Public acceptance and safety assessment of urban air mobility in conceptual design

Babetto, Laura; Dalla Vedova, Matteo Davide Lorenzo; Stumpf, Eike

doi:HT031325269

Public acceptance and safety assessment of urban air mobility in conceptual design = Gesellschaftliche Akzeptanz und Sicherheitsbewertung der Urban Air Mobility im Vorentwurf

Babetto, Laura^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Laura Babetto

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Stumpf, Eike (Thesis advisor)^RWTH* ; Dalla Vedova, Matteo Davide Lorenzo (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-10-22

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-09256
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1020820/files/1020820.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme (ILR) (415310)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Model-Based Systems Engineering (MBSE) (frei) ; Urban Air Mobility (UAM) (frei) ; conceptual design (frei) ; public acceptance (frei) ; safety assessment (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Urban Air Mobility (UAM) bezeichnet den Einsatz von Lufttransportmitteln im städtischen Raum mit dem Ziel, Verkehrsüberlastung zu verringern und die Konnektivität zu verbessern. Eine sichere Umsetzung setzt die Übereinstimmung von gesellschaftlicher Akzeptanz, technischer Machbarkeit und regulatorischer Konformität voraus. Da bestehende Forschung diese Bereiche meist isoliert betrachtet, wird die Entwicklung integrierter UAM-Systeme erschwert. Diese Arbeit schließt diese Lücke durch einen interdisziplinären Ansatz, der systematisch drei Elemente kombiniert: (1) ein neues Akzeptanzmodell samt Umfrage in mittelgroßen, bislang wenig untersuchten europäischen Städten; (2) eine datenbankgestützte Methodik zur konzeptuellen Auslegung unterschiedlicher UAM-Konfigurationen; und (3) eine hybride Sicherheitsbewertung, die das Specific Operations Risk Assessment (SORA) mit Bayesschen Netzen (BNs) im Rahmen eines Model-Based Systems Engineering (MBSE) Frameworks kombiniert. Die Akzeptanzstudie zeigt eine moderate Bereitschaft zur Nutzung (62%), wobei Sicherheit als Hauptanliegen hervorsticht. 74% der Teilnehmenden bevorzugen luftfahrttypische Sicherheitsstandards mit einer Ausfallrate von weniger als $10^{-9}$ Fehlern pro Flugstunde. Die Auslegungsmethodik basiert auf 280 UAM-Konzepten und liefert statistisch fundierte Entwurfsparameter sowie Korrekturfaktoren. Als Fallstudie wird der Vorentwurf einer Schwerlastdrohne präsentiert. Die hybride Sicherheitsanalyse erlaubt eine quantitative Bewertung von Ausfallwahrscheinlichkeiten und der Wirksamkeit technischer und operationeller Maßnahmen. Die Anwendung auf die Fallstudie zeigt eine Reduktion der Ausfallwahrscheinlichkeit um sechs Größenordnungen - von $10^{-5}$ auf $10^{-11}$ Fehler pro Flugstunde - und damit die Einhaltung strenger Luftfahrtnormen. Sicherheit bildet das verbindende Element der drei entwickelten Methoden und treibt sowohl Akzeptanz als auch Auslegung. Die Arbeit liefert somit einen praxisnahen und übertragbaren Ansatz zur Entwicklung sicherer, akzeptabler und zertifizierbarer UAM-Systeme bereits ab der frühen Entwurfsphase.

Urban Air Mobility (UAM) refers to the use of aerial transportation within urban environment with the aim of reducing congestion and enhancing connectivity. Its safe deployment hinges on the convergence between public acceptance, technical feasibility, and regulatory compliance. Existing research addresses these domains separately, thus hindering the development and integration of UAM systems. This thesis addresses this gap by developing and applying a holistic, interdisciplinary approach that systematically combines: (1) a novel public acceptance model and survey, focusing on understudied mid-sized European cities; (2) a database-driven conceptual design methodology tailored to the variety of configurations of UAM vehicles; and (3) a hybrid quantitative safety assessment incorporating the Specific Operations Risk Assessment (SORA) framework with Bayesian Networks (BNs) within a Model-Based Systems Engineering (MBSE) framework. First, the public acceptance study indicates a moderate inclination towards UAM adoption (62%) with safety emerging as the primary concern. A share of 74% of respondents expresses a preference for aviation-grade safety, quantified as a target failure rate of $10^{-9}$ failures per flight hour. Second, the conceptual design methodology utilizes a database of 280 UAM concepts to derive statistically robust design parameters and correction factors to address the limitations of traditional aircraft design methods. Employing this methodology provides the preliminary design of a heavy-lift cargo drone as a case study. Third, the hybrid safety assessment, integrating SORA and BNs, allowed for a quantitative evaluation of failure probabilities and the effectiveness of both technical and operational mitigations. The application of this assessment to the case study shows a six-order-of magnitude reduction in estimated system failure probability, achieving compliance with stringent aviation safety standards (from $10^{-5}$ to $10^{-11}$ failures per flight hour). Safety serves as the critical link between the three validated methodologies, thereby representing the driver of both acceptance and aircraft design. Hence, this thesis provides a practical (and replicable) approach that enables the development of safe, acceptable, and certifiable UAM systems from the early design stage.

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