关键词：小型无人机；有人驾驶飞机；空中相撞
中图分类号：O348，V241 文献标识码：A
引言
随着无人机工业化应用的加速推广及消费领域的需求爆发，我国民用无人机产业近年来得到了迅猛发展，工信部指出，到2025年，我国民用无人机产值将达到1800亿元。民用无人机在民用领域的应用越来越广泛，但不同种类无人机其安全性能不明确，尤其轻小型无人机，体积小，重量小，速度高，不易发觉，给民用航空飞机、地面人员、地面运载工具、敏感/高危建筑物等带来极大的安全隐患，由此所致的安全问题也受到了政府和公众的密切关注。
美国联邦航空管理局（FAA）统计数据表明无人机和飞机危险接近/撞击事件从2014年之后就逐年飙升，截止2016年8月开始一共就已多达650起，同时关于无人机撞击伤人、撞车、撞击敏感建筑物的事件也屡见不鲜。民用无人机使用中的碰撞安全问题重点关注无人机与其他交通（如民航飞机、地面高速运载交通工具）、公众以及使用环境等各方面的相互作用关系，确保整个体系的安全及有序运行。欧洲航空安全局（EASA）统计了2010-2016年欧洲范围内的无人机碰撞事件与险些碰撞事件近1000起，其中有3起已确认为无人机碰撞的事件，并造成不同程度的结构损伤和经济损失。
无人机空中相撞和地面撞击是无人机可能引发的主要危害，其中无人机与有人驾驶的飞机之间的空中相撞是为确保航空安全首要关注的。无人机都会有锂离子电池，假如电池进入发动机的燃烧室中，内部的物质会被点燃，后果不堪设想。如果是撞在挡风玻璃上，也会造成很大程度的伤害，甚至可能是人员伤亡。如果飞机的时速在300公里/小时，与5公斤级无人机相撞将产生7万牛顿的冲击力。
飞机的雷达无法准确的探测到这些物体和它们所处的位置，所以不能够从远程进行防范。当飞行员通过肉眼看到这些物体的时候，距离已经非常近了，危险也非常近了。就拿大疆的御来说，最快飞行速度只有65km/h，而客机的进场速度高达260km/h，飞行一公里的时间仅需要13秒。况且驾驶民航客机的老司机想要在天上看到这台无人机，距离至少300米以上内。如果飞行员真的看到了无人机，想要躲开基本是不可能的。300米的距离留给飞行员的反应时间和机动时间只有4秒，即使飞行员能够发现无人机并及时做出判断，客机也不能保证能够顺利规避它。
图3 无人机撞击飞机机翼前缘
3） 2016年11月11日上午，阿根廷航空1865航班飞机在降落到布宜诺斯艾利斯室机场过程中与一架无人机相撞，幸好飞机最终安全着陆，无人受伤。飞机前部受轻伤，降落后，机组表示，这次撞到了机鼻，如果撞到了发动机，就可能导致发动机停车。随后，当地媒体公布了驾驶员与塔台工作人员的通话记录。通话记录显示，飞行员表示，在周三前同一地点也曾遇到过无人机，但当时并没有相撞。
4） 2017年4月18日凌晨，英国航空公司BA727号航班的一名飞行员向警方报告称，他认为自己所驾驶飞机在降落伦敦希思罗机场时与一架无人机发生了碰撞。警方事后调查发现飞机前部确实有撞击痕迹，并认为造成事故的原因极有可能是无人机。
近年来，中国无人机的使用越来越频繁，无人机受到发烧友的钟爱，往往在使用时不分区域，不分范围，特别是在民用机场上空及附近区域飞行，对航班安全构成严重威胁。国内还没有真正发生撞机的案例，只是发生了很多起影响机场安全运行的事件，以及违法航拍航空器等“临界事故“在我国今年上半年，民航局共收到无人机影响航班运行报告44起，同比增加37起，受影响航班790班，同比增加689班。
1.无人机对飞机的危险部位 3无人机撞击关键因素分析
4.1 速度和质量（动能）的影响
通过组件级别的测试和无人机模拟参数的研究验证了飞机受到损伤的程度随着速度和质量（动能）的增加而增大。
4.2 组件的刚度
元器件级别的测试表明，像电机这样的硬件可能会对飞机结构造成严重的损伤。测试显示当马达（64克）以250节的速度撞击1.6毫米铝板时，能够将其穿透。全尺寸无人机模拟证实了大部分的飞机结构的损坏是由更硬的组件如：电池，电机，装载设备等造成的。
4.3 质量的分布和连接
在无人机设计过程中，质量和刚度的分布对能量的传递至关重要。
随着分布质量的集中，临界损伤的概率便会增加。当大部分的质量与冲击方向一致时，就会产生临界损伤。
4.4 能量吸收能力
分析和试验研究表明设计包含有吸能部件（材料或者结构特征）的无人机可以减少对被撞击飞机的伤害。
4无人机和飞机碰撞评估标准
5.1 损伤等级划分
第一级损伤：最低的伤害类别，通常对应于最小量的局部损伤。
第二级损伤：对飞机外表面有明显的可见损伤，虽然没有明显的表皮破裂，但是可能有一些内部部件损坏。
第三级损伤：用于描述撞击事故，飞机的外表面受到了一定程度的损伤，可能导致有外部物体进入机身，对子结构造成一些损伤。
第四级损伤：该等级包括所有上述方面的损害并且对内部组件的广泛损害，并且可能对部分主要结构造成损害。
4.2无人机对飞机不同部位撞击损伤示例
系列研究表明，客机与1.2千克（2.7磅）四轴无人机或1.8千克（4.0磅）固定翼无人机以128.6米/秒的速度进行空中碰撞可能导致平尾和垂尾的中高危险等级（3-4级）损伤、机翼前缘中等危险等级（2-3级）损伤以及挡风玻璃的较低危险等级（2级）损伤。
图9 商用喷气式飞机碰撞后的损伤程度
6 结论
目前国内对于小型无人机与有人驾驶飞机之间空中撞击问题的研究正处于起步阶段，本文针对其中的几个关键技术问题进行了探讨，后续的研究可以重点考虑以下几个方面：
1. 建立材料-元件-部件-整机的积木式无人机碰撞特性试验与分析体系，形成规范的无人机碰撞动力学建模与分析方法，揭示无人机结构的碰撞损伤模式与失效机理，同时对无人机电池系统高速碰撞下的着火特性进行评估与验证。
2.评估锂电池对结构和旋转部件的碰撞行为以及它们被喷气发动机吸入的可能性，解决电池爆炸、着火和空气污染的风险。
3.确定无人机和载人飞机之间碰撞的危险严重性阀值和无人机威胁飞机关键部件的影响参数，利用现有计算和软件能力对其进行风险评估。
参考文献
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论文作者:王亚锋1 牛奕涵2,郭亚洲1
论文发表刊物:《科技中国》2018年5期
论文发表时间:2018/8/10
标签：无人机论文; 飞机论文; 损伤论文; 飞行员论文; 危险论文; 结构论文; 部件论文; 《科技中国》2018年5期论文;