P z 0$	$P y 0$
轻型-中型复合翼	7.8	10.9	2.7	50、96、19	142、96、40	0.660 2	0.529 1
轻型-重型复合翼	8.0	11.4	2.9	56、103、21	150、103、42	0.694 8	0.540 4
中型-重型复合翼	8.6	13.7	3.2	56、116、22	177、117、47	0.742 1	0.573 3

Table 8

Fig.13

Table 9

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类型	有效载荷质量/kg	载客量
轻型	100~300	0~2
中型	300~600	3~5
重型	>600	>5

eVTOL机型	翼型	有效载荷质量/kg	尺寸（长度×翼展×高度）/（m×m×m）	载客量	最大速度/（km·h^-1）	机型分类
EH216-S	多旋翼	200	3.2×5.63×1.855	2	130	轻型
Volocopter VoloCity	多旋翼	200	4.8×11.3×2.5	2	110	轻型
Volocopter 2X	多旋翼	160	3.2×9.15×2.15	2	102	轻型
小鹏旅行者X2	多旋翼	200	2.2×4.79×1.36	2	130	轻型
Wisk Aero Cora	复合翼	181	6.4×11×2.2	2	180	轻型
Vahana Alpha Two	复合翼	90	5.86×6.25×2.81	1	200	轻型
Aurora Flight PAV	复合翼	225	9.4×8.53×2.3	2	180	轻型
Terrafugia TF-2A	复合翼	200	7.2×8.5×2.03	2	180	轻型
Archer Midnight	复合翼	456	9.1×14.3×2.9	5	241	中型
盛世龙	复合翼	350	11.6×14.5×2.6	5	200	中型
Joby Aviation S4	复合翼	453	6.4×11.6×3.2	5	322	中型
TCab Tech E20	复合翼	450	6×12×3.4	5	320	中型
Lilium Jet 7	复合翼		8.5×13.9×3.2	7	280	重型
AE200-100	复合翼		9.1×14.5×3.5	6	320	重型

模型	碰撞风险降低水平/%
模型	纵向	侧向	垂直
长方体碰撞模型	-43.40	-22.96	-58.45
球体碰撞模型	-55.81	-55.42	-25.82
拼接四棱锥体碰撞模型	-4.00	-15.00	-53.05

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Safety interval evaluation for multi-aircraft eVTOL in urban low altitude

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