無(wú)人機(jī)飛行安全性分析

呂曉林/中國(guó)人民解放軍92419 部隊(duì)，遼寧省 興城市 125106

研究了無(wú)人機(jī)的安全概率計(jì)算模型，將飛行任務(wù)分為發(fā)射起飛、飛行與回收三個(gè)階段，對(duì)各階段的安全性進(jìn)行計(jì)算，分析了無(wú)人機(jī)飛行航路設(shè)計(jì)和飛行航區(qū)設(shè)置對(duì)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(shè)置原則。

某型無(wú)人機(jī)采用火箭助推起飛，程序控制爬升到預(yù)定安全高度后，按照預(yù)定航線(xiàn)自主導(dǎo)航飛行，完成飛行任務(wù)后，按照預(yù)定回收區(qū)域進(jìn)行自主回收。由于無(wú)人機(jī)飛行速度快、航程遠(yuǎn)，飛行航區(qū)覆蓋面廣，航區(qū)內(nèi)既有陸上重要設(shè)施、人口密集區(qū)，還有海上重要保護(hù)目標(biāo)、重要生產(chǎn)生活設(shè)施等，需要對(duì)其飛行安全性進(jìn)行分析和計(jì)算，探索安全使用方法和途徑。

無(wú)人機(jī)基本情況

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)包括發(fā)射分系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)(機(jī)體、發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)航控制分系統(tǒng)、電氣分系統(tǒng))和測(cè)控分系統(tǒng)。

無(wú)人機(jī)具備程序控制、自主和遙控三種飛行控制模式，同時(shí)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(jī)載兩套衛(wèi)星導(dǎo)航定位設(shè)備，兩者互為備份；

(2)采用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)輸出的高度H與，通過(guò)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(shí)大氣機(jī)測(cè)定的高度H與作為備份；

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

無(wú)人機(jī)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(shí)時(shí)判斷無(wú)人機(jī)位置，如果連續(xù)判斷無(wú)人機(jī)在安全控制區(qū)域外，則無(wú)人機(jī)執(zhí)行安安全控制措施。

飛行安全性分析

飛行基本過(guò)程

無(wú)人機(jī)通電測(cè)試合格后，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車(chē)，油門(mén)推到最大，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，助推器點(diǎn)火，無(wú)人機(jī)起飛后按預(yù)定程序爬升，爬升結(jié)束后以自主飛行為主，遙控為輔。自主飛行中，以機(jī)載的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)進(jìn)行定位，并與給定航路進(jìn)行比較，從而完成飛行任務(wù)。在自主飛行過(guò)程中，可以由地面站發(fā)送“人工引導(dǎo)”指令，進(jìn)入遙控飛行模式。飛行結(jié)束后，無(wú)人機(jī)自主飛到預(yù)定區(qū)域進(jìn)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(cè)程序后，先啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)置慢車(chē)狀態(tài)，并按照發(fā)射時(shí)的環(huán)境溫度、海拔高度將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速推至修正額定狀態(tài)；然后再點(diǎn)燃火箭助推器，當(dāng)火箭助推器的推力值達(dá)到一定時(shí)，閉鎖機(jī)構(gòu)的中的拉斷螺栓被拉斷，無(wú)人機(jī)離開(kāi)發(fā)射車(chē)軌道。當(dāng)火箭助推器工作結(jié)束后，自行脫落。無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由修正額定狀態(tài)轉(zhuǎn)換至額定狀態(tài)，以滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)正常飛行需要。

無(wú)人機(jī)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(dòng)力×R點(diǎn)火×R火箭×R火箭。

(2)飛行可靠性分析

無(wú)人機(jī)起飛后，進(jìn)入程序爬高，然后可以遙控或自主飛行。若遙控失效，自動(dòng)按供靶航路自主導(dǎo)航控制飛行。若GPS失效，則進(jìn)行航路外推并轉(zhuǎn)遙控；若GPS和遙控都失效，無(wú)人機(jī)自主飛行到預(yù)先設(shè)置的墜毀區(qū)域墜落，以確保重要設(shè)施和目標(biāo)的安全。

無(wú)人機(jī)可通過(guò)遙控鏈路接收遙控指令、航路和航點(diǎn)等信息；通過(guò)遙測(cè)鏈路發(fā)送GPS數(shù)據(jù)、無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)參數(shù)、遙控回令和無(wú)人機(jī)當(dāng)前模式等信息。

無(wú)人機(jī)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(jī)體×R動(dòng)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(jié)束后，人工遙控或自主飛行到預(yù)定回收區(qū)進(jìn)行回收，回收可靠性為R回收。

綜上所述，無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)可靠性R=R發(fā)射×R飛行×R回收。

故障模式與危險(xiǎn)概率

故障模式危害性分析概述

無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中，產(chǎn)生的危險(xiǎn)主要包括：無(wú)人機(jī)或火箭助推器的落點(diǎn)在禁區(qū)以外，造成人員或設(shè)備等的損害。

具體包括：

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

(2)飛行中，無(wú)人機(jī)墜毀；

(3)回收時(shí)，無(wú)人機(jī)墜毀。

上述危險(xiǎn)均可能造成人員傷亡、設(shè)備損壞、財(cái)產(chǎn)損失等事故。

根據(jù)相關(guān)的國(guó)軍標(biāo)，將故障嚴(yán)重性等級(jí)分成4級(jí)，如表1所示。

表1 故障嚴(yán)重性等級(jí)

根據(jù)相關(guān)國(guó)軍標(biāo)，將故障可能性等級(jí)分為5級(jí)：A、B、C、D和E，如表2所示。故障可能性等級(jí)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(jí)

故障模式與危險(xiǎn)概率

(1)發(fā)射段危險(xiǎn)概率

無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在正常使用壽命之內(nèi)使用，其可靠度R動(dòng)力可視為1。

點(diǎn)火控制系統(tǒng)的R點(diǎn)火可靠度視為1。

由于根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)和點(diǎn)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(guò)程和使用方式分析，火箭助推器的故障主要考慮為沒(méi)有產(chǎn)生額定的推力值，并且主要應(yīng)表現(xiàn)為沒(méi)有被點(diǎn)燃?；谶@樣的假設(shè)，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(diǎn)燃，那么就會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)。如下表所示，可以看出，發(fā)生危險(xiǎn)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(jì)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(lèi)產(chǎn)品的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，同類(lèi)產(chǎn)品的試驗(yàn)次數(shù)n＝50，失敗次數(shù)f＝0?，F(xiàn)在對(duì)火箭助推器的單側(cè)置信下限RL進(jìn)行估計(jì)。由于f＝0，因此，計(jì)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(wù)成功的概率估計(jì)為：P發(fā)射＝0.9701×0.9701=0.9411，單發(fā)火箭助推的概率估計(jì)為：2×0.9701×(1-0.9701)=0.0580，則發(fā)射段的危險(xiǎn)概率為0.0580。

(2)飛行段危險(xiǎn)概率

在飛行供靶段中，飛行時(shí)間按照t＝1h來(lái)計(jì)算，則：

無(wú)人機(jī)的機(jī)體、動(dòng)力系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的可靠度R機(jī)體＝R動(dòng)力＝R電氣＝1。

指揮通信設(shè)備的可靠度R指揮＝0.9990。

無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)的任務(wù)可靠度R飛控＝0.9864。

自主飛行控制系統(tǒng)任務(wù)可靠度R自主＝0.9996。

綜上，無(wú)人機(jī)飛行段的任務(wù)可靠度為R＝0.9864×(1-(1-0.9967)×(1-0.9996))×0.9990=0.9854。

現(xiàn)假設(shè)上述各分系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率相互獨(dú)立，則可以計(jì)算出各種故障組合狀態(tài)對(duì)應(yīng)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(duì)表中的狀態(tài)模式的發(fā)生概率與10-4進(jìn)行比較，結(jié)果如表5。

由表中可見(jiàn)模式8、12、14、16共計(jì)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(wú)人機(jī)采用雙發(fā)火箭助推零長(zhǎng)發(fā)射方式，影響無(wú)人機(jī)發(fā)射安全的因素有：雙發(fā)火箭點(diǎn)火不同步、雙方火箭推力不同步、只有1枚火箭工作、發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)、無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)故障、無(wú)人機(jī)電氣系統(tǒng)斷電。

助推火箭出廠(chǎng)前進(jìn)行了雙發(fā)火箭同步點(diǎn)火試驗(yàn)，確保雙發(fā)火箭同步點(diǎn)火時(shí)間偏差、火箭推力偏差和拖尾段起始時(shí)間偏差滿(mǎn)足指標(biāo)要求。無(wú)人機(jī)放飛前，兩枚火箭點(diǎn)火電纜處于并聯(lián)狀態(tài)，通過(guò)開(kāi)關(guān)連接在點(diǎn)火電源上；在點(diǎn)火前要進(jìn)行線(xiàn)路測(cè)試，確保點(diǎn)火電路無(wú)斷路、短路現(xiàn)象，在技術(shù)上和措施上確保雙發(fā)火箭點(diǎn)火的同步性。如果雙方火箭推力存在一定偏差，會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，可導(dǎo)致無(wú)人機(jī)航向最大偏差范圍為±15°，這以后無(wú)人機(jī)會(huì)在飛控系統(tǒng)的作用下迅速糾偏，無(wú)人機(jī)不會(huì)繼續(xù)發(fā)生偏航運(yùn)動(dòng)。

助推火箭內(nèi)部點(diǎn)火線(xiàn)路上安置有低通濾波器，可以防靜電防射頻，確?；鸺粫?huì)意外點(diǎn)火；另外每發(fā)火箭內(nèi)部都有兩套點(diǎn)火系統(tǒng)，只要有一套系統(tǒng)工作，火箭就可以正常點(diǎn)火；同時(shí)點(diǎn)火前要進(jìn)行點(diǎn)火線(xiàn)路檢測(cè)，確保兩枚火箭點(diǎn)火正常。當(dāng)只有1枚火箭工作時(shí)，無(wú)人機(jī)會(huì)翻滾、失控墜毀，不會(huì)對(duì)發(fā)射禁區(qū)外的目標(biāo)造成威脅。

火箭點(diǎn)火以后，如果發(fā)動(dòng)機(jī)突然停車(chē)，火箭推力產(chǎn)生低頭力矩，無(wú)人機(jī)會(huì)快速墜入海中，不會(huì)對(duì)發(fā)射禁區(qū)外的目標(biāo)造成威脅。

飛控系統(tǒng)出現(xiàn)機(jī)械故障的可能性很小，發(fā)射過(guò)程中，若舵系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，如舵面拉桿斷裂，無(wú)人機(jī)會(huì)很快失控墜海；如果飛控計(jì)算機(jī)、陀螺平臺(tái)、舵機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題，無(wú)人機(jī)會(huì)很快失控墜海，都不會(huì)威脅到發(fā)射禁區(qū)外目標(biāo)的安全。

如果無(wú)人機(jī)電氣系統(tǒng)突然斷電，無(wú)人機(jī)馬上失控、快速墜落，也不會(huì)對(duì)發(fā)射禁區(qū)外的目標(biāo)造成威脅。

圖3 無(wú)人機(jī)飛行時(shí)安全性分析框圖

因此，在發(fā)射段無(wú)人機(jī)不會(huì)對(duì)發(fā)射禁區(qū)外目標(biāo)造成威脅。

飛行過(guò)程中安全性分析

程序爬高結(jié)束后，如果沒(méi)有遙控指令，無(wú)人機(jī)自動(dòng)進(jìn)入自主飛行，按預(yù)定航路進(jìn)行飛行飛行。無(wú)人機(jī)飛行安全性分析如圖3所示。

各種因素影響

根據(jù)上述計(jì)算，對(duì)無(wú)人機(jī)飛行安全性的影響因素進(jìn)行了分析。

火箭助推器

無(wú)人機(jī)安全是指在無(wú)人機(jī)的運(yùn)輸、貯存、使用維護(hù)、發(fā)射和飛行等過(guò)程中不會(huì)對(duì)人員、財(cái)產(chǎn)、裝備等造成損害；在無(wú)人機(jī)發(fā)射后，無(wú)論飛行是否成功，最后的落點(diǎn)(包括助推器)應(yīng)在禁區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)部。那么飛行的安全概率必須大于0.998(不考慮無(wú)人機(jī)被擊中后的情況)。根據(jù)上述的計(jì)算可知，飛行的安全概率小于0.998的任務(wù)可靠度，必須提高各方面的可靠性。

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

飛行時(shí)間

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

最遠(yuǎn)飛行距離

由于存在各種干擾因素，遙控遙測(cè)實(shí)際作用距離要小于理論值。一般說(shuō)來(lái)，各種設(shè)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(shè)備的性能和可靠性。因此，建議最遠(yuǎn)飛行距離應(yīng)不超過(guò)遙控遙測(cè)作用距離理論值的2/3。

航區(qū)內(nèi)重要目標(biāo)范圍

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

結(jié)論

研究了無(wú)人機(jī)的安全概率計(jì)算模型，該模型將飛行任務(wù)分為發(fā)射起飛、飛行與回收三個(gè)階段，對(duì)各階段的危險(xiǎn)概率進(jìn)行計(jì)算，在采用一系列簡(jiǎn)化和假設(shè)的基礎(chǔ)上，分析了無(wú)人機(jī)飛行航路設(shè)計(jì)和飛行航區(qū)設(shè)置對(duì)安全概率的影響，包括總航時(shí)、最遠(yuǎn)飛行距離、航區(qū)內(nèi)重要目標(biāo)的范圍等方面對(duì)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(shè)置原則。