Wat zijn de effecten van het integreren van vracht-drones in reguliere luchthavenoperaties?

De integratie van onbemande luchtvaartuigen (UAV's), zoals vracht-drones, in reguliere luchthavenoperaties biedt veelbelovende voordelen, maar roept tegelijkertijd aanzienlijke uitdagingen op. Het project ALAADy (Automated Low Altitude Air Delivery) onderzoekt verschillende benaderingen voor het starten en landen van vracht-missies. Eén van de belangrijkste overwegingen is de integratie van grotere transportdrones in de reguliere luchthavenverkeersstromen, wat de logistiek kan vereenvoudigen door het gebruik van bestaande infrastructuur. Tegelijkertijd moeten de luchtverkeersregels en veiligheidseisen strikt worden nageleefd, wat de complexiteit van de integratie vergroot.

Om deze integratie te testen, werd een simulatie uitgevoerd in het Air Traffic Validation Center (ATVC) van het Duitse Ruimtevaartcentrum (DLR), waarbij het aankomstgebied van Düsseldorf Airport (EDDL) werd nagebootst. Dit experiment werd uitgevoerd in een "Human in the Loop" (HITL)-omgeving, waarin de testpersonen de luchtverkeerscontrole uitvoerden, met inachtneming van ICAO-regels die zorgen voor de scheiding tussen vliegtuigen, inclusief de drone. Het doel van deze simulatie was om de impact van de toevoeging van een drone op de capaciteit en werkbelasting van het luchtverkeersbeheer te onderzoeken.

In de simulatie werd het effect van het integreren van een vracht-drone in een reguliere luchtverkeersstroom vergeleken met de situatie zonder de drone. De resultaten toonden aan dat, hoewel de aanwezigheid van de drone de werkbelasting van de luchtverkeersleiders verhoogde, de verkeersdoorstroom niet significant werd verstoord. Dit suggereert dat, mits de juiste protocollen en technologieën in place zijn, drones effectief geïntegreerd kunnen worden zonder de efficiëntie van de luchthavenoperaties te verminderen.

Het onderzoek wijst ook op het belang van "Human in the Loop" simulaties om de praktische haalbaarheid van deze integratiescenario's te evalueren. Door gebruik te maken van de ATMOS-simulator kunnen verschillende scenario's van luchthavendrukte benaderingen nauwkeurig worden gerepliceerd, waardoor luchtverkeersleiders kunnen oefenen in een gecontroleerde omgeving. Dit helpt hen voor te bereiden op de uitdagingen die gepaard gaan met het integreren van onbemande voertuigen in het reguliere luchtverkeer.

Naast de technische en operationele aspecten is het van belang dat de integratie van drones de werkbelasting van luchtverkeersleiders beïnvloedt. Hoewel de simulaties aangeven dat het systeem relatief goed kan omgaan met de extra belasting, is het essentieel dat de luchtverkeersleiders goed worden getraind in de bediening van systemen die drones beheren. Bovendien moet er zorg worden besteed aan de ontwikkeling van technologieën die het detecteren en vermijden van drones door andere luchtvaartuigen vergemakkelijken. De noodzaak voor autonome systemen, zoals Detect and Avoid (DAA), wordt steeds duidelijker naarmate de complexiteit van de luchtverkeersoperaties toeneemt.

Naast de technische simulaties en de evaluatie van werkbelasting moeten beleidsmakers en luchtvaartautoriteiten aandacht besteden aan de lange-termijnimpact van drone-integratie. Dit betreft niet alleen de operationele aspecten, maar ook de maatschappelijke acceptatie van drones als onderdeel van het luchtverkeer. Het is van cruciaal belang dat er een duidelijk regelgevend kader wordt ontwikkeld dat de veiligheid waarborgt, terwijl tegelijkertijd de voordelen van geautomatiseerd luchttransport kunnen worden gerealiseerd.

Hoe kan de integratie van onbemande luchtvaartsystemen (UAS) bijdragen aan de verbetering van humanitaire hulpoperaties?

In de afgelopen jaren is het potentieel van onbemande luchtvaartsystemen (UAS) in diverse domeinen, waaronder humanitaire hulp, steeds duidelijker geworden. Een belangrijke uitdaging in dit verband is de integratie van nieuwe technologieën in operationele omgevingen, waarbij veiligheid en efficiëntie altijd voorop staan. De ontwikkeling van UAS voor humanitaire hulp vereist een gedetailleerde evaluatie van zowel de technische haalbaarheid als de operationele risico’s.

Een van de belangrijkste doelstellingen van recente projecten, zoals ALAADy, is het testen van zware vracht-UAS die speciaal zijn ontwikkeld voor het leveren van noodhulp. Dit omvat onder andere het gebruik van een gemodificeerd microlight gyrocopter, die in staat is om een payload van 20 kg te transporteren naar gebieden die moeilijk bereikbaar zijn door traditionele transportmethoden. De gyrocopter wordt bestuurd binnen een visueel bereik (VLOS), wat essentieel is voor de testen in een experimentele context. De geslaagde ontwikkeling en testen van dit systeem zijn van cruciaal belang voor het bevorderen van BVLOS (Beyond Visual Line of Sight)-operaties in de toekomst.

De testen worden ondersteund door een breed scala aan experimentele procedures, waaronder de inzet van risicobeheerstrategieën, die samenhangen met de operationele risicoanalyse en de ontwikkeling van een concept van operaties (ConOps). De toepassing van de SORA-methodologie, die veiligheidseisen voor onbemande luchtvaartsystemen vastlegt, is daarbij essentieel. Bij de uitvoering van een vlucht is het noodzakelijk om nauw samen te werken met de lokale luchtvaartautoriteiten om te zorgen voor goedgekeurde vlucht- en veiligheidszones. Bovendien moet de communicatie met en tussen de piloten en de vluchtcrew goed gecoördineerd zijn.

De experimenten benadrukten dat UAS goed inzetbaar zijn voor korte, veilige leveringen van hulpgoederen. Het gebruik van de SORA-methodologie, die risicobeheer voor onbemande systemen garandeert, bleek een effectieve manier om dergelijke operaties veilig uit te voeren. Toch wordt er in de toekomst gestreefd naar de ontwikkeling van meer gestandaardiseerde SORA- en ConOps-structuren, die in verschillende geografische en operationele omgevingen snel toegepast kunnen worden. Deze gestandaardiseerde benadering zou het proces van goedkeuring door luchtvaartautoriteiten vergemakkelijken, waardoor de operationele efficiëntie aanzienlijk zou verbeteren.

Bij de verdere ontwikkeling van UAS voor humanitaire hulp, wordt het noodzakelijk om niet alleen technologische aspecten te optimaliseren, maar ook de procedurele en operationele kaders aan te passen aan de veranderende omstandigheden van de veldoperaties. Denk hierbij aan de training van piloten en het verbeteren van de software voor autonoom vliegen. Ook moeten de infrastructuurbehoeften voor de inzet van UAS in humanitaire hulp situaties minimaal blijven, zodat het systeem in afgelegen gebieden efficiënt kan opereren zonder dat uitgebreide ondersteunende infrastructuur nodig is.

Daarnaast is het belangrijk te benadrukken dat de integratie van onbemande systemen in de humanitaire sector niet alleen afhankelijk is van de technologie zelf, maar ook van de samenwerking tussen verschillende belanghebbenden, waaronder overheden, humanitaire organisaties en technologische ontwikkelaars. De gezamenlijke inspanningen moeten zich richten op het ontwikkelen van operationele richtlijnen die zowel de veiligheid als de snelheid van de hulpverlening kunnen verbeteren.

Wat zijn de voordelen van het gebruik van gyrocopters voor humanitaire hulp?

Het gebruik van luchtvaarttechnologie voor humanitaire hulp is niet nieuw, maar de inzet van gyrocopters biedt nieuwe perspectieven voor de levering van essentiële goederen in rampgebieden. In vergelijking met traditionele helikopters, zoals de Mil Mi-8, biedt de gyrocopter enkele specifieke voordelen, maar ook beperkingen die niet over het hoofd gezien mogen worden.

Echter, de gyrocopter heeft in sommige gevallen zijn eigen voordelen, vooral als het gaat om het snel en efficiënt leveren van pakketten over grotere gebieden. Door zijn flexibiliteit in het uitvoeren van drops kan de gyrocopter menselijke nederzettingen bereiken waar andere vliegtuigen niet kunnen landen. Dit maakt de gyrocopter ideaal voor het leveren van kleinere ladingen zoals dekens, voedsel, water en medicijnen. In gebieden waar geen geschikte landingsplaatsen beschikbaar zijn, kan de gyrocopter zijn lading vanuit de lucht droppen, zelfs als het terrein onder water staat. Dit biedt een oplossing voor situaties waarin de Mi-8 niet in staat is om te landen, maar het brengt ook risico’s met zich mee, zoals het gevaar dat pakketten verkeerd vallen of worden meegesleept door de stroming van het water.

Een belangrijke overweging bij het gebruik van de gyrocopter is de lage capaciteit in vergelijking met de Mi-8, vooral als het gaat om de omvang en het gewicht van de te vervoeren lading. De gyrocopter kan tot 375 kg per missie vervoeren, wat aanzienlijk minder is dan de 1055 kg die de Mi-8 per missie kan dragen. Dit betekent dat de gyrocopter vooral geschikt is voor het vervoeren van kleinere hoeveelheden hulpgoederen, terwijl de Mi-8 beter geschikt is voor het vervoeren van grote hoeveelheden en zware goederen.

De gyrocopter biedt echter niet alleen logistieke voordelen. Het biedt ook mogelijkheden voor autonome operaties, waarbij de vliegtuigconfiguratie het mogelijk maakt om missies uit te voeren zonder menselijke tussenkomst. Dit maakt de gyrocopter bijzonder geschikt voor noodsituaties, waarbij menselijke hulpbronnen beperkt kunnen zijn. De missie kan bestaan uit een cruise- en scanfase die volledig autonoom verloopt, waarna de pakketten worden gedropt zonder dat het vliegtuig opnieuw landt.

Wat betreft de operationele efficiëntie van de gyrocopter is het essentieel om de juiste balans te vinden tussen de kosten van het toestel en de voordelen die het biedt voor humanitaire operaties. Het is bijvoorbeeld belangrijk te begrijpen dat, hoewel de gyrocopter een laag gewicht heeft en daarmee flexibeler is in het bereiken van afgelegen gebieden, het niet de omvang van de Mi-8 kan evenaren als het gaat om het vervoeren van grote of zware ladingen.

Wat verder belangrijk is, is de impact van de gyrocopter op de perceptie van de getroffen bevolking. In tegenstelling tot de Mi-8, die een bekende en vertrouwde aanwezigheid heeft, is de gyrocopter vaak onbekend en kan het zorgen voor onzekerheid of angst bij de mensen die de hulp ontvangen. Er is momenteel weinig onderzoek gedaan naar hoe de aanwezigheid van een onbemande luchtvaartuig wordt ontvangen door de slachtoffers van een ramp, wat een belangrijke overweging is voor de acceptatie van dit technologie in noodsituaties.

De mogelijkheid om ladingen vanuit de lucht te droppen kan dus niet alleen een logistiek voordeel bieden, maar kan ook nieuwe vragen oproepen over veiligheid, interactie met de getroffen gemeenschappen en de effectiviteit van de leveringen. In gebieden die door overstromingen of andere natuurrampen zijn getroffen, waar reguliere landingsplaatsen niet beschikbaar zijn, kan de gyrocopter echter van onschatbare waarde zijn.

Hoe kan de integratie van elektrisch aangedreven propellers de prestaties van vliegtuigen verbeteren?

De berekening van de landingsafstand en de bijbehorende vleugelbelasting zijn essentiële parameters bij het ontwerpen van vliegtuigen die voldoen aan strikte eisen, zoals die van ALAADy, waar een maximale landingsafstand van 400 meter vereist is. In de eerste fase van het ontwerp wordt er rekening mee gehouden dat het vliegtuig de meeste brandstof heeft verbruikt en dat het een initiële schatting van de vleugelbelasting maakt. Dit gebeurt door het gebruik van flappen, wat de landingsafstand verkort. De berekeningen gaan uit van een constante glijhoek van 7,5° tijdens de landing. Deze relatief steile glijhoek is gekozen om de landingsafstand te minimaliseren, vooral in omgevingen die grotendeels bebouwd zijn, zoals industrieterreinen of stedelijke gebieden.

De totale massa van het vliegtuig wordt berekend door alle componenten, zoals de payload van 1 ton, apparatuur zoals actuatoren en instrumenten, de brandstofmassa, de massa van de romp, motoren, vleugels, staart, en het landingsgestel, te verdisconteren. In de volgende stap wordt het brandstofverbruik geoptimaliseerd zodat het vliegtuig de gewenste actieradius van 600 km kan halen, met een brandstofreserve van 20%. Dit leidt tot veranderingen in massa en vleugelparameters die de kruissnelheid beïnvloeden, wat op zijn beurt leidt tot aanpassingen in de berekeningen.

De vliegprestaties bij het opstijgen worden vervolgens gecontroleerd. Als de opstijgafstand de toegestane 400 meter overschrijdt, wordt het motorvermogen verhoogd, wat leidt tot een herberekening van de aerodynamische en massaparamsmeters totdat de berekeningen convergeren. Dit proces wordt herhaald totdat er geen significante veranderingen meer optreden.

Bij vliegtuigen met een niet-platvleugelconfiguratie, zoals de box-wing, worden echter voordelen in brandstofbesparing opgemerkt bij lage vleugelspanningen. Deze luchtvaartconfiguraties hebben over het algemeen een lagere vleugelbelasting, vooral door de strenge eisen voor de landingsafstand, maar dit is in sommige gevallen nadelig voor de kruissnelheid. Daarom is er een noodzaak om de vleugelbelasting te verhogen om de prestaties tijdens de kruising te verbeteren, terwijl tegelijkertijd wordt voldaan aan de vereisten voor de landingsafstand.

Om dit te bereiken, wordt het concept van gedistribueerde elektrische voortstuwing (DEP) onderzocht. Dit concept is gebaseerd op het idee van kleine elektrisch aangedreven propellers langs de vleugelvoorrand, die de luchtstromen van de propellers gebruiken om de liftcoëfficiënt te verhogen tijdens de landing. Dit leidt tot een aanzienlijke vermindering van de landingsafstand, zonder dat de snelheid van de landing te veel wordt beïnvloed. De vier elektrische propellers worden alleen gebruikt tijdens de opstijging en landing, terwijl het vliegtuig tijdens de kruising nog steeds fossiele brandstoffen gebruikt.

Bij het ontwerp van de vliegtuigconfiguratie wordt er rekening gehouden met de extra elektrische motoren. De kracht die door de motoren wordt geleverd, wordt afgestemd zodat de gewenste glijhoek van 7,5° wordt behouden. De massa van de elektrische motoren en batterijen wordt berekend op basis van de benodigde hoeveelheid vermogen voor de landingsfase. Het toevoegen van deze extra propellers verandert de aerodynamische en massa-eigenschappen van het vliegtuig, en de ontwerpen worden herhaald totdat de vereiste prestaties worden behaald.

In dit proces wordt duidelijk dat de integratie van elektrisch aangedreven propellers niet alleen een positieve invloed heeft op de landingsprestatie, maar ook mogelijkheden biedt om de kruissnelheid te verbeteren. Elektrische voortstuwing maakt het mogelijk om de liftcoëfficiënt te verhogen zonder dat de vleugelbelasting tijdens de kruising te veel hoeft te worden verhoogd, wat een aanzienlijke verbetering van de algemene prestaties van het vliegtuig mogelijk maakt.

Hoe kunnen drones effectief worden geïntegreerd in het luchtruim op lage hoogte en in luchthavensystemen?

In noodsituaties moeten alle vliegtuigen worden uitgerust met goedkope hardware die vergelijkbaar is met een standaard mobiele telefoon, waarin een ALAADy-netwerk SIM-kaart of een D2X-oplossing kan worden geïnstalleerd. Deze hardware kan gegevensinvoer voor GNSS (Global Navigation Satellite System) bevatten en is bedoeld om A-GPS-oplossingen (Assisted Global Positioning System) voor locatiebepaling op basis van de dichtstbijzijnde zendmasten te implementeren. Verder kunnen verbindingen worden gelegd voor FLARM, radar of laserhoogtemeters en ACAS (Airborne Collision Avoidance System)-dozen, indien beschikbaar. Een alternatieve oplossing zou zijn om ALAADy-netwerkgrondantennes uit te rusten met FLARM, ACAS of TCAS (Traffic Collision Avoidance System) en ADS-B, zodat de bekende vliegtuigposities ook kunnen worden gebruikt voor indringers die niet zijn uitgerust met ALAADy-netwerkontvangers. Dit zou kunnen bijdragen aan een efficiëntere luchtverkeersleiding, vooral met de opkomst van onbemande luchtvaartuigen (UAV’s) zoals drones.

CORUS stelt drie luchtruimvolumes voor: X, Y en Z, met Z verder onderverdeeld in Za en Zu. De operationele mogelijkheden in deze volumes zijn afhankelijk van de aard van de vlucht (bijvoorbeeld BVLOS – Beyond Visual Line of Sight). In luchtruim G+ mag geen onbekende drone-operatie plaatsvinden. Dit luchtruim komt overeen met CORUS luchtruim Zu, waar volledig geautomatiseerde drone-operaties plaatsvinden. Dit impliceert dat een systeem voor de integratie van drones moet voldoen aan de operationele vereisten van de luchtverkeersleidingssystemen (ATC), vooral als drones luchthavenruimten binnengaan.

De integratie van drones op luchthavens is eveneens van cruciaal belang. Drones moeten worden geïntegreerd in reguliere luchthavenoperaties zonder de bestaande ATC-procedures te verstoren. Dit kan bijvoorbeeld door rechtstreeks te communiceren met de drone-operator via telefoon of een speciaal netwerk zoals het ALAADy-netwerk. In geval van volledig geautomatiseerde vluchten kan de betrokken onderneming bijvoorbeeld een grondcrew inzetten om de landing op de luchthaven te begeleiden. Dit minimaliseert de verstoring van reguliere luchtvaartoperaties.

Er zijn drie mogelijke benaderingen voor de integratie van drones op luchthavens: 1) het landen van een drone op een luchthaven met reguliere operaties, waarvoor een dronepiloot of een service remote pilot (SRP) nodig is; 2) het landen van een drone zonder SRP, wat kan betekenen dat de reguliere luchthavenoperaties tijdelijk worden stilgelegd; 3) het landen op een speciaal daarvoor bestemde UAS-hub, die verder van de luchthaven ligt en geen verstoring van de normale luchthavenactiviteiten veroorzaakt.

Daarnaast moeten drones ook risicogebieden vermijden, zoals dichtbevolkte gebieden, om te zorgen voor de veiligheid van grondbevolking en infrastructuur. Het vermijden van dergelijke risicogebieden, zoals in het voorbeeld van de omgeving van Braunschweig, is essentieel om de impact op de omgeving te minimaliseren. Dit is met name belangrijk wanneer een drone wordt gevlogen in gebieden die dicht bij luchthavens liggen, zoals het luchtruim van Braunschweig/Wolfsburg Airport.

Deze benaderingen kunnen helpen bij het veilig integreren van drones in het luchtruim, zowel op lage hoogte als bij de benadering en landing op luchthavens. Het gebruik van ALAADy-netwerken en andere technologieën die bijdragen aan de detectie en lokalisatie van drones kan helpen om mogelijke conflicten tussen drones en bemande vliegtuigen te voorkomen, vooral in drukke luchtruimen en bij luchthavens waar de luchtverkeersleiding zeer strikt is.

De evolutie van luchtruimbeheer en de integratie van drones zijn dus nauw met elkaar verbonden. Het creëren van een systeem dat zowel de veiligheid van bemande vliegtuigen als de efficiëntie van drone-operaties waarborgt, vereist een voortdurende afstemming tussen de technologie, regelgeving en operationele procedures. Door het zorgvuldig plannen van de luchtruimstructuur, het bevorderen van de samenwerking tussen luchtvaartautoriteiten en het integreren van nieuwe technologieën zoals ALAADy, kan de toekomst van luchtverkeersbeheer effectief worden vormgegeven.