美国军民用无人机系统事故案例分析

可靠性杂坛 2021-10-18 08:58

本文来源于装备质量

史校川1 金 镭1 王春生1 苗延青1 张泽京2

(1. 中国航空综合技术研究所,北京 100028;2. 北京航空航天大学,北京 100191)

[摘要] 研究梳理了国外无人机系统事故报告和调查机制,对美国军用无人机系统灾难性事故案例和民用无人机系统事故/事故征候案例进行统计分析,从适航角度分析典型事故产生的原因,并对标国外无人机系统适航性要求,为建立或完善国内无人机系统事故报告和调查机制,形成国内无人机系统适航性要求提供参考。

[关键词] 无人机系统;事故;适航

近些年,无人机的应用逐渐由军事领域向民用领域延伸,在电力巡线、人工降雨、海洋监测、边境巡逻、新闻/赛事直播等领域均出现了无人机的身影。随着研制与应用水平的快速发展,无人机在性能、操作性和可靠性等方面都有了长足的进步,但仍与有人机的可靠性和安全性有较大差距。随着无人机的大量应用和事故数据的不断积累,无人机高事故率的特征逐渐显现。全球各地频发无人机事故,如影响民航正常运行、违规运载、坠毁导致财产损失及人员伤亡等。据美国联邦航空局(FAA)统计,2015年前3个季度飞行员遭遇无人机的次数是2014年同期的2.7倍,超过600次,凸显了无人机对民航飞行安全威胁越来越大。

1 美空军无人机系统灾难性事故案例分析

1.1 军用无人机系统事故报告和调查机制

对于军用无人机系统,美国有较为成熟的事故报告机制,发生军用无人机事故后由所有方按照美国防部指令DODI 6055.07《事故通知、调查、报告和证据保存》[1]相关规定,填写DA FORM 2397-U《无人航空器系统事故报告(UASAR)》[2]表单,进行事故报告。表单中包含无人机本身信息、事故过程相关信息、飞行数据等较为全面的信息。

美空军的无人机系统事故调查是由空军航空器事故调查委员会(AIB)根据空军指令AFPD51-5《军事法律事务》、AFI 51-503《航空事故调查》、AFI 51-507《地面事故调查》等规定组织开展。对于每一次事故,最终形成的事故报告包括两份:一份是事故报告摘要,一份是事故报告完整版。委员会主席是AIB报告的唯一作者。AIB的事故报告如果获批可以公开发布,将会在专门的网站上列出。

1.2 美空军军用无人机系统灾难性事故案例分析

此次统计的美国空军无人机系统灾难性事故案例[3]共涉及3大类(RQ/MQ-1 Predator(捕食者)、RQ-4 Global Hawk(全球鹰)、MQ-9 Reaper(收割者))11个型号81起事故,事故发生时间横跨13年(2000-2013年)。参考国际上事故原因常用分类方法[4、5],结合无人机系统事故特点,分为人为因素、无人机系统故障、环境及其他等3类,各类事故的统计数量及占比见表1。

由表1看出,人为因素类事故占比不到30%,远远低于有人机事故中所占比例,而无人机系统故障类事故占比近七成。进一步将无人机系统故障类按照专业分为:飞行、结构、设计和构造、动力装置、设备、使用限制和资料、指挥与控制链路、地面站等8类。表2中详细列出了6类别事故的数量和占比。

表1 美空军无人机系统灾难性事故原因分类统计

表2 美空军无人机系统故障类事故分类统计

由表2得出,设备与动力装置类是占比最大的两类,而通过研究发现,以往无人机的市场很小,且需要的发动机等级又与一般飞机不同,因此,世界主流发动机厂商不愿投资研发无人机专用的发动机,无人机大多只能挑选市场上已有但未必符合需求的发动机,必然会影响安全性与可靠性。

2 FAA民用无人机系统事故/事故征候案例分析

2.1 民用无人机系统事故/事故征候报告和调查机制

对于民用无人机系统事故/事故征候报告,美国国家运输安全委员会(NTSB)新修订的49 CFR 830[6]《航空器事故或事故征候与延误航空器的报告和航空器残骸、邮件、货仓的保存和记录》在830.2中新增“无人机事故”的定义,且要求操作人员将涉及无人机的事故报告给NTSB。明确地阐明了修订后的49 CFR 830规章对于无人机系统的适用性。规章中要求报告的无人机事故需满足两个条件:任何人员死亡或严重受伤和无人机最大起飞重量达到300lb(136kg)或以上,且遭受严重损坏。此外,FAA新颁布的PART 107.9[7]要求对于符合要求的小型无人机系统事故,操作员需要在事故发生10天内向FAA报告。事故所需满足的两个条件包括:对任何人造成严重损伤或导致意识丧失和财产损失(除小型无人机),财产损失需满足以下条件:

● 维修成本(包括材料和人力)不超过500美元;

● 总的损失的财产市场平均价不超过500美元。

对于民用无人机系统事故/事故征候调查,通过研究发现美国还未形成有效的机制。而国际航空安全调查员协会(International Society of Air Safety Investigators,ISASI)于2015年1月份发布了一份指南性文件《无人机系统手册和事故/事故征候调查指南》[8]。该指南由ISASI的无人机工作组(UAS WG)起草编制,主要目标有:

● 确定需额外规定的调查能力,以更好地支持与无人机相关的事故的调查;

● 确定ICAO附件13对于无人机事故的适用性;

● 对于无人机相关的事故,确定一个标准的应捕获的数据集;

● 对于航空安全调查人员确定额外的无人机系统专用的培训要求;

● 对于创建或保存无人机事故相关的证据,确定可能需要的补充规定。

2.2 民用无人机系统事故/事故征候案例分析

从2 009年10月起,FA A通过UA S A&I(Preliminary Reports of Accidents and Incidents Database)平台来收集民用无人机系统事故/事故征候。截止到2014年8月21日,FAA共收到了274起事故/事故征候,其中170起由美国土安全部报告,后因涉及国家安全问题从FAA删除[9]。余下的104起民用无人机事故/事故征候的报告者主要分为7个来源,包括研究机构(Academic,如堪萨斯州立大学)、美国宇航局(NASA,如德莱顿飞行研究中心)、警察执法(Law Enforcement,如西雅图警察局)、美国商务部(DOC,如国家海洋和大气局)、美国内务部(DOI,如国家商务中心航空管理局)、特殊适航证-试验类(Special Airworthiness,如洛克希德·马丁公司)、美国能源部(DOE,如橡树岭国家实验室)等。FAA将上报的无人机事故/事故征候的时间、地点、机型、过程描述等简要信息在其官网上公布,但并不做深入的分析。对于无人机事故调查,FAA仍未形成有效的调查机制。

此次统计的FAA公布的民用无人机系统事故/事故征候案例共涉及44个型号104起事故/事故征候。将其事故原因按照人为因素、无人机系统故障、环境及其他3类划分,各类数量及占比见表3。FAA民用无人机系统故障类事故/事故征候分类统计见表4。

由表3得出,人为因素类事故占比不到10%,相对于美空军无人机系统事故比率更低,且远远低于有人机事故中所占比例;而无人机系统故障类事故占比超过八成,比美空军无人机系统事故比例高。进一步将无人机系统故障类按照专业分为:飞行、结构、设计和构造、动力装置、设备、使用限制和资料、指挥与控制链路、地面站等8类。表4中详细列出了6类别事故的数量和占比。

表3 FAA民用无人机系统事故/事故征候(2010年~2014年)原因分类统计

表4 FAA民用无人机系统故障类事故/事故征候分类统计

通过表4可以看出,设备类和指挥与控制链路类是无人机系统故障类事故/事故征候中数量最多的两类。主要原因在于民用无人机系统的设备研制生产过程控制不足,且可追溯性不强;而鉴于民用无人机系统重量和应用特点,其指挥与控制数据链路在设计过程中很少会设计冗余备份,因而造成无人机系统的设备和指挥与控制链路的可靠性和安全性不高。

3 无人机系统事故与适航性要求

通过表1和表3可以看出,美国军民用无人机系统故障类均占比近七成或以上,人为因素不超过三成,而这种占比关系与当前有人机的事故占比截然不同,这反映了现阶段无人机系统与有人机事故需考虑的安全要求的侧重不同。现阶段,无人机固有安全性水平的提高是无人机事故率降低的基础。而新技术和新标准在无人机设计中的采用可有效提升无人机固有安全性水平。

国际上已有研究组织根据民航适航性要求制定了无人机系统的适航性要求,如北约(NATO)颁布的STANAG 4671《无人机系统适航性要求(USAR)》[10]、欧洲无人机系统联合规章制定机构(JARUS)颁布的CS-LURS《轻型无人旋翼航空器系统审定规范》等。基于表2和表4的梳理,对比北约颁布的STANAG 4671《无人机系统适航性要求(USAR)》中相关适航性要求,发现无人机系统故障类的事故致因均可在适航性要求中找到相关设计要求,典型事故案例如下。

典型事故案例一:

事故过程:2002年1月25日,13:08(Z),一架RQ-1B捕食者无人机S/N96-3022在位于美国中央司令部辖区内的一个机密前沿作战区着陆时坠毁。事故飞行员的首次着陆尝试由于突风效应造成复飞。在第二次尝试中,在相似的风况下,事故无人机在滑行平飞中机头产生拉飘。事故飞行员企图通过推动机头向前以改变这个状况。在事故飞行员还没有能够再次启动复飞程序时,无人机机头在不受控制的情况下前倾。起落架以过度冲击力撞在跑道上,折断了起落架支柱。过度硬着陆的另一个后果是无人机的右横尾翼与机身分离。这种不对称的俯仰和偏航导致了无人机急速向右偏航,并最终坠毁在距离跑道东部100码处。

事故原因:事故报告显示,强突风造成的反向效应导致飞行员未能保持对飞机俯仰的有效控制。结果先着陆的前起落架造成结构损坏,接着是飞机的失控,最后撞向地面。

相关适航性要求:USAR.253(a):“可能引起无意中速度增加(包括节距和横滚方面的组合)的操纵情况和操纵特性必须通过任何可能速度(一直到VMO/MMO)上的无人机配平来进行模拟。这些情况和特性包括突风干扰,爬升与下降过程中从马赫数受限制的飞行高度拉平到空速受限制的飞行高度。”

典型事故案例二:

事故过程:2014年7月3日,堪萨斯州立大学向FAA报告了1起Zephyr型无人机事故征候。事故时,无人机手掷发射后,在手动控制下无人机爬升到离地50ft,并执行了左转指令,但随后非指令性转弯增大。无人机继续滚转,直到撞击地面,而操作手只能有最小的控制。

事故原因:由于控制右升降副翼伺服的线路太靠近自动驾驶仪而形成的电磁干扰。

相关适航性要求:

● USAR.685(e):“按照USAR.1431的规定,无人机控制系统应能够抵抗外部或内部电磁干扰源的干扰。”;

● USAR.1431(g):“必须对所有(a)条中确定的灵敏且不可缺少的设备,进行防内部或外部电磁干扰(EMI)源的保护。”;

● USAR.1605(a):“必须对指挥与控制数据链路进行抗电磁干扰(EMI)的防护。”。

通过以上两起无人机系统事故/事故征候案例与国外适航性要求的对比得出,无人机系统故障类的事故致因可在适航性要求中找到相关设计要求。此外,通过表1和表3中无人机系统故障类占比不同可以看出,基于美空军无人机系统中已在设计中引入适航性要求,而民用无人机系统中仍未开展,可以看出在无人机系统设计中引入适航性要求将有助于降低无人机系统事故率,进而提高无人机系统安全水平。

4 结论

本文通过综合对比分析美空军无人机系统灾难性事故案例(2000~2013年)和FAA民用无人机系统事故/事故征候案例(2010~2014年),对标国外无人机系统适航性要求,得出现阶段无人机系统的安全性水平处于提升无人机固有安全性水平来降低事故率阶段,因此建议制定或完善国内无人机系统设计适航性要求,从而将会有效减少无人机系统事故,提高无人机系统安全性水平。同时,建议建立或完善国内无人机系统事故报告和调查机制,以规范无人机系统事故调查对适航性要求的促进作用。

[参考文献]

[1] Department of Defense Instruction(DODI)6055.07. Mishap Notification, Investigation,Reporting,and Record Keeping[S].

[2] DA FORM 2397-U.Unmanned Aircraft System Accident Report(UASAR)[S].

[3] USAF Accident Investigation Board. AIB REPORTS [M/OL]. USA;USAF,2010-2014.http://usaf.aib.law.af.mil.

[4] 林清,王英勋,蔡志浩,吴坤. 国外几型无人机事故统计及分析[C].2014(第五届)中国无人机大会. 2014.

[5] 曾天翔. 飞机事故及其原因统计分析[J].航空标准化与质量,1998,6.

[6] 49 CFR Part 830,Notification and Reporting of Aircraft Accidents or Incidents and Overdue Aircraft,and Preservation of Aircraft Wreckage,Mail,Cargo,and Records [S].

[7] PART 107,Operation and Certification of Small Unmanned Aircraft Systems [S].

[8] ISASI Unmanned Aircraft System Handbook and Accident Incident Investigation Guidelines [R].2015,1.

[9] Robert. E. “Buck” Joslin. Insights into Unmanned Aircraft Systems Accidents and Incidents(2009-2014)[C]. Aviation, Aeronautics,Aerospace International Research Conference.2015,1.

[10] STANAG 4671,UNMANNED AERIAL VEHICLE SYSTEMS AIRWORTHINESS REQUIREMENTS (USAR) [S].

[中图分类号] V221

[文献标识码] C

[文章编号] 1003-6660(2017)03-0046-04

[DOI编码] 10.13237/j.cnki.asq.2017.03.011

[收稿日期] 2017-01-13




长按二维码识别关注我们

可靠性杂坛 本平台以推广可靠性相关知识为宗旨,内容涵盖可靠性基础知识、电子装联工艺可靠性、失效物理分析和故障预测与健康管理PHM等方面内容。文章以原创为主,打造精品可靠性专业交流园地。
评论 (0)
热门推荐
X
广告
我要评论
0
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦