无人机空中撞击严重性结构性评估报告

无人机系统的快速发展和使用给空中飞行目标构成威胁。美国联邦航空局针对无人机撞向空中飞行目标时，对空中飞行目标的损伤程度和着火危险级别进行了建模和仿真评估，其方法和模型值得借鉴。

近年来，随着无人驾驶航空器系统（以下简称无人机）技术的成熟和成本降低，这类飞行器越来越多的得到应用。这一趋势给各国民航主管机关带来了前所未有的挑战。以美国为例，2015年12月21日，美国联邦航空局（ FAA）开始对无人机进行登记，到2018年初，登记总数已经超过了100万架。美国已经为超过1600位无人机运营人颁发了FAR 107部运行偏离许可，到2017年底颁发了超过1.3万个空域使用的偏离，其中近半数在机场附近的D类空域，涉及到B、C、E类空域的偏离也日益常见。无人机突破隔离空域，与传统的有人驾驶航空器在同一空域内运行的需求和趋势日益凸显。

让新兴的无人机与被实践证明成熟、有效的空域系统融合，与传统的有人驾驶航空器共同安全、高效的运行，成为一个亟待解决的问题。有鉴于此，2014年3月起，在国会和FAA的支持下，美国陆续组建了一系列与无人机相关的卓越中心（COE），承接了政府政策、标准、法规相关的研究工作。以密西西比州州立大学为首的23家高校和科研机构组成了无人机系统研究卓越中心系统安全联盟（Alliance for System Safety of UASthrough Research Excellence，下文简称ASSURE），ASSURE承接了很多关于无人机融入到美国国家空域系统的（NAS）关键问题研究，主要涉及无人机和有人驾驶航空器空中撞击概率、一般飞行和运行规则、无人机对地面人员的危险和损伤严重性、空中撞击的危险和损伤严重性。本文只就其无人机空中撞击危险性研究进行介绍，这一研究获得了2016财年的资金支持，2017年5月完成。

研究范围和总体原则

新兴的无人机与传统的有人驾驶航空器存在大量区别，比如飞行器类型（无人机最常见多旋翼类型）、材料、布局、操纵特性、飞行器上是否有人等，这些差异会带来新的被撞击飞行器失效模式、新的危险因素。很显然，沿用传统的风险评估方式不合理。FAA认为，无人机要融入国家空域系统，应建立与传统有人航空器“等效的安全水平（ELOS）”。也即无人机在运行中，对其它飞行器和人员安全的威胁不大于传统有人飞行器。基于这一原则，可以推导出无人机适航、运行相关的很多标准和要求。

ASSURE的这项研究，关注于小型多旋翼垂直起降（VTOL）和固定翼无人机，对典型的23部/25部喷气式商用运输飞机和公务机的撞击的危险严重性影响。本研究将用于根据无人机对其它适航认证飞行器的威胁严重程度，确定其适航要求。各种类型无人机如满足安全标准，会被批准在地面人群上空或附近运行，也可以根据与其它无人机不同的标准进行适航认证。

主要的研究回答的問题如下：

·无人机空中撞击的危险严重性划分标准依据（重量、冲击动能等）？

·如何定义无人机与其它飞行器空中撞击的严重性程度？

·无人机的撞击影响可以按照乌击进行看待和处理么？

·无人机对飞行器发动机的影响，是否类似于发动机吸入鸟类？

·如果发生空中撞击，无人机有什么特性，它才不会对飞行器产生威胁？

·无人机在空中与其它飞行器撞击的损伤严重性，是否与无人机的类型有关（直升机、多旋翼、固定翼等）？

研究方法

由于问题的复杂性、获得全尺寸撞击实验样机、时间和预算等方面存在很多限制（比如整个卓越中心年度基本研究费用为500万美元），ASSURE决定采取威奇塔国家航空研究所（ NIAR）的有限元分析建模技术，开展计算机模拟分析。NIAR的有限元建模基于元构建理论（Building Block Approach），已经得到了广泛验证和应用，它可以提供更详实的被撞击飞机和无人机的行为分析。实物试验的缺点是在瞬间动态冲击时无法量化能量分布;由于试验样机成本高昂、准备时间很长、准确控制撞击位置和撞击无人机角度和姿态，都是十分棘手的问题。在本项研究中没有进行实物撞击;在2018年的无人机与通用飞机的撞击危险分析中，进行了实物撞击。

（1）有限元建模方法和验证

NIAR和密西西比州立大学（MSU，ASSURE成员）使用基于物理学模型的方法建模，它充分利用了计算机硬件性能、最新计算工具、多年来对撞击事件的基础物理学研究进展、各种测试中的变量数据结果，以及验证和确认（Verification&Validation，V&V）的建模方法。建模采取了层级模块法，如图1所示。

有限元分析渐进式开展的，会逐渐增加测试无人机的尺寸和复杂程度，减少所需试验的次数。为了统筹规划，设计好各项具体研究工作，减少浪费，需要从Coupon到系统层面对试验样机和无人机的物理特性、各种变量有深入的理解。全尺寸的试验结果不会导致数字化模型定义变更。有限元分析模型是由预先定义、经过验证和确认（V&V）的方法进行管理和更改。有限元分析可以预测在撞击中，飞机从微观到整机各层面的测试结果。ASSURE也将模拟得到的结果与相对应的实物测试进行了比较，以验证有限元模型。

（2）对有限元模型的验证：从微观到系统层面的实物试验

ASSURE进行了一系列的零部件级别的实物测试，用于验证无人机有限元分析模型。主要包括以下试验：

1） Coupon层面的试验

·对无人机的各种材料系统进行微观层面的试验验证。

·基于技术文献开展微观层面的验证研究。

2）部件层面试验

·在落塔试验中，聚碳酸酯的四旋翼无人机机体被限制在110J冲击能量范围内。试验过程用高速摄像机记录和测量反映载荷和相应的冲击。

·两种类型无人机的电池、摄像机和发动机，在压缩空气设施中进行测试，测试的撞击速度条件很类似于本项目中空中撞击的相对速度，在56.6～128.6m/s（110～250kn）之间。整个过程使用高速摄像机记录，反应载荷和受冲击面板的扭曲通过4个测力传感器和30个应变计测量，数字图像相关测量（DIC）系统记录下面板受冲击区域的位移和形状改变。

3）子组件层级的测试

·完整的四旋翼无人机组件（不含电池）被从5.18m（17ft）高处释放，冲击一块刚性板材，对反应载荷进行测量和记录。整个过程使用高速摄像机记录。

·以上所有的试验都通过有限元模拟重复进行，模拟的条件参数设置相同。有限元分析模型用于评估无人机对飞行器结构的冲击动力学影响，模拟空中撞击;对于零部件层级的测试，有限元分析模型相对撞击速度被限制在56.6～128.6m/s，验证无人机的主要零部件的行为。

（3）无人机有限元模型

ASSURE选择了2种最常见类型的无人机进行研究，四旋翼无人机和固定翼无人机。选择依据是蒙大拿州州立大学为本项目开展的市场调研，后者在很大程度上基于FAA的注册和统计数字。无人机模型在碰撞研究中被认为是撞击物。

1）四旋翼无人机

蒙大拿州州立大学的研究表明，大疆精灵系列是2.3kg（51b）以下最常见的无人机，占据了610的市场份额。因此，大疆精灵3标准版被选择作为研究基准，定义碰撞研究中的四旋翼无人机有限元分析模型。

精灵3是一种1.2 kg的四旋翼无人机，用于一般民用娱乐和商业航拍。表1是其基本尺寸指标和性能规格。精灵3机体和外壳采用了聚碳酸酯塑料作为主要结构，安装了4台电动机，锂聚合物电池，摄像机采用了金属外壳。大部分电子设备位于塑料机身内的印刷电路板上。

NIAR采购了一台大疆精灵3，通过逆向工程测量尺寸，获取了材料特性和重量分布信息，工作步骤如图2所示。图3展示了四旋翼无人机有限元分析模型的细节层级，通过网格可以获得最小0.8mm的信息。

2）固定翼无人机

类似的，蒙大拿州州立大学确定精确鹰公司（Precision Hawk）的“兰开斯特”（Lancaster）作为4～81b的固定翼无人机的代表性型号。该公司的“兰开斯特鹰眼”Ⅲ（Lancaster Hawk Eye Mark Ⅲ）设计用于精准农业。在选择型号流程之后，由MSU建立了有限元分析模型。

“鹰眼”Ⅲ无人机的结构由包含PCB板的前机身，聚苯乙烯材料的机翼、垂尾和水平安定面;碳纤维环氧树脂机翼大梁以及尾梁组成。PCB用于多种功能结构元素。ASSURE也对“鹰眼”Ⅲ无人机进行了逆向工程，其有限元分析模型如下。

（4）有人驾驶飞机有限元模型

通过对空域及其用户进行评估，ASSURE选择了代表性的喷气式商用运输飞机和公务机型号。更多选型信息可以在MSU的研究中找到.它是工作包ll的部分内容。这些飞行器被认为是被撞击目标。

]）商用飞机

在全球范围内，窄体单通道飞机如波音737或空客A320系列是最广泛应用的商用运输飞机。ASSURE通过逆向工程，获得了单通道窄体飞机的通用模型，它的尺寸和结构非常类似于737。下图是NAIR建立的喷气式商用飞机CAD模型。

2）喷气式公务机

类似地，“里尔”31A（Learjet 31A）被选择作为喷气式公务机的代表机型。尽管这种公务机不是美国注册最多的，但它与许多其它喷气式公务机的几何尺寸和规格指标非常类似。因此，通过对“里尔”31A进行逆向工程，建立了公务机的通用模型。下图是NAIR建立的喷气公务机CAD模型。

（5）设定撞击条件

依据FAA的《一般飞行和运行规则》（FAR91部）的适航要求，假定最可能发生高速空中撞击的场景是在起飞、着陆阶段，或者进入等待航线阶段。在这些情景条件下，并考虑到所研究飞行器的类型，有人驾驶飞机最大速度被限制在200KIAS（依据FAR91.] 17（b）条款），在2500ft的高度大约是107m/s（208kn）。假定无人机和有人飞行器正面撞击是最坏情景，冲击速度可以通过两者之间的相对速度相加得到。因此，考虑到两种无人机的性能规格，可以认定在所有的空中碰撞研究中，相对撞击速度128.6m/s（250kn）作为研究基准。

为了识别确定最关键的撞击条件，减少对撞击飞机组件/部件模拟的次数，进行了参数变动研究。ASSURE对四旋翼无人机有限元模型进行了对机翼前缘的撞击模拟和试验验证，使用的方法先前被NIAR用于鸟击危险评估项目。对四旋翼无人机的偏航角度、重心位置相对于被撞击飞机位置的影响也进行了研究。

基于这些参数研究，四旋翼无人机以45°的角度撞击目标飞机机翼前缘，其重心位置位于两根肋骨之间，被认为是引起损伤和部件失效的最坏的撞击条件。它被作為喷气式商用飞机和公务机撞击研究的初始条件基准。

对于固定翼无人机，飞机沿着飞行航迹纵向继续前进，大部分重量都是均衡分布的。因此，大部分能量将在局部区域内集中传递，这是最坏的撞击条件。

ASSURE的研究也关注于实现最严重损伤水平撞击的初始条件。撞击位置的轻微偏差对碰撞事件严重性的影响可能会被低估。

（6）空中撞击损伤和危险性评估标准

通过对超过140个撞击情景分析和分类，在表2中定义了一套撞击的严重性标准。级别1的损伤严重性最低，相当于产生很小程度的局部损伤。级别2，对飞机外表面产生了明显可见的损伤，内部部分零部件受损伤，但没有可见的蒙皮破裂。级别3，飞机受到撞击后有外部物体撞击进入机身内部，对飞机的结构造成损伤。级别4包括所有前述的损伤，以及内部零部件造成了大量的损伤，可能对主结构造成了损伤。

ASSURE通过对特定撞击情境下，对零部件层级进行弹道撞击测试并观察趋势，在此基础上进行模拟，对锂离子聚合物电池带来的起火危险也进行了研究。表3是研究中所采用的标准。注意，“火灾风险”标签意味着潜在发生事件的风险，不是由于评估的定性而一定立即发生。对于无人机撞击的火灾影响，需要进一步研究和实物测试，以确定其它危险的级别。在零部件层级的测试中，起火风险与冲击速度趋势刚好相反;更高的冲击速度导致撞击后电池破裂，减少了热量的产生，而更低的撞击速度会导致电池仍然是一体化存在，增加了撞击后的热量产生。

撞击损伤和起火危险级别评估

现有美国联邦航空法规要求的安全分析包括对机组和机上人员的威胁，这并不适用于无人机。不过，无人机会对其它飞行器和地面人员产生威胁。决定空中撞击结果的因素很多、很复杂，在很大程度上是取决于无人机的结构设计和材料特性的。

（1）与喷气式商用运输飞机的撞击

ASSURE选择进行研究的撞击目标区域有：垂直安定面、水平安定面、机翼前缘、挡风玻璃;对1.2kg的四旋翼无人机和1.8kg的固定翼无人机与喷气式商用飞机撞击进行了16次动态模拟。研究设定撞击速度为128.6m/s（250kn）。撞击位置见下图。

研究表明，通常涉及无人机的空中撞击，不会由于被撞击飞行器部位的结构特性不同，而产生损伤级别差异。在CFV2撞击模拟中，与其它的几个对垂尾的撞击模拟结果有差异，是受到一定主观判断的影响。在四旋翼无人机对商用飞机水平安定面外侧的撞击中，出现了级别4的严重性损伤;在固定翼无人机对所有商用飞机水平安定面区域的撞击中，均出现了级别4的严重性损伤。具体而言，前梁、飞机的主结构部件受到了损伤，甚至出现贯穿伤。这是在商用喷气式飞机撞击模拟中发现的最严重损伤。此外，在四旋翼与水平安定面的撞击模拟中，发生了3次电池穿透机身，部分受损，造成潜在的撞击后起火风险。

在能量平衡的角度上看各项模拟的结果，所有的四旋翼无人机碰撞情景见图9，固定翼无人机撞击情景结果概述见图10。每种情形下，条柱代表撞击事件中各种能量的总和，以10ms为间隔进行测量，0时间点的总能量为计算标准。每一个柱内的色块代表相应类型能量相对于总初始能量的比重（百分比）。

撞击后能量如何分布，可以通过图示细节信息获得，可以量化撞击前无人机的初始动能如何传递到飞机上，无人机的内能在撞击过程中如何引起结构变形;无人机剩余冲击动能与撞击后碎片运动速度呈函数关系;摩擦损耗能量与无人机和飞机结构之间的滑动接触能呈函数关系。商用飞机的各个区域中，无人机撞击驾驶舱挡风玻璃的剩余冲击动能更高。由于撞击挡风玻璃的角度较小，撞击引起了无人机偏向运动，不会对玻璃带来严重损伤。玻璃的结构是多层有机玻璃，硬度很大。因为无人机内能远高于飞机内能，大量冲击产生的变形被无人机吸收。

（2）与喷气式公务机的撞击

ASSURE选择进行研究的撞击目标区域有：垂直安定面、水平安定面、机翼前缘、挡风玻璃;对1.2kg的四旋翼无人机和1.8kg的固定翼无人机与喷气式公务机撞击进行了16次动态模拟（这个地方原文应该有问题，看英文后文，应该做了11次试验）。研究设定撞击速度为1 28.6m/s（ 250kn）。撞击位置见下图。

多旋翼撞击公务机，只有水平安定面外侧被撞击时损伤级别会达到4级。对于固定翼无人机，所有的涉及安定面的情形，以及2种撞击挡风玻璃的情形都达到了4级损伤。撞击机翼带来的损伤级别更低。机翼的蒙皮比安定面更厚，除冰系统管路吸收了大部分的损伤，保护了机翼前大梁。

在所有的四旋翼无人机撞击情形中，如果撞击了升力面内侧，电池会穿透进入机身，部分损坏，产生潜在的撞击后起火风险。相对而言，固定翼无人机没有因为撞击产生电池起火的风险。无人机对挡风玻璃的撞击，由于无人机被偏转弹出，会造成更高的剩余冲击动能。

固定翼无人机的PCB材质机身结构使其相对于聚碳酸酯材质的四旋翼无人机，更呈现准脆性的规律，一旦发生撞击，会分裂成很多小块，在能量平衡中，侵蚀能量会更大。

（3）撞击严重性研究的结论

公务机和商用飞机的大部分损伤都是由无人机的刚性结构或部件造成的（如发动机、电池、摄像机等）。这与零部件层级实物测试和有限元模拟结果一致。

对于喷气式商用运输机和1.2kg四旋翼无人机或1.8kg的固定翼无人机，以250kn的相对速度撞击，会导致水平安定面和垂直安定面中等程度的损伤（3～4级），在机翼前缘造成中等程度的损伤（2～3级），在驾驶舱玻璃上造成中低等级的损伤（2级）。

喷气式公务机的撞击中，1.8kg的固定翼无人机会对水平安定面和垂直安定面造成4级的损伤，对机翼前缘造成2～3级损伤，对驾驶舱玻璃造成4级损伤。

敏感性分析

ASSURE相对于前述基准研究，对重量和速度等参数进行调整，做了敏感性分析，计算相应的损伤和危险等级。对于空中撞击，每一个撞击位置能实现最坏的撞击结果，这一情形就被用于参数研究和比较的基准。ASSURE也对无人机类型对损伤结果的影响，进行了评估。

（1）重量

ASSURE将四旋翼無人机重量从初始的1.2kg，最终放大到1.8kg，测试重量变化对损伤严重性的影响。固定翼无人机的重量被从1.8kg放大到3.6kg。撞击速度被设定为250kn。表8和表9展示了无人机重量增加后，损伤严重性的变化。随着冲击能量的增加，在全部16次模拟的5次模拟中，导致损伤严重性级别的增加，在损伤严重性级别未增加的模拟中，所受损伤也大量增长。

（2）撞击速度

ASSURE对撞击速度进行调整，确定典型的飞机着陆、等待航线飞行和巡航飞行状态时，无人机对商用运输飞机和喷气式公务机撞击的结果，以评估确定这类撞击的最小和最大损伤。对于商用飞机和公务机，着陆速度设定为56.7m/s/44.8m/s（110kn/87kn），巡航速度设定为187.8m/s/167.2m/s（365kn/325kn）。等待航线速度设置为128.6m/s（250kn）。无人机的重量没有调整，设定为基准数值。

在16次巡航速度条件下的撞击模拟中，5次会造成损伤严重性级别增加。着陆撞击模拟中，相对于基准研究，所有模拟损伤严重性级别都会下降，它们都小于或等于2级。在更高的速度条件下撞击，损伤严重性级别不变，但损伤更多。

根据冲击动能公式E =1 /2mv²，撞击损伤严重程度与重量、速度的平方成线性正比关系。无人机的撞击速度比重量对损伤的影响更大。不过，逐渐增加任一参数的值，都会相应增加损伤严重等级，增大机身受损范围。

（3）无人机类型的影响

本项研究用于确定1.8kg的四旋翼无人机或固定翼无人机，其撞击损伤效果是否相同。模拟使用了相同的边界条件和撞击能量。根据模拟，两种无人机模型的高密度、刚性零部件（发動机和电池）都会穿透飞机蒙皮，使得无人机的剩余重量进入机体内，损伤内部零部件。比较结果见下。

相同重量的四旋翼和固定翼无人机撞击造成的损伤严重性的差别，表明无人机的主要零部件布局对于撞击中的能量转移是决定性的。当大部分重量分布与撞击方向一致，会发生预计的重大危险性损伤。对于四旋翼无人机，其最危险的偏航角度是450°在这一角度姿态下，四旋翼无人机的发动机和电池与撞击方向轴与固定翼无人机基本一致，见图15，这时，被撞击飞机对于两种无人机而言，发生的损伤类似。

（4）与乌击的比较

ASSURE对无人机撞击损伤是否可以被看做等同于相同重量和速度条件下的乌击（冲击动能）进行了研究。研究设定了两种重量的乌，1.2kg和1.8kg，与同等重量的四旋翼无人机比较。类似的，设定了1.8kg和3.6kg的乌，与同等重量的固定翼无人机比较。因为FAR 25.631条款只要求3.6kg的乌撞击飞机尾部进行测试，所以，对于3.6kg固定翼无人机撞击机翼和驾驶舱玻璃就没有进行分析。

NIAR已经进行了大量的鸟击打研究，并且与实物测试进行了比对。光滑粒子流体力学建模技术（Smooth ParticleHydrodynamics，SPH）被用于建立明胶材质乌模型。SPH乌模型已经通过试验数据进行了验证。

表13和表14展示了各种撞击模拟的结构损伤严重性等级。在所有的撞击情况下，无人机都比类似条件的乌造成同等或更严重的损伤。因此，鸟击不能被认作与相同重量和动能的无人机撞击产生相同的损伤效果。

模拟分析表明空中撞击如果涉及坚硬的撞击物，其特性是与乌击十分不同。主要是因为重量、刚性和高密度材料的离散式分布，撞击区域会出现显著的弯曲和穿透。在大部分模拟中，由金属发动机的冲击造成的弯曲变形和穿透，会使无人机进入飞机蒙皮以内，损伤内部零部件（包括前大梁）。

图16展示了四旋翼无人机和鸟的撞击比较，它们撞击了喷气公务机的水平安定面。四旋翼无人机的撞击受损区域更小，但是穿透了蒙皮，造成了前大梁的贯穿伤，损伤了内部零部件;鸟造成了安定面外表面的显著变形，但是没有穿透蒙皮进入机体内。因此，无人机的撞击损伤被判定为4级，而乌击被认为是2级。

乌在高速撞击过程中，更像一个流体，对于飞机结构损伤，其密度是主要的影响损伤级别的参数。无人机的特性与此很不一样。它的结构刚性大（几何结构和材料特性等因素综合影响的结果），是主要的影响损伤级别的参数。相对于同等条件的乌，无人机撞击会产生更严重的损伤等级，因为无人机的密度更大，结构刚性更大。一开始发动机会撞击飞机机体，随后造成穿透进一步加大了损伤等级，其它的高密度无人机零部件（如电池、摄像机等）会撞击到飞机内部结构，造成更进一步的结构损伤，在有一些案例中，整个无人机会进入机身。因此，乌和无人机会对飞机结构造成损伤等级不同。尽管在FAR 25.631（鸟击）、FAR25.775（挡风玻璃）中，飞机设计指标是如此进行了规定，飞机面临相同重量的无人机撞击，实际造成的安全问题等级并不一样。