無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的快速發(fā)展和使用給空中飛行目標(biāo)構(gòu)成威脅。美國(guó)聯(lián)邦航空局針對(duì)無(wú)人機(jī)撞向空中飛行目標(biāo)時(shí)，對(duì)空中飛行目標(biāo)的損傷程度和著火危險(xiǎn)級(jí)別進(jìn)行了建模和仿真評(píng)估，其方法和模型值得借鑒。

近年來(lái)，隨著無(wú)人駕駛航空器系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)無(wú)人機(jī)）技術(shù)的成熟和成本降低，這類(lèi)飛行器越來(lái)越多的得到應(yīng)用。這一趨勢(shì)給各國(guó)民航主管機(jī)關(guān)帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)。以美國(guó)為例，2015年12月21日，美國(guó)聯(lián)邦航空局（ FAA）開(kāi)始對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行登記，到2018年初，登記總數(shù)已經(jīng)超過(guò)了100萬(wàn)架。美國(guó)已經(jīng)為超過(guò)1600位無(wú)人機(jī)運(yùn)營(yíng)人頒發(fā)了FAR 107部運(yùn)行偏離許可，到2017年底頒發(fā)了超過(guò)1.3萬(wàn)個(gè)空域使用的偏離，其中近半數(shù)在機(jī)場(chǎng)附近的D類(lèi)空域，涉及到B、C、E類(lèi)空域的偏離也日益常見(jiàn)。無(wú)人機(jī)突破隔離空域，與傳統(tǒng)的有人駕駛航空器在同一空域內(nèi)運(yùn)行的需求和趨勢(shì)日益凸顯。

讓新興的無(wú)人機(jī)與被實(shí)踐證明成熟、有效的空域系統(tǒng)融合，與傳統(tǒng)的有人駕駛航空器共同安全、高效的運(yùn)行，成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。有鑒于此，2014年3月起，在國(guó)會(huì)和FAA的支持下，美國(guó)陸續(xù)組建了一系列與無(wú)人機(jī)相關(guān)的卓越中心（COE），承接了政府政策、標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)相關(guān)的研究工作。以密西西比州州立大學(xué)為首的23家高校和科研機(jī)構(gòu)組成了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)研究卓越中心系統(tǒng)安全聯(lián)盟（Alliance for System Safety of UASthrough Research Excellence，下文簡(jiǎn)稱(chēng)ASSURE），ASSURE承接了很多關(guān)于無(wú)人機(jī)融入到美國(guó)國(guó)家空域系統(tǒng)的（NAS）關(guān)鍵問(wèn)題研究，主要涉及無(wú)人機(jī)和有人駕駛航空器空中撞擊概率、一般飛行和運(yùn)行規(guī)則、無(wú)人機(jī)對(duì)地面人員的危險(xiǎn)和損傷嚴(yán)重性、空中撞擊的危險(xiǎn)和損傷嚴(yán)重性。本文只就其無(wú)人機(jī)空中撞擊危險(xiǎn)性研究進(jìn)行介紹，這一研究獲得了2016財(cái)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(wú)人機(jī)與傳統(tǒng)的有人駕駛航空器存在大量區(qū)別，比如飛行器類(lèi)型（無(wú)人機(jī)最常見(jiàn)多旋翼類(lèi)型）、材料、布局、操縱特性、飛行器上是否有人等，這些差異會(huì)帶來(lái)新的被撞擊飛行器失效模式、新的危險(xiǎn)因素。很顯然，沿用傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方式不合理。FAA認(rèn)為，無(wú)人機(jī)要融入國(guó)家空域系統(tǒng)，應(yīng)建立與傳統(tǒng)有人航空器“等效的安全水平（ELOS）”。也即無(wú)人機(jī)在運(yùn)行中，對(duì)其它飛行器和人員安全的威脅不大于傳統(tǒng)有人飛行器?；谶@一原則，可以推導(dǎo)出無(wú)人機(jī)適航、運(yùn)行相關(guān)的很多標(biāo)準(zhǔn)和要求。

ASSURE的這項(xiàng)研究，關(guān)注于小型多旋翼垂直起降（VTOL）和固定翼無(wú)人機(jī)，對(duì)典型的23部/25部噴氣式商用運(yùn)輸飛機(jī)和公務(wù)機(jī)的撞擊的危險(xiǎn)嚴(yán)重性影響。本研究將用于根據(jù)無(wú)人機(jī)對(duì)其它適航認(rèn)證飛行器的威脅嚴(yán)重程度，確定其適航要求。各種類(lèi)型無(wú)人機(jī)如滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)被批準(zhǔn)在地面人群上空或附近運(yùn)行，也可以根據(jù)與其它無(wú)人機(jī)不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適航認(rèn)證。

主要的研究回答的問(wèn)題如下：

·無(wú)人機(jī)空中撞擊的危險(xiǎn)嚴(yán)重性劃分標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)（重量、沖擊動(dòng)能等）？

·如何定義無(wú)人機(jī)與其它飛行器空中撞擊的嚴(yán)重性程度？

·無(wú)人機(jī)的撞擊影響可以按照烏擊進(jìn)行看待和處理么？

·無(wú)人機(jī)對(duì)飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，是否類(lèi)似于發(fā)動(dòng)機(jī)吸入鳥(niǎo)類(lèi)？

·如果發(fā)生空中撞擊，無(wú)人機(jī)有什么特性，它才不會(huì)對(duì)飛行器產(chǎn)生威脅？

·無(wú)人機(jī)在空中與其它飛行器撞擊的損傷嚴(yán)重性，是否與無(wú)人機(jī)的類(lèi)型有關(guān)（直升機(jī)、多旋翼、固定翼等）？

研究方法

由于問(wèn)題的復(fù)雜性、獲得全尺寸撞擊實(shí)驗(yàn)樣機(jī)、時(shí)間和預(yù)算等方面存在很多限制（比如整個(gè)卓越中心年度基本研究費(fèi)用為500萬(wàn)美元），ASSURE決定采取威奇塔國(guó)家航空研究所（ NIAR）的有限元分析建模技術(shù)，開(kāi)展計(jì)算機(jī)模擬分析。NIAR的有限元建?；谠獦?gòu)建理論（Building Block Approach），已經(jīng)得到了廣泛驗(yàn)證和應(yīng)用，它可以提供更詳實(shí)的被撞擊飛機(jī)和無(wú)人機(jī)的行為分析。實(shí)物試驗(yàn)的缺點(diǎn)是在瞬間動(dòng)態(tài)沖擊時(shí)無(wú)法量化能量分布;由于試驗(yàn)樣機(jī)成本高昂、準(zhǔn)備時(shí)間很長(zhǎng)、準(zhǔn)確控制撞擊位置和撞擊無(wú)人機(jī)角度和姿態(tài)，都是十分棘手的問(wèn)題。在本項(xiàng)研究中沒(méi)有進(jìn)行實(shí)物撞擊;在2018年的無(wú)人機(jī)與通用飛機(jī)的撞擊危險(xiǎn)分析中，進(jìn)行了實(shí)物撞擊。

（1）有限元建模方法和驗(yàn)證

NIAR和密西西比州立大學(xué)（MSU，ASSURE成員）使用基于物理學(xué)模型的方法建模，它充分利用了計(jì)算機(jī)硬件性能、最新計(jì)算工具、多年來(lái)對(duì)撞擊事件的基礎(chǔ)物理學(xué)研究進(jìn)展、各種測(cè)試中的變量數(shù)據(jù)結(jié)果，以及驗(yàn)證和確認(rèn)（Verification&Validation，V&V）的建模方法。建模采取了層級(jí)模塊法，如圖1所示。

有限元分析漸進(jìn)式開(kāi)展的，會(huì)逐漸增加測(cè)試無(wú)人機(jī)的尺寸和復(fù)雜程度，減少所需試驗(yàn)的次數(shù)。為了統(tǒng)籌規(guī)劃，設(shè)計(jì)好各項(xiàng)具體研究工作，減少浪費(fèi)，需要從Coupon到系統(tǒng)層面對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)和無(wú)人機(jī)的物理特性、各種變量有深入的理解。全尺寸的試驗(yàn)結(jié)果不會(huì)導(dǎo)致數(shù)字化模型定義變更。有限元分析模型是由預(yù)先定義、經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和確認(rèn)（V&V）的方法進(jìn)行管理和更改。有限元分析可以預(yù)測(cè)在撞擊中，飛機(jī)從微觀到整機(jī)各層面的測(cè)試結(jié)果。ASSURE也將模擬得到的結(jié)果與相對(duì)應(yīng)的實(shí)物測(cè)試進(jìn)行了比較，以驗(yàn)證有限元模型。

（2）對(duì)有限元模型的驗(yàn)證：從微觀到系統(tǒng)層面的實(shí)物試驗(yàn)

ASSURE進(jìn)行了一系列的零部件級(jí)別的實(shí)物測(cè)試，用于驗(yàn)證無(wú)人機(jī)有限元分析模型。主要包括以下試驗(yàn)：

1） Coupon層面的試驗(yàn)

·對(duì)無(wú)人機(jī)的各種材料系統(tǒng)進(jìn)行微觀層面的試驗(yàn)驗(yàn)證。

·基于技術(shù)文獻(xiàn)開(kāi)展微觀層面的驗(yàn)證研究。

2）部件層面試驗(yàn)

·在落塔試驗(yàn)中，聚碳酸酯的四旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)體被限制在110J沖擊能量范圍內(nèi)。試驗(yàn)過(guò)程用高速攝像機(jī)記錄和測(cè)量反映載荷和相應(yīng)的沖擊。

·兩種類(lèi)型無(wú)人機(jī)的電池、攝像機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)，在壓縮空氣設(shè)施中進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的撞擊速度條件很類(lèi)似于本項(xiàng)目中空中撞擊的相對(duì)速度，在56.6～128.6m/s（110～250kn）之間。整個(gè)過(guò)程使用高速攝像機(jī)記錄，反應(yīng)載荷和受沖擊面板的扭曲通過(guò)4個(gè)測(cè)力傳感器和30個(gè)應(yīng)變計(jì)測(cè)量，數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量（DIC）系統(tǒng)記錄下面板受沖擊區(qū)域的位移和形狀改變。

3）子組件層級(jí)的測(cè)試

·完整的四旋翼無(wú)人機(jī)組件（不含電池）被從5.18m（17ft）高處釋放，沖擊一塊剛性板材，對(duì)反應(yīng)載荷進(jìn)行測(cè)量和記錄。整個(gè)過(guò)程使用高速攝像機(jī)記錄。

·以上所有的試驗(yàn)都通過(guò)有限元模擬重復(fù)進(jìn)行，模擬的條件參數(shù)設(shè)置相同。有限元分析模型用于評(píng)估無(wú)人機(jī)對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)的沖擊動(dòng)力學(xué)影響，模擬空中撞擊;對(duì)于零部件層級(jí)的測(cè)試，有限元分析模型相對(duì)撞擊速度被限制在56.6～128.6m/s，驗(yàn)證無(wú)人機(jī)的主要零部件的行為。

（3）無(wú)人機(jī)有限元模型

ASSURE選擇了2種最常見(jiàn)類(lèi)型的無(wú)人機(jī)進(jìn)行研究，四旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)。選擇依據(jù)是蒙大拿州州立大學(xué)為本項(xiàng)目開(kāi)展的市場(chǎng)調(diào)研，后者在很大程度上基于FAA的注冊(cè)和統(tǒng)計(jì)數(shù)字。無(wú)人機(jī)模型在碰撞研究中被認(rèn)為是撞擊物。

1）四旋翼無(wú)人機(jī)

蒙大拿州州立大學(xué)的研究表明，大疆精靈系列是2.3kg（51b）以下最常見(jiàn)的無(wú)人機(jī)，占據(jù)了610的市場(chǎng)份額。因此，大疆精靈3標(biāo)準(zhǔn)版被選擇作為研究基準(zhǔn)，定義碰撞研究中的四旋翼無(wú)人機(jī)有限元分析模型。

精靈3是一種1.2 kg的四旋翼無(wú)人機(jī)，用于一般民用娛樂(lè)和商業(yè)航拍。表1是其基本尺寸指標(biāo)和性能規(guī)格。精靈3機(jī)體和外殼采用了聚碳酸酯塑料作為主要結(jié)構(gòu)，安裝了4臺(tái)電動(dòng)機(jī)，鋰聚合物電池，攝像機(jī)采用了金屬外殼。大部分電子設(shè)備位于塑料機(jī)身內(nèi)的印刷電路板上。

NIAR采購(gòu)了一臺(tái)大疆精靈3，通過(guò)逆向工程測(cè)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(wú)人機(jī)有限元分析模型的細(xì)節(jié)層級(jí)，通過(guò)網(wǎng)格可以獲得最小0.8mm的信息。

2）固定翼無(wú)人機(jī)

類(lèi)似的，蒙大拿州州立大學(xué)確定精確鷹公司（Precision Hawk）的“蘭開(kāi)斯特”（Lancaster）作為4～81b的固定翼無(wú)人機(jī)的代表性型號(hào)。該公司的“蘭開(kāi)斯特鷹眼”Ⅲ（Lancaster Hawk Eye Mark Ⅲ）設(shè)計(jì)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。在選擇型號(hào)流程之后，由MSU建立了有限元分析模型。

“鷹眼”Ⅲ無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)由包含PCB板的前機(jī)身，聚苯乙烯材料的機(jī)翼、垂尾和水平安定面;碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂機(jī)翼大梁以及尾梁組成。PCB用于多種功能結(jié)構(gòu)元素。ASSURE也對(duì)“鷹眼”Ⅲ無(wú)人機(jī)進(jìn)行了逆向工程，其有限元分析模型如下。

（4）有人駕駛飛機(jī)有限元模型

通過(guò)對(duì)空域及其用戶(hù)進(jìn)行評(píng)估，ASSURE選擇了代表性的噴氣式商用運(yùn)輸飛機(jī)和公務(wù)機(jī)型號(hào)。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(nèi)容。這些飛行器被認(rèn)為是被撞擊目標(biāo)。

]）商用飛機(jī)

在全球范圍內(nèi)，窄體單通道飛機(jī)如波音737或空客A320系列是最廣泛應(yīng)用的商用運(yùn)輸飛機(jī)。ASSURE通過(guò)逆向工程，獲得了單通道窄體飛機(jī)的通用模型，它的尺寸和結(jié)構(gòu)非常類(lèi)似于737。下圖是NAIR建立的噴氣式商用飛機(jī)CAD模型。

2）噴氣式公務(wù)機(jī)

類(lèi)似地，“里爾”31A（Learjet 31A）被選擇作為噴氣式公務(wù)機(jī)的代表機(jī)型。盡管這種公務(wù)機(jī)不是美國(guó)注冊(cè)最多的，但它與許多其它噴氣式公務(wù)機(jī)的幾何尺寸和規(guī)格指標(biāo)非常類(lèi)似。因此，通過(guò)對(duì)“里爾”31A進(jìn)行逆向工程，建立了公務(wù)機(jī)的通用模型。下圖是NAIR建立的噴氣公務(wù)機(jī)CAD模型。

（5）設(shè)定撞擊條件

依據(jù)FAA的《一般飛行和運(yùn)行規(guī)則》（FAR91部）的適航要求，假定最可能發(fā)生高速空中撞擊的場(chǎng)景是在起飛、著陸階段，或者進(jìn)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(lèi)型，有人駕駛飛機(jī)最大速度被限制在200KIAS（依據(jù)FAR91.] 17（b）條款），在2500ft的高度大約是107m/s（208kn）。假定無(wú)人機(jī)和有人飛行器正面撞擊是最壞情景，沖擊速度可以通過(guò)兩者之間的相對(duì)速度相加得到。因此，考慮到兩種無(wú)人機(jī)的性能規(guī)格，可以認(rèn)定在所有的空中碰撞研究中，相對(duì)撞擊速度128.6m/s（250kn）作為研究基準(zhǔn)。

為了識(shí)別確定最關(guān)鍵的撞擊條件，減少對(duì)撞擊飛機(jī)組件/部件模擬的次數(shù)，進(jìn)行了參數(shù)變動(dòng)研究。ASSURE對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)有限元模型進(jìn)行了對(duì)機(jī)翼前緣的撞擊模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證，使用的方法先前被NIAR用于鳥(niǎo)擊危險(xiǎn)評(píng)估項(xiàng)目。對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)的偏航角度、重心位置相對(duì)于被撞擊飛機(jī)位置的影響也進(jìn)行了研究。

基于這些參數(shù)研究，四旋翼無(wú)人機(jī)以45°的角度撞擊目標(biāo)飛機(jī)機(jī)翼前緣，其重心位置位于兩根肋骨之間，被認(rèn)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(jī)和公務(wù)機(jī)撞擊研究的初始條件基準(zhǔn)。

對(duì)于固定翼無(wú)人機(jī)，飛機(jī)沿著飛行航跡縱向繼續(xù)前進(jìn)，大部分重量都是均衡分布的。因此，大部分能量將在局部區(qū)域內(nèi)集中傳遞，這是最壞的撞擊條件。

ASSURE的研究也關(guān)注于實(shí)現(xiàn)最嚴(yán)重?fù)p傷水平撞擊的初始條件。撞擊位置的輕微偏差對(duì)碰撞事件嚴(yán)重性的影響可能會(huì)被低估。

（6）空中撞擊損傷和危險(xiǎn)性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)對(duì)超過(guò)140個(gè)撞擊情景分析和分類(lèi)，在表2中定義了一套撞擊的嚴(yán)重性標(biāo)準(zhǔn)。級(jí)別1的損傷嚴(yán)重性最低，相當(dāng)于產(chǎn)生很小程度的局部損傷。級(jí)別2，對(duì)飛機(jī)外表面產(chǎn)生了明顯可見(jiàn)的損傷，內(nèi)部部分零部件受損傷，但沒(méi)有可見(jiàn)的蒙皮破裂。級(jí)別3，飛機(jī)受到撞擊后有外部物體撞擊進(jìn)入機(jī)身內(nèi)部，對(duì)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)造成損傷。級(jí)別4包括所有前述的損傷，以及內(nèi)部零部件造成了大量的損傷，可能對(duì)主結(jié)構(gòu)造成了損傷。

ASSURE通過(guò)對(duì)特定撞擊情境下，對(duì)零部件層級(jí)進(jìn)行彈道撞擊測(cè)試并觀察趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬，對(duì)鋰離子聚合物電池帶來(lái)的起火危險(xiǎn)也進(jìn)行了研究。表3是研究中所采用的標(biāo)準(zhǔn)。注意，“火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)”標(biāo)簽意味著潛在發(fā)生事件的風(fēng)險(xiǎn)，不是由于評(píng)估的定性而一定立即發(fā)生。對(duì)于無(wú)人機(jī)撞擊的火災(zāi)影響，需要進(jìn)一步研究和實(shí)物測(cè)試，以確定其它危險(xiǎn)的級(jí)別。在零部件層級(jí)的測(cè)試中，起火風(fēng)險(xiǎn)與沖擊速度趨勢(shì)剛好相反;更高的沖擊速度導(dǎo)致撞擊后電池破裂，減少了熱量的產(chǎn)生，而更低的撞擊速度會(huì)導(dǎo)致電池仍然是一體化存在，增加了撞擊后的熱量產(chǎn)生。

撞擊損傷和起火危險(xiǎn)級(jí)別評(píng)估

現(xiàn)有美國(guó)聯(lián)邦航空法規(guī)要求的安全分析包括對(duì)機(jī)組和機(jī)上人員的威脅，這并不適用于無(wú)人機(jī)。不過(guò)，無(wú)人機(jī)會(huì)對(duì)其它飛行器和地面人員產(chǎn)生威脅。決定空中撞擊結(jié)果的因素很多、很復(fù)雜，在很大程度上是取決于無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料特性的。

（1）與噴氣式商用運(yùn)輸飛機(jī)的撞擊

ASSURE選擇進(jìn)行研究的撞擊目標(biāo)區(qū)域有：垂直安定面、水平安定面、機(jī)翼前緣、擋風(fēng)玻璃;對(duì)1.2kg的四旋翼無(wú)人機(jī)和1.8kg的固定翼無(wú)人機(jī)與噴氣式商用飛機(jī)撞擊進(jìn)行了16次動(dòng)態(tài)模擬。研究設(shè)定撞擊速度為128.6m/s（250kn）。撞擊位置見(jiàn)下圖。

研究表明，通常涉及無(wú)人機(jī)的空中撞擊，不會(huì)由于被撞擊飛行器部位的結(jié)構(gòu)特性不同，而產(chǎn)生損傷級(jí)別差異。在CFV2撞擊模擬中，與其它的幾個(gè)對(duì)垂尾的撞擊模擬結(jié)果有差異，是受到一定主觀判斷的影響。在四旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)商用飛機(jī)水平安定面外側(cè)的撞擊中，出現(xiàn)了級(jí)別4的嚴(yán)重性損傷;在固定翼無(wú)人機(jī)對(duì)所有商用飛機(jī)水平安定面區(qū)域的撞擊中，均出現(xiàn)了級(jí)別4的嚴(yán)重性損傷。具體而言，前梁、飛機(jī)的主結(jié)構(gòu)部件受到了損傷，甚至出現(xiàn)貫穿傷。這是在商用噴氣式飛機(jī)撞擊模擬中發(fā)現(xiàn)的最嚴(yán)重?fù)p傷。此外，在四旋翼與水平安定面的撞擊模擬中，發(fā)生了3次電池穿透機(jī)身，部分受損，造成潛在的撞擊后起火風(fēng)險(xiǎn)。

在能量平衡的角度上看各項(xiàng)模擬的結(jié)果，所有的四旋翼無(wú)人機(jī)碰撞情景見(jiàn)圖9，固定翼無(wú)人機(jī)撞擊情景結(jié)果概述見(jiàn)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(jìn)行測(cè)量，0時(shí)間點(diǎn)的總能量為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。每一個(gè)柱內(nèi)的色塊代表相應(yīng)類(lèi)型能量相對(duì)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(guò)圖示細(xì)節(jié)信息獲得，可以量化撞擊前無(wú)人機(jī)的初始動(dòng)能如何傳遞到飛機(jī)上，無(wú)人機(jī)的內(nèi)能在撞擊過(guò)程中如何引起結(jié)構(gòu)變形;無(wú)人機(jī)剩余沖擊動(dòng)能與撞擊后碎片運(yùn)動(dòng)速度呈函數(shù)關(guān)系;摩擦損耗能量與無(wú)人機(jī)和飛機(jī)結(jié)構(gòu)之間的滑動(dòng)接觸能呈函數(shù)關(guān)系。商用飛機(jī)的各個(gè)區(qū)域中，無(wú)人機(jī)撞擊駕駛艙擋風(fēng)玻璃的剩余沖擊動(dòng)能更高。由于撞擊擋風(fēng)玻璃的角度較小，撞擊引起了無(wú)人機(jī)偏向運(yùn)動(dòng)，不會(huì)對(duì)玻璃帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p傷。玻璃的結(jié)構(gòu)是多層有機(jī)玻璃，硬度很大。因?yàn)闊o(wú)人機(jī)內(nèi)能遠(yuǎn)高于飛機(jī)內(nèi)能，大量沖擊產(chǎn)生的變形被無(wú)人機(jī)吸收。

（2）與噴氣式公務(wù)機(jī)的撞擊

ASSURE選擇進(jìn)行研究的撞擊目標(biāo)區(qū)域有：垂直安定面、水平安定面、機(jī)翼前緣、擋風(fēng)玻璃;對(duì)1.2kg的四旋翼無(wú)人機(jī)和1.8kg的固定翼無(wú)人機(jī)與噴氣式公務(wù)機(jī)撞擊進(jìn)行了16次動(dòng)態(tài)模擬（這個(gè)地方原文應(yīng)該有問(wèn)題，看英文后文，應(yīng)該做了11次試驗(yàn)）。研究設(shè)定撞擊速度為1 28.6m/s（ 250kn）。撞擊位置見(jiàn)下圖。

多旋翼撞擊公務(wù)機(jī)，只有水平安定面外側(cè)被撞擊時(shí)損傷級(jí)別會(huì)達(dá)到4級(jí)。對(duì)于固定翼無(wú)人機(jī)，所有的涉及安定面的情形，以及2種撞擊擋風(fēng)玻璃的情形都達(dá)到了4級(jí)損傷。撞擊機(jī)翼帶來(lái)的損傷級(jí)別更低。機(jī)翼的蒙皮比安定面更厚，除冰系統(tǒng)管路吸收了大部分的損傷，保護(hù)了機(jī)翼前大梁。

在所有的四旋翼無(wú)人機(jī)撞擊情形中，如果撞擊了升力面內(nèi)側(cè)，電池會(huì)穿透進(jìn)入機(jī)身，部分損壞，產(chǎn)生潛在的撞擊后起火風(fēng)險(xiǎn)。相對(duì)而言，固定翼無(wú)人機(jī)沒(méi)有因?yàn)樽矒舢a(chǎn)生電池起火的風(fēng)險(xiǎn)。無(wú)人機(jī)對(duì)擋風(fēng)玻璃的撞擊，由于無(wú)人機(jī)被偏轉(zhuǎn)彈出，會(huì)造成更高的剩余沖擊動(dòng)能。

固定翼無(wú)人機(jī)的PCB材質(zhì)機(jī)身結(jié)構(gòu)使其相對(duì)于聚碳酸酯材質(zhì)的四旋翼無(wú)人機(jī)，更呈現(xiàn)準(zhǔn)脆性的規(guī)律，一旦發(fā)生撞擊，會(huì)分裂成很多小塊，在能量平衡中，侵蝕能量會(huì)更大。

（3）撞擊嚴(yán)重性研究的結(jié)論

公務(wù)機(jī)和商用飛機(jī)的大部分損傷都是由無(wú)人機(jī)的剛性結(jié)構(gòu)或部件造成的（如發(fā)動(dòng)機(jī)、電池、攝像機(jī)等）。這與零部件層級(jí)實(shí)物測(cè)試和有限元模擬結(jié)果一致。

對(duì)于噴氣式商用運(yùn)輸機(jī)和1.2kg四旋翼無(wú)人機(jī)或1.8kg的固定翼無(wú)人機(jī)，以250kn的相對(duì)速度撞擊，會(huì)導(dǎo)致水平安定面和垂直安定面中等程度的損傷（3～4級(jí)），在機(jī)翼前緣造成中等程度的損傷（2～3級(jí)），在駕駛艙玻璃上造成中低等級(jí)的損傷（2級(jí)）。

噴氣式公務(wù)機(jī)的撞擊中，1.8kg的固定翼無(wú)人機(jī)會(huì)對(duì)水平安定面和垂直安定面造成4級(jí)的損傷，對(duì)機(jī)翼前緣造成2～3級(jí)損傷，對(duì)駕駛艙玻璃造成4級(jí)損傷。

敏感性分析

ASSURE相對(duì)于前述基準(zhǔn)研究，對(duì)重量和速度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，做了敏感性分析，計(jì)算相應(yīng)的損傷和危險(xiǎn)等級(jí)。對(duì)于空中撞擊，每一個(gè)撞擊位置能實(shí)現(xiàn)最壞的撞擊結(jié)果，這一情形就被用于參數(shù)研究和比較的基準(zhǔn)。ASSURE也對(duì)無(wú)人機(jī)類(lèi)型對(duì)損傷結(jié)果的影響，進(jìn)行了評(píng)估。

（1）重量

ASSURE將四旋翼無(wú)人機(jī)重量從初始的1.2kg，最終放大到1.8kg，測(cè)試重量變化對(duì)損傷嚴(yán)重性的影響。固定翼無(wú)人機(jī)的重量被從1.8kg放大到3.6kg。撞擊速度被設(shè)定為250kn。表8和表9展示了無(wú)人機(jī)重量增加后，損傷嚴(yán)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(dǎo)致?lián)p傷嚴(yán)重性級(jí)別的增加，在損傷嚴(yán)重性級(jí)別未增加的模擬中，所受損傷也大量增長(zhǎng)。

（2）撞擊速度

ASSURE對(duì)撞擊速度進(jìn)行調(diào)整，確定典型的飛機(jī)著陸、等待航線飛行和巡航飛行狀態(tài)時(shí)，無(wú)人機(jī)對(duì)商用運(yùn)輸飛機(jī)和噴氣式公務(wù)機(jī)撞擊的結(jié)果，以評(píng)估確定這類(lèi)撞擊的最小和最大損傷。對(duì)于商用飛機(jī)和公務(wù)機(jī)，著陸速度設(shè)定為56.7m/s/44.8m/s（110kn/87kn），巡航速度設(shè)定為187.8m/s/167.2m/s（365kn/325kn）。等待航線速度設(shè)置為128.6m/s（250kn）。無(wú)人機(jī)的重量沒(méi)有調(diào)整，設(shè)定為基準(zhǔn)數(shù)值。

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

根據(jù)沖擊動(dòng)能公式E =1 /2mv²，撞擊損傷嚴(yán)重程度與重量、速度的平方成線性正比關(guān)系。無(wú)人機(jī)的撞擊速度比重量對(duì)損傷的影響更大。不過(guò)，逐漸增加任一參數(shù)的值，都會(huì)相應(yīng)增加損傷嚴(yán)重等級(jí)，增大機(jī)身受損范圍。

（3）無(wú)人機(jī)類(lèi)型的影響

本項(xiàng)研究用于確定1.8kg的四旋翼無(wú)人機(jī)或固定翼無(wú)人機(jī)，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(jù)模擬，兩種無(wú)人機(jī)模型的高密度、剛性零部件（發(fā)動(dòng)機(jī)和電池）都會(huì)穿透飛機(jī)蒙皮，使得無(wú)人機(jī)的剩余重量進(jìn)入機(jī)體內(nèi)，損傷內(nèi)部零部件。比較結(jié)果見(jiàn)下。

相同重量的四旋翼和固定翼無(wú)人機(jī)撞擊造成的損傷嚴(yán)重性的差別，表明無(wú)人機(jī)的主要零部件布局對(duì)于撞擊中的能量轉(zhuǎn)移是決定性的。當(dāng)大部分重量分布與撞擊方向一致，會(huì)發(fā)生預(yù)計(jì)的重大危險(xiǎn)性損傷。對(duì)于四旋翼無(wú)人機(jī)，其最危險(xiǎn)的偏航角度是450°在這一角度姿態(tài)下，四旋翼無(wú)人機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)和電池與撞擊方向軸與固定翼無(wú)人機(jī)基本一致，見(jiàn)圖15，這時(shí)，被撞擊飛機(jī)對(duì)于兩種無(wú)人機(jī)而言，發(fā)生的損傷類(lèi)似。

（4）與烏擊的比較

ASSURE對(duì)無(wú)人機(jī)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(dòng)能）進(jìn)行了研究。研究設(shè)定了兩種重量的烏，1.2kg和1.8kg，與同等重量的四旋翼無(wú)人機(jī)比較。類(lèi)似的，設(shè)定了1.8kg和3.6kg的烏，與同等重量的固定翼無(wú)人機(jī)比較。因?yàn)镕AR 25.631條款只要求3.6kg的烏撞擊飛機(jī)尾部進(jìn)行測(cè)試，所以，對(duì)于3.6kg固定翼無(wú)人機(jī)撞擊機(jī)翼和駕駛艙玻璃就沒(méi)有進(jìn)行分析。

NIAR已經(jīng)進(jìn)行了大量的鳥(niǎo)擊打研究，并且與實(shí)物測(cè)試進(jìn)行了比對(duì)。光滑粒子流體力學(xué)建模技術(shù)（Smooth ParticleHydrodynamics，SPH）被用于建立明膠材質(zhì)烏模型。SPH烏模型已經(jīng)通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

表13和表14展示了各種撞擊模擬的結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重性等級(jí)。在所有的撞擊情況下，無(wú)人機(jī)都比類(lèi)似條件的烏造成同等或更嚴(yán)重的損傷。因此，鳥(niǎo)擊不能被認(rèn)作與相同重量和動(dòng)能的無(wú)人機(jī)撞擊產(chǎn)生相同的損傷效果。

模擬分析表明空中撞擊如果涉及堅(jiān)硬的撞擊物，其特性是與烏擊十分不同。主要是因?yàn)橹亓?、剛性和高密度材料的離散式分布，撞擊區(qū)域會(huì)出現(xiàn)顯著的彎曲和穿透。在大部分模擬中，由金屬發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊造成的彎曲變形和穿透，會(huì)使無(wú)人機(jī)進(jìn)入飛機(jī)蒙皮以?xún)?nèi)，損傷內(nèi)部零部件（包括前大梁）。

圖16展示了四旋翼無(wú)人機(jī)和鳥(niǎo)的撞擊比較，它們撞擊了噴氣公務(wù)機(jī)的水平安定面。四旋翼無(wú)人機(jī)的撞擊受損區(qū)域更小，但是穿透了蒙皮，造成了前大梁的貫穿傷，損傷了內(nèi)部零部件;鳥(niǎo)造成了安定面外表面的顯著變形，但是沒(méi)有穿透蒙皮進(jìn)入機(jī)體內(nèi)。因此，無(wú)人機(jī)的撞擊損傷被判定為4級(jí)，而烏擊被認(rèn)為是2級(jí)。

烏在高速撞擊過(guò)程中，更像一個(gè)流體，對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷，其密度是主要的影響損傷級(jí)別的參數(shù)。無(wú)人機(jī)的特性與此很不一樣。它的結(jié)構(gòu)剛性大（幾何結(jié)構(gòu)和材料特性等因素綜合影響的結(jié)果），是主要的影響損傷級(jí)別的參數(shù)。相對(duì)于同等條件的烏，無(wú)人機(jī)撞擊會(huì)產(chǎn)生更嚴(yán)重的損傷等級(jí)，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)的密度更大，結(jié)構(gòu)剛性更大。一開(kāi)始發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)撞擊飛機(jī)機(jī)體，隨后造成穿透進(jìn)一步加大了損傷等級(jí)，其它的高密度無(wú)人機(jī)零部件（如電池、攝像機(jī)等）會(huì)撞擊到飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，造成更進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)損傷，在有一些案例中，整個(gè)無(wú)人機(jī)會(huì)進(jìn)入機(jī)身。因此，烏和無(wú)人機(jī)會(huì)對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)造成損傷等級(jí)不同。盡管在FAR 25.631（鳥(niǎo)擊）、FAR25.775（擋風(fēng)玻璃）中，飛機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)是如此進(jìn)行了規(guī)定，飛機(jī)面臨相同重量的無(wú)人機(jī)撞擊，實(shí)際造成的安全問(wèn)題等級(jí)并不一樣。