無人機飛行安全性分析

呂曉林/中國人民解放軍92419 部隊，遼寧省 興城市 125106

研究了無人機的安全概率計算模型，將飛行任務分為發(fā)射起飛、飛行與回收三個階段，對各階段的安全性進行計算，分析了無人機飛行航路設計和飛行航區(qū)設置對安全概率的影響，并提出了有利于飛行安全性的航路和航區(qū)設置原則。

某型無人機采用火箭助推起飛，程序控制爬升到預定安全高度后，按照預定航線自主導航飛行，完成飛行任務后，按照預定回收區(qū)域進行自主回收。由于無人機飛行速度快、航程遠，飛行航區(qū)覆蓋面廣，航區(qū)內(nèi)既有陸上重要設施、人口密集區(qū)，還有海上重要保護目標、重要生產(chǎn)生活設施等，需要對其飛行安全性進行分析和計算，探索安全使用方法和途徑。

無人機基本情況

無人機系統(tǒng)包括發(fā)射分系統(tǒng)、無人機(機體、發(fā)動機、導航控制分系統(tǒng)、電氣分系統(tǒng))和測控分系統(tǒng)。

無人機具備程序控制、自主和遙控三種飛行控制模式，同時具備自主安全控制功能。在飛行控制系統(tǒng)中，采取了以下安全措施：

(1)機載兩套衛(wèi)星導航定位設備，兩者互為備份；

(2)采用衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)輸出的高度H與，通過高度穩(wěn)定回路操縱升降舵，完成飛行高度的穩(wěn)定與操縱；同時大氣機測定的高度H與作為備份；

(3)以衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)輸出的航跡角為主進行導航控制，以磁航向作為備份。

無人機具有自主安全控制功能。起飛前可裝訂安全控制區(qū)域，安全控制系統(tǒng)實時判斷無人機位置，如果連續(xù)判斷無人機在安全控制區(qū)域外，則無人機執(zhí)行安安全控制措施。

飛行安全性分析

飛行基本過程

無人機通電測試合格后，發(fā)動機開車，油門推到最大，轉速穩(wěn)定后，助推器點火，無人機起飛后按預定程序爬升，爬升結束后以自主飛行為主，遙控為輔。自主飛行中，以機載的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)進行定位，并與給定航路進行比較，從而完成飛行任務。在自主飛行過程中，可以由地面站發(fā)送“人工引導”指令，進入遙控飛行模式。飛行結束后，無人機自主飛到預定區(qū)域進行回收。

可靠性分析

(1)發(fā)射段可靠性分析

在完成所有檢測程序后，先啟動發(fā)動機置慢車狀態(tài)，并按照發(fā)射時的環(huán)境溫度、海拔高度將發(fā)動機的轉速推至修正額定狀態(tài)；然后再點燃火箭助推器，當火箭助推器的推力值達到一定時，閉鎖機構的中的拉斷螺栓被拉斷，無人機離開發(fā)射車軌道。當火箭助推器工作結束后，自行脫落。無人機發(fā)動機轉速由修正額定狀態(tài)轉換至額定狀態(tài)，以滿足無人機正常飛行需要。

無人機發(fā)射可靠性模型如圖1所示。

發(fā)射可靠性為R發(fā)射＝R動力×R點火×R火箭×R火箭。

(2)飛行可靠性分析

無人機起飛后，進入程序爬高，然后可以遙控或自主飛行。若遙控失效，自動按供靶航路自主導航控制飛行。若GPS失效，則進行航路外推并轉遙控；若GPS和遙控都失效，無人機自主飛行到預先設置的墜毀區(qū)域墜落，以確保重要設施和目標的安全。

無人機可通過遙控鏈路接收遙控指令、航路和航點等信息；通過遙測鏈路發(fā)送GPS數(shù)據(jù)、無人機飛行狀態(tài)參數(shù)、遙控回令和無人機當前模式等信息。

無人機飛行可靠性模型如圖2所示。

圖1 發(fā)射可靠性模型

圖2 飛行可靠性模型

飛行可靠性為R飛行＝R機體×R動力×R電氣×R飛控×[1-(1-R遙控飛行)×(1×R自主飛行)]×R指揮通信。

(3)回收可靠性分析

在飛行結束后，人工遙控或自主飛行到預定回收區(qū)進行回收，回收可靠性為R回收。

綜上所述，無人機飛行任務可靠性R=R發(fā)射×R飛行×R回收。

故障模式與危險概率

故障模式危害性分析概述

無人機飛行過程中，產(chǎn)生的危險主要包括：無人機或火箭助推器的落點在禁區(qū)以外，造成人員或設備等的損害。

具體包括：

(1)發(fā)射段中無人機和火箭助推器意外墜毀后，落點超出發(fā)射禁區(qū)；

(2)飛行中，無人機墜毀；

(3)回收時，無人機墜毀。

上述危險均可能造成人員傷亡、設備損壞、財產(chǎn)損失等事故。

根據(jù)相關的國軍標，將故障嚴重性等級分成4級，如表1所示。

表1 故障嚴重性等級

根據(jù)相關國軍標，將故障可能性等級分為5級：A、B、C、D和E，如表2所示。故障可能性等級即該故障模式在總的故障中發(fā)生的比例。

表2 故障可能性等級

故障模式與危險概率

(1)發(fā)射段危險概率

無人機發(fā)動機在正常使用壽命之內(nèi)使用，其可靠度R動力可視為1。

點火控制系統(tǒng)的R點火可靠度視為1。

由于根據(jù)以往的經(jīng)驗，發(fā)動機和點火控制系統(tǒng)的可靠性可以看成1，那么發(fā)射段的可靠性主要由火箭助推器的可靠度R火箭決定，根據(jù)火箭助推器的生產(chǎn)工藝過程和使用方式分析，火箭助推器的故障主要考慮為沒有產(chǎn)生額定的推力值，并且主要應表現(xiàn)為沒有被點燃。基于這樣的假設，可以將火箭助推器視為成敗型產(chǎn)品。在發(fā)射段中，如果兩枚火箭只有一枚點燃，那么就會產(chǎn)生危險。如下表所示，可以看出，發(fā)生危險的概率為：2R火箭×(1-R火箭)。

表3 發(fā)射段故障狀態(tài)表

下面計算火箭助推器的可靠度R火箭。

根據(jù)火箭助推器的生產(chǎn)單位航天二員同類產(chǎn)品的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，同類產(chǎn)品的試驗次數(shù)n＝50，失敗次數(shù)f＝0。現(xiàn)在對火箭助推器的單側置信下限RL進行估計。由于f＝0，因此，計算公式為

其中，γ為置信水平。

現(xiàn)取置信水平為80%，那么RL＝0.9701，則發(fā)射段任務成功的概率估計為：P發(fā)射＝0.9701×0.9701=0.9411，單發(fā)火箭助推的概率估計為：2×0.9701×(1-0.9701)=0.0580，則發(fā)射段的危險概率為0.0580。

(2)飛行段危險概率

在飛行供靶段中，飛行時間按照t＝1h來計算，則：

無人機的機體、動力系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的可靠度R機體＝R動力＝R電氣＝1。

指揮通信設備的可靠度R指揮＝0.9990。

無人機飛控系統(tǒng)的任務可靠度R飛控＝0.9864。

自主飛行控制系統(tǒng)任務可靠度R自主＝0.9996。

綜上，無人機飛行段的任務可靠度為R＝0.9864×(1-(1-0.9967)×(1-0.9996))×0.9990=0.9854。

現(xiàn)假設上述各分系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率相互獨立，則可以計算出各種故障組合狀態(tài)對應的發(fā)生概率如表4所示(其中，1表示正常，0表示故障)。

表4 故障狀態(tài)發(fā)生概率表

現(xiàn)對表中的狀態(tài)模式的發(fā)生概率與10-4進行比較，結果如表5。

由表中可見模式8、12、14、16共計4種模式的發(fā)生概率是大于10-4的。

表5 故障狀態(tài)發(fā)生概率表

安全性分析

發(fā)射段安全性分析

無人機采用雙發(fā)火箭助推零長發(fā)射方式，影響無人機發(fā)射安全的因素有：雙發(fā)火箭點火不同步、雙方火箭推力不同步、只有1枚火箭工作、發(fā)動機停車、無人機飛控系統(tǒng)故障、無人機電氣系統(tǒng)斷電。

助推火箭出廠前進行了雙發(fā)火箭同步點火試驗，確保雙發(fā)火箭同步點火時間偏差、火箭推力偏差和拖尾段起始時間偏差滿足指標要求。無人機放飛前，兩枚火箭點火電纜處于并聯(lián)狀態(tài)，通過開關連接在點火電源上；在點火前要進行線路測試，確保點火電路無斷路、短路現(xiàn)象，在技術上和措施上確保雙發(fā)火箭點火的同步性。如果雙方火箭推力存在一定偏差，會對無人機產(chǎn)生一定的擾動，可導致無人機航向最大偏差范圍為±15°，這以后無人機會在飛控系統(tǒng)的作用下迅速糾偏，無人機不會繼續(xù)發(fā)生偏航運動。

助推火箭內(nèi)部點火線路上安置有低通濾波器，可以防靜電防射頻，確保火箭不會意外點火；另外每發(fā)火箭內(nèi)部都有兩套點火系統(tǒng)，只要有一套系統(tǒng)工作，火箭就可以正常點火；同時點火前要進行點火線路檢測，確保兩枚火箭點火正常。當只有1枚火箭工作時，無人機會翻滾、失控墜毀，不會對發(fā)射禁區(qū)外的目標造成威脅。

火箭點火以后，如果發(fā)動機突然停車，火箭推力產(chǎn)生低頭力矩，無人機會快速墜入海中，不會對發(fā)射禁區(qū)外的目標造成威脅。

飛控系統(tǒng)出現(xiàn)機械故障的可能性很小，發(fā)射過程中，若舵系統(tǒng)出現(xiàn)問題，如舵面拉桿斷裂，無人機會很快失控墜海；如果飛控計算機、陀螺平臺、舵機出現(xiàn)問題，無人機會很快失控墜海，都不會威脅到發(fā)射禁區(qū)外目標的安全。

如果無人機電氣系統(tǒng)突然斷電，無人機馬上失控、快速墜落，也不會對發(fā)射禁區(qū)外的目標造成威脅。

圖3 無人機飛行時安全性分析框圖

因此，在發(fā)射段無人機不會對發(fā)射禁區(qū)外目標造成威脅。

飛行過程中安全性分析

程序爬高結束后，如果沒有遙控指令，無人機自動進入自主飛行，按預定航路進行飛行飛行。無人機飛行安全性分析如圖3所示。

各種因素影響

根據(jù)上述計算，對無人機飛行安全性的影響因素進行了分析。

火箭助推器

無人機安全是指在無人機的運輸、貯存、使用維護、發(fā)射和飛行等過程中不會對人員、財產(chǎn)、裝備等造成損害；在無人機發(fā)射后，無論飛行是否成功，最后的落點(包括助推器)應在禁區(qū)和危險區(qū)內(nèi)部。那么飛行的安全概率必須大于0.998(不考慮無人機被擊中后的情況)。根據(jù)上述的計算可知，飛行的安全概率小于0.998的任務可靠度，必須提高各方面的可靠性。

在不考慮回收段危險概率的條件下，飛行安全大于0.998，那么應保證單發(fā)火箭助推器的可靠度大于0.9995。

飛行時間

由于系統(tǒng)中的許多設備都是電子設備，其可靠性服從指數(shù)分布，航時越長，可靠性越低。設總航時分別為t1和t2，則同一個設備的故障概率在不同航時條件下的比值為，可見，飛行一個航次與兩個航次的飛行故障概率是不同的。但由于航時是根據(jù)任務要求確定的，一般難以壓縮，只能是在滿足需要的前提下，盡量減少總航時。

最遠飛行距離

由于存在各種干擾因素，遙控遙測實際作用距離要小于理論值。一般說來，各種設備在使用中以使用其最大范圍的2/3之內(nèi)為宜，以保證設備的性能和可靠性。因此，建議最遠飛行距離應不超過遙控遙測作用距離理論值的2/3。

航區(qū)內(nèi)重要目標范圍

從分析中可以看出，航區(qū)內(nèi)重要目標的范圍越大，越容易發(fā)生危險，所以在航區(qū)內(nèi)應盡量減少這樣的目標。這就要求在設置航區(qū)的時候，盡可能選擇重要目標較少的區(qū)域。

結論

研究了無人機的安全概率計算模型，該模型將飛行任務分為發(fā)射起飛、飛行與回收三個階段，對各階段的危險概率進行計算，在采用一系列簡化和假設的基礎上，分析了無人機飛行航路設計和飛行航區(qū)設置對安全概率的影響，包括總航時、最遠飛行距離、航區(qū)內(nèi)重要目標的范圍等方面對安全概率的影響，并提出了有利于飛行安全性的航路和航區(qū)設置原則。