無人機空中撞擊嚴重性結構性評估報告

無人機系統的快速發展和使用給空中飛行目標構成威脅。美國聯邦航空局針對無人機撞向空中飛行目標時，對空中飛行目標的損傷程度和著火危險級別進行了建模和仿真評估，其方法和模型值得借鑒。

近年來，隨著無人駕駛航空器系統（以下簡稱無人機）技術的成熟和成本降低，這類飛行器越來越多的得到應用。這一趨勢給各國民航主管機關帶來了前所未有的挑戰。以美國為例，2015年12月21日，美國聯邦航空局（ FAA）開始對無人機進行登記，到2018年初，登記總數已經超過了100萬架。美國已經為超過1600位無人機運營人頒發了FAR 107部運行偏離許可，到2017年底頒發了超過1.3萬個空域使用的偏離，其中近半數在機場附近的D類空域，涉及到B、C、E類空域的偏離也日益常見。無人機突破隔離空域，與傳統的有人駕駛航空器在同一空域內運行的需求和趨勢日益凸顯。

讓新興的無人機與被實踐證明成熟、有效的空域系統融合，與傳統的有人駕駛航空器共同安全、高效的運行，成為一個亟待解決的問題。有鑒于此，2014年3月起，在國會和FAA的支持下，美國陸續組建了一系列與無人機相關的卓越中心（COE），承接了政府政策、標準、法規相關的研究工作。以密西西比州州立大學為首的23家高校和科研機構組成了無人機系統研究卓越中心系統安全聯盟（Alliance for System Safety of UASthrough Research Excellence，下文簡稱ASSURE），ASSURE承接了很多關于無人機融入到美國國家空域系統的（NAS）關鍵問題研究，主要涉及無人機和有人駕駛航空器空中撞擊概率、一般飛行和運行規則、無人機對地面人員的危險和損傷嚴重性、空中撞擊的危險和損傷嚴重性。本文只就其無人機空中撞擊危險性研究進行介紹，這一研究獲得了2016財年的資金支持，2017年5月完成。

研究范圍和總體原則

新興的無人機與傳統的有人駕駛航空器存在大量區別，比如飛行器類型（無人機最常見多旋翼類型）、材料、布局、操縱特性、飛行器上是否有人等，這些差異會帶來新的被撞擊飛行器失效模式、新的危險因素。很顯然，沿用傳統的風險評估方式不合理。FAA認為，無人機要融入國家空域系統，應建立與傳統有人航空器“等效的安全水平（ELOS）”。也即無人機在運行中，對其它飛行器和人員安全的威脅不大于傳統有人飛行器。基于這一原則，可以推導出無人機適航、運行相關的很多標準和要求。

ASSURE的這項研究，關注于小型多旋翼垂直起降（VTOL）和固定翼無人機，對典型的23部/25部噴氣式商用運輸飛機和公務機的撞擊的危險嚴重性影響。本研究將用于根據無人機對其它適航認證飛行器的威脅嚴重程度，確定其適航要求。各種類型無人機如滿足安全標準，會被批準在地面人群上空或附近運行，也可以根據與其它無人機不同的標準進行適航認證。

主要的研究回答的問題如下：

·無人機空中撞擊的危險嚴重性劃分標準依據（重量、沖擊動能等）？

·如何定義無人機與其它飛行器空中撞擊的嚴重性程度？

·無人機的撞擊影響可以按照烏擊進行看待和處理么？

·無人機對飛行器發動機的影響，是否類似于發動機吸入鳥類？

·如果發生空中撞擊，無人機有什么特性，它才不會對飛行器產生威脅？

·無人機在空中與其它飛行器撞擊的損傷嚴重性，是否與無人機的類型有關（直升機、多旋翼、固定翼等）？

研究方法

由于問題的復雜性、獲得全尺寸撞擊實驗樣機、時間和預算等方面存在很多限制（比如整個卓越中心年度基本研究費用為500萬美元），ASSURE決定采取威奇塔國家航空研究所（ NIAR）的有限元分析建模技術，開展計算機模擬分析。NIAR的有限元建模基于元構建理論（Building Block Approach），已經得到了廣泛驗證和應用，它可以提供更詳實的被撞擊飛機和無人機的行為分析。實物試驗的缺點是在瞬間動態沖擊時無法量化能量分布;由于試驗樣機成本高昂、準備時間很長、準確控制撞擊位置和撞擊無人機角度和姿態，都是十分棘手的問題。在本項研究中沒有進行實物撞擊;在2018年的無人機與通用飛機的撞擊危險分析中，進行了實物撞擊。

（1）有限元建模方法和驗證

NIAR和密西西比州立大學（MSU，ASSURE成員）使用基于物理學模型的方法建模，它充分利用了計算機硬件性能、最新計算工具、多年來對撞擊事件的基礎物理學研究進展、各種測試中的變量數據結果，以及驗證和確認（Verification&Validation，V&V）的建模方法。建模采取了層級模塊法，如圖1所示。

有限元分析漸進式開展的，會逐漸增加測試無人機的尺寸和復雜程度，減少所需試驗的次數。為了統籌規劃，設計好各項具體研究工作，減少浪費，需要從Coupon到系統層面對試驗樣機和無人機的物理特性、各種變量有深入的理解。全尺寸的試驗結果不會導致數字化模型定義變更。有限元分析模型是由預先定義、經過驗證和確認（V&V）的方法進行管理和更改。有限元分析可以預測在撞擊中，飛機從微觀到整機各層面的測試結果。ASSURE也將模擬得到的結果與相對應的實物測試進行了比較，以驗證有限元模型。

（2）對有限元模型的驗證：從微觀到系統層面的實物試驗

ASSURE進行了一系列的零部件級別的實物測試，用于驗證無人機有限元分析模型。主要包括以下試驗：

1） Coupon層面的試驗

·對無人機的各種材料系統進行微觀層面的試驗驗證。

·基于技術文獻開展微觀層面的驗證研究。

2）部件層面試驗

·在落塔試驗中，聚碳酸酯的四旋翼無人機機體被限制在110J沖擊能量范圍內。試驗過程用高速攝像機記錄和測量反映載荷和相應的沖擊。

·兩種類型無人機的電池、攝像機和發動機，在壓縮空氣設施中進行測試，測試的撞擊速度條件很類似于本項目中空中撞擊的相對速度，在56.6～128.6m/s（110～250kn）之間。整個過程使用高速攝像機記錄，反應載荷和受沖擊面板的扭曲通過4個測力傳感器和30個應變計測量，數字圖像相關測量（DIC）系統記錄下面板受沖擊區域的位移和形狀改變。

3）子組件層級的測試

·完整的四旋翼無人機組件（不含電池）被從5.18m（17ft）高處釋放，沖擊一塊剛性板材，對反應載荷進行測量和記錄。整個過程使用高速攝像機記錄。

·以上所有的試驗都通過有限元模擬重復進行，模擬的條件參數設置相同。有限元分析模型用于評估無人機對飛行器結構的沖擊動力學影響，模擬空中撞擊;對于零部件層級的測試，有限元分析模型相對撞擊速度被限制在56.6～128.6m/s，驗證無人機的主要零部件的行為。

（3）無人機有限元模型

ASSURE選擇了2種最常見類型的無人機進行研究，四旋翼無人機和固定翼無人機。選擇依據是蒙大拿州州立大學為本項目開展的市場調研，后者在很大程度上基于FAA的注冊和統計數字。無人機模型在碰撞研究中被認為是撞擊物。

1）四旋翼無人機

蒙大拿州州立大學的研究表明，大疆精靈系列是2.3kg（51b）以下最常見的無人機，占據了610的市場份額。因此，大疆精靈3標準版被選擇作為研究基準，定義碰撞研究中的四旋翼無人機有限元分析模型。

精靈3是一種1.2 kg的四旋翼無人機，用于一般民用娛樂和商業航拍。表1是其基本尺寸指標和性能規格。精靈3機體和外殼采用了聚碳酸酯塑料作為主要結構，安裝了4臺電動機，鋰聚合物電池，攝像機采用了金屬外殼。大部分電子設備位于塑料機身內的印刷電路板上。

NIAR采購了一臺大疆精靈3，通過逆向工程測量尺寸，獲取了材料特性和重量分布信息，工作步驟如圖2所示。圖3展示了四旋翼無人機有限元分析模型的細節層級，通過網格可以獲得最小0.8mm的信息。

2）固定翼無人機

類似的，蒙大拿州州立大學確定精確鷹公司（Precision Hawk）的“蘭開斯特”（Lancaster）作為4～81b的固定翼無人機的代表性型號。該公司的“蘭開斯特鷹眼”Ⅲ（Lancaster Hawk Eye Mark Ⅲ）設計用于精準農業。在選擇型號流程之后，由MSU建立了有限元分析模型。

“鷹眼”Ⅲ無人機的結構由包含PCB板的前機身，聚苯乙烯材料的機翼、垂尾和水平安定面;碳纖維環氧樹脂機翼大梁以及尾梁組成。PCB用于多種功能結構元素。ASSURE也對“鷹眼”Ⅲ無人機進行了逆向工程，其有限元分析模型如下。

（4）有人駕駛飛機有限元模型

通過對空域及其用戶進行評估，ASSURE選擇了代表性的噴氣式商用運輸飛機和公務機型號。更多選型信息可以在MSU的研究中找到.它是工作包ll的部分內容。這些飛行器被認為是被撞擊目標。

]）商用飛機

在全球范圍內，窄體單通道飛機如波音737或空客A320系列是最廣泛應用的商用運輸飛機。ASSURE通過逆向工程，獲得了單通道窄體飛機的通用模型，它的尺寸和結構非常類似于737。下圖是NAIR建立的噴氣式商用飛機CAD模型。

2）噴氣式公務機

類似地，“里爾”31A（Learjet 31A）被選擇作為噴氣式公務機的代表機型。盡管這種公務機不是美國注冊最多的，但它與許多其它噴氣式公務機的幾何尺寸和規格指標非常類似。因此，通過對“里爾”31A進行逆向工程，建立了公務機的通用模型。下圖是NAIR建立的噴氣公務機CAD模型。

（5）設定撞擊條件

依據FAA的《一般飛行和運行規則》（FAR91部）的適航要求，假定最可能發生高速空中撞擊的場景是在起飛、著陸階段，或者進入等待航線階段。在這些情景條件下，并考慮到所研究飛行器的類型，有人駕駛飛機最大速度被限制在200KIAS（依據FAR91.] 17（b）條款），在2500ft的高度大約是107m/s（208kn）。假定無人機和有人飛行器正面撞擊是最壞情景，沖擊速度可以通過兩者之間的相對速度相加得到。因此，考慮到兩種無人機的性能規格，可以認定在所有的空中碰撞研究中，相對撞擊速度128.6m/s（250kn）作為研究基準。

為了識別確定最關鍵的撞擊條件，減少對撞擊飛機組件/部件模擬的次數，進行了參數變動研究。ASSURE對四旋翼無人機有限元模型進行了對機翼前緣的撞擊模擬和試驗驗證，使用的方法先前被NIAR用于鳥擊危險評估項目。對四旋翼無人機的偏航角度、重心位置相對于被撞擊飛機位置的影響也進行了研究。

基于這些參數研究，四旋翼無人機以45°的角度撞擊目標飛機機翼前緣，其重心位置位于兩根肋骨之間，被認為是引起損傷和部件失效的最壞的撞擊條件。它被作為噴氣式商用飛機和公務機撞擊研究的初始條件基準。

對于固定翼無人機，飛機沿著飛行航跡縱向繼續前進，大部分重量都是均衡分布的。因此，大部分能量將在局部區域內集中傳遞，這是最壞的撞擊條件。

ASSURE的研究也關注于實現最嚴重損傷水平撞擊的初始條件。撞擊位置的輕微偏差對碰撞事件嚴重性的影響可能會被低估。

（6）空中撞擊損傷和危險性評估標準

通過對超過140個撞擊情景分析和分類，在表2中定義了一套撞擊的嚴重性標準。級別1的損傷嚴重性最低，相當于產生很小程度的局部損傷。級別2，對飛機外表面產生了明顯可見的損傷，內部部分零部件受損傷，但沒有可見的蒙皮破裂。級別3，飛機受到撞擊后有外部物體撞擊進入機身內部，對飛機的結構造成損傷。級別4包括所有前述的損傷，以及內部零部件造成了大量的損傷，可能對主結構造成了損傷。

ASSURE通過對特定撞擊情境下，對零部件層級進行彈道撞擊測試并觀察趨勢，在此基礎上進行模擬，對鋰離子聚合物電池帶來的起火危險也進行了研究。表3是研究中所采用的標準。注意，“火災風險”標簽意味著潛在發生事件的風險，不是由于評估的定性而一定立即發生。對于無人機撞擊的火災影響，需要進一步研究和實物測試，以確定其它危險的級別。在零部件層級的測試中，起火風險與沖擊速度趨勢剛好相反;更高的沖擊速度導致撞擊后電池破裂，減少了熱量的產生，而更低的撞擊速度會導致電池仍然是一體化存在，增加了撞擊后的熱量產生。

撞擊損傷和起火危險級別評估

現有美國聯邦航空法規要求的安全分析包括對機組和機上人員的威脅，這并不適用于無人機。不過，無人機會對其它飛行器和地面人員產生威脅。決定空中撞擊結果的因素很多、很復雜，在很大程度上是取決于無人機的結構設計和材料特性的。

（1）與噴氣式商用運輸飛機的撞擊

ASSURE選擇進行研究的撞擊目標區域有：垂直安定面、水平安定面、機翼前緣、擋風玻璃;對1.2kg的四旋翼無人機和1.8kg的固定翼無人機與噴氣式商用飛機撞擊進行了16次動態模擬。研究設定撞擊速度為128.6m/s（250kn）。撞擊位置見下圖。

研究表明，通常涉及無人機的空中撞擊，不會由于被撞擊飛行器部位的結構特性不同，而產生損傷級別差異。在CFV2撞擊模擬中，與其它的幾個對垂尾的撞擊模擬結果有差異，是受到一定主觀判斷的影響。在四旋翼無人機對商用飛機水平安定面外側的撞擊中，出現了級別4的嚴重性損傷;在固定翼無人機對所有商用飛機水平安定面區域的撞擊中，均出現了級別4的嚴重性損傷。具體而言，前梁、飛機的主結構部件受到了損傷，甚至出現貫穿傷。這是在商用噴氣式飛機撞擊模擬中發現的最嚴重損傷。此外，在四旋翼與水平安定面的撞擊模擬中，發生了3次電池穿透機身，部分受損，造成潛在的撞擊后起火風險。

在能量平衡的角度上看各項模擬的結果，所有的四旋翼無人機碰撞情景見圖9，固定翼無人機撞擊情景結果概述見圖10。每種情形下，條柱代表撞擊事件中各種能量的總和，以10ms為間隔進行測量，0時間點的總能量為計算標準。每一個柱內的色塊代表相應類型能量相對于總初始能量的比重（百分比）。

撞擊后能量如何分布，可以通過圖示細節信息獲得，可以量化撞擊前無人機的初始動能如何傳遞到飛機上，無人機的內能在撞擊過程中如何引起結構變形;無人機剩余沖擊動能與撞擊后碎片運動速度呈函數關系;摩擦損耗能量與無人機和飛機結構之間的滑動接觸能呈函數關系。商用飛機的各個區域中，無人機撞擊駕駛艙擋風玻璃的剩余沖擊動能更高。由于撞擊擋風玻璃的角度較小，撞擊引起了無人機偏向運動，不會對玻璃帶來嚴重損傷。玻璃的結構是多層有機玻璃，硬度很大。因為無人機內能遠高于飛機內能，大量沖擊產生的變形被無人機吸收。

（2）與噴氣式公務機的撞擊

ASSURE選擇進行研究的撞擊目標區域有：垂直安定面、水平安定面、機翼前緣、擋風玻璃;對1.2kg的四旋翼無人機和1.8kg的固定翼無人機與噴氣式公務機撞擊進行了16次動態模擬（這個地方原文應該有問題，看英文后文，應該做了11次試驗）。研究設定撞擊速度為1 28.6m/s（ 250kn）。撞擊位置見下圖。

多旋翼撞擊公務機，只有水平安定面外側被撞擊時損傷級別會達到4級。對于固定翼無人機，所有的涉及安定面的情形，以及2種撞擊擋風玻璃的情形都達到了4級損傷。撞擊機翼帶來的損傷級別更低。機翼的蒙皮比安定面更厚，除冰系統管路吸收了大部分的損傷，保護了機翼前大梁。

在所有的四旋翼無人機撞擊情形中，如果撞擊了升力面內側，電池會穿透進入機身，部分損壞，產生潛在的撞擊后起火風險。相對而言，固定翼無人機沒有因為撞擊產生電池起火的風險。無人機對擋風玻璃的撞擊，由于無人機被偏轉彈出，會造成更高的剩余沖擊動能。

固定翼無人機的PCB材質機身結構使其相對于聚碳酸酯材質的四旋翼無人機，更呈現準脆性的規律，一旦發生撞擊，會分裂成很多小塊，在能量平衡中，侵蝕能量會更大。

（3）撞擊嚴重性研究的結論

公務機和商用飛機的大部分損傷都是由無人機的剛性結構或部件造成的（如發動機、電池、攝像機等）。這與零部件層級實物測試和有限元模擬結果一致。

對于噴氣式商用運輸機和1.2kg四旋翼無人機或1.8kg的固定翼無人機，以250kn的相對速度撞擊，會導致水平安定面和垂直安定面中等程度的損傷（3～4級），在機翼前緣造成中等程度的損傷（2～3級），在駕駛艙玻璃上造成中低等級的損傷（2級）。

噴氣式公務機的撞擊中，1.8kg的固定翼無人機會對水平安定面和垂直安定面造成4級的損傷，對機翼前緣造成2～3級損傷，對駕駛艙玻璃造成4級損傷。

敏感性分析

ASSURE相對于前述基準研究，對重量和速度等參數進行調整，做了敏感性分析，計算相應的損傷和危險等級。對于空中撞擊，每一個撞擊位置能實現最壞的撞擊結果，這一情形就被用于參數研究和比較的基準。ASSURE也對無人機類型對損傷結果的影響，進行了評估。

（1）重量

ASSURE將四旋翼無人機重量從初始的1.2kg，最終放大到1.8kg，測試重量變化對損傷嚴重性的影響。固定翼無人機的重量被從1.8kg放大到3.6kg。撞擊速度被設定為250kn。表8和表9展示了無人機重量增加后，損傷嚴重性的變化。隨著沖擊能量的增加，在全部16次模擬的5次模擬中，導致損傷嚴重性級別的增加，在損傷嚴重性級別未增加的模擬中，所受損傷也大量增長。

（2）撞擊速度

ASSURE對撞擊速度進行調整，確定典型的飛機著陸、等待航線飛行和巡航飛行狀態時，無人機對商用運輸飛機和噴氣式公務機撞擊的結果，以評估確定這類撞擊的最小和最大損傷。對于商用飛機和公務機，著陸速度設定為56.7m/s/44.8m/s（110kn/87kn），巡航速度設定為187.8m/s/167.2m/s（365kn/325kn）。等待航線速度設置為128.6m/s（250kn）。無人機的重量沒有調整，設定為基準數值。

在16次巡航速度條件下的撞擊模擬中，5次會造成損傷嚴重性級別增加。著陸撞擊模擬中，相對于基準研究，所有模擬損傷嚴重性級別都會下降，它們都小于或等于2級。在更高的速度條件下撞擊，損傷嚴重性級別不變，但損傷更多。

根據沖擊動能公式E =1 /2mv²，撞擊損傷嚴重程度與重量、速度的平方成線性正比關系。無人機的撞擊速度比重量對損傷的影響更大。不過，逐漸增加任一參數的值，都會相應增加損傷嚴重等級，增大機身受損范圍。

（3）無人機類型的影響

本項研究用于確定1.8kg的四旋翼無人機或固定翼無人機，其撞擊損傷效果是否相同。模擬使用了相同的邊界條件和撞擊能量。根據模擬，兩種無人機模型的高密度、剛性零部件（發動機和電池）都會穿透飛機蒙皮，使得無人機的剩余重量進入機體內，損傷內部零部件。比較結果見下。

相同重量的四旋翼和固定翼無人機撞擊造成的損傷嚴重性的差別，表明無人機的主要零部件布局對于撞擊中的能量轉移是決定性的。當大部分重量分布與撞擊方向一致，會發生預計的重大危險性損傷。對于四旋翼無人機，其最危險的偏航角度是450°在這一角度姿態下，四旋翼無人機的發動機和電池與撞擊方向軸與固定翼無人機基本一致，見圖15，這時，被撞擊飛機對于兩種無人機而言，發生的損傷類似。

（4）與烏擊的比較

ASSURE對無人機撞擊損傷是否可以被看做等同于相同重量和速度條件下的烏擊（沖擊動能）進行了研究。研究設定了兩種重量的烏，1.2kg和1.8kg，與同等重量的四旋翼無人機比較。類似的，設定了1.8kg和3.6kg的烏，與同等重量的固定翼無人機比較。因為FAR 25.631條款只要求3.6kg的烏撞擊飛機尾部進行測試，所以，對于3.6kg固定翼無人機撞擊機翼和駕駛艙玻璃就沒有進行分析。

NIAR已經進行了大量的鳥擊打研究，并且與實物測試進行了比對。光滑粒子流體力學建模技術（Smooth ParticleHydrodynamics，SPH）被用于建立明膠材質烏模型。SPH烏模型已經通過試驗數據進行了驗證。

表13和表14展示了各種撞擊模擬的結構損傷嚴重性等級。在所有的撞擊情況下，無人機都比類似條件的烏造成同等或更嚴重的損傷。因此，鳥擊不能被認作與相同重量和動能的無人機撞擊產生相同的損傷效果。

模擬分析表明空中撞擊如果涉及堅硬的撞擊物，其特性是與烏擊十分不同。主要是因為重量、剛性和高密度材料的離散式分布，撞擊區域會出現顯著的彎曲和穿透。在大部分模擬中，由金屬發動機的沖擊造成的彎曲變形和穿透，會使無人機進入飛機蒙皮以內，損傷內部零部件（包括前大梁）。

圖16展示了四旋翼無人機和鳥的撞擊比較，它們撞擊了噴氣公務機的水平安定面。四旋翼無人機的撞擊受損區域更小，但是穿透了蒙皮，造成了前大梁的貫穿傷，損傷了內部零部件;鳥造成了安定面外表面的顯著變形，但是沒有穿透蒙皮進入機體內。因此，無人機的撞擊損傷被判定為4級，而烏擊被認為是2級。

烏在高速撞擊過程中，更像一個流體，對于飛機結構損傷，其密度是主要的影響損傷級別的參數。無人機的特性與此很不一樣。它的結構剛性大（幾何結構和材料特性等因素綜合影響的結果），是主要的影響損傷級別的參數。相對于同等條件的烏，無人機撞擊會產生更嚴重的損傷等級，因為無人機的密度更大，結構剛性更大。一開始發動機會撞擊飛機機體，隨后造成穿透進一步加大了損傷等級，其它的高密度無人機零部件（如電池、攝像機等）會撞擊到飛機內部結構，造成更進一步的結構損傷，在有一些案例中，整個無人機會進入機身。因此，烏和無人機會對飛機結構造成損傷等級不同。盡管在FAR 25.631（鳥擊）、FAR25.775（擋風玻璃）中，飛機設計指標是如此進行了規定，飛機面臨相同重量的無人機撞擊，實際造成的安全問題等級并不一樣。