艦載起降無人直升機安全性分析方法研究

【摘要】艦載起降無人直升機具有載荷能力強、起降靈活等特點，通過搭載光電探測、通信中繼、干擾對抗等設(shè)備，隨艦航行可執(zhí)行多樣化保障任務(wù)。由于艦上起降飛行環(huán)境復(fù)雜、對安全性要求高，需要系統(tǒng)開展安全性分析研究。本文在某艦載起降無人直升機任務(wù)流程及典型任務(wù)剖面分析基礎(chǔ)上，采用故障模式及影響分析法、風(fēng)險評價指數(shù)矩陣法對艦載起降無人直升機任務(wù)流程進(jìn)行了安全性分析，提出了安全性措施，并結(jié)合某型無人直升機可靠性計算了飛行故障對典型目標(biāo)威脅概率。分析結(jié)果表明艦載起降無人直升機整體風(fēng)險可控，也可根據(jù)不同使用場景采取相應(yīng)的安全改進(jìn)措施，本文所用安全性分析方法可供相關(guān)技術(shù)人員參考。

【關(guān)鍵詞】艦載無人直升機|安全性|故障模式|風(fēng)險評價|危險源

艦載起降無人直升機具有隨艦航行、載荷靈活更換、空中自由懸停等優(yōu)點，可裝備在各類型艦船上，用于在海上監(jiān)視、通信中繼、干擾壓制等任務(wù)，近年來得到了較快發(fā)展，如國外“火力偵察兵”無人直升機、S-100無人直升機，國內(nèi)AR-500CJ等，均實現(xiàn)了艦上起降。由于較小可用起降面積、不穩(wěn)定風(fēng)場、多自由度搖擺、復(fù)雜電磁環(huán)境等方面均對艦載無人直升機安全起降帶來較大困難和風(fēng)險，另外設(shè)計時要充分考慮測控系統(tǒng)、引導(dǎo)裝置、著艦輔助裝置、運輸裝置的通用性和可拆卸性，特別是著艦輔助裝置，要充分考慮安裝可行性、拆卸靈活性，避免出現(xiàn)使用保障難題及操作維護(hù)風(fēng)險。為確保艦載起降無人直升機首次艦上加裝及安全使用，本文針對無人直升機艦上執(zhí)行任務(wù)特點采取故障模式及影響分析方法進(jìn)行了安全性分析，計算了飛行威脅概率，并針對不同危險因素提出了相應(yīng)的安全措施。

一、使用模式分析

艦載起降無人直升機系統(tǒng)包括飛機平臺、著艦引導(dǎo)裝置、測控設(shè)備和保障設(shè)備等，其中飛機平臺主要由復(fù)合材料機體、旋翼系統(tǒng)、重油動力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機載測控設(shè)備及魚叉系統(tǒng)等組成，著艦引導(dǎo)裝置主要由差分引導(dǎo)設(shè)備、視覺引導(dǎo)設(shè)備、船姿測量設(shè)備、艦船運動預(yù)測設(shè)備等組成，測控系統(tǒng)主要由天線、遙控設(shè)備、遙測設(shè)備、顯示設(shè)備及電源等組成，配套保障設(shè)備主要包括綜合檢測設(shè)備、儲運設(shè)備、可拆卸格柵裝置，配套工具、備品備件等。

艦載起降無人直升機一般在艦上布設(shè)，需要和艦船各分系統(tǒng)協(xié)同開展工作，接收相關(guān)任務(wù)，典型的任務(wù)流程如下：

（一）飛行前準(zhǔn)備：包括飛機轉(zhuǎn)運至甲板、著艦引導(dǎo)設(shè)備布設(shè)、控制站架設(shè)，任務(wù)載荷檢查、機務(wù)檢查、燃油加注測量飛行環(huán)境條件（包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度等）等，另外，發(fā)動機啟動電源等配套設(shè)備擺放到位；

（二）艦面靜態(tài)自檢測過程：著艦引導(dǎo)設(shè)備、控制站啟動，機上電氣系統(tǒng)啟動，全系統(tǒng)進(jìn)行通電自檢測，慣導(dǎo)對準(zhǔn)；

（三）啟動過程：發(fā)動機啟動、接通旋翼進(jìn)入轉(zhuǎn)速閉環(huán)，任務(wù)載荷上電，一鍵自主飛行或外控增穩(wěn)起飛；

（四）任務(wù)飛行：直升機出航執(zhí)行飛行任務(wù)，任務(wù)段可以按照預(yù)設(shè)航線飛行，也可以通過地面設(shè)備操縱其飛行，到達(dá)任務(wù)點后執(zhí)行相關(guān)任務(wù)；

（五）回收：無人直升機完成相關(guān)任務(wù)后進(jìn)入回收程序，進(jìn)行自主降落或者外控（增穩(wěn)）手動降落，無人直升機自主著艦一般經(jīng)過四個階段：下滑道捕獲段、穩(wěn)定下滑段、著艦進(jìn)場段、快速下降段、著艦固定段；

（六）關(guān)機：保存飛行數(shù)據(jù)，發(fā)動機關(guān)閉，電氣系統(tǒng)關(guān)閉，測控分系統(tǒng)關(guān)閉；

（七）撤收：導(dǎo)出直升機及任務(wù)載荷儲存設(shè)備所存儲的數(shù)據(jù)，各系統(tǒng)撤收，分類收放各種設(shè)備和工具。

二、故障模式影響及危害性分析

（一）故障模式影響分析

艦載無人直升機執(zhí)行任務(wù)危險事件發(fā)生故障類別可以分為四類：設(shè)計缺陷、成品故障、人為錯誤和環(huán)境影響，每一類別中包括不同故障模式，根據(jù)艦載無人直升機飛行任務(wù)特點，對故障發(fā)生原因及危害結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，便于量化開展風(fēng)險評價，具體見表1。

（二）危害性分析

針對表1分析的故障模式及危害結(jié)果，為了確定合適的解決措施，應(yīng)制定風(fēng)險評價準(zhǔn)則，采用風(fēng)險評價指數(shù)矩陣來確定其風(fēng)險水平，見表2。矩陣中的加權(quán)指數(shù)范圍為1到20，是根據(jù)危險可能性和嚴(yán)重性綜合而確定的，其中評價指數(shù)1～5為不可接受，評價指數(shù)6～9為需要決策后可接受，評價指數(shù)10～17為評審后可接受，評價指數(shù)18～20為風(fēng)險較小可直接接受。對應(yīng)于風(fēng)險評價指數(shù)的風(fēng)險決策如下：

（三）安全性改進(jìn)措施

綜合上述分析，除高海況、水平/垂直突風(fēng)、電磁干擾、撞鳥等外在難以預(yù)知的危險因素為需使用方?jīng)Q策外，其余機體損傷、飛控系統(tǒng)失效等危險因素均在經(jīng)評審后可接受范圍。通過評審認(rèn)為，艦載無人直升機應(yīng)注重安全性設(shè)計、落實質(zhì)量管理體系、加強艦機適配性，還應(yīng)盡可能采取多種措施降低安全風(fēng)險。

一是針對飛機與艦體碰撞飛行風(fēng)險，采取預(yù)留功率余量、預(yù)判艦船搖擺息靜期、合理設(shè)定安控策略、規(guī)劃安全航跡、設(shè)置外部應(yīng)急操作手、增設(shè)安全屏障等措施。

二是針對機體結(jié)構(gòu)損傷、旋翼傳動系統(tǒng)故障、動力系統(tǒng)失效等機械類故障，采取加強探傷檢查、設(shè)置多重傳感器、預(yù)先規(guī)劃應(yīng)急迫降區(qū)域及組織海上應(yīng)急搜救等措施。

三是針對飛控系統(tǒng)失效、電氣系統(tǒng)失效、測控鏈路失效、著艦引導(dǎo)系統(tǒng)等故障，采取多余度導(dǎo)航控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)，增加備份測控站及備份鏈路，優(yōu)化無線電、差分、視覺等融合引導(dǎo)策略等措施。

四是針對高海況、水平/垂直突風(fēng)、航路降雨、電磁干擾等飛行風(fēng)險，提前開展任務(wù)現(xiàn)場的海況、氣象預(yù)報監(jiān)測和配備電磁頻譜分析設(shè)備，合理規(guī)劃艦船航向和飛行區(qū)域，確保滿足無人直升機安全起降環(huán)境要求。

五是針對飛行過程中旋翼撞鳥故障。采取合理規(guī)劃任務(wù)區(qū)域，執(zhí)行任務(wù)前開展驅(qū)鳥等措施。

六是針對旋翼安裝、機務(wù)檢查、加油時人員意外滑落受傷風(fēng)險。采取加強安全教育、設(shè)立現(xiàn)場安全員、定人定崗、讀卡操作、雙崗交叉確認(rèn)等措施。

三、飛行故障威脅概率分析

（一）飛行可靠度

艦載無人直升機可靠飛行需要機體分系統(tǒng)、旋翼分系統(tǒng)、動力分系統(tǒng)、飛控分系統(tǒng)、測控分系統(tǒng)、傳動分系統(tǒng)各分系統(tǒng)可靠工作，各分系統(tǒng)形成串聯(lián)關(guān)系，任一分系統(tǒng)、設(shè)備的故障都會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的故障。

首先根據(jù)元器件失效數(shù)據(jù)開展模塊級的可靠性計算，也可通過分析歷史數(shù)據(jù)對成附件平均故障時間進(jìn)行統(tǒng)計，對已有可靠性預(yù)計值的成熟零部件，計算中直接引用生產(chǎn)商的數(shù)據(jù)。通過可靠性數(shù)據(jù)分析，計算出某艦載起降無人直升機MTBCF為46.69h，飛行可靠度為0.978809，通過可靠度計算，無人直升機墜落概率為0.016，偏離航線概率為0.01，不受控故障概率為P安控=0.012。

（二）對航線附近目標(biāo)威脅概率分析

無人直升機在按照航線飛行過程中由于故障可能導(dǎo)致停車或直接墜落，無人直升機航線最高飛行高度為1000m，考慮停車后風(fēng)力及旋翼旋轉(zhuǎn)影響經(jīng)分析平均下降時間為43s，平均側(cè)向速度最大為20m/s，停車后最大散布面積S1=2×L航線×v側(cè)向×t降落=2×246×0.020×43=426km2，無人直升機墜落概率P墜落=0.016。假設(shè)被威脅目標(biāo)漁船長30m、寬10m，計算出對漁船威脅概率為1.1E-08。

（三）對航線外目標(biāo)威脅概率分析

當(dāng)無人直升機安控失效，此時無人直升機完全不受控，會對航外目標(biāo)造成威脅。無人直升機安控失效概率為1-R安控=0.01。無人直升機滿油航程為300km，極端情況下飛機起飛后出現(xiàn)故障，安控失效，散落面積以起飛點為圓心，半徑300km的圓，得出單架無人直升機墜落對漁船威脅概率為1.4E-13。

四、結(jié)語

艦載無人直升機執(zhí)行任務(wù)流程復(fù)雜、安全性要求高，需要突出重點有所側(cè)重，如執(zhí)行復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)任務(wù)時應(yīng)重點關(guān)注電磁干擾，執(zhí)行低空掠海飛行任務(wù)時重點關(guān)注撞鳥、測控鏈路失效、航區(qū)漁船等，執(zhí)行高空偵察任務(wù)時重點關(guān)注動力系統(tǒng)等性能，對其安全性分析評估應(yīng)貫穿于系統(tǒng)全壽命周期，通過分析評估發(fā)現(xiàn)隱患和缺陷，從而制定和采取必要的措施，提高系統(tǒng)安全性。中國軍轉(zhuǎn)民

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（作者簡介：劉學(xué)業(yè)，中國人民解放軍92419部隊，碩士，高級工程師，研究方向為無人機應(yīng)用）