無人直升機安全性思考

陽再清，劉關心

(中國人民解放軍92419部隊，遼寧 興城 125106)

0 引言

直升機作為一種通用的航空器，具有長時間空中懸停、垂直起降、低空低速飛行、機動靈活等優點，用途十分廣泛。然而其強耦合、不穩定性及非線性控制技術一直是業界的研究難點和研究重點。直升機系統的特殊性、復雜性，自其誕生之日起就受到格外關注。

近年來，隨著無人機技術的快速發展，無人直升機成為無人機技術研究的新寵，也成為直升機技術的前沿領域，越來越受到關注，其應用也越來越廣泛。然而作為無人機技術和直升機技術相結合的產品，一開始就受到技術因素、安全因素、環境因素等的制約，成為熱點、焦點和難點。特別是安全性問題，更是廣大用戶密切關注的問題，影響著無人直升機技術的發展。本文通過對美國直升機系統故障的統計與分析，結合無人直升機技術的特點，分析了無人直升機系統的主要安全隱患與原因，提出了提高安全性的主要措施，供設計、管理和使用者參考。

1 美國直升機故障分析

直升機本身的結構特點、使用條件和環境使得直升機的事故率遠高于固定翼飛機，直升機的安全問題一直是人們密切關注和研究的內容。據統計，1996年～2000年美國民用直升機故障總數達934起，死亡283人，損失飛機159架。這些數字不可謂不慘重，然而對一個擁有近2萬架民用直升機的國度而言，實在算不上高，甚至單從技術分析來看仍是高安全性的。但無論如何，我們都應放大這些數據的影響，作深入的技術分析。

美國國家運輸安全委員會(NTSB)對這些事故作了詳細統計、分析，提出了21種第一事故原因，主要有:發動機動力喪失、飛行中與物體相撞、失去控制、部件或系統失效、硬著陸、側滾翻轉/飛機顛覆、天氣、螺旋槳/旋翼與人接觸、起火/爆炸、突然機動、起落架損壞、機翼/吊艙/尾翼/滑撬等被物體掛住、下沖/過沖等等。研究發現，約有70%的事故與4種原因有關:發動機動力喪失、飛行中與物體相撞、失去控制、機身故障。

引起發動機動力喪失的原因，44%是燃油/空氣混合物問題、20%是發動機結構失效。油/氣混合問題的根源都是人為錯誤，使用者忽視了燃油要干凈和油氣比要適當的問題，因而造成事故。巡航階段出現的動力喪失事故最多，其次是需要大推力的起飛和爬升階段。

直升機飛行中因錯誤決定(如計劃不當、缺乏訓練、決策失誤)、沒有看見和避免與電線/電線桿、樹、人造設施等相撞，造成旋翼或尾槳損壞，這類事故50%的是與電線/電線桿相撞后發生的。直升機向前飛行時容易發生旋翼與外物相撞，向后飛行時容易發生尾部旋翼與外物相撞。起飛和著陸階段最常出現事故，其次是起飛前的滑行或懸停階段，巡航階段事故較少。

造成直升機失去控制主要有控制系統使用不當、旋翼每分鐘轉速(RPM)低、風、飛行控制系統故障等多種原因。對單旋翼直升機，飛行過程的反扭矩是發生失控事故的最大原因，懸停和起飛是最易發生失控事故的階段。單發活塞發動機失去控制時大多RPM將降低，單發渦軸直升機失去偏航控制的比率比單發活塞高近2倍，但垂直方向的失控事故則少于單發活塞直升機。

機身故障中，76%是旋翼、尾槳故障，故障原因有疲勞、材料失效、安裝與維護不當、缺少潤滑等。巡航和機動階段是事故多發階段，持續低空飛行和障礙物距離近，速度低、受風的影響大，最易發生機身故障。發動機到旋翼變速箱的離合器和尾傳動軸及主、尾槳葉是此類故障最常出的地方，疲勞是造成失效的最大原因。

1 無人直升機存在的主要安全隱患與原因

從直升機的故障分析不難看出，直升機系統固有的技術特性決定了某些故障發生的幾率，但從設計和使用的角度仍能查找出一些故障發生的規律來，對無人直升機的設計、管理與使用有著十分有益的借鑒價值。分析無人直升機的技術特點和使用實際可以發現，控制軟件缺陷、安全預警缺陷、機械疲勞、操管失誤、環境影響是主要的安全隱患。

2.1 控制軟件缺陷

這類隱患一般帶有較大的隱蔽性。常見的控制軟件缺陷有:模型不完備、算法不精確、門限設置不合理等。模型不完備主要表現在對各類擾動適應性不強、控制策略簡單、邊界條件控制不嚴格等。算法不精確主要表現在算法過于簡單或過于繁瑣不適于準確控制和快速響應的需要。門限設置不合理主要表現在關鍵參數選擇不精準，易出現臨界狀態。

這類隱患的存在，一方面是由于直升機飛行控制的復雜性，控制軟件的設計存在難題。從數學建模、控制算法到仿真驗證、實際飛行，都難以將各種飛行模態完全展現出來，在研制的系統中極易存在缺陷。另一方面，設計者在軟件工程控制上存在著認識不深刻、控制不嚴格、測試不全面的問題，特別是對無人直升機的技術特性考慮不全、不深、不透。由于缺陷的存在，一旦條件具備，必將出現故障。

2.2 安全預警缺陷

這類隱患主要是設計者對安全性考慮不足造成的。設計者對安全監控、容錯控制等，從硬件到軟件都不同程度地存在忽視現象。設計者往往會考慮關鍵部件、關鍵參數的實時檢測、故障報警等安全措施，但對需要增加投入的飛行安全監視、安全冗余檢測分析、擴大容錯裕度等安全措施就難以實施，留下了安全隱患。

這類隱患存在的原因，第一是設計者安全理念缺失，僅把產品能夠在空中正常飛行作為設計目標，而沒有將安全飛行最為首要的目標。第二是忽視安全投入，確保安全是需要投入的，它的回報是沒有故障，沒有故障就不能體現投入的作用，而一旦有了故障再投入就沒有意義了，這樣看似悖論的推理，恰恰是設計者忽視安全投入的理由。第三對產品的功能理解不深，無人直升機是在無人操管的狀態下完成任務的載體，其任務一般具有特殊性，出現安全問題影響大，必須有完備的安全措施。

2.3 機械疲勞

這類隱患是可靠性因素造成的。無人直升機系統易出現機械疲勞的主要是旋翼、起落架、尾槳、接插件等。機械疲勞是必然的可靠性事件，加之這些部件經常在高速、高頻等惡劣環境下工作，更易造成疲勞損壞。設計者應給出明確的可靠性要求，使用者應嚴格按要求及時檢測、更換。

這類隱患的存在，第一是由機械件的材質特性和使用條件決定的，任何一種材質的機械件都有使用壽命，超過使用期限必然會出現疲勞故障，使用條件不當會加速使用期限的到來，增加故障發生率;第二是人為因素導致的，這有設計者材質選擇不當、強度適配不準、測試不嚴等不合理設計，有使用者違背使用條件、超期使用、超強度使用等不良使用。

2.4 操管失誤

這類隱患來自于人為使用因素，常出現的失誤有:燃油使用不合理、日常維護不到位、野蠻裝卸、接插件連接錯誤、誤發指令、錯接電源等等，這些表現在使用者的錯誤，也暴露了設計的不足。

這類隱患的存在，主要是操管者不按要求使用、不按規程操作，憑經驗、憑感覺、憑印象使用裝備;其次是各類制度規定、操作細則等使用文件不具體、不明確、不嚴格，造成使用者模棱兩可;再次就是人機設計不合理，操作、使用、維護過于繁瑣，對使用技巧要求高，易出現誤操作。

2.5 環境影響

環境影響主要有氣象因素影響和飛行區域地理地貌的影響。在氣象條件影響中，風的影響特別大，陣風、渦流、海面風等對無人直升機系統的飛行控制是極大的考驗，極易給不穩定、非線性控制的系統造成毀滅性的后果，風是環境影響中最大的安全隱患，霧對低空和起降飛行影響也很大。飛行區域的地理地貌制約飛行，同時構成飛行的安全隱患，建筑物、通信塔、空中電線等都是低空飛行的致命隱患。

這類隱患的存在，一方面是設計者的控制模型、監測手段、安全措施等存在不足，不能滿足復雜環境條件使用的要求;另一方面是使用者對使用環境條件把握不準，現場監測不夠，飛行方案不合理。

3 提高無人直升機安全性的主要措施

提高無人直升機系統的安全性是一個復雜的系統工程，有人的認識問題、技術可行性問題、經費投入問題、使用者素質問題等等，涉及到管理者、設計者及使用者，涵蓋裝備的全壽命周期。在現階段我們可以采取的主要措施有:

第一，提高安全性認識。從分析的安全隱患可以看出，無人直升機系統的特殊性決定了其飛行故障往往是毀滅性的，其影響遠超過其它航空器，我們應把這一認識貫穿于管理過程、設計研制過程及使用過程，也只有使所有參與者都有了安全意識，無人直升機系統的安全性才能真正得到保證。

第二，強化控制系統設計。控制方式不同是有人機與無人機的主要差異，控制律的不同是直升機與固定翼飛機的重要差別，這些差異決定了無人直升機控制的特殊性。對于無人直升機系統，控制模式上要以自主控制為主，但遙控的優先級應最高;控制策略上要以實現典型任務剖面為主，但故障、應急、邊界等的策略應充分設計;控制模型上要以達成穩定飛行的經典方法為主，但起降、惡劣氣象等情況下飛行應采用自適應方法實現。

第三，加強安全性設計。安全性設計是確保安全的必要技術手段，設計是否有效需要使用來檢驗，只有安全性設計充分、可靠，才能確保使用安全。加強安全性設計，設計者需要明晰可能的隱患點、故障點，要厘清極端條件、非正常狀態等的后果，在控制策略設計、狀態監控配置、可靠度冗余等方面有針對性地采取措施。

第四，加大安全性投入。有投入才有產出，安全性投入一般較大而產出往往難以顯現，因此一般在正常狀態下加大安全性投入難，而認識到需要投入又往往太遲。加大安全性投入，一方面要在飛機平臺上做到充分，適當的安全監控、設備冗余、容錯處理等增加成本的投入應到位;另一方面要在配套建設上做到充足，必要的氣象監測、任務區勘測、質量管理體系建設、訓練器材等輔助投入應落實。

第五，培養合格的使用者。人始終是保證安全的決定性因素，沒有合格的使用者就沒有裝備安全使用的基礎，合格的使用者可以發現、消除不安全因素，避免事故發生。要培養合格的使用者，設計者就應熟悉使用者的要求，在人機友好設計、使用維護規程編制、模擬訓練手段建設等方面下功夫;管理者就應掌握無人直升機管理特性，在人員選配、管理規章制定、配套條件建設等方面下功夫;使用者就應能熟練操管裝備，在掌握基本知識與技能、規范基本流程與操作、熟悉安全預案與措施等方面下功夫，只有設計者、管理者、使用者緊密結合起來才能真正培養出合格的人才來。

4 結束語

據報道，近4年美國因安全性故障損失無人機90架，僅2011年就損失26架之多。安全性問題是目前廣受關注的普遍性問題，而無人直升機系統的

安全性問題是一個新領域的特殊問題，值得探討和研究。研究的方法很多，本文只是從寬泛的層面作了一個粗淺的開始，愿有志于此者更加深入研究和探索，開啟國產無人直升機領域的安全航程。

［1］蔣新桐，主編.飛機設計手冊，第19冊，直升機設計手冊［M］.北京:航空工業出版社，2005.

［2］祝小平，主編.無人機設計手冊，第11章，可靠性、維修性、安全性和環境適用性［M］.北京:國防工業出版社，2007.

［3］美國直升機安全性概況［EB/OL］.http://www.docin.com/p-8388340.html