民用無人機(jī)安全性測(cè)試及等級(jí)劃分

航空工業(yè)信息中心，北京市 朝陽區(qū) 100024

以定量方式給出了民用無人機(jī)飛行安全受到的風(fēng)、雨、雷電、電磁干擾、地磁紊亂、高低溫、沙塵、腐蝕、抗打擊、振動(dòng)等影響因素，并提出針對(duì)每一種影響因素開展的民用無人機(jī)安全性測(cè)試方法。

民用無人機(jī)飛行安全受到風(fēng)、雨、雷電、電磁干擾、地磁紊亂、高低溫、沙塵、腐蝕、抗打擊、振動(dòng)等因素影響，為加強(qiáng)民用無人機(jī)安全性測(cè)試，需要模擬、營(yíng)造反映各種使用環(huán)境特點(diǎn)的測(cè)試環(huán)境，因此，有必要開展各種影響因素分級(jí)分析，并在此基礎(chǔ)上開展民用無人機(jī)安全性等級(jí)劃分方法的探討。

測(cè)試環(huán)境

風(fēng)

民用無人機(jī)安全性測(cè)試須針對(duì)風(fēng)環(huán)境開展飛行測(cè)試。風(fēng)力等級(jí)(Wind scale)簡(jiǎn)稱風(fēng)級(jí)，是風(fēng)強(qiáng)度(風(fēng)力)的一種表示方法。國(guó)際通用的風(fēng)力等級(jí)是由英國(guó)人蒲福(Beaufort)于1805年擬定的，故又稱“蒲福風(fēng)力等級(jí) (Beaufort scale)”，它最初是根據(jù)風(fēng)對(duì)炊煙、沙塵、地物、漁船、漁浪等的影響大小分為0～12級(jí),共13個(gè)等級(jí)。后來,又在原分級(jí)的基礎(chǔ)上,增加了相應(yīng)的風(fēng)速界限。自1946年以來，風(fēng)力等級(jí)又作了擴(kuò)充，增加到18個(gè)等級(jí)(0～17級(jí))，見表1。

在民用無人機(jī)測(cè)試中，需要在地面模擬持續(xù)風(fēng)場(chǎng)、瞬間風(fēng)場(chǎng)、紊亂風(fēng)場(chǎng)的飛行測(cè)試(分短時(shí)間、持久性、操縱性測(cè)試)環(huán)境下，測(cè)試無人機(jī)的抗風(fēng)可靠性。

在測(cè)試中，地面模擬風(fēng)場(chǎng)環(huán)境僅研究旋翼類無人機(jī)的抗風(fēng)能力，主要包括各種級(jí)別各種風(fēng)環(huán)境下的短時(shí)間懸停抗風(fēng)能力、風(fēng)場(chǎng)環(huán)境中的升降、盤旋操縱能力、持續(xù)懸停抗風(fēng)能力。

雨

民用無人機(jī)安全性測(cè)試須針對(duì)雨環(huán)境開展飛行測(cè)試和時(shí)間積累測(cè)試。

地面模擬飛行測(cè)試適用于旋翼類無人機(jī)。將建立地面模擬雨環(huán)境，測(cè)試旋翼類無人機(jī)在雨環(huán)境的懸停飛行持久能力，升降和盤旋操縱能力。

時(shí)間積累測(cè)試適合于所有無人機(jī)系統(tǒng)，實(shí)施不同時(shí)長(zhǎng)的淋雨，并在結(jié)束后測(cè)試舵面反應(yīng)、系統(tǒng)反應(yīng)、通信反應(yīng)等無人機(jī)操控反應(yīng)，降水等級(jí)見表2。

雷電

民用無人機(jī)安全性測(cè)試須針對(duì)雷電條件實(shí)施飛行測(cè)試和靜態(tài)雷電-飛行測(cè)試兩種測(cè)試方式。

雷電危險(xiǎn)度等級(jí)為四個(gè)級(jí)別(見表3)。

地面模擬雷電條件下的飛行測(cè)試僅適合旋翼類無人機(jī)，主要測(cè)試旋翼類無人機(jī)在雷電條件下的懸停飛行持久能力、升降和盤旋操縱能力，以及通信能力。

表1 蒲福風(fēng)力分級(jí)

表2 降水等級(jí)劃分

表3 雷電危險(xiǎn)度等級(jí)的劃分和描述

靜態(tài)雷擊-飛行測(cè)試適合于所有無人機(jī)系統(tǒng)，實(shí)施地面停放下的雷擊試驗(yàn)，并在結(jié)束后測(cè)試舵面反應(yīng)、系統(tǒng)反應(yīng)、通信反應(yīng)等無人機(jī)操控反應(yīng)，旋翼機(jī)則開展原地飛行測(cè)試，測(cè)試無人機(jī)在雷擊后的懸停能力、升降和盤旋操縱能力，以及通訊能力。

電磁干擾

民用無人機(jī)安全性測(cè)試須針對(duì)電磁干擾開展相應(yīng)的飛行測(cè)試和專項(xiàng)測(cè)試。

(1)高壓線路模擬。由于高壓電場(chǎng)(交流，直流)的模擬靠?jī)x器是非常困難的，而且高壓線路的電暈放電干擾目前在實(shí)驗(yàn)室無法模擬，所以可能需要人為建立一條模擬的高壓輸電線路，模擬高壓電場(chǎng)和電暈放電的情況，模擬無人飛行器飛越或者靠近高壓線路的環(huán)境。

(2)射頻干擾模擬。用人為產(chǎn)生的可控射頻干擾，控制其干擾頻率，干擾的強(qiáng)度，模擬無人飛行器可能面臨的射頻干擾環(huán)境等。測(cè)試無人飛行器在射頻干擾條件下是否工作，其性能是否受損。

(3)工頻磁場(chǎng)模擬。用人為產(chǎn)生的可控工頻磁場(chǎng)干擾，控制其干擾頻率，諧波，干擾的強(qiáng)度，模擬無人飛行器可能面臨的工頻干擾環(huán)境等，例如跨越、靠近輸電線路的情況。測(cè)試無人飛行器在工頻磁場(chǎng)干擾條件下是否工作，其性能是否受損。

(4)浪涌磁場(chǎng)模擬。用人為產(chǎn)生的可控的浪涌磁場(chǎng)干擾，控制其干擾的強(qiáng)度，模擬無人飛行器可能面臨的雷擊浪涌干擾環(huán)境。測(cè)試無人飛行器在工頻磁場(chǎng)干擾條件下是否工作，其性能是否受損。

(5)阻尼震蕩波磁場(chǎng)模擬。用人為產(chǎn)生的可控瞬態(tài)磁場(chǎng)干擾，控制其干擾的強(qiáng)度，模擬無人飛行器可能面臨的瞬態(tài)干擾環(huán)境，例如靠近正在分閘/合閘的高壓線路，電力機(jī)車與接觸網(wǎng)瞬時(shí)斷開，電焊機(jī)起弧等。測(cè)試無人飛行器在瞬態(tài)磁場(chǎng)干擾條件下是否工作，其性能是否受損。

(6)全球定位系統(tǒng)/北斗(GPS/BD)信號(hào)干擾模擬。衛(wèi)星定位是無人機(jī)最常采用的導(dǎo)航和定位手段，在實(shí)際使用中，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)容易受到人為干擾和各種用電器導(dǎo)致的干擾，給飛行安全帶來隱患。因此，應(yīng)當(dāng)模擬GPS/BD導(dǎo)航信號(hào)短時(shí)間丟失，或者受到干擾的無人機(jī)飛行情況。

(7)人為惡意干擾模擬。人為惡意干擾將給無人機(jī)飛行安全造成嚴(yán)重隱患，是否能夠有效抵御人為惡意干擾，是無人機(jī)安全性的重要指標(biāo)。

飛行測(cè)試是在以上各種地面模擬電磁干擾環(huán)境中，測(cè)試旋翼類無人機(jī)懸停飛行能力、升降和盤旋操縱能力、通訊鏈路能力。

地面測(cè)試是在以上各種地面模擬電磁干擾環(huán)境中，測(cè)試固定翼、旋翼類無人機(jī)的操縱響應(yīng)能力、通信鏈路能力。

測(cè)試大綱將針對(duì)上述飛行測(cè)試和地面測(cè)試開展研究、編制、試驗(yàn)、完善，最后形成標(biāo)準(zhǔn)化。

地磁紊亂

電子羅盤作為無人機(jī)產(chǎn)品的重要組成部件，以地磁場(chǎng)作為指北的參考依據(jù)，承載著為無人機(jī)引導(dǎo)絕對(duì)方位的功能。對(duì)于多旋翼類飛行器，電子指北針元件是相對(duì)關(guān)鍵的部件，對(duì)無人機(jī)的穩(wěn)定飛行有著重要的作用。在實(shí)際使用中，鋼鐵制船舶、建筑、含鐵量較大的山體將導(dǎo)致地磁紊亂，進(jìn)而影響電子羅盤正常工作。同時(shí)，由于無人機(jī)內(nèi)部電子羅盤和其余電子元器件距離較近，當(dāng)無人機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)排布不合理時(shí)也會(huì)導(dǎo)致電子羅盤受到磁場(chǎng)干擾。無人機(jī)在失去定向功能后往往發(fā)生自轉(zhuǎn)，高速運(yùn)動(dòng)時(shí)很可能導(dǎo)致失去平衡而墜地。

因此，應(yīng)當(dāng)開展針對(duì)地磁紊亂場(chǎng)下的飛行測(cè)試，飛行測(cè)試僅適合于旋翼類無人機(jī)。在模擬地磁紊亂場(chǎng)中主要開展懸停飛行測(cè)試、升降和盤旋操縱測(cè)試、持久飛行測(cè)試、以及通訊測(cè)試等。

高低溫

高低溫環(huán)境將影響無人機(jī)的電子、機(jī)械元件可靠性，需要在地面打造模擬高溫、低溫和交變溫度場(chǎng)環(huán)境，開展模擬寒冷情況下、高溫情況下無人機(jī)的飛行測(cè)試和時(shí)間積累測(cè)試。

飛行測(cè)試僅適合于旋翼類無人機(jī)。在模擬高低溫試驗(yàn)場(chǎng)中主要開展懸停飛行測(cè)試、升降和盤旋操縱測(cè)試、持久飛行測(cè)試、以及通訊測(cè)試等。

時(shí)間積累測(cè)試適合于任何種類無人機(jī)。將置無人機(jī)于試驗(yàn)場(chǎng)地面，開展高溫時(shí)間積累測(cè)試、低溫時(shí)間積累測(cè)試、高低溫交變溫度場(chǎng)時(shí)間積累測(cè)試，結(jié)束后開展無人機(jī)的操縱響應(yīng)能力、通訊鏈路能力測(cè)試評(píng)估，其中旋翼類無人機(jī)也可以開展原地懸停飛行測(cè)試、升降和盤旋操縱測(cè)試、持久飛行測(cè)試等。

沙塵

沙塵將影響轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)件的可靠性，應(yīng)當(dāng)將在地面打造模擬沙暴、沙塵環(huán)境，并開展無人機(jī)在模擬沙暴(沙漠)情況下和沙塵(工地)情況下的飛行測(cè)試和時(shí)間積累測(cè)試。

飛行測(cè)試僅適合于旋翼類無人機(jī)。在模擬沙暴、沙塵試驗(yàn)場(chǎng)中主要開展懸停飛行測(cè)試、升降和盤旋操縱測(cè)試、持久飛行測(cè)試等。

時(shí)間積累測(cè)試適合于任何種類無人機(jī)。將置無人機(jī)于試驗(yàn)場(chǎng)地面，開展沙暴、沙塵時(shí)間積累測(cè)試，結(jié)束后開展無人機(jī)的操縱響應(yīng)能力，其中旋翼類無人機(jī)將開展原地懸停飛行測(cè)試、升降和盤旋操縱測(cè)試、持久飛行測(cè)試等。

腐蝕

腐蝕環(huán)境將嚴(yán)重影響無人機(jī)電子元器件、金屬部件的完好率、可靠性和壽命，也是影響無人機(jī)產(chǎn)品壽命的關(guān)鍵因素，應(yīng)當(dāng)模擬高濕、腐蝕、霉菌等使用環(huán)境，開展高濕、腐蝕、霉菌情況下的時(shí)間積累測(cè)試。

時(shí)間積累測(cè)試適合于任何種類無人機(jī)。試驗(yàn)人員將置無人機(jī)于試驗(yàn)場(chǎng)地面，開展高濕、腐蝕、霉菌時(shí)間積累測(cè)試，結(jié)束后開展無人機(jī)的操縱響應(yīng)能力、部件完好性檢查、整機(jī)完好性檢查、系統(tǒng)(含通信鏈路等)完好性檢查，其中旋翼類無人機(jī)將開展原地懸停飛行測(cè)試、升降和盤旋操縱測(cè)試、持久飛行測(cè)試等。

抗打擊/抗沖擊

無人機(jī)在飛行中有可能因各種原因發(fā)生墜落，那么對(duì)不同高度的跌落測(cè)試，以及飛行時(shí)遭遇的空中不同軟硬物體的沖擊測(cè)試，是無人機(jī)抗沖擊、抗墜落能力的主要測(cè)試內(nèi)容。

應(yīng)當(dāng)打造不同高度跌落試驗(yàn)環(huán)境(含不同地面材質(zhì))，各種碰撞動(dòng)能測(cè)試試驗(yàn)環(huán)境，開展無人機(jī)抗打擊、抗沖擊能力測(cè)試。包括：(1)開展旋翼類無人機(jī)跌落試驗(yàn)，不同高度和不同地面材質(zhì)，測(cè)試跌落試驗(yàn)后的懸停能力、升降和盤旋操縱測(cè)試和持久飛行測(cè)試。(2)開展旋翼類無人機(jī)抗沖擊試驗(yàn)，不同材質(zhì)、質(zhì)量和速度、角度，空中懸停狀態(tài)下沖擊試驗(yàn)后的懸停能力、升降和盤旋操縱測(cè)試和持久飛行測(cè)試。

振動(dòng)

該測(cè)試主要測(cè)試無人機(jī)元器件的抗振動(dòng)能力和機(jī)械連接件的可靠性，將無人機(jī)置于振動(dòng)臺(tái)，以各種振動(dòng)頻率予以測(cè)試，結(jié)束后檢測(cè)無人機(jī)系統(tǒng)完好性，并在開展無人機(jī)的飛行測(cè)試。

安全等級(jí)劃分

根據(jù)上述安全性影響因素，給出相應(yīng)的安全等級(jí)判斷分級(jí)。

抗風(fēng)方面

目前列為4個(gè)等級(jí)，等級(jí)越靠前，抗風(fēng)能力越強(qiáng)。

1級(jí)：能夠在＞10級(jí)的風(fēng)場(chǎng)中保持穩(wěn)定飛行。

2級(jí)：能夠在7～10級(jí)的風(fēng)場(chǎng)中保持穩(wěn)定飛行。

3級(jí)：能夠在4～7級(jí)的風(fēng)場(chǎng)中保持穩(wěn)定飛行。

4級(jí)：能夠在0～3級(jí)的風(fēng)場(chǎng)中保持穩(wěn)定飛行。

抗雨方面

目前列為4個(gè)等級(jí)，等級(jí)越靠前，抗雨能力越強(qiáng)。

1級(jí)：能夠在暴雨及暴雨以上環(huán)境中保持穩(wěn)定飛行。

2級(jí)：能夠在大雨環(huán)境中保持穩(wěn)定飛行。

3級(jí)：能夠在中雨環(huán)境中保持穩(wěn)定飛行。

4級(jí)：能夠在小雨環(huán)境中保持穩(wěn)定飛行。

抗雷擊

目前列為2個(gè)等級(jí)，等級(jí)越靠前，抗雷擊能力越強(qiáng)。

1級(jí)：在被雷擊擊中情況下能夠繼續(xù)保持穩(wěn)定飛行。

2級(jí)：在被雷擊擊中情況下不能繼續(xù)保持穩(wěn)定飛行。

電磁方面

目前列為3個(gè)等級(jí)，等級(jí)越靠前，代表在同等輻射強(qiáng)度下，能夠在距離輻射源越近的情況下保持穩(wěn)定飛行。

1級(jí)：在距離輻射源0～5m情況下能夠保持穩(wěn)定飛行。

2級(jí)：在距離輻射源5～20m情況下能夠保持穩(wěn)定飛行。

3級(jí)：在距離輻射源20m以上情況下能夠保持穩(wěn)定飛行。

地磁穩(wěn)定方面

目前列為2個(gè)等級(jí)，等級(jí)越靠前，代表適應(yīng)地磁紊亂的能力越強(qiáng)。

1級(jí)：能夠在典型地磁紊亂場(chǎng)保持穩(wěn)定飛行。

2級(jí)：不能在典型地磁紊亂場(chǎng)保持穩(wěn)定飛行。

抗沙塵

目前列為3個(gè)等級(jí)，等級(jí)越靠前，代表抗沙塵能力越多。

1級(jí)：能夠在典型風(fēng)沙環(huán)境保持20min以上穩(wěn)定飛行。

2級(jí)：能夠在典型風(fēng)沙環(huán)境保持10～20min之間穩(wěn)定飛行。

3級(jí)：能夠在典型風(fēng)沙環(huán)境保持0～10min之間穩(wěn)定飛行。

高低溫

目前列為3個(gè)等級(jí)，等級(jí)越靠前，代表適應(yīng)溫差范圍越大。

1級(jí)：適應(yīng)溫差在±40°以上，能夠保持穩(wěn)定飛行。

2級(jí)：適應(yīng)溫差在±20°～40°，能夠保持穩(wěn)定飛行。

3級(jí)：適應(yīng)溫差在0°～±20°，能夠保持穩(wěn)定飛行。

腐蝕

目前列為3個(gè)等級(jí)，等級(jí)越靠前，代表適應(yīng)腐蝕時(shí)間越久。

1級(jí)：在非包裝情況下，在典型海洋腐蝕環(huán)境下存儲(chǔ)10日以上，能夠保持穩(wěn)定飛行。

2級(jí)：在非包裝情況下，在典型海洋腐蝕環(huán)境下存儲(chǔ)5～10日，能夠保持穩(wěn)定飛行。

3級(jí)：在非包裝情況下，在典型海洋腐蝕環(huán)境下存儲(chǔ)0～5日，能夠保持穩(wěn)定飛行。

抗打擊

目前列為3個(gè)等級(jí)，等級(jí)越靠前，代表適應(yīng)抗打擊能力越強(qiáng)。

1級(jí)：抗直徑為10mm硬質(zhì)物體，以速度20m/s以上碰撞，能夠保持穩(wěn)定飛行。

2級(jí)：抗直徑為10mm硬質(zhì)物體，以速度10～20m/s之間碰撞，能夠保持穩(wěn)定飛行。

3級(jí)：抗直徑為10mm硬質(zhì)物體，以速度0～10m/s之間碰撞，能夠保持穩(wěn)定飛行。

抗振動(dòng)

目前列為3個(gè)等級(jí)，等級(jí)越靠前，代表適應(yīng)抗振動(dòng)能力越強(qiáng)。表征連接件等機(jī)械穩(wěn)定性。

1級(jí)：在5h以上機(jī)械振動(dòng)后，能夠保持穩(wěn)定飛行。

2級(jí)：在2～5h機(jī)械振動(dòng)后，能夠保持穩(wěn)定飛行。

3級(jí)：在0～2h機(jī)械振動(dòng)后，能夠保持穩(wěn)定飛行。