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花花绿绿大大小小的飞机充斥在我们上方的天空,可能会像现代城市里的汽车一样拥堵。

那么我们一定会担心,万一它掉下来砸到我怎么办呢?当无人机与人相撞时会发生什么呢?

近期,无人机系统安全联盟( the Alliance for System Safety of UAS)通过卓越研究机构(ASSURE)对这个问题进行18个月的研究和测试。在阿拉巴马大学、汉斯维尔大学、密西西比州立大学、威奇托州立大学国家航空研究所以及其他几家机构的带领下,ASSURE的第二阶段地面碰撞研究着眼于小型无人机系统之间的碰撞可能造成的伤害。

研究人员不仅想了解造成了什么伤害,还想开发一套安全的测试方法,并向FAA(美国联邦航空管理局)提议相关管理的规则。这项测试是目前世界上同类研究中唯一的全面的基于科学的研究。

无人机碰撞试验的测试设置

ASSURE使用16种不同的车辆进行了512次冲击测试和模拟,对市面上流行的无人机(重量从0.32kg到5.99kg的各种无人机及有效载荷)进行了完整的拟人化和简化的头部与颈部撞击测试。

威奇托大学(University of Witchita)使用 senseFly公司的eBeePlus进行撞击测试

威奇托大学(University of Witchita)使用某款四旋翼无人机进行撞击测试

研究人员竭尽所能来确保测试的受控性、一致性和科学性。ASSURE执行董事Stephen P. Luxion说,“我们仍然面临很多变化因素”“即使在碰撞中偏移了四分之一英寸,也可以显著减少对人员的伤害。”

ASSURE的测试报告显示,最危险的是无人机在旋翼臂之间撞击,而无人机机身的钝击造成了损害。当失去控制时,无人机往往会翻滚,而被倒立的无人机击中也会造成更大的伤害。最重要的是方向与速度和重量有关,这将有助于说明无人机飞越人群的规则。

截止目前,ASSURE的测试报告已经对小型无人机的设计产生了影响。过去,无人机的飞行速度和有效负载是最主要的设计驱动力,但是现在,“安全”已成为首要任务。

我们在讨论无人机的安全问题时,首先是无人机对地面的影响,尤其对第三方(尤其是人)的伤害。

根据EASA (欧洲安全局) 的“无人机的适航认证政策声明”,无人机监管的指导原则之一,应将无人机的监管适航标准设定为“与当前适用于类似载人飞机的标准具有等效安全等级(ELOS)”。

对美国国家运输安全委员会(NationalTransportation Safety Board)1983年至2006年事故数据的分析得出了与地面发生一次或多次碰撞的事故的地面死亡率。我们从分析中得出了包括机上人员伤亡在内的比值,因此我们可以推断出有人驾驶飞机的ELOS(仅地面伤亡),然后推论适用于无人机的ELOS:

该假设看起来很保守,因为根据美国海军的调查,无人机的《距离安全标准》提出的死亡率为10-6 h-1或更小,但是其要求是针对军事行动的,因此允许更高的死亡率。北约USAR对灾难性的无人机事故采用了10-6 h-1的死亡率,这与较高的死亡率相对应。

确定了无人机的ELOS后,我们可以使用Roland E. Weibel和R. John Hansman在文章“国家空域系统中无人驾驶飞机的安全考虑”中给出的方程式计算所需的平均故障间隔时间(Mean Time Between Failures)(麻省理工学院报告2005):

如上图所示,可以看到MTBF在无人机重量小于0.7kg(小于30小时)的值非常低,即0.7kg以下的无人机对地面碰撞所产生的影响很小,而重量超过2kg的无人机,它的值会急剧增加(10kg的无人机为1,255小时),对地面的影响就越大。

轻小型无人机(比如eBee之类)产生的动能,如果它们以巡航速度击中未受保护的人员,所导致的伤害不到以上值的10%(根据美国陆军指挥官委员会的动能与概率模型)。

无人机除了对地面的影响,还有就是在空中飞行时撞到其他飞行器(比如载人飞机)的影响。

由于无人机可以在有人驾驶飞机也能飞行的空域内运行,因此也有发生空中相撞的风险。作为评估轻小型无人机对其他飞机造成的危害,我们可以参考加拿大运输部在2007年7月有关鸟击的文件:《机场鸟击危害风险评估程序》(Airport Bird Hazard Risk Assessment Process)R.Sowden,T.Kelly,S.Dudley 。由于重量轻且结构灵活,可以将轻型无人机系统与中型鸟类(例如欧洲Star鸟)进行比较。从机体鸟击适航性标准(CS-E)可以看出,任何商用飞机一般都能够承受约1.8kg的鸟的撞击(不考虑“物体”的最大密度)。

  senseFly主要的无人机型号及重量

但是,eBee的作业高度通常低于150米(甚至低于120米),这是通用航空和商用航空的空域级别的下限,或者是在非空运区域(非常靠近建筑物)。因此,空中碰撞的风险值可以说是非常非常低的。


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