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(yōu)點，用途十分廣泛。然而其強耦合、不穩(wěn)定性及非線性控制技術一直是業(yè)界的研究難點和研究重點。直升機系統(tǒng)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(fā)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(chǎn)品，一開始就受到技術因素、安全因素、環(huán)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(fā)展。本文通過對美國直升機系統(tǒng)故障的統(tǒng)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(tǒng)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(huán)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(jù)統(tǒng)計，1996年～2000年美國民用直升機故障總數(shù)達934起，死亡283人，損失飛機159架。這些數(shù)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(shù)據(jù)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(tǒng)計、分析，提出了21種第一事故原因，主要有:發(fā)動機動力喪失、飛行中與物體相撞、失去控制、部件或系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)，約有70%的事故與4種原因有關:發(fā)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(fā)動機動力喪失的原因，44%是燃油/空氣混合物問題、20%是發(fā)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?shù)膯栴}，因而造成事故。巡航階段出現(xiàn)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(fā)生的。直升機向前飛行時容易發(fā)生旋翼與外物相撞，向后飛行時容易發(fā)生尾部旋翼與外物相撞。起飛和著陸階段最常出現(xiàn)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(tǒng)使用不當、旋翼每分鐘轉速(RPM)低、風、飛行控制系統(tǒng)故障等多種原因。對單旋翼直升機，飛行過程的反扭矩是發(fā)生失控事故的最大原因，懸停和起飛是最易發(fā)生失控事故的階段。單發(fā)活塞發(fā)動機失去控制時大多RPM將降低，單發(fā)渦軸直升機失去偏航控制的比率比單發(fā)活塞高近2倍，但垂直方向的失控事故則少于單發(fā)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(fā)階段，持續(xù)低空飛行和障礙物距離近，速度低、受風的影響大，最易發(fā)生機身故障。發(fā)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(tǒng)固有的技術特性決定了某些故障發(fā)生的幾率，但從設計和使用的角度仍能查找出一些故障發(fā)生的規(guī)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(fā)現(xiàn)，控制軟件缺陷、安全預警缺陷、機械疲勞、操管失誤、環(huán)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)在關鍵參數(shù)選擇不精準，易出現(xiàn)臨界狀態(tài)。

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(shù)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(tài)完全展現(xiàn)出來，在研制的系統(tǒng)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(xiàn)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(jiān)控、容錯控制等，從硬件到軟件都不同程度地存在忽視現(xiàn)象。設計者往往會考慮關鍵部件、關鍵參數(shù)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(jiān)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(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)品的功能理解不深，無人直升機是在無人操管的狀態(tài)下完成任務的載體，其任務一般具有特殊性，出現(xiàn)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(tǒng)易出現(xiàn)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(jīng)常在高速、高頻等惡劣環(huán)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(xiàn)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(fā)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(xiàn)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(fā)指令、錯接電源等等，這些表現(xiàn)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(guī)程操作，憑經(jīng)驗、憑感覺、憑印象使用裝備;其次是各類制度規(guī)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(xiàn)誤操作。

2.5 環(huán)境影響

環(huán)境影響主要有氣象因素影響和飛行區(qū)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(tǒng)的飛行控制是極大的考驗，極易給不穩(wěn)定、非線性控制的系統(tǒng)造成毀滅性的后果，風是環(huán)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(qū)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(jiān)測手段、安全措施等存在不足，不能滿足復雜環(huán)境條件使用的要求;另一方面是使用者對使用環(huán)境條件把握不準，現(xiàn)場監(jiān)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(tǒng)的安全性是一個復雜的系統(tǒng)工程，有人的認識問題、技術可行性問題、經(jīng)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)的安全性才能真正得到保證。

第二，強化控制系統(tǒng)設計?？刂品绞讲煌怯腥藱C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(tǒng)，控制模式上要以自主控制為主，但遙控的優(yōu)先級應最高;控制策略上要以實現(xiàn)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(wěn)定飛行的經(jīng)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(xiàn)。

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(tài)等的后果，在控制策略設計、狀態(tài)監(jiān)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(chǎn)出，安全性投入一般較大而產(chǎn)出往往難以顯現(xiàn)，因此一般在正常狀態(tài)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?shù)陌踩O(jiān)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(jiān)測、任務區(qū)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(yǎng)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(fā)現(xiàn)、消除不安全因素，避免事故發(fā)生。要培養(yǎng)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(guī)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(guī)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(guī)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(yǎng)出合格的人才來。

4 結束語

據(jù)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(tǒng)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(chǎn)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(yè)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(huán)境適用性［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007.

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