通用飞机改型无人机系统的适航审定基础研究

柳永波 马庆林

摘要：随着无人机的广泛应用，许多企业开展通用航空飞机改型无人机系统的研制，按国内外适航当局的适航管理要求，对此类无人机系统进行适航审定。而审定基础是适航审定的基础和核心，对其进行研究很有应用价值。介绍了国内外适航当局对审定类无人机系统的适航管理要求和适航标准，分析了中国民用航空局（CAAC）发布的高风险固定翼无人机系统的适航标准，结合通用飞机改型无人机系统的技术特点，给出制定此类改型无人机系统合格审定基础需考虑的要素，为其审定基础的编制提供参考。

关键词：通用飞机；无人机系统；适航；审定基础

中图分类号：V279文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.10.008

随着控制技术和计算通信技术的不断发展，无人机（UAV）应用也在大范围扩展，从军用领域发展到通信中继、农业植保、航拍测绘等民用领域。尤其近几年来多款通用飞机改型为大型无人机系统，在遥感探测、物流快递等应用场景下研制或首飞，使得此类改型无人机系统的安全运行管理成為各个国家民航管理部门要面临的重要问题[1-2]。根据适航当局对大型无人机的定义[3]，通用飞机改型无人机一般都归类于大型无人机，这类无人机起飞重量大，飞行高度高，一旦失效，其安全影响和危害都将非常严重。基于维护公众利益的要求，各个国家民用航空管理部门对此类无人机均提出适航审定要求[4]。

通用飞机数量巨大，机型很多，通过对通用飞机的改型，可以衍生出经济性好、安全水平高的无人机[5]。在通用飞机平台上改型无人机，飞机平台本身的气动外形和结构的主要布置不需做大的改动，如果是选用已经取得CCAR-23部型号合格证的通用飞机改无人机，其平台安全性将得到充分保证。由于无人机系统（UAS）既包含无人机平台本身，又包含相关的控制站（台）、所需的指挥和控制链路系统，因此，此类无人机系统的适航审定和原通用飞机的适航审定存在较大差异。无人机系统的审定基础是指对民用无人机产品进行审定依据的适航和环保标准及专用条件、豁免和等效安全[6]。因此，确定审定基础是无人机系统适航审定的首要工作，研究此类无人机系统的适航审定基础，对国内通用飞机改型无人机系统的适航审定工作有重要意义。

1国内外无人机系统适航管理要求及标准

1.1国外无人机系统适航管理及标准

根据欧洲航空安全局（EASA）颁布的无人机适航性管理政策A-NPA No.16-2005《无人机适航性合格审定政策》，包括三部无人机适航规章[7]：（1）CS-LUAV，适用小于750kg的轻型无人机；（2）CS-UAV23，适用750～5700kg单发和双发无人机以及5700～25000kg多发无人机；（3）CSUAV25，适用25000kg以上的双发无人机，如图1所示。

根据欧盟规章EC 216/2008附件2规定，最大起飞重量大于150kg的无人机由EASA负责审定，小于150kg的无人机则由欧洲各国民航当局负责审定。按照欧盟基于安全风险的审查原则，将大型民用无人机划分到审定类，对于此类无人机的适航要求，采用与有人驾驶飞机相同的方式进行适航审定[7]。由EASA发起的无人系统规则制定联合工作组（JARUS）分别在2016年11月和2019年9月发布了JARUS-CS-LAUS和JARUS-CS-UAS的最终修订版[8-9]，给出了轻型和标准型无人机系统可参考的适航标准，其中JARUS-CS-UAS主要用于审定此类无人机系统。

北约分别在2007年和2014年发布了标准化规范NATO STANAG 4671《无人机系统适航性要求》、NATO STANAG 4702《旋翼无人机系统适航要求》和NATO STANAG 4703《轻型无人机系统适航性要求》，覆盖了从固定翼到旋翼、从轻型到大中型无人机系统的适航标准。其中，STANAG 4671参考CS-23的章节内容，针对最大起飞重量在150～20000kg范围内的固定翼无人机，补充了无人机系统特有的数据链路、地面控制站、任务设备和载荷安全的适航性要求，旨在确保无人机在空域中的飞行安全，同时保证无人机在飞行过程中不对空中其他飞行器或地面人员造成危害[10-11]。

美国联邦航空局（FAA）也组建了无人航空器系统项目办公室，构建无人机监管体系，按ORDER 8130.34《无人航空器系统适航性审查》对特定无人机进行适航检查并颁发试验类特殊适航证，对应大型民用无人机在未颁布适航规章的情况下，以特定无人机系统特殊规则进行管理[12]。美国国家标准协会（ANSI）在2020年6月发布了最新的无人机系统标准化路线图2.0版，其中第6章Airworthiness Standards-WG1给出了无人机系统可参考的适航标准构成[13]。

1.2 CAAC无人机系统适航管理及标准

中国民用航空局（CAAC）在2012年1月13日发布《民用无人机适航管理工作会议纪要》（ALD-UAV-01）中明确了单机检查以AP-21-AA-2008-05程序为基础，对民用无人机开展适航管理工作，在《民用无人驾驶航空器系统适航管理要求》将大型民用无人机划分到标准类，应满足《民用航空产品和零部件合格审定程序》（CCAR-21）中规定的获得标准适航证航空器所遵守的相关要求[14]。之后，在2019年1月25日发布的《基于运行风险的无人机适航审定指导意见》中提出开展民用无人机适航审定，目的是从设计制造源头，确保民用无人机满足公众可接受的最低安全水平。将针对无人机不同运行场景，开展基于运行风险的民用无人机适航审定[15]。

2020年1月，CAAC发布了《高风险货运固定翼无人机系统适航标准》（试行）[16]，为大型民用无人机系统的适航审定基础制定提供依据；随后，在充分调研国内民用无人机产业现状和企业审定需求的基础上，于2020年5月发布《民用无人机产品适航审定管理程序》（试行）[6]，明确了基于风险的适航审定原则，对大型民用无人机产品开展适航审定。

通过分析国内外适航管理部门对大型民用无人机的适航管理要求，可以看出对此类无人機均以适航审定的方式开展。因此，研究CAAC关于此类无人机系统的适航标准，可为国内通用飞机改型无人机系统的合格审定基础提供参考。

2 CAAC高风险固定翼无人机系统的适航标准

2.1标准内容

《高风险货运固定翼无人机系统适航标准》（以下简称《标准》）分8章，共334项条款。该标准结构清晰，层次分明，覆盖了总体、性能、结构、材料、动力系统（包括燃油、进排气、防火等）、设备（包括操纵伺服、飞控、电气、液压等）、适用限制和资料（包括持续适航文件、飞行手册等）、数据链路、地面指挥与控制站（包括无人机机组）等所有与无人机系统相关的适航标准内容。表1给出了《标准》的主要章节内容。由于篇幅所限，本文对于具体条款描述不进行赘述，仅从无人机系统区别于其他有人驾驶飞机的特点出发，对数据链路、地面指挥与控制站两方面的标准进行简要介绍。

2.1.1数据链路

由于无人机系统采取人机分离的指挥控制方式，数据链作为连接空中无人机和地面指挥的重要纽带，对无人机系统的安全至关重要。《标准》中关于无人机数据链路的适航标准有9条，总则里要求无人机系统必须至少包括一个用于控制无人机的指挥和数据链路，实现无人机和地面控制站的双向通信，以保证无人机在飞行全周期内的通信保持；对指挥和控制数据链的架构，要求不能出现导致危险或更严重事件的单点失效，应按照标准HY.1309条要求对数据链路系统进行安全性分析，要求数据链路的设计和操作不能对飞行安全有影响，且数据链路应设计成免受电磁干扰（EMI）及静电、雷电和电磁辐射危害。

无人机系统飞行手册中应规定指挥和控制数据链路中的时间延迟，延迟不得在已考虑的所有可能的运行场景下导致不安全状况；在完全丧失数据链时，无人机系统不能出现发生空中相撞的风险，也不应该危害地面的公民和财产安全，必须建立和批准应对指挥与控制数据链路缺失的策略，并将该策略纳入无人机系统飞行手册。

无人机天线裕度必须能够维持充足的链路预算，提高数据链路的抗遮蔽能力，并且需要在无人机系统飞行手册中对遮蔽现象进行说明。

指挥和控制数据链路的切换不应导致不安全的情况，在切换的整个过程中，无人机必须处于连续可控的安全状态。指挥和控制数据链路必须具有防侵入和劫持的能力，以确保无人机不会产生不受控制地飞行和撞击。

2.1.2地面指挥与控制站

无人机地面控制站（UCS）是无人机系统的指挥中心，具备任务规划、数字地图、通信、图像处理能力在内的集控制、通信、处理于一体的综合复杂单元，是无人机系统的重要组成部分。控制站的适航标准在一定程度上规定了整个无人机系统的安全水平。

《标准》在UCS适航要求的总则里提出，对移动平台上适用的地面控制站应建立特殊条件，对地面控制站明确规定了基础设施要求，指出机组工作场所的环境要求（温度、湿度、振动、噪声、灯光等）不得妨碍飞行任务的安全执行；明确应按与无人机运行相关的因素规定最小飞行机组，以保证系统的安全运行；同时，也规定UCS必须配备和安装审查机构同意的语音、数据记录器，以便记录无人机系统运行期间的语音和数据记录。

对UCS的数据显示、控制、指示与告警、信息标记和标牌等适航标准，也在《标准》中给出详细规定；针对无人机在两台UCS中的切换，UCS对多无人机的指挥、控制和监控，无人机在同一无人机地面控制站中控制权切换均给出明确要求，力求从各个方面保证UCS的安全可靠，从而进一步保证无人机在UCS控制下始终能安全运行。

数据链路、地面指挥与控制站作为无人机系统的重要组成部分，关系到无人机飞行安全。因此，对通用飞机改无人机系统而言，此部分属于新增的适航标准要求，应在编制审定基础时重点考虑，为后续符合性验证提供基础。

2.2与CCAR-23部的差异分析

国内的通用类有人驾驶民用飞机大都以CCAR-23部作为制定合格审定基础的依据[17]。对于通用飞机改型无人机系统审定基础，可结合《标准》与CCAR-23-R3的差异，根据改型无人机系统的技术方案，选择制定适合于系统的适航审定基础。

通过对比，《标准》在“总体要求”章节删除了CCAR-23部中与载人和通勤类飞机相关的要求；在“结构”章节删除了驾驶舱内与人有关的如“增压座舱”“应急出口”“驾驶舱操纵器件”等要求，增加“飞行包线保护”与无人机相关的内容；在“设备”章节删除了“电子显示仪表系统”“氧气系统”“灯”与人有关的适航要求，增加了“动力操纵系统”“飞行控制与管理”等要求；在“使用限制和资料”章节删除了“客座量布置”“空速指示器”“燃油油量表”等与人有关的要求，增加了“数据链信息”“数据链路限制”等无人机特有的要求。增加“数据链路”和“地面指挥与控制站”两章无人机系统特有的适航标准内容。此外，相比CCAR-23部，《标准》没有设置“设计与构造”章节，而将CCAR-23部的此章节拆分为两个部分，与结构相关的部分纳入“结构”章节，与系统相关的部分纳入“设备”章节，从而保证整个标准的完整性要求。《标准》与CCAR-23部的主要条款差异见表2。

3通用飞机改型无人机系统的技术特点

3.1无人机平台及系统改装

通用飞机改无人机系统，一般气动布局及气动特性基本保持与原机不变，机体主承力结构也保持不变，对原机中与机组成员及乘客相关的如驾驶舱仪表板、内饰及生活施等设备及构件直接拆除，并对相关物理、结构接口予以完善性修补，因此无人机平台的总体载荷、总体传力和承载特性与原机结构基本相当。

航電系统、飞控系统、环控系统、电气系统以及液压系统根据无人机系统运行需求，对不适用于改装或取消不用的系统设备（如座舱照明系统等）进行拆除，更换新的系统和设备；对重要系统的改装，如由非电传飞控系统改装为电传飞控系统架构，就必须重点考虑其适航性设计要求[18]，并与原机及部分改装的机电设备交联，实现机载系统控制与管理功能；动力推进系统一般保持发动机不变，仅根据无人机系统需求对部分发动机操控系统设备进行适应性更改或更换，以保证飞发匹配的可靠和运行稳定性。

3.2加装的系统

数据链路和地面指挥与控制站为改型无人机系统新增系统，其中数据链路系统构成飞机平台和地面系统之间的连接及数据通信，实现将地面站的飞行控制指令、任务载荷控制指令、链路控制指令等遥控指令实时发送至机载系统；同时，将无人机平台的系统工作状态信息、飞行参数、任务载荷工作状态、图像信息以及链路工作状态等遥测信息实时发送至地面站。

4改型无人机系统的审定基础

分析通用飞机改型无人机的技术特点，可以得出通用飞机改型无人机系统在总体气动、结构强度方面基本保持与原通用飞机机型不变，仅是针对无人机系统的技术特点和运行需求，对部分系统和设备进行加改装。因此，在考虑改型无人机系统的审定基础时，应结合此类特殊性，在保证适航标准完整覆盖的前提下，按最小化验证的思路，编制其适航审定基础。

对于已经取得CCAR-23部TC证的原型机，在制定适航审定基础时，可参考原机的审定基础内容对比《标准》，对于原机适航条款要求高于无人机标准要求的，可直接进行引用相关的《标准》内容，并在后续的符合性验证方面直接引用原机符合性结论，以利于后续相应条款符合性的最小化乃至取消验证；对于无人机标准要求高于原机标准的条款，需结合改型无人机系统的技术特点，按照所申请的运行风险等级进行裁剪或补充，以保证整个无人机系统的审定基础完整无缺。

考虑到改型无人机改装结构、设备或新增系统大多选用材料新颖、技术先进的零部件或设备，存在适航标准不能有效覆盖的情况，可以在审定基础中增加作为专用条件的补充项目要求，为适航验证及无人机系统的安全性提供保证。如某改型无人机系统增加了分布式飞行控制管理系统，对此项新技术的在无人机系统的应用，需开展技术分析，评估该项技术对无人机系统的安全性影响，并选用适用的国内外行业标准修订为相应的专用条件，作为审定基础的补充要求。

对于环境保护要求，可参考原通用飞机的所选的适航标准，如改型无人机系统因技术原因不能满足要求，可向适航当局申请豁免，对部分选用新设备或新系统的技术应用，如不能表明符合适航标准的字面要求，但通过补偿措施可达到等效的安全水平，则可向适航当局申请等效安全，从而在保证改型无人机系统安全性的基础上，减低研制成本，提高市场竞争力，推动无人机系统产业的持续发展。

5结论

无人机越来越广泛的应用场景和市场发展前景，使得不少企业或单位开始参与到无人机系统的研制中来，而选用经过实践充分检验过的通用飞机为平台，衍生出不同种类的大型无人机系统，成为不少无人机系统制造商重点关注并开始研发的型号目标。而此类改型无人机系统的安全性，也成为各个国家适航当局、无人机系统制造商和公众都不得不面对的问题。对此类无人机系统的适航审定是保证其基本安全的重要方法和手段。基于审定基础对无人机系统适航审定的重要性，本文在介绍了国内外适航当局对审定类无人机系统的适航管理要求和适航标准的基础上，重点分析了CAAC发布的高风险固定翼无人机系统的适航标准，并结合通用飞机改型无人机系统的技术特点，给出此类改型无人机系统确定合格审定基础时需考虑的要素，为其制定审定基础及后续的适航符合性验证提供参考。

参考文献

[1]祁圣君.无人机系统进入国家空域面临的挑战[J].飞航导弹，2017（6）：18-22. Qi Shengjun. The challenges of unmanned airplane systems entered into national airspace[J].Aerodynamic Missile Journal， 2017（6） ：18-22. （in Chinese）

[2]赵晶，李艳军，曹愈远，等.直升机重要改装设计及适航审定研究[J].航空科学技术，2018，29（5）：8-12. Zhao Jing， Li Yanjun， Cao Yuyuan， et al. Research of the design and airworthiness approval of helicopters important modifications[J]. Aeronautical Science & Technology，2018，29（5）：8-12. （in Chinese）

[3]中国民用航空局. AC-92-2019-01特定类无人机试运行管理规程[S].北京：中国民用航空局，2019. CAAC. AC-92-2019-01 Management regulation for trial operation of class-specific unmanned aerial vehicle[S]. Beijing： CAAC， 2019. （in Chinese）

[4]张泽京，苗延青，史校川.大型民用无人机适航管理问题研究[J].航空标准化与质量，2018（1）：29-33. Zhang Zejing， Miao Yanqing， Shi Xiaochuan. Study on problems in large civil UAV airworthiness management[J]. Aeronautic Standardization & Quality， 2018（1）： 29-33. （in Chinese）

[5]焦玉坤，李波，赵长辉.通用航空飞机改型无人机[C]//第五届中国无人机大会，2014：745-751. Jiao Yukun， Li Bo， Zhao Changhui. Unmanned aerial vehicle modification of general aviation airplane[C]//Proceedings of The 5th UnmannedAerial Vehicle， 2014：745-751.（in Chinese）

[6]中國民用航空局.民航适发[2020]9号文民用无人机产品适航审定管理程序（试行）[S].北京：中国民用航空局，2020. CAAC. AAD[2020]9Airworthiness management procedure for airworthiness certification of civil unmanned aerial vehicle[S]. Beijing： CAAC， 2020. （in Chinese）

[7]EASA. A-NPA No 16-2005Policy for unmanned aerial vehicle（UAV）certification[S]. EASA，2005.

[8]JARUS. Recommendations for certification specification for light unmanned airplane systems[S]. JARUS，2016.

[9]JARUS. Recommendations for certification specification for unmanned aircraft systems[S]. JARUS，2019.

[10]NATO. STANAG 4671 unmanned aerial vehicles systems airworthiness requirements[S]. NATO，2009.

[11]Cook S.Brigaud R. Introduction to NATO STANAG4671-UAV systems airworthiness requirements[C]//AUVSI North America 2009 Proceedings，2009.

[12]FAA. Order8130.34Airworthiness certification of unmanned aircraft systems[R]. FAA，2008.

[13]ANSI. Standardization roadmap for unmanned aircraft systems[R].ANSI，2020.

[14]中国民用航空局.ALD-UAV-01民用无人机适航管理工作会议纪要[S].北京：中国民用航空局，2012. CAAC. ALD-UAV-01 Meeting minutes of airworthiness management for civil unmanned aerial vehicle[S]. Beijing： CAAC，2012. （in Chinese）

[15]中国民用航空局.基于运行风险的无人机适航审定指导意见[S].北京：中国民用航空局，2019. CAAC. Guidance of airworthiness certification for UAV based on operational risk[S]. Beijing： CAAC，2019. （in Chinese）

[16]中国民用航空局.高风险货运固定翼无人机系统适航标准[S].北京：中国民用航空局，2020. CAAC. Airworthiness standards of high risk fixed-wing UAS[S]. Beijing： CAAC，2020. （in Chinese）

[17]中国民用航空局.CCAR-23-R3正常类、实用类、特技类和通勤类飞机适航标准[S].北京：中国民用航空局，2004. CAAC. CCAR-23-R3Airworthiness standards： normal， utility， acrobatic， and commuter category airplanes[S]. Beijing： CAAC， 2004. （in Chinese）

[18]李天为，石鹏飞，刘宏明.基于适航安全的民用飞机电传飞控系统架构设计考虑[J].航空科学技术， 2021，32（3）：21-28. Li Tianwei，Shi Pengfei，Liu Hongming. Architecture design consideration of fly-by-wire flight control system for civil aircraft based on airworthiness and safety[J]. Aeronautical Science & Technology，2021，32（3）：21-28. （in Chinese）

Research of Airworthiness Certification Basis for Unmanned Aircraft System Modified from General Aircraft

Liu Yongbo，Ma Qinglin

AVIC The First Aircraft Institute，Xian 710089，China

Abstract： With the extensive use of Unmanned Aerial Vehicle （UAV）， many UAVs are modified from General Aircraft（GA）. According to Chinese and foreign airworthiness authorities requirements on airworthiness management， are researching and manufacturing，their airworthiness certification should be conducted. Certification basis is the basis and core of the airworthiness certification， which has great values. Chinese and foreign airworthiness authorities requirements on airworthiness management and standard for certificated Unmanned Aircraft System （UAS） are introduced， whose emphasis is put on the analysis of high risk fixed wing UAS airworthiness standard promulgated by CAAC. Certification basis is studied combined with typical technical characteristics of UAV modified from GA， which can provide great reference to draw up airworthiness certificate basis for UAS.

Key Words： general aircraft； unmanned aircraft system； airworthiness； certification basis