白春玉，郭亞周，劉小川，王亞鋒，王計真，秦慶華,*

1.西安交通大學 航天航空學院 機械結(jié)構(gòu)強度與振動國家重點實驗室，西安 710049 2.中國飛機強度研究所 結(jié)構(gòu)沖擊動力學航空科技重點實驗室，西安 710065

近年來，中國無人機(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與消費者需求、工業(yè)需求緊密相關，在個人娛樂、農(nóng)林植保、物流、巡檢、安防、測繪等領域獲得了深度應用，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，輕小型無人機逐漸成為熱點電子消費產(chǎn)品，預計近十年左右輕小型無人機將步入發(fā)展的黃金時期。

隨著無人機在城市公共空間的深度應用，其安全運營問題受到越來越廣泛的重視。特別是輕小型無人機制造門檻相對低、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，由于其與人類活動空間、民航飛機運營等有較大的交叉性，輕小型無人機的碰撞安全問題一旦發(fā)生，輕則造成財產(chǎn)損失，重則造成人員傷亡，影響社會秩序，已成為公眾和政府高度關注的事件。據(jù)報道，2015年僅半年美國即發(fā)生無人機安全事故583起。

目前，世界各國和地區(qū)都在積極探索無人機的管理制度。據(jù)不完全統(tǒng)計，歐盟18個成員國和美、日、加等約30多個國家均頒布了無人機管理法規(guī)。國外發(fā)達國家和國際民航組織都在尋求加強技術(shù)更新、完善管理制度、出臺相應規(guī)范等措施，推動無人機產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展和安全運營。如歐盟無人機規(guī)章聯(lián)合制定機構(gòu)(Joint Authorities for Rule-making on Unmanned Systems，JARUS)發(fā)布了關于無人機的特定運營風險評估文件(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進行安全風險評估，簡化評估工作流程。美國聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA)出臺了關于小型無人機法規(guī)(第107部)，對無人機的安全運營管理、分類模式等進行了規(guī)定。

中國從無人機產(chǎn)業(yè)發(fā)展和安全運營需求出發(fā)，也出臺了一系列的管理規(guī)章和指導意見，如《基于運行風險的無人機適航審定指導意見》《關于促進和規(guī)范民用無人機制造業(yè)發(fā)展的指導意見》等，綜合對低、慢、小無人機使用實施放管結(jié)合的細化分類管理，進一步維護輕小型無人機的安全運營秩序。

在加強輕小型無人機監(jiān)管的要求下，更要加強無人機安全體系建設，總體而言，無人機安全體系建設主要體現(xiàn)在以下4個方面：除了前述提到的規(guī)章制度外，還有主動安全、被動安全和運營支持。其中，運營支持方面主要體現(xiàn)在針對用戶進行飛行技能培訓、提供指導手冊等。主動安全方面主要體現(xiàn)在使用電子圍欄、主動避障、航路規(guī)劃等手段進行無人機的主動碰撞保護和實踐。如學者們對無人機主動避障進行了大量的研究和技術(shù)應用，雖然這些方法在一定程度上降低了意外碰撞事故的風險，但仍無法保證無人機永遠可靠，也無法保證不會出現(xiàn)不符合無人機飛行規(guī)定的無意或者惡意“黑飛”現(xiàn)象。

被動安全是無人機安全運營的底線，同時也是其公共安全管理制度制定的出發(fā)點，無人機的被動安全研究是無人機安全設計、評估和管控的關鍵環(huán)節(jié)之一，其實質(zhì)是在無人機各類主動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，主要從無人機的結(jié)構(gòu)出發(fā)，關注無人機碰撞事件不可避免地發(fā)生之后，應該如何最大程度地減少無人機碰撞傷害，即不傷害被撞擊對象，又能夠在一定程度上保證無人機下一步的正常使用和可維修性。諸如鳥撞飛機、冰雹撞擊高鐵等沖擊動力學問題更多地關注被撞擊對象的能量吸收設計和驗證，以確保裝備平臺和人員的安全，這是由于此類外來撞擊物具有不可設計性，而無人機的碰撞安全問題除了關注被撞擊對象的損傷外，還可通過無人機結(jié)構(gòu)的安全性設計和驗證，以及其運營條件的限制等，保證相關方的安全。

航空發(fā)達國家在無人機被動碰撞安全方面已開展了大量的研究工作，如FAA和EASA分別進行了輕小型無人機運營的碰撞安全場景分析和風險評估研究，結(jié)合大量的碰撞試驗和數(shù)值分析研究，對無人機碰撞傷害進行了定性和定量評估，并給出了碰撞傷害等級以及為政府制定運營制度提供了數(shù)據(jù)支持。國內(nèi)的中國飛機強度研究所(以下簡稱強度所)、西北工業(yè)大學等也開展了輕小型無人機碰撞安全技術(shù)研究工作，建立了輕小型無人機碰撞安全風險分析方法、碰撞安全等效試驗方法及損傷評估準則等，并基于研究成果支撐了輕小型無人機運營安全相關的國際、國家和行業(yè)標準的制定。

本文從民用輕小型無人機碰撞安全技術(shù)研究出發(fā)，首先分析了輕小型無人機運營中的碰撞安全風險誘因，介紹了國內(nèi)外在無人機機體“材料/元件-部件-全尺寸機體”的多層級碰撞動力學建模和驗證方面開展的技術(shù)研究工作。其次，從無人機碰撞民航飛機和碰撞人員2類場景出發(fā)，闡述了輕小型無人機碰撞安全分析和試驗技術(shù)的研究進展，以及典型的無人機碰撞安全準則及損傷分級方法。最后，對輕小型無人機碰撞安全研究的現(xiàn)狀進行了小結(jié)，并對下一步技術(shù)發(fā)展進行了展望。

1 民用輕小型無人機碰撞安全風險

1.1 民用輕小型無人機碰撞安全風險誘因

民用輕小型無人機的碰撞安全誘因主要包括以下方面：

1) 技術(shù)故障，如無人機的傳感器故障導致功能失靈、通信故障導致鏈路丟失等技術(shù)原因致使發(fā)生無人機被動碰撞事故。澳洲皇家墨爾本理工大學的一項研究顯示，無人機事故頻發(fā)的罪魁禍首是技術(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起無人機事故，發(fā)現(xiàn)其中64%的事故是由無人機失靈造成的。

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

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

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

當輕小型無人機因自身系統(tǒng)不可靠“炸機跌落”或在城市人員密集環(huán)境穿越飛行碰撞到地面人員時，人體的頭部、面部和上軀干是遭受碰撞的危險部位，主要由無人機碰撞動能導致人體沖擊損傷，此類屬于鈍性傷害。以2 kg重的輕小型無人機為例，不考慮其垂直和水平的耦合運動影響，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，在不考慮無人機結(jié)構(gòu)平臺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，人體將極可能導致嚴重傷害。

同時，對于旋翼類輕小型無人機，與人體接觸過程中，由塑料或復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銳性傷害的危險部位。圖1為典型的輕小型無人機碰撞人員損傷案例。

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

1.2.2 對其他交通運輸工具造成碰撞安全危害

輕小型無人機的使用高度一般在100 m以下，其與民航飛機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)航線復雜，民航客機飛行密度高，盡管法律規(guī)章明確禁止在機場附近空域進行無人機飛行，但鑒于部分無人機使用者法律意識淡薄等因素影響，無人機干擾民航飛機飛行事件仍頻繁發(fā)生，國內(nèi)已有多家機場發(fā)生無人機入侵機場凈空保護區(qū)的事件，2017年4月，成都雙流機場連續(xù)發(fā)生5起無人機空中接近民機事件，造成大量航班備降。據(jù)報道，國外已發(fā)生數(shù)起無人機碰撞民航客機的事件，如圖2所示。與鳥撞飛機類似，民航飛機的雷達罩、風擋玻璃、機翼和發(fā)動機葉片等部位都是易遭受無人機碰撞的敏感區(qū)域。相較鳥撞飛機，無人機碰撞民航飛機結(jié)構(gòu)除了關注撞擊部位的結(jié)構(gòu)損傷外，還需關注無人機電池碰撞起火或燃爆對引起的二次破壞效應。另外，諸如無人機電機等剛性部件與民航飛機結(jié)構(gòu)的碰撞能量吸收問題也需進行針對性的評估。

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

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

1.2.3 對關鍵高價值設施造成碰撞安全危害

按照飛行方式劃分，輕小型無人機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，一旦發(fā)生飛行故障，有可能導致無人機失去控制，撞擊到高價值設施，尤其政府敏感設施遭受無人機有意或無意的入侵后，造成隱私泄露成為安全風險的主要關注要點。

2 無人機機體及關鍵部件碰撞動力學分析與驗證

輕小型無人機與目標物發(fā)生碰撞后，無人機機體結(jié)構(gòu)會發(fā)生變形甚至失效，電池等關鍵部件在碰撞過程存在破裂甚至著火風險，因此，無人機機體及部件的動態(tài)力學行為是研究其碰撞安全特性的關鍵，一般通過無人機機體“材料/元件-部件-全尺寸機體”的多層級試驗和分析相結(jié)合的方法開展研究。其中，材料/元件級對象主要是無人機機體使用的金屬、塑料、復合材料等，結(jié)合材料動態(tài)力學性能試驗及本構(gòu)的表征，獲得無人機機體材料在碰撞載荷下的本構(gòu)方程和動態(tài)參數(shù)，為無人機結(jié)構(gòu)碰撞分析提供準確的輸入?yún)?shù)；部件級對象主要是無人機機體組件、電機、電池、槳葉、起落架等，主要通過試驗和分析相結(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，并為全機碰撞評估提供數(shù)據(jù)基礎；全尺寸機體的研究對象為無人機整機，一般通過開展無人機整機跌落或水平碰撞剛性靶板的試驗和分析研究，對無人機的碰撞吸能特性進行集成評估。美國FAA無人機安全聯(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為研究對象，開展了各層級對象的碰撞試驗與分析工作，見圖3，并通過經(jīng)驗證的分析方法對無人機碰撞民航客機及人員進行了評估。

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

采用多層級逐級確認和驗證(Validation and Verification, V&V)的方式進行了無人機碰撞動力學研究工作，如圖4所示，分別通過高速液壓伺服材料試驗機進行了塑料、復合材料等無人機機體材料的動態(tài)拉伸力學性能試驗與本構(gòu)表征研究；在部件層級進行了無人機電池、電機等部件的碰撞剛性靶板試驗；在全尺寸層級進行了無人機整機的水平碰撞試驗和跌落試驗。同時，在各個對象層級均建立碰撞動力學模型和分析方法，進行與物理試驗的對比。

圖4 無人機碰撞逐級驗證Fig.4 Step-by-step verification of UAVs collision

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

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

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

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

無人機整機的精細化逆向建模具有與真機一致性好的優(yōu)點，但模型的建立過程需要分別進行元件、部件、整機的有限元分析和試驗驗證工作，驗證成本高，同時為了保證無人機的連接真實性，需要對模型建立較多的連接關系來滿足連接一致性，在仿真計算過程中常常需要質(zhì)量縮放等操作來約束計算步長，不得已在計算效率和精度方面進行取舍，學者們提出了對無人機模型進行簡化建模。

Meng等在無人機精細化建模的基礎上進行了適當?shù)暮喕?，如圖6所示，在整體結(jié)構(gòu)上采用逆向建模與真實無人機保持一致，簡化了次要部件及其幾何特征，其中電機、電池、攝像頭等均簡化為實體，采用該建模方法在整體上對無人機結(jié)構(gòu)進行了簡化，但在細節(jié)集中質(zhì)量部件上的性能具有差異性。

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

代爾夫特理工大學Rattanagraikanakorn等對大疆精靈3無人機進行了簡化建模，該模型由7組實體模塊組成，如圖7所示，各實體采用橢球面表征，用于無人機的外表面接觸檢測，使用力穿透接觸模型模擬表面間的相互作用，并采用運動學關節(jié)將各實體連接在一起，同時固定每個實體的相應自由度，以約束各個實體運動，該簡化模型保留了無人機結(jié)構(gòu)的主要特征。

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

南陽理工大學Liu等對無人機結(jié)構(gòu)進行了逆向測繪重構(gòu)，在外形上舍棄了復雜的曲面和肋結(jié)構(gòu)，簡化了無人機的連接方式，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結(jié)構(gòu)的連接方式等細節(jié)特征，尤其在無人機低速碰撞分析時計算精度明顯不足。

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

3 民用輕小型無人機碰撞安全分析

3.1 無人機碰撞民航飛機典型結(jié)構(gòu)

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

ASSURE開展了輕小型無人機碰撞民航飛機不同結(jié)構(gòu)部位的損傷分析，分析工況包括重量為1.2 kg的四旋翼無人機和重量為1.8 kg的固定翼無人機以128.6 m/s撞擊水平/垂直安定面、機翼前緣、風擋玻璃等部位，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部件(如電池、電機、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、剛性較大的無人機碰撞導致了民航飛機結(jié)構(gòu)損傷的加劇。

Meng等以民航飛機作為碰撞對象，基于PAM-CRASH軟件分別對無人機和鳥碰撞飛機機翼前緣結(jié)構(gòu)進行了模擬，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撞擊產(chǎn)生比同重量鳥撞更嚴重的損傷后果，影響碰撞損傷的決定性因素是無人機集中質(zhì)量部件的硬度而不是動能，同時，無人機鋰電池在撞擊后可能發(fā)生著火風險。

圖9 無人機碰撞與鳥撞飛機結(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與民航飛機風擋玻璃碰撞仿真研究，見圖10，評估了飛機風擋玻璃在各種條件下受到無人機撞擊后的動態(tài)響應和損傷，研究結(jié)果表明，無人機的撞擊角度、速度、結(jié)構(gòu)形式等對飛機風擋玻璃的損傷模式有顯著影響，相同撞擊能量的無人機造成的風擋玻璃損傷比鳥撞要更為嚴重。

圖10 無人機撞擊風擋玻璃分析[34]Fig.10 UAVs impact on windshield[34]

3.2 無人機碰撞人員

ASSURE于2016年開始對無人機碰撞人員進行有限元分析研究，如圖11所示。其研究主要分為2個階段，第1階段重點關注多旋翼無人機和固定翼無人機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，顱骨采取高保真模型，而碰撞人體前胸部分析時，采取剛性假人模型，獲得了無人機的結(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)果表明無人機采用輕質(zhì)、低剛度、壁厚更小的材料時，將會減少對人體的碰撞損傷和能量傳遞。ASSURE第2階段則結(jié)合無人機碰撞假人試驗數(shù)據(jù)，對無人機、假人模型進行了標定和試驗驗證，如圖12所示，對無人機碰撞假人進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變響應、顱骨模型在受到撞擊后的局部變形數(shù)據(jù)等，并結(jié)合人員碰撞損傷準則建立了損傷等級評價方法。無人機碰撞安全分析工作的結(jié)果被用于優(yōu)化輕小型無人機碰撞試驗矩陣的制定，從而降低了物理試驗的成本。

圖11 無人機碰撞人體分析(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Low等通過無人機碰撞人員分析，見圖13，指出雖然法規(guī)對民用輕小型無人機使用的飛行高度、飛行速度等參數(shù)進行限定，但這些限定缺乏科學研究數(shù)據(jù)的支撐。為此，建立了無人機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)域等方案設計無人機，以減小無人機對人員的損傷程度。

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

強度所、北京交通大學聯(lián)合開展了輕小無人機碰撞剛性假人模型，以及碰撞基于解剖學的高生物逼真度假人模型分析工作，分別考慮了無人機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。以無人機碰撞人體胸部為例，歸納了人體解剖學胸部結(jié)構(gòu)特征、在碰撞工況下的損傷類型、人體胸部損傷評價準則及不同概率分布下的耐限值，并構(gòu)建和標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行評價，發(fā)現(xiàn)在無人機低速碰撞工況下，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 民用輕小型無人機碰撞安全試驗

4.1 無人機碰撞民航飛機試驗

無人機碰撞民航飛機試驗主要通過專用試驗設施模擬無人機與民航飛機的高速碰撞，試驗需考慮無人機與民航飛機的相對運動，碰撞速度一般在100 m/s以上。

常用的試驗方式是地面等效模擬試驗，即利用蓄能加速的方式將無人機加速到目標速度，碰撞到目標飛機結(jié)構(gòu)上。如強度所搭建了系列空氣炮試驗裝置，見圖15。試驗主要過程為將無人機放置于特制的彈托中，采用氣體推進驅(qū)動彈托沿炮管加速運動，脫殼裝置將彈托擋下，使得無人機以高速向前運動碰撞至飛機結(jié)構(gòu)上。強度所以典型飛機風擋玻璃結(jié)構(gòu)為試驗對象，開展了輕小型無人機與鳥體對風擋玻璃撞擊損傷的對比性試驗研究，見圖16。結(jié)果表明，雖然無人機和鳥體撞擊都對風擋造成了穿透，但損傷模式卻有差別，無人機偏向于硬質(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口徑空氣炮試驗裝置Fig.15 Air gun test device with diameter of 400 mm

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

另一種地面等效試驗模擬方式是加速目標飛機結(jié)構(gòu)，使其撞擊靜止狀態(tài)下的無人機。鄭奎濤等采用火箭撬試驗設施加速大型民機結(jié)構(gòu)，開展了四旋翼無人機碰撞民機風擋和水平安定面結(jié)構(gòu)的試驗研究，見圖17和圖18。無人機以142 m/s的速度碰撞到風擋玻璃后，外層玻璃破碎，但未穿透內(nèi)層玻璃。

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

圖18 火箭撬驅(qū)動無人機碰撞風擋試驗[40]Fig.18 UAVs collision on windshield test based on rocket sled[40]

4.2 無人機碰撞人員試驗

4.2.1 無人機鈍性損傷

無人機存在狀態(tài)失控高空跌落或平飛碰撞地面人員的風險，ASSURE首先對無人機運營狀態(tài)的故障進行試驗模擬，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和固定翼無人機碰撞Hybrid-III第50百分位假人裝置(Anthropomorphic Test Device，ATD)，通過氣動水平?jīng)_擊臺實現(xiàn)無人機的水平加速運動碰撞人體，通過自由落體實現(xiàn)無人機跌落運動碰撞人體，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)合人員碰撞損傷準則進行無人機對人員碰撞安全性的評估，試驗重點關注無人機的鈍性碰撞損傷，試驗中對無人機的動力斷電處理，且拆除旋翼。

圖19 無人機碰撞ATD試驗[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)的無人機碰撞試驗， 如圖20所示，用來標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。同時，為研究無人機機體材料對碰撞響應的影響，ASSURE團隊還對比開展了相同質(zhì)量的木塊、鋼塊等碰撞人員試驗，結(jié)果表明無人機對人體的碰撞響應相對更小，這是因為無人機機身主要由塑料制成，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 無人機碰撞PMHS試驗[35]Fig.20 Test of UAVs collision on PMHS[35]

美國弗吉尼亞理工大學通過遙控無人機開展了水平飛行碰撞假人試驗，遙控無人機加速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裝置即可開展試驗，但存在碰撞位置和速度控制精度差等缺點，如出現(xiàn)無人機機臂側(cè)向碰撞到假人后，使得碰撞姿態(tài)偏轉(zhuǎn)導致無人機動能沒有傳遞到人體，沒法獲取到人員潛在的嚴重碰撞損傷。研究團隊也實施了無人機垂直跌落試驗研究該工況下對假人頭部碰撞的損傷情況，如圖21所示。本試驗的目的是評估無人機運營中的突然故障對人類碰撞造成的頭部和頸部傷害風險范圍，通過碰撞試驗數(shù)據(jù)支撐無人機安全標準的制定。

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

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

圖22 強度所開展的無人機碰撞ATD試驗Fig.22 Test of UAVs collision on ATD conducted by ASRI

4.2.2 無人機銳性損傷

旋翼類無人機運行過程中，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險。ASSURE開展了無人機葉片銳性損傷人體皮膚的試驗研究，主要原理為將仿人皮膚固定于圓柱形手臂模擬件上，高速運轉(zhuǎn)的旋翼葉片安裝在等效質(zhì)量的運動載體上，達到目標轉(zhuǎn)速后，運動載體帶動旋轉(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)進行銳性損傷的評估，試驗還可用于驗證無人機葉片防護機構(gòu)對銳性損傷防護的情況，如圖23所示。

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

強度所分別采用3種方法開展了旋翼無人機葉片對仿人皮膚的刺傷/割傷試驗，如圖24所示。第1種方法通過遙控無人機，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；第2種方法將仿人皮膚固定于水平?jīng)_擊滑車臺臺架夾具上，將旋翼無人機懸垂于滑臺運行前方，加速滑車臺水平運動，實現(xiàn)仿人皮膚與葉片的刺傷模擬，簡稱基于滑車臺的銳性刺傷試驗；第3種方法通過研制的無人機葉片刺傷/割傷試驗臺進行，簡稱專用試驗臺銳性損傷試驗，將無人機固定于試驗臺的夾持釋放工裝中，蓄能裝置驅(qū)動將無人機加速到目標速度后，瞬間釋放無人機，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帶轉(zhuǎn)旋翼葉片，通過將無人機重量進行等效匹配的方式進行碰撞能量的模擬?？傮w而言，以上3種方法均能實現(xiàn)無人機銳性損傷的試驗模擬，在試驗模擬的真實性、可重復性及控制精度等方面，采用專用試驗臺進行銳性損傷試驗的優(yōu)勢更為明顯。

圖24 強度所開展的無人機葉片銳性損傷試驗Fig.24 Sharp injury test of UAVs blades conducted by ASRI

5 無人機碰撞安全準則及分級

5.1 無人機碰撞民航飛機損傷準則及分級

針對鳥撞民航飛機事件，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—運輸類飛機適航標準》(CCAR-25-R3)就規(guī)定如風擋玻璃、機翼等結(jié)構(gòu)的抗鳥撞要求，撞擊后必須能夠確保飛機完成飛行，以確保乘員和飛機的安全。

無人機碰撞民航飛機與鳥撞飛機具有相似性，如飛機結(jié)構(gòu)抗外來物撞擊按照碰撞破損安全理念設計，均需結(jié)合碰撞場景和條件，評估飛機結(jié)構(gòu)的碰撞損傷，實現(xiàn)的目標都是撞擊事件發(fā)生后，確保飛機能安全返航，保證乘員和飛機的安全。相較于鳥撞飛機，無人機碰撞民航飛機的研究也存在需特殊關注的方面，如輕小型無人機作為碰撞外來物，可通過無人機機體結(jié)構(gòu)的吸能設計減緩對民航飛機的碰撞損傷，另外，無人機內(nèi)部的鋰電池在碰撞事件中，存在電化學失效，導致著火等風險，這些是鳥撞飛機等研究中不涉及的。

無人機碰撞民航飛機典型結(jié)構(gòu)的損傷情況與無人機的類型、碰撞位置、碰撞速度、碰撞姿態(tài)等因素相關，ASSURE采用經(jīng)試驗驗證的分析方法對無人機碰撞民航飛機典型結(jié)構(gòu)損傷等級進行了劃分，如表2所示，通過對140余種無人機碰撞民機典型機翼前緣結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果進行歸納，將碰撞損傷劃分為4級，其中，第1級碰撞損傷等級下結(jié)構(gòu)未破損，機翼前緣蒙皮碰撞區(qū)域結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部塑性變形；第2級碰撞損傷等級下機翼前緣蒙皮未破損，但變形區(qū)域進一步擴展，機翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形；第3級碰撞損傷等級下機翼前緣碰撞部位蒙皮出現(xiàn)破損，無人機進入機翼結(jié)構(gòu)內(nèi)部，但尚未對飛機主承力結(jié)構(gòu)造成實質(zhì)損傷；第4級碰撞損傷等級下無人機部件擊穿蒙皮進入機翼內(nèi)部，機翼主承力結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞破壞。

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

無人機與飛機結(jié)構(gòu)碰撞過程中，鋰電池存在熱失穩(wěn)、短路，甚至爆炸等安全風險，這將使得無人機在撞擊飛機后發(fā)生更嚴重的二次傷害。ASSURE將無人機碰撞后的鋰電池著火風險作為安全評估的主要因素，其碰撞后著火風險如表3所示。研究結(jié)果表明，并非無人機與民航飛機的相對碰撞速度越高，鋰電池著火的風險越大，反而是碰撞使鋰電池進入民機結(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險最大。

表3 鋰電池碰撞后著火風險Table 3 Fire risk of lithium battery after collision

5.2 無人機碰撞人員損傷準則及分級

在輕小型無人機碰撞人員事件中，人員頭部和頸部是較為容易出現(xiàn)損傷的部位，不同部位其損傷準則也有一定差異。另外，過大的碰撞瞬時加速度、載荷以及變形會引起人體鈍性損傷，旋翼類無人機葉片易導致人員的銳性損傷，對無人機撞擊人體造成的傷害進行評估是其風險評定的關鍵，目前尚無公認的輕小型無人機碰撞人員損傷分類標準及損傷準則。

在汽車碰撞及飛機墜撞的人員保護方面，已建立了較為完善的人體損傷評估標準，學者們嘗試用這些標準應用于無人機碰撞人體的損傷評估中。美國醫(yī)學會和美國汽車醫(yī)學學會于1976年發(fā)布了簡明創(chuàng)傷分級標準(Abbreviated Injury Scale，AIS)，其是在數(shù)千例臨床損傷資料基礎上制定，以解剖學為基礎的分級標準，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)傷分級評定標準，依據(jù)損傷程度，并按照身體部位對每種損傷劃分為6個等級，分別對應輕度、中度、較重、嚴重、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則及分級劃分的統(tǒng)一標準，各國研究者針對人體各部位提出了損傷準則并不斷修正，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試驗驗證，通常只能采取一些替代品作為試驗對象，包括假人、尸體、動物和數(shù)值仿真模型等。美國聯(lián)邦航空局于2016年發(fā)布了微型無人機飛越人群運行豁免條件為“無人機運行所造成的等于或大于AIS3級別傷害的概率應低于30%”。

5.2.1 人體鈍性損傷準則

1) 人體頭部損傷準則

Versace于1971年提出了人體頭部損傷準則(Head Injury Criteria，HIC)，是目前較為常用的人員頭部損傷量化評估準則，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刻；為HIC最大值過程中的結(jié)束時刻；()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加速度準則也用于進行頭部損傷評價，該準則由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限值的累積時間不超過3 ms。

2) 人體頸部損傷準則

Klinich于1996年提出了人體頸部損傷準則，即準則，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) 人體胸部損傷準則

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

5.2.2 人體銳性損傷準則

ASSURE搜集了旋翼無人機和直升機葉片銳性傷害人員的案例，并將銳性傷害劃分為6個等級，分別為輕微、中等、嚴重、非常嚴重、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險也越高。事實上，銳性損傷與無人機旋翼葉片的材料類型(如金屬、塑料或復合材料等)、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。

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

歐盟參照IEC62368-1將輕小型無人機旋翼葉片的銳性傷害分為3級，分別對應MS1～MS3，見表4，其中，MS1等級為葉片不會造成疼痛或傷害，即不需醫(yī)生或醫(yī)院急救介入；MS2等級為葉片不會造成傷害，但存在疼痛風險；MS3等級為葉片存在造成傷害風險，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)動特征對銳性損傷進行了量化，以塑料葉片MS1等級為例，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；為葉片運動零部件(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)

民用輕小型無人機的被動安全是其安全運營的底線，是無人機安全性設計、評估和管控制度制定的關鍵出發(fā)點，也是工程界和學術(shù)界廣泛關注的焦點問題。輕小型無人機的碰撞安全問題屬于廣義的外來物撞擊問題，在學科上屬于沖擊動力學的研究范疇，還涉及生物力學等多個學科的交叉，其主要研究輕小型無人機與其他交通參與者、使用環(huán)境、公眾之間的相互作用關系，確保體系的安全運行。通過開展該領域研究可提升輕小型無人機產(chǎn)品的安全特性，促進產(chǎn)業(yè)更好發(fā)展，以及為政府制定無人機相關運營和監(jiān)管規(guī)章制度提供技術(shù)支持。

民用輕小型無人機在使用中對地面人員、其他交通運輸工具以及高價值設施的碰撞是典型的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、強度所等為代表的研究機構(gòu)逐步開展了卓有成效的無人機碰撞安全研究工作。

在輕小型無人機機體結(jié)構(gòu)及關鍵部件碰撞動力學分析與驗證方面。主要通過無人機機體“材料/元件-部件-全尺寸機體”的多層級試驗和分析相結(jié)合的方法開展研究，獲得高精度的結(jié)構(gòu)碰撞動力學建模和分析方法，并結(jié)合無人機碰撞場景，采用經(jīng)驗證的分析方法評估非試驗工況、類似構(gòu)型無人機的碰撞特性。

在輕小型無人機碰撞安全分析與試驗方面。相同撞擊能量的鳥體和無人機，其對民航飛機結(jié)構(gòu)導致的撞擊損傷是不同，分析和試驗均表明，無人機碰撞飛機結(jié)構(gòu)造成的風險更高。無人機碰撞人員會造成鈍性損傷和銳性損傷2種模式，國內(nèi)外通過試驗和分析相結(jié)合的方法獲得了無人機的撞擊姿態(tài)、角度、速度和位置等造成人體損傷的影響規(guī)律。總體而言，在無人機碰撞假人分析和試驗方面仍缺少標準規(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。

在無人機碰撞安全準則及分級方面。無人機碰撞飛機與鳥撞飛機具有相似性，研究的目標都是撞擊事件發(fā)生后，確保飛機能安全返航，保證乘員和飛機的安全。相較于鳥撞飛機，無人機碰撞民航飛機的研究也存在需特殊關注的方面，如輕小型無人機作為碰撞外來物，可通過無人機機體結(jié)構(gòu)的吸能設計減緩對民航飛機的碰撞損傷，另外，無人機內(nèi)部的鋰電池在碰撞事件中，存在電化學失效，導致著火等風險，這些是鳥撞飛機等研究中不涉及的。目前尚無公認的輕小型無人機碰撞人員損傷分類標準及損傷準則，各國的學者們大多借鑒汽車碰撞及飛機墜撞的人體損傷準則和分級方法。

6.2 展 望

民用輕小型無人機碰撞安全特性關乎到公眾的生命安全、關乎到無人機行業(yè)的良性發(fā)展、關乎到無人機相關管理規(guī)定的科學制定，是政府、工業(yè)方、科研機構(gòu)以及社會公眾普遍關注的焦點問題?？傮w而言，存在以下方面需要繼續(xù)加強研究：

1) 加強無人機碰撞安全技術(shù)研究，推進無人機行業(yè)和技術(shù)創(chuàng)新的協(xié)同進步，為無人機碰撞安全技術(shù)標準、運營政策法規(guī)的制定和改進提供關鍵基礎數(shù)據(jù)。

隨著中國民用輕小型無人機產(chǎn)業(yè)的快速增長及其應用場景的不斷深入，對無人機安全運營的管理法規(guī)和標準體系需求更為迫切。2017年，工業(yè)和信息化部、國家標準委等八部委聯(lián)合發(fā)布了《無人駕駛航空器系統(tǒng)標準體系建設指南》(簡稱《指南》)，并于2021年發(fā)布了更新版本，《指南》指出無人機應用廣泛，但是標準體系卻并不完善，導致了產(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?！吨改稀访鞔_提出了《民用輕小型無人機碰撞人員損傷等級及準則》《民用輕小型無人機碰撞安全性試驗方法：葉片割傷刺傷試驗》等十余項與碰撞安全直接相關的標準亟待編制。

通過持續(xù)深入開展無人機碰撞安全研究，一方面可推動該領域技術(shù)進步，提升無人機的碰撞安全技術(shù)水平，促進無人機行業(yè)的健康發(fā)展。另一方面基于無人機碰撞安全試驗數(shù)據(jù)，可為制定系列無人機碰撞安全相關技術(shù)標準，以及為改進無人機運營政策法規(guī)提供基礎數(shù)據(jù)支撐。

2) 持續(xù)構(gòu)建無人機碰撞安全試驗與分析技術(shù)體系，搭建無人機碰撞安全體系化試驗能力和第三方測試平臺。

無人機的碰撞安全技術(shù)研究伴隨著近年來無人機產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式發(fā)展而產(chǎn)生，是沖擊動力學研究領域的新問題。同時，無人機碰撞安全問題既與其自身動力學特性相關，又與其碰撞對象(民航飛機、人員等)密切相關，雖然中國已初步開展了多層級、多場景的無人機碰撞分析和試驗研究工作，總體尚未形成體系化的試驗能力。借鑒汽車碰撞安全及飛機墜撞安全等其他行業(yè)的被動安全研究經(jīng)驗，搭建專門的試驗設施，通過開展無人機碰撞安全試驗，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)評估與相關標準規(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《關于促進和規(guī)范民用無人機制造業(yè)發(fā)展的指導意見》(簡稱《意見》)，《意見》明確了推動無人機產(chǎn)品檢測認證，形成民用無人機產(chǎn)品安全性檢測認證標準，推動建立一批具有民用無人機檢測認證資質(zhì)和試驗驗證水平的專業(yè)服務機構(gòu)，滿足行業(yè)發(fā)展需要是無人機產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的主要任務之一。

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

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

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