白春玉，郭亞周，劉小川，王亞鋒，王計(jì)真，秦慶華,*

1.西安交通大學(xué) 航天航空學(xué)院 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049 2.中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所 結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065

近年來，中國無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicles，UAVs)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，尤其民用輕小型無人機(jī)與消費(fèi)者需求、工業(yè)需求緊密相關(guān)，在個(gè)人娛樂、農(nóng)林植保、物流、巡檢、安防、測繪等領(lǐng)域獲得了深度應(yīng)用，也涌現(xiàn)出一批明星企業(yè)和明星產(chǎn)品，成為中國制造一張亮麗的名片。隨著全球無人化、智能化趨勢的不斷增強(qiáng)，輕小型無人機(jī)逐漸成為熱點(diǎn)電子消費(fèi)產(chǎn)品，預(yù)計(jì)近十年左右輕小型無人機(jī)將步入發(fā)展的黃金時(shí)期。

隨著無人機(jī)在城市公共空間的深度應(yīng)用，其安全運(yùn)營問題受到越來越廣泛的重視。特別是輕小型無人機(jī)制造門檻相對低、獲取容易，使用中又難以被發(fā)現(xiàn)，可控監(jiān)管難度大。同時(shí)，由于其與人類活動(dòng)空間、民航飛機(jī)運(yùn)營等有較大的交叉性，輕小型無人機(jī)的碰撞安全問題一旦發(fā)生，輕則造成財(cái)產(chǎn)損失，重則造成人員傷亡，影響社會(huì)秩序，已成為公眾和政府高度關(guān)注的事件。據(jù)報(bào)道，2015年僅半年美國即發(fā)生無人機(jī)安全事故583起。

目前，世界各國和地區(qū)都在積極探索無人機(jī)的管理制度。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，歐盟18個(gè)成員國和美、日、加等約30多個(gè)國家均頒布了無人機(jī)管理法規(guī)。國外發(fā)達(dá)國家和國際民航組織都在尋求加強(qiáng)技術(shù)更新、完善管理制度、出臺(tái)相應(yīng)規(guī)范等措施，推動(dòng)無人機(jī)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展和安全運(yùn)營。如歐盟無人機(jī)規(guī)章聯(lián)合制定機(jī)構(gòu)(Joint Authorities for Rule-making on Unmanned Systems，JARUS)發(fā)布了關(guān)于無人機(jī)的特定運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)評估文件(Specific Operations Risk Assessment，SORA)，SORA采用定性與定量相結(jié)合的方法，可對不同類別的無人機(jī)進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評估，簡化評估工作流程。美國聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA)出臺(tái)了關(guān)于小型無人機(jī)法規(guī)(第107部)，對無人機(jī)的安全運(yùn)營管理、分類模式等進(jìn)行了規(guī)定。

中國從無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和安全運(yùn)營需求出發(fā)，也出臺(tái)了一系列的管理規(guī)章和指導(dǎo)意見，如《基于運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的無人機(jī)適航審定指導(dǎo)意見》《關(guān)于促進(jìn)和規(guī)范民用無人機(jī)制造業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》等，綜合對低、慢、小無人機(jī)使用實(shí)施放管結(jié)合的細(xì)化分類管理，進(jìn)一步維護(hù)輕小型無人機(jī)的安全運(yùn)營秩序。

在加強(qiáng)輕小型無人機(jī)監(jiān)管的要求下，更要加強(qiáng)無人機(jī)安全體系建設(shè)，總體而言，無人機(jī)安全體系建設(shè)主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：除了前述提到的規(guī)章制度外，還有主動(dòng)安全、被動(dòng)安全和運(yùn)營支持。其中，運(yùn)營支持方面主要體現(xiàn)在針對用戶進(jìn)行飛行技能培訓(xùn)、提供指導(dǎo)手冊等。主動(dòng)安全方面主要體現(xiàn)在使用電子圍欄、主動(dòng)避障、航路規(guī)劃等手段進(jìn)行無人機(jī)的主動(dòng)碰撞保護(hù)和實(shí)踐。如學(xué)者們對無人機(jī)主動(dòng)避障進(jìn)行了大量的研究和技術(shù)應(yīng)用，雖然這些方法在一定程度上降低了意外碰撞事故的風(fēng)險(xiǎn)，但仍無法保證無人機(jī)永遠(yuǎn)可靠，也無法保證不會(huì)出現(xiàn)不符合無人機(jī)飛行規(guī)定的無意或者惡意“黑飛”現(xiàn)象。

被動(dòng)安全是無人機(jī)安全運(yùn)營的底線，同時(shí)也是其公共安全管理制度制定的出發(fā)點(diǎn)，無人機(jī)的被動(dòng)安全研究是無人機(jī)安全設(shè)計(jì)、評估和管控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其實(shí)質(zhì)是在無人機(jī)各類主動(dòng)安全措施失效的情況下，最大限度地減少被碰撞對象的損傷，主要從無人機(jī)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，關(guān)注無人機(jī)碰撞事件不可避免地發(fā)生之后，應(yīng)該如何最大程度地減少無人機(jī)碰撞傷害，即不傷害被撞擊對象，又能夠在一定程度上保證無人機(jī)下一步的正常使用和可維修性。諸如鳥撞飛機(jī)、冰雹撞擊高鐵等沖擊動(dòng)力學(xué)問題更多地關(guān)注被撞擊對象的能量吸收設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，以確保裝備平臺(tái)和人員的安全，這是由于此類外來撞擊物具有不可設(shè)計(jì)性，而無人機(jī)的碰撞安全問題除了關(guān)注被撞擊對象的損傷外，還可通過無人機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，以及其運(yùn)營條件的限制等，保證相關(guān)方的安全。

航空發(fā)達(dá)國家在無人機(jī)被動(dòng)碰撞安全方面已開展了大量的研究工作，如FAA和EASA分別進(jìn)行了輕小型無人機(jī)運(yùn)營的碰撞安全場景分析和風(fēng)險(xiǎn)評估研究，結(jié)合大量的碰撞試驗(yàn)和數(shù)值分析研究，對無人機(jī)碰撞傷害進(jìn)行了定性和定量評估，并給出了碰撞傷害等級(jí)以及為政府制定運(yùn)營制度提供了數(shù)據(jù)支持。國內(nèi)的中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所(以下簡稱強(qiáng)度所)、西北工業(yè)大學(xué)等也開展了輕小型無人機(jī)碰撞安全技術(shù)研究工作，建立了輕小型無人機(jī)碰撞安全風(fēng)險(xiǎn)分析方法、碰撞安全等效試驗(yàn)方法及損傷評估準(zhǔn)則等，并基于研究成果支撐了輕小型無人機(jī)運(yùn)營安全相關(guān)的國際、國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定。

本文從民用輕小型無人機(jī)碰撞安全技術(shù)研究出發(fā)，首先分析了輕小型無人機(jī)運(yùn)營中的碰撞安全風(fēng)險(xiǎn)誘因，介紹了國內(nèi)外在無人機(jī)機(jī)體“材料/元件-部件-全尺寸機(jī)體”的多層級(jí)碰撞動(dòng)力學(xué)建模和驗(yàn)證方面開展的技術(shù)研究工作。其次，從無人機(jī)碰撞民航飛機(jī)和碰撞人員2類場景出發(fā)，闡述了輕小型無人機(jī)碰撞安全分析和試驗(yàn)技術(shù)的研究進(jìn)展，以及典型的無人機(jī)碰撞安全準(zhǔn)則及損傷分級(jí)方法。最后，對輕小型無人機(jī)碰撞安全研究的現(xiàn)狀進(jìn)行了小結(jié)，并對下一步技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 民用輕小型無人機(jī)碰撞安全風(fēng)險(xiǎn)

1.1 民用輕小型無人機(jī)碰撞安全風(fēng)險(xiǎn)誘因

民用輕小型無人機(jī)的碰撞安全誘因主要包括以下方面：

1) 技術(shù)故障，如無人機(jī)的傳感器故障導(dǎo)致功能失靈、通信故障導(dǎo)致鏈路丟失等技術(shù)原因致使發(fā)生無人機(jī)被動(dòng)碰撞事故。澳洲皇家墨爾本理工大學(xué)的一項(xiàng)研究顯示，無人機(jī)事故頻發(fā)的罪魁禍?zhǔn)资羌夹g(shù)故障，而非操作失誤。研究小組分析了在澳大利亞發(fā)生的超過150起無人機(jī)事故，發(fā)現(xiàn)其中64%的事故是由無人機(jī)失靈造成的。

2) 人為操作失誤或受到干擾，由于輕小型無人機(jī)易獲得，飛手準(zhǔn)入門檻低，水平參差不齊，人為操作失誤引起無人機(jī)炸機(jī)、意外跌落造成碰撞安全事件。另外，網(wǎng)絡(luò)攻擊和第三方干預(yù)犯罪活動(dòng)可能將無人機(jī)用作飛行導(dǎo)彈或在人口稠密地區(qū)用作危險(xiǎn)載荷源。

3) 復(fù)雜運(yùn)營環(huán)境影響，如惡劣天氣可能導(dǎo)致無人機(jī)損壞或影響其飛行路徑，復(fù)雜城市場景下超視距使用造成被動(dòng)碰撞，以及與地面交通運(yùn)輸工具、其他飛行器運(yùn)營線路發(fā)生交叉時(shí)導(dǎo)致無人機(jī)碰撞事件等。

1.2 碰撞安全危害典型情況

1.2.1 對地面人員造成碰撞安全危害

當(dāng)輕小型無人機(jī)因自身系統(tǒng)不可靠“炸機(jī)跌落”或在城市人員密集環(huán)境穿越飛行碰撞到地面人員時(shí)，人體的頭部、面部和上軀干是遭受碰撞的危險(xiǎn)部位，主要由無人機(jī)碰撞動(dòng)能導(dǎo)致人體沖擊損傷，此類屬于鈍性傷害。以2 kg重的輕小型無人機(jī)為例，不考慮其垂直和水平的耦合運(yùn)動(dòng)影響，從20余米高處跌落或以20 m/s水平飛行速度撞擊到人體，分別產(chǎn)生約400 J的碰撞能量，在不考慮無人機(jī)結(jié)構(gòu)平臺(tái)撞擊過程能量耗散的前提下，碰撞能量的較大部分將被人體吸收，人體將極可能導(dǎo)致嚴(yán)重傷害。

同時(shí)，對于旋翼類輕小型無人機(jī)，與人體接觸過程中，由塑料或復(fù)合材料制成的高速旋轉(zhuǎn)葉片對人體造成穿刺性傷害或割傷，此類屬于對人體的銳性傷害。人體面部、頸部及手臂等部位是遭受無人機(jī)銳性傷害的危險(xiǎn)部位。圖1為典型的輕小型無人機(jī)碰撞人員損傷案例。

圖1 無人機(jī)碰撞地面人員事件[24]Fig.1 Incident of collision with ground personnel by UAVs[24]

1.2.2 對其他交通運(yùn)輸工具造成碰撞安全危害

輕小型無人機(jī)的使用高度一般在100 m以下，其與民航飛機(jī)在起飛和降落階段具有使用空域的交叉性，且該區(qū)域內(nèi)航線復(fù)雜，民航客機(jī)飛行密度高，盡管法律規(guī)章明確禁止在機(jī)場附近空域進(jìn)行無人機(jī)飛行，但鑒于部分無人機(jī)使用者法律意識(shí)淡薄等因素影響，無人機(jī)干擾民航飛機(jī)飛行事件仍頻繁發(fā)生，國內(nèi)已有多家機(jī)場發(fā)生無人機(jī)入侵機(jī)場凈空保護(hù)區(qū)的事件，2017年4月，成都雙流機(jī)場連續(xù)發(fā)生5起無人機(jī)空中接近民機(jī)事件，造成大量航班備降。據(jù)報(bào)道，國外已發(fā)生數(shù)起無人機(jī)碰撞民航客機(jī)的事件，如圖2所示。與鳥撞飛機(jī)類似，民航飛機(jī)的雷達(dá)罩、風(fēng)擋玻璃、機(jī)翼和發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等部位都是易遭受無人機(jī)碰撞的敏感區(qū)域。相較鳥撞飛機(jī)，無人機(jī)碰撞民航飛機(jī)結(jié)構(gòu)除了關(guān)注撞擊部位的結(jié)構(gòu)損傷外，還需關(guān)注無人機(jī)電池碰撞起火或燃爆對引起的二次破壞效應(yīng)。另外，諸如無人機(jī)電機(jī)等剛性部件與民航飛機(jī)結(jié)構(gòu)的碰撞能量吸收問題也需進(jìn)行針對性的評估。

圖2 無人機(jī)與民航飛機(jī)碰撞事件[26]Fig.2 Incident of collision with civil aircraft by UAVs[26]

近年來，出現(xiàn)了無人機(jī)碰撞汽車、高鐵、地鐵等地面交通運(yùn)輸工具的事件，如無人機(jī)與汽車發(fā)生碰撞事件后的責(zé)任劃分問題也屢見報(bào)端，無人機(jī)與地面交通運(yùn)輸工具的碰撞安全問題也受到廣泛的關(guān)注。

1.2.3 對關(guān)鍵高價(jià)值設(shè)施造成碰撞安全危害

按照飛行方式劃分，輕小型無人機(jī)一般分為遙控式和自主航行式，特別是在城市密集環(huán)境飛行時(shí)，一旦發(fā)生飛行故障，有可能導(dǎo)致無人機(jī)失去控制，撞擊到高價(jià)值設(shè)施，尤其政府敏感設(shè)施遭受無人機(jī)有意或無意的入侵后，造成隱私泄露成為安全風(fēng)險(xiǎn)的主要關(guān)注要點(diǎn)。

2 無人機(jī)機(jī)體及關(guān)鍵部件碰撞動(dòng)力學(xué)分析與驗(yàn)證

輕小型無人機(jī)與目標(biāo)物發(fā)生碰撞后，無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變形甚至失效，電池等關(guān)鍵部件在碰撞過程存在破裂甚至著火風(fēng)險(xiǎn)，因此，無人機(jī)機(jī)體及部件的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為是研究其碰撞安全特性的關(guān)鍵，一般通過無人機(jī)機(jī)體“材料/元件-部件-全尺寸機(jī)體”的多層級(jí)試驗(yàn)和分析相結(jié)合的方法開展研究。其中，材料/元件級(jí)對象主要是無人機(jī)機(jī)體使用的金屬、塑料、復(fù)合材料等，結(jié)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)及本構(gòu)的表征，獲得無人機(jī)機(jī)體材料在碰撞載荷下的本構(gòu)方程和動(dòng)態(tài)參數(shù)，為無人機(jī)結(jié)構(gòu)碰撞分析提供準(zhǔn)確的輸入?yún)?shù)；部件級(jí)對象主要是無人機(jī)機(jī)體組件、電機(jī)、電池、槳葉、起落架等，主要通過試驗(yàn)和分析相結(jié)合的研究手段評估各部件在碰撞載荷下的能量吸收特性及失效模式，并為全機(jī)碰撞評估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；全尺寸機(jī)體的研究對象為無人機(jī)整機(jī)，一般通過開展無人機(jī)整機(jī)跌落或水平碰撞剛性靶板的試驗(yàn)和分析研究，對無人機(jī)的碰撞吸能特性進(jìn)行集成評估。美國FAA無人機(jī)安全聯(lián)盟(Alliance for System Safety of UAS through Research Excellence，ASSURE)以大疆精靈系列四旋翼無人機(jī)為研究對象，開展了各層級(jí)對象的碰撞試驗(yàn)與分析工作，見圖3，并通過經(jīng)驗(yàn)證的分析方法對無人機(jī)碰撞民航客機(jī)及人員進(jìn)行了評估。

圖3 ASSURE開展的無人機(jī)碰撞研究[29]Fig.3 UAVs collision by ASSURE[29]

采用多層級(jí)逐級(jí)確認(rèn)和驗(yàn)證(Validation and Verification, V&V)的方式進(jìn)行了無人機(jī)碰撞動(dòng)力學(xué)研究工作，如圖4所示，分別通過高速液壓伺服材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了塑料、復(fù)合材料等無人機(jī)機(jī)體材料的動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)與本構(gòu)表征研究；在部件層級(jí)進(jìn)行了無人機(jī)電池、電機(jī)等部件的碰撞剛性靶板試驗(yàn)；在全尺寸層級(jí)進(jìn)行了無人機(jī)整機(jī)的水平碰撞試驗(yàn)和跌落試驗(yàn)。同時(shí)，在各個(gè)對象層級(jí)均建立碰撞動(dòng)力學(xué)模型和分析方法，進(jìn)行與物理試驗(yàn)的對比。

圖4 無人機(jī)碰撞逐級(jí)驗(yàn)證Fig.4 Step-by-step verification of UAVs collision

對無人機(jī)結(jié)構(gòu)采取逆向建模等合理的建模策略，是開展無人機(jī)碰撞分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。建模過程一般包括機(jī)體使用材料識(shí)別、零組件測繪、建立裝配關(guān)系、模型定義以及模型的確認(rèn)和驗(yàn)證等，如圖5所示。

圖5 無人機(jī)逆向建模流程Fig.5 Process of UAVs reverse modeling

強(qiáng)度所以三型輕小型無人機(jī)為應(yīng)用對象，見表1，建立了經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的無人機(jī)結(jié)構(gòu)碰撞分析模型，碰撞分析與試驗(yàn)結(jié)果失效模式一致，最大沖擊載荷峰值分析模型結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差在10%以內(nèi)。

表1 典型輕小型無人機(jī)結(jié)構(gòu)模型Table 1 Typical light and small UAVs structural model

無人機(jī)整機(jī)的精細(xì)化逆向建模具有與真機(jī)一致性好的優(yōu)點(diǎn)，但模型的建立過程需要分別進(jìn)行元件、部件、整機(jī)的有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證工作，驗(yàn)證成本高，同時(shí)為了保證無人機(jī)的連接真實(shí)性，需要對模型建立較多的連接關(guān)系來滿足連接一致性，在仿真計(jì)算過程中常常需要質(zhì)量縮放等操作來約束計(jì)算步長，不得已在計(jì)算效率和精度方面進(jìn)行取舍，學(xué)者們提出了對無人機(jī)模型進(jìn)行簡化建模。

Meng等在無人機(jī)精細(xì)化建模的基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕鐖D6所示，在整體結(jié)構(gòu)上采用逆向建模與真實(shí)無人機(jī)保持一致，簡化了次要部件及其幾何特征，其中電機(jī)、電池、攝像頭等均簡化為實(shí)體，采用該建模方法在整體上對無人機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，但在細(xì)節(jié)集中質(zhì)量部件上的性能具有差異性。

圖6 Meng等提出的無人機(jī)簡化建模[30]Fig.6 UAVs simplified modeling proposed by Meng et al.[30]

代爾夫特理工大學(xué)Rattanagraikanakorn等對大疆精靈3無人機(jī)進(jìn)行了簡化建模，該模型由7組實(shí)體模塊組成，如圖7所示，各實(shí)體采用橢球面表征，用于無人機(jī)的外表面接觸檢測，使用力穿透接觸模型模擬表面間的相互作用，并采用運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)節(jié)將各實(shí)體連接在一起，同時(shí)固定每個(gè)實(shí)體的相應(yīng)自由度，以約束各個(gè)實(shí)體運(yùn)動(dòng)，該簡化模型保留了無人機(jī)結(jié)構(gòu)的主要特征。

圖7 代爾夫特理工大學(xué)提出的無人機(jī)簡化建模[31]Fig.7 UAVs simplified modeling proposed by Delft University of Technology[31]

南陽理工大學(xué)Liu等對無人機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了逆向測繪重構(gòu)，在外形上舍棄了復(fù)雜的曲面和肋結(jié)構(gòu)，簡化了無人機(jī)的連接方式，僅保留主體結(jié)構(gòu)的剛度特征，如圖8所示。此建模方法忽略了無人機(jī)結(jié)構(gòu)的連接方式等細(xì)節(jié)特征，尤其在無人機(jī)低速碰撞分析時(shí)計(jì)算精度明顯不足。

圖8 南洋理工大學(xué)提出的無人機(jī)簡化建模[32]Fig.8 UAVs simplified modeling proposed by Nanyang Technological University[32]

3 民用輕小型無人機(jī)碰撞安全分析

3.1 無人機(jī)碰撞民航飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)

相較于鳥撞飛機(jī)而言，無人機(jī)作為碰撞有人飛機(jī)的外來物是可設(shè)計(jì)的，即可通過無人機(jī)自身結(jié)構(gòu)的能量吸收設(shè)計(jì)減緩對民航飛機(jī)的碰撞損傷，以保障乘員和民航飛機(jī)的安全。同時(shí)，由于無人機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，在高速撞擊飛機(jī)結(jié)構(gòu)過程中，無人機(jī)并不會(huì)像鳥體的撞擊呈現(xiàn)流體特性，相同撞擊能量的鳥體和無人機(jī)，其對同一結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的撞擊損傷是不同的。因此，通過分析方法確定無人機(jī)碰撞民機(jī)典型結(jié)構(gòu)造成的損傷程度閾值，以支撐民機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)邊界的制定是十分必要的。

ASSURE開展了輕小型無人機(jī)碰撞民航飛機(jī)不同結(jié)構(gòu)部位的損傷分析，分析工況包括重量為1.2 kg的四旋翼無人機(jī)和重量為1.8 kg的固定翼無人機(jī)以128.6 m/s撞擊水平/垂直安定面、機(jī)翼前緣、風(fēng)擋玻璃等部位，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)不可接受的碰撞損壞是由硬度相對較大的無人機(jī)部件(如電池、電機(jī)、攝像頭等)撞擊造成的，結(jié)合與鳥體撞擊的對比分析，指出質(zhì)量更為密集、剛性較大的無人機(jī)碰撞導(dǎo)致了民航飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷的加劇。

Meng等以民航飛機(jī)作為碰撞對象，基于PAM-CRASH軟件分別對無人機(jī)和鳥碰撞飛機(jī)機(jī)翼前緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬，如圖9所示，研究結(jié)果與ASSURE結(jié)論一致，即巡航速度下無人機(jī)撞擊產(chǎn)生比同重量鳥撞更嚴(yán)重的損傷后果，影響碰撞損傷的決定性因素是無人機(jī)集中質(zhì)量部件的硬度而不是動(dòng)能，同時(shí)，無人機(jī)鋰電池在撞擊后可能發(fā)生著火風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 無人機(jī)碰撞與鳥撞飛機(jī)結(jié)構(gòu)對比[30]Fig.9 Comparison of UAVs and bird impact aircraft structure[30]

Lu等開展了四旋翼無人機(jī)與民航飛機(jī)風(fēng)擋玻璃碰撞仿真研究，見圖10，評估了飛機(jī)風(fēng)擋玻璃在各種條件下受到無人機(jī)撞擊后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和損傷，研究結(jié)果表明，無人機(jī)的撞擊角度、速度、結(jié)構(gòu)形式等對飛機(jī)風(fēng)擋玻璃的損傷模式有顯著影響，相同撞擊能量的無人機(jī)造成的風(fēng)擋玻璃損傷比鳥撞要更為嚴(yán)重。

圖10 無人機(jī)撞擊風(fēng)擋玻璃分析[34]Fig.10 UAVs impact on windshield[34]

3.2 無人機(jī)碰撞人員

ASSURE于2016年開始對無人機(jī)碰撞人員進(jìn)行有限元分析研究，如圖11所示。其研究主要分為2個(gè)階段，第1階段重點(diǎn)關(guān)注多旋翼無人機(jī)和固定翼無人機(jī)撞擊人體頭部和前胸部造成的損傷定性評估，其中，在仿真模型中，碰撞人體頭部分析時(shí)，顱骨采取高保真模型，而碰撞人體前胸部分析時(shí)，采取剛性假人模型，獲得了無人機(jī)的結(jié)構(gòu)特征(如結(jié)構(gòu)形式、材料類型等)以及碰撞工況(碰撞角度、碰撞速度、碰撞位置等)對人體造成撞擊損傷的影響規(guī)律，結(jié)果表明無人機(jī)采用輕質(zhì)、低剛度、壁厚更小的材料時(shí)，將會(huì)減少對人體的碰撞損傷和能量傳遞。ASSURE第2階段則結(jié)合無人機(jī)碰撞假人試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對無人機(jī)、假人模型進(jìn)行了標(biāo)定和試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖12所示，對無人機(jī)碰撞假人進(jìn)行了定性和定量相結(jié)合的評估，通過分析獲得了人體遭受碰撞后腦損傷的壓力和應(yīng)變響應(yīng)、顱骨模型在受到撞擊后的局部變形數(shù)據(jù)等，并結(jié)合人員碰撞損傷準(zhǔn)則建立了損傷等級(jí)評價(jià)方法。無人機(jī)碰撞安全分析工作的結(jié)果被用于優(yōu)化輕小型無人機(jī)碰撞試驗(yàn)矩陣的制定，從而降低了物理試驗(yàn)的成本。

圖11 無人機(jī)碰撞人體分析(ASSURE第1階段)[35]Fig.11 UAVs collision on human body (the first stage research of ASSURE) [35]

圖12 無人機(jī)碰撞人體分析(ASSURE第2階段)[36]Fig.12 UAVs collision on human body (the second stage research of ASSURE) [36]

2017年南洋理工大學(xué)Low等通過無人機(jī)碰撞人員分析，見圖13，指出雖然法規(guī)對民用輕小型無人機(jī)使用的飛行高度、飛行速度等參數(shù)進(jìn)行限定，但這些限定缺乏科學(xué)研究數(shù)據(jù)的支撐。為此，建立了無人機(jī)對地面人員碰撞的概率方程，研究了高度、重量和空氣阻力等對碰撞速度與能量的影響，給出了無人機(jī)在不同高度，不同阻力系數(shù)下墜落對人員造成致命傷害的概率。他認(rèn)為可通過采用軟質(zhì)材料、輕質(zhì)框架、“彈力”接觸區(qū)域等方案設(shè)計(jì)無人機(jī)，以減小無人機(jī)對人員的損傷程度。

圖13 Low等開展的無人機(jī)碰撞人員分析[37]Fig.13 UAVs collision on human body conducted by Low et al.[37]

強(qiáng)度所、北京交通大學(xué)聯(lián)合開展了輕小無人機(jī)碰撞剛性假人模型，以及碰撞基于解剖學(xué)的高生物逼真度假人模型分析工作，分別考慮了無人機(jī)對人體水平碰撞和垂直跌落碰撞的損傷情況，獲得了無人機(jī)的撞擊姿態(tài)、角度、速度和位置等對人體碰撞損傷的影響規(guī)律，見圖14。以無人機(jī)碰撞人體胸部為例，歸納了人體解剖學(xué)胸部結(jié)構(gòu)特征、在碰撞工況下的損傷類型、人體胸部損傷評價(jià)準(zhǔn)則及不同概率分布下的耐限值，并構(gòu)建和標(biāo)定了高逼真度的人體胸部有限元模型，使用黏性損傷指數(shù)(Viscous Criteria，VC)和胸部綜合損傷指數(shù)(Combined Thoracic Index，CTI)對胸部的碰撞損傷進(jìn)行評價(jià)，發(fā)現(xiàn)在無人機(jī)低速碰撞工況下，胸椎不易發(fā)生損傷，而高速碰撞下，黏性損傷指數(shù)VC會(huì)超出其損傷限值，但胸部綜合損傷指數(shù)CTI卻大多位于損傷限值內(nèi)。

圖14 無人機(jī)撞擊人體仿真分析[39]Fig.14 UAVs collision on human body[39]

4 民用輕小型無人機(jī)碰撞安全試驗(yàn)

4.1 無人機(jī)碰撞民航飛機(jī)試驗(yàn)

無人機(jī)碰撞民航飛機(jī)試驗(yàn)主要通過專用試驗(yàn)設(shè)施模擬無人機(jī)與民航飛機(jī)的高速碰撞，試驗(yàn)需考慮無人機(jī)與民航飛機(jī)的相對運(yùn)動(dòng)，碰撞速度一般在100 m/s以上。

常用的試驗(yàn)方式是地面等效模擬試驗(yàn)，即利用蓄能加速的方式將無人機(jī)加速到目標(biāo)速度，碰撞到目標(biāo)飛機(jī)結(jié)構(gòu)上。如強(qiáng)度所搭建了系列空氣炮試驗(yàn)裝置，見圖15。試驗(yàn)主要過程為將無人機(jī)放置于特制的彈托中，采用氣體推進(jìn)驅(qū)動(dòng)彈托沿炮管加速運(yùn)動(dòng)，脫殼裝置將彈托擋下，使得無人機(jī)以高速向前運(yùn)動(dòng)碰撞至飛機(jī)結(jié)構(gòu)上。強(qiáng)度所以典型飛機(jī)風(fēng)擋玻璃結(jié)構(gòu)為試驗(yàn)對象，開展了輕小型無人機(jī)與鳥體對風(fēng)擋玻璃撞擊損傷的對比性試驗(yàn)研究，見圖16。結(jié)果表明，雖然無人機(jī)和鳥體撞擊都對風(fēng)擋造成了穿透，但損傷模式卻有差別，無人機(jī)偏向于硬質(zhì)物高速撞擊穿透損傷，而鳥體則傾向于大面積撕裂穿透損傷，呈現(xiàn)明顯不同的損傷模式。

圖15 直徑400 mm口徑空氣炮試驗(yàn)裝置Fig.15 Air gun test device with diameter of 400 mm

圖16 無人機(jī)與鳥體碰撞風(fēng)擋玻璃對比試驗(yàn)[27]Fig.16 Comparative test on windshield of UAVs colliding with bird body[27]

另一種地面等效試驗(yàn)?zāi)M方式是加速目標(biāo)飛機(jī)結(jié)構(gòu)，使其撞擊靜止?fàn)顟B(tài)下的無人機(jī)。鄭奎濤等采用火箭撬試驗(yàn)設(shè)施加速大型民機(jī)結(jié)構(gòu)，開展了四旋翼無人機(jī)碰撞民機(jī)風(fēng)擋和水平安定面結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究，見圖17和圖18。無人機(jī)以142 m/s的速度碰撞到風(fēng)擋玻璃后，外層玻璃破碎，但未穿透內(nèi)層玻璃。

圖17 火箭撬試驗(yàn)布局[40]Fig.17 Overall layout of rocket sled test[40]

圖18 火箭撬驅(qū)動(dòng)無人機(jī)碰撞風(fēng)擋試驗(yàn)[40]Fig.18 UAVs collision on windshield test based on rocket sled[40]

4.2 無人機(jī)碰撞人員試驗(yàn)

4.2.1 無人機(jī)鈍性損傷

無人機(jī)存在狀態(tài)失控高空跌落或平飛碰撞地面人員的風(fēng)險(xiǎn)，ASSURE首先對無人機(jī)運(yùn)營狀態(tài)的故障進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，再現(xiàn)其碰撞發(fā)生的誘因，以確定其與地面人員碰撞的邊界條件，再分別采用四旋翼無人機(jī)和固定翼無人機(jī)碰撞Hybrid-III第50百分位假人裝置(Anthropomorphic Test Device，ATD)，通過氣動(dòng)水平?jīng)_擊臺(tái)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的水平加速運(yùn)動(dòng)碰撞人體，通過自由落體實(shí)現(xiàn)無人機(jī)跌落運(yùn)動(dòng)碰撞人體，如圖19所示。并采用假人內(nèi)部的頭部加速度/角速度傳感器、頸部力/力矩傳感器測試碰撞數(shù)據(jù)，結(jié)合人員碰撞損傷準(zhǔn)則進(jìn)行無人機(jī)對人員碰撞安全性的評估，試驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注無人機(jī)的鈍性碰撞損傷，試驗(yàn)中對無人機(jī)的動(dòng)力斷電處理，且拆除旋翼。

圖19 無人機(jī)碰撞ATD試驗(yàn)[35]Fig.19 Test of UAV collision on ATD[35]

ASSURE還開展了人類死后受試者(Post Mortem Human Surrogate,PMHS)的無人機(jī)碰撞試驗(yàn)， 如圖20所示，用來標(biāo)定高生物逼真度假人模型，并且在PMHS內(nèi)部安裝了加速度傳感器，獲取碰撞過程人體的減速度響應(yīng)。同時(shí)，為研究無人機(jī)機(jī)體材料對碰撞響應(yīng)的影響，ASSURE團(tuán)隊(duì)還對比開展了相同質(zhì)量的木塊、鋼塊等碰撞人員試驗(yàn)，結(jié)果表明無人機(jī)對人體的碰撞響應(yīng)相對更小，這是因?yàn)闊o人機(jī)機(jī)身主要由塑料制成，剛度相對更小，致使傳遞到假人頭部和頸部的載荷更少。

圖20 無人機(jī)碰撞PMHS試驗(yàn)[35]Fig.20 Test of UAVs collision on PMHS[35]

美國弗吉尼亞理工大學(xué)通過遙控?zé)o人機(jī)開展了水平飛行碰撞假人試驗(yàn)，遙控?zé)o人機(jī)加速40 m 距離，碰撞Hybrid III假人的頭部，該方法無需依賴專門的試驗(yàn)裝置即可開展試驗(yàn)，但存在碰撞位置和速度控制精度差等缺點(diǎn)，如出現(xiàn)無人機(jī)機(jī)臂側(cè)向碰撞到假人后，使得碰撞姿態(tài)偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致無人機(jī)動(dòng)能沒有傳遞到人體，沒法獲取到人員潛在的嚴(yán)重碰撞損傷。研究團(tuán)隊(duì)也實(shí)施了無人機(jī)垂直跌落試驗(yàn)研究該工況下對假人頭部碰撞的損傷情況，如圖21所示。本試驗(yàn)的目的是評估無人機(jī)運(yùn)營中的突然故障對人類碰撞造成的頭部和頸部傷害風(fēng)險(xiǎn)范圍，通過碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐無人機(jī)安全標(biāo)準(zhǔn)的制定。

圖21 弗吉尼亞理工大學(xué)開展的無人機(jī)碰撞 ATD試驗(yàn)[41]Fig.21 Test of UAVs collision on ATD conducted by Virginia Polytechnic Institute and State University[41]

強(qiáng)度所搭建了輕小型無人機(jī)水平碰撞試驗(yàn)裝置和垂直跌落試驗(yàn)裝置，如圖22所示，并配備有Hybrid-III第50百分位假人、Q6兒童假人，實(shí)施了四旋翼無人機(jī)水平碰撞和垂直跌落碰撞人體試驗(yàn)，試驗(yàn)工況考慮了無人機(jī)的碰撞位置、碰撞能量、撞擊角度等變量，通過試驗(yàn)獲得了人體頭部、頸部及胸部等部位遭受無人機(jī)碰撞后的響應(yīng)數(shù)據(jù)，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)揭示了無人機(jī)碰撞人體損傷的影響規(guī)律，并編制了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

圖22 強(qiáng)度所開展的無人機(jī)碰撞ATD試驗(yàn)Fig.22 Test of UAVs collision on ATD conducted by ASRI

4.2.2 無人機(jī)銳性損傷

旋翼類無人機(jī)運(yùn)行過程中，高速旋轉(zhuǎn)的葉片對人體皮膚造成的刺傷、割傷等銳性損傷是無法忽視的安全風(fēng)險(xiǎn)。ASSURE開展了無人機(jī)葉片銳性損傷人體皮膚的試驗(yàn)研究，主要原理為將仿人皮膚固定于圓柱形手臂模擬件上，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的旋翼葉片安裝在等效質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)載體上，達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，運(yùn)動(dòng)載體帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)葉片切割仿人皮膚，通過測量仿人皮膚的傷口深度、長度和損傷面積等參數(shù)進(jìn)行銳性損傷的評估，試驗(yàn)還可用于驗(yàn)證無人機(jī)葉片防護(hù)機(jī)構(gòu)對銳性損傷防護(hù)的情況，如圖23所示。

圖23 ASSURE開展的無人機(jī)葉片銳性損傷試驗(yàn)[35]Fig.23 Sharp injury test of UAVs blades conducted by ASSURE [35]

強(qiáng)度所分別采用3種方法開展了旋翼無人機(jī)葉片對仿人皮膚的刺傷/割傷試驗(yàn)，如圖24所示。第1種方法通過遙控?zé)o人機(jī)，使其自由水平飛行撞擊仿人皮膚，簡稱自由飛銳性損傷試驗(yàn)；第2種方法將仿人皮膚固定于水平?jīng)_擊滑車臺(tái)臺(tái)架夾具上，將旋翼無人機(jī)懸垂于滑臺(tái)運(yùn)行前方，加速滑車臺(tái)水平運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)仿人皮膚與葉片的刺傷模擬，簡稱基于滑車臺(tái)的銳性刺傷試驗(yàn)；第3種方法通過研制的無人機(jī)葉片刺傷/割傷試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，簡稱專用試驗(yàn)臺(tái)銳性損傷試驗(yàn)，將無人機(jī)固定于試驗(yàn)臺(tái)的夾持釋放工裝中，蓄能裝置驅(qū)動(dòng)將無人機(jī)加速到目標(biāo)速度后，瞬間釋放無人機(jī)，使其葉片對仿人皮膚產(chǎn)生銳性損傷，該方法還可采用抗沖擊電機(jī)帶轉(zhuǎn)旋翼葉片，通過將無人機(jī)重量進(jìn)行等效匹配的方式進(jìn)行碰撞能量的模擬?？傮w而言，以上3種方法均能實(shí)現(xiàn)無人機(jī)銳性損傷的試驗(yàn)?zāi)M，在試驗(yàn)?zāi)M的真實(shí)性、可重復(fù)性及控制精度等方面，采用專用試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行銳性損傷試驗(yàn)的優(yōu)勢更為明顯。

圖24 強(qiáng)度所開展的無人機(jī)葉片銳性損傷試驗(yàn)Fig.24 Sharp injury test of UAVs blades conducted by ASRI

5 無人機(jī)碰撞安全準(zhǔn)則及分級(jí)

5.1 無人機(jī)碰撞民航飛機(jī)損傷準(zhǔn)則及分級(jí)

針對鳥撞民航飛機(jī)事件，各國航空管理部門在適航條例中作出了明確的規(guī)定，如中國民用航空總局制定的《中國民用航空規(guī)章—運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》(CCAR-25-R3)就規(guī)定如風(fēng)擋玻璃、機(jī)翼等結(jié)構(gòu)的抗鳥撞要求，撞擊后必須能夠確保飛機(jī)完成飛行，以確保乘員和飛機(jī)的安全。

無人機(jī)碰撞民航飛機(jī)與鳥撞飛機(jī)具有相似性，如飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗外來物撞擊按照碰撞破損安全理念設(shè)計(jì)，均需結(jié)合碰撞場景和條件，評估飛機(jī)結(jié)構(gòu)的碰撞損傷，實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)都是撞擊事件發(fā)生后，確保飛機(jī)能安全返航，保證乘員和飛機(jī)的安全。相較于鳥撞飛機(jī)，無人機(jī)碰撞民航飛機(jī)的研究也存在需特殊關(guān)注的方面，如輕小型無人機(jī)作為碰撞外來物，可通過無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的吸能設(shè)計(jì)減緩對民航飛機(jī)的碰撞損傷，另外，無人機(jī)內(nèi)部的鋰電池在碰撞事件中，存在電化學(xué)失效，導(dǎo)致著火等風(fēng)險(xiǎn)，這些是鳥撞飛機(jī)等研究中不涉及的。

無人機(jī)碰撞民航飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)的損傷情況與無人機(jī)的類型、碰撞位置、碰撞速度、碰撞姿態(tài)等因素相關(guān)，ASSURE采用經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的分析方法對無人機(jī)碰撞民航飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)損傷等級(jí)進(jìn)行了劃分，如表2所示，通過對140余種無人機(jī)碰撞民機(jī)典型機(jī)翼前緣結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果進(jìn)行歸納，將碰撞損傷劃分為4級(jí)，其中，第1級(jí)碰撞損傷等級(jí)下結(jié)構(gòu)未破損，機(jī)翼前緣蒙皮碰撞區(qū)域結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部塑性變形；第2級(jí)碰撞損傷等級(jí)下機(jī)翼前緣蒙皮未破損，但變形區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)展，機(jī)翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形；第3級(jí)碰撞損傷等級(jí)下機(jī)翼前緣碰撞部位蒙皮出現(xiàn)破損，無人機(jī)進(jìn)入機(jī)翼結(jié)構(gòu)內(nèi)部，但尚未對飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)造成實(shí)質(zhì)損傷；第4級(jí)碰撞損傷等級(jí)下無人機(jī)部件擊穿蒙皮進(jìn)入機(jī)翼內(nèi)部，機(jī)翼主承力結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞破壞。

表2 無人機(jī)碰撞民機(jī)典型結(jié)構(gòu)損傷等級(jí)劃分[9]Table 2 Classification of typical structural damage of UAVs collision civil aircraft[9]

無人機(jī)與飛機(jī)結(jié)構(gòu)碰撞過程中，鋰電池存在熱失穩(wěn)、短路，甚至爆炸等安全風(fēng)險(xiǎn)，這將使得無人機(jī)在撞擊飛機(jī)后發(fā)生更嚴(yán)重的二次傷害。ASSURE將無人機(jī)碰撞后的鋰電池著火風(fēng)險(xiǎn)作為安全評估的主要因素，其碰撞后著火風(fēng)險(xiǎn)如表3所示。研究結(jié)果表明，并非無人機(jī)與民航飛機(jī)的相對碰撞速度越高，鋰電池著火的風(fēng)險(xiǎn)越大，反而是碰撞使鋰電池進(jìn)入民機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，且電池結(jié)構(gòu)一定程度受損，但總體保持結(jié)構(gòu)完整條件下電池著火風(fēng)險(xiǎn)最大。

表3 鋰電池碰撞后著火風(fēng)險(xiǎn)Table 3 Fire risk of lithium battery after collision

5.2 無人機(jī)碰撞人員損傷準(zhǔn)則及分級(jí)

在輕小型無人機(jī)碰撞人員事件中，人員頭部和頸部是較為容易出現(xiàn)損傷的部位，不同部位其損傷準(zhǔn)則也有一定差異。另外，過大的碰撞瞬時(shí)加速度、載荷以及變形會(huì)引起人體鈍性損傷，旋翼類無人機(jī)葉片易導(dǎo)致人員的銳性損傷，對無人機(jī)撞擊人體造成的傷害進(jìn)行評估是其風(fēng)險(xiǎn)評定的關(guān)鍵，目前尚無公認(rèn)的輕小型無人機(jī)碰撞人員損傷分類標(biāo)準(zhǔn)及損傷準(zhǔn)則。

在汽車碰撞及飛機(jī)墜撞的人員保護(hù)方面，已建立了較為完善的人體損傷評估標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)者們嘗試用這些標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于無人機(jī)碰撞人體的損傷評估中。美國醫(yī)學(xué)會(huì)和美國汽車醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)于1976年發(fā)布了簡明創(chuàng)傷分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(Abbreviated Injury Scale，AIS)，其是在數(shù)千例臨床損傷資料基礎(chǔ)上制定，以解剖學(xué)為基礎(chǔ)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，最初僅用于評定交通事故損傷，現(xiàn)已成為全球通用的創(chuàng)傷分級(jí)評定標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)損傷程度，并按照身體部位對每種損傷劃分為6個(gè)等級(jí)，分別對應(yīng)輕度、中度、較重、嚴(yán)重、危重、最高(目前不可救治)。

然而，目前為止，國內(nèi)外尚無碰撞載荷下人體損傷準(zhǔn)則及分級(jí)劃分的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各國研究者針對人體各部位提出了損傷準(zhǔn)則并不斷修正，其原因之一即碰撞載荷下人體耐受極限具有研究難度且需要反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，通常只能采取一些替代品作為試驗(yàn)對象，包括假人、尸體、動(dòng)物和數(shù)值仿真模型等。美國聯(lián)邦航空局于2016年發(fā)布了微型無人機(jī)飛越人群運(yùn)行豁免條件為“無人機(jī)運(yùn)行所造成的等于或大于AIS3級(jí)別傷害的概率應(yīng)低于30%”。

5.2.1 人體鈍性損傷準(zhǔn)則

1) 人體頭部損傷準(zhǔn)則

Versace于1971年提出了人體頭部損傷準(zhǔn)則(Head Injury Criteria，HIC)，是目前較為常用的人員頭部損傷量化評估準(zhǔn)則，規(guī)章中規(guī)定HIC值不得超過1 000。定義為

(1)

式中：為HIC最大值過程中的起始時(shí)刻；為HIC最大值過程中的結(jié)束時(shí)刻；()為碰撞過程中人員頭部質(zhì)心的合成加速度。

另外，頭部3 ms加速度準(zhǔn)則也用于進(jìn)行頭部損傷評價(jià)，該準(zhǔn)則由ECE于1993年提出，指的是碰撞過程的頭部加速度曲線超過某一個(gè)限值的累積時(shí)間不超過3 ms。

2) 人體頸部損傷準(zhǔn)則

Klinich于1996年提出了人體頸部損傷準(zhǔn)則，即準(zhǔn)則，將頸部受載模式定義為4種類型，即拉伸伸展類型、拉伸屈曲類型、壓縮伸展類型和壓縮屈曲類型，限定值為1。

(2)

式中：為頸部軸向力；為頸部彎矩；為頸部軸向力臨界值，其中(拉伸)=6 806 N，(壓縮)=6 160 N；為頸部力矩臨界值，其中(拉伸)=310 N·m,(壓縮)=135 N·m。

3) 人體胸部損傷準(zhǔn)則

Neathery等在1975年提出了人體胸部最大壓縮量準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則采用胸部受到碰撞時(shí)的壓縮量作為安全評估標(biāo)準(zhǔn)，其安全閾值為63 mm。

5.2.2 人體銳性損傷準(zhǔn)則

ASSURE搜集了旋翼無人機(jī)和直升機(jī)葉片銳性傷害人員的案例，并將銳性傷害劃分為6個(gè)等級(jí)，分別為輕微、中等、嚴(yán)重、非常嚴(yán)重、危急和無法存活，如圖25所示(1 in=25.4 mm)，旋翼直徑越大造成的銳性損傷風(fēng)險(xiǎn)也越高。事實(shí)上，銳性損傷與無人機(jī)旋翼葉片的材料類型(如金屬、塑料或復(fù)合材料等)、葉邊倒角、旋轉(zhuǎn)速度以及碰撞人體部位的皮膚特性等參數(shù)也密切相關(guān)。

圖25 無人機(jī)葉片銳性損傷等級(jí)[36]Fig.25 Classification of blade sharp injury damage of UAVs[36]

歐盟參照IEC62368-1將輕小型無人機(jī)旋翼葉片的銳性傷害分為3級(jí)，分別對應(yīng)MS1～MS3，見表4，其中，MS1等級(jí)為葉片不會(huì)造成疼痛或傷害，即不需醫(yī)生或醫(yī)院急救介入；MS2等級(jí)為葉片不會(huì)造成傷害，但存在疼痛風(fēng)險(xiǎn)；MS3等級(jí)為葉片存在造成傷害風(fēng)險(xiǎn)，即醫(yī)生介入或醫(yī)院急救是必要的。并根據(jù)葉片類型、葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)特征對銳性損傷進(jìn)行了量化，以塑料葉片MS1等級(jí)為例，有

表4 葉片銳性損傷分類Table 4 Classification of blade sharp injury damage

(3)

式中：

=6×10

其中：為葉片轉(zhuǎn)速；為葉片運(yùn)動(dòng)零部件(葉片、轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子)質(zhì)量；為葉片從轉(zhuǎn)軸中心線到可能被觸及的外部區(qū)域末端的半徑。

6 總結(jié)與展望

6.1 總 結(jié)

民用輕小型無人機(jī)的被動(dòng)安全是其安全運(yùn)營的底線，是無人機(jī)安全性設(shè)計(jì)、評估和管控制度制定的關(guān)鍵出發(fā)點(diǎn)，也是工程界和學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)問題。輕小型無人機(jī)的碰撞安全問題屬于廣義的外來物撞擊問題，在學(xué)科上屬于沖擊動(dòng)力學(xué)的研究范疇，還涉及生物力學(xué)等多個(gè)學(xué)科的交叉，其主要研究輕小型無人機(jī)與其他交通參與者、使用環(huán)境、公眾之間的相互作用關(guān)系，確保體系的安全運(yùn)行。通過開展該領(lǐng)域研究可提升輕小型無人機(jī)產(chǎn)品的安全特性，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)更好發(fā)展，以及為政府制定無人機(jī)相關(guān)運(yùn)營和監(jiān)管規(guī)章制度提供技術(shù)支持。

民用輕小型無人機(jī)在使用中對地面人員、其他交通運(yùn)輸工具以及高價(jià)值設(shè)施的碰撞是典型的3類碰撞安全場景，碰撞方式主要包括跌落碰撞、平飛碰撞以及垂直/水平耦合碰撞等。2015年以來，以美國ASSURE、強(qiáng)度所等為代表的研究機(jī)構(gòu)逐步開展了卓有成效的無人機(jī)碰撞安全研究工作。

在輕小型無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵部件碰撞動(dòng)力學(xué)分析與驗(yàn)證方面。主要通過無人機(jī)機(jī)體“材料/元件-部件-全尺寸機(jī)體”的多層級(jí)試驗(yàn)和分析相結(jié)合的方法開展研究，獲得高精度的結(jié)構(gòu)碰撞動(dòng)力學(xué)建模和分析方法，并結(jié)合無人機(jī)碰撞場景，采用經(jīng)驗(yàn)證的分析方法評估非試驗(yàn)工況、類似構(gòu)型無人機(jī)的碰撞特性。

在輕小型無人機(jī)碰撞安全分析與試驗(yàn)方面。相同撞擊能量的鳥體和無人機(jī)，其對民航飛機(jī)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的撞擊損傷是不同，分析和試驗(yàn)均表明，無人機(jī)碰撞飛機(jī)結(jié)構(gòu)造成的風(fēng)險(xiǎn)更高。無人機(jī)碰撞人員會(huì)造成鈍性損傷和銳性損傷2種模式，國內(nèi)外通過試驗(yàn)和分析相結(jié)合的方法獲得了無人機(jī)的撞擊姿態(tài)、角度、速度和位置等造成人體損傷的影響規(guī)律?？傮w而言，在無人機(jī)碰撞假人分析和試驗(yàn)方面仍缺少標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，如碰撞分析中假人模型的選取剛性假人模型或高生物逼真度假人模型，以及碰撞人體試驗(yàn)中假人對象的選取ATD假人、仿人皮膚或PMHS等均存在一定的差異。

在無人機(jī)碰撞安全準(zhǔn)則及分級(jí)方面。無人機(jī)碰撞飛機(jī)與鳥撞飛機(jī)具有相似性，研究的目標(biāo)都是撞擊事件發(fā)生后，確保飛機(jī)能安全返航，保證乘員和飛機(jī)的安全。相較于鳥撞飛機(jī)，無人機(jī)碰撞民航飛機(jī)的研究也存在需特殊關(guān)注的方面，如輕小型無人機(jī)作為碰撞外來物，可通過無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的吸能設(shè)計(jì)減緩對民航飛機(jī)的碰撞損傷，另外，無人機(jī)內(nèi)部的鋰電池在碰撞事件中，存在電化學(xué)失效，導(dǎo)致著火等風(fēng)險(xiǎn)，這些是鳥撞飛機(jī)等研究中不涉及的。目前尚無公認(rèn)的輕小型無人機(jī)碰撞人員損傷分類標(biāo)準(zhǔn)及損傷準(zhǔn)則，各國的學(xué)者們大多借鑒汽車碰撞及飛機(jī)墜撞的人體損傷準(zhǔn)則和分級(jí)方法。

6.2 展 望

民用輕小型無人機(jī)碰撞安全特性關(guān)乎到公眾的生命安全、關(guān)乎到無人機(jī)行業(yè)的良性發(fā)展、關(guān)乎到無人機(jī)相關(guān)管理規(guī)定的科學(xué)制定，是政府、工業(yè)方、科研機(jī)構(gòu)以及社會(huì)公眾普遍關(guān)注的焦點(diǎn)問題?？傮w而言，存在以下方面需要繼續(xù)加強(qiáng)研究：

1) 加強(qiáng)無人機(jī)碰撞安全技術(shù)研究，推進(jìn)無人機(jī)行業(yè)和技術(shù)創(chuàng)新的協(xié)同進(jìn)步，為無人機(jī)碰撞安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)營政策法規(guī)的制定和改進(jìn)提供關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

隨著中國民用輕小型無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的快速增長及其應(yīng)用場景的不斷深入，對無人機(jī)安全運(yùn)營的管理法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系需求更為迫切。2017年，工業(yè)和信息化部、國家標(biāo)準(zhǔn)委等八部委聯(lián)合發(fā)布了《無人駕駛航空器系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》(簡稱《指南》)，并于2021年發(fā)布了更新版本，《指南》指出無人機(jī)應(yīng)用廣泛，但是標(biāo)準(zhǔn)體系卻并不完善，導(dǎo)致了產(chǎn)品質(zhì)量缺乏保證，技術(shù)要求難以統(tǒng)一，行業(yè)發(fā)展受限，影響國家安全和公共安全。《指南》明確提出了《民用輕小型無人機(jī)碰撞人員損傷等級(jí)及準(zhǔn)則》《民用輕小型無人機(jī)碰撞安全性試驗(yàn)方法：葉片割傷刺傷試驗(yàn)》等十余項(xiàng)與碰撞安全直接相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)亟待編制。

通過持續(xù)深入開展無人機(jī)碰撞安全研究，一方面可推動(dòng)該領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步，提升無人機(jī)的碰撞安全技術(shù)水平，促進(jìn)無人機(jī)行業(yè)的健康發(fā)展。另一方面基于無人機(jī)碰撞安全試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可為制定系列無人機(jī)碰撞安全相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以及為改進(jìn)無人機(jī)運(yùn)營政策法規(guī)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

2) 持續(xù)構(gòu)建無人機(jī)碰撞安全試驗(yàn)與分析技術(shù)體系，搭建無人機(jī)碰撞安全體系化試驗(yàn)?zāi)芰偷谌綔y試平臺(tái)。

無人機(jī)的碰撞安全技術(shù)研究伴隨著近年來無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式發(fā)展而產(chǎn)生，是沖擊動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域的新問題。同時(shí)，無人機(jī)碰撞安全問題既與其自身動(dòng)力學(xué)特性相關(guān)，又與其碰撞對象(民航飛機(jī)、人員等)密切相關(guān)，雖然中國已初步開展了多層級(jí)、多場景的無人機(jī)碰撞分析和試驗(yàn)研究工作，總體尚未形成體系化的試驗(yàn)?zāi)芰?。借鑒汽車碰撞安全及飛機(jī)墜撞安全等其他行業(yè)的被動(dòng)安全研究經(jīng)驗(yàn)，搭建專門的試驗(yàn)設(shè)施，通過開展無人機(jī)碰撞安全試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)評估與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的符合性是十分重要的。

2017年工業(yè)和信息化部發(fā)布了《關(guān)于促進(jìn)和規(guī)范民用無人機(jī)制造業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》(簡稱《意見》)，《意見》明確了推動(dòng)無人機(jī)產(chǎn)品檢測認(rèn)證，形成民用無人機(jī)產(chǎn)品安全性檢測認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)建立一批具有民用無人機(jī)檢測認(rèn)證資質(zhì)和試驗(yàn)驗(yàn)證水平的專業(yè)服務(wù)機(jī)構(gòu)，滿足行業(yè)發(fā)展需要是無人機(jī)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的主要任務(wù)之一。

3) 結(jié)合無人機(jī)碰撞能量吸收模式和碰撞對象損傷規(guī)律，加強(qiáng)無人機(jī)吸能減傷技術(shù)研究，為提升無人機(jī)碰撞安全特性提供創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。

無人機(jī)被動(dòng)安全設(shè)計(jì)主要是通過對無人機(jī)結(jié)構(gòu)的吸能設(shè)計(jì)(在直接碰撞中減少傳遞到被撞擊對象的能量)和減傷設(shè)計(jì)(在接觸性碰撞中減少對人員的劃傷和擦傷)。

無人機(jī)作為碰撞外來物，其特點(diǎn)之一就是可通過自身的能量吸收設(shè)計(jì)來減緩對被撞對象的碰撞損傷。同時(shí)，可通過對無人機(jī)旋翼葉片的減傷設(shè)計(jì)降低其對人員皮膚的銳性損傷，學(xué)者們提出了對無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)采用柔性防撞設(shè)計(jì)、匹配降落傘減速設(shè)計(jì)，以及加裝槳葉罩或整機(jī)防護(hù)罩等方式進(jìn)行吸能減傷優(yōu)化。就目前的這些設(shè)計(jì)方法而言，雖可一定程度上提高其碰撞安全性能，但大多都存在應(yīng)用局限性，因此，為提升先進(jìn)無人機(jī)的被動(dòng)碰撞安全特性，持續(xù)開展結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法仍是后續(xù)研究的熱點(diǎn)技術(shù)之一。