基于火箭橇的無人機碰撞民用飛機試驗技術研究

鄭奎濤，龔明生，蔣大鵬，劉俊

(航宇救生裝備有限公司 試驗部， 襄陽 441003)

0 引 言

近年來，隨著消費級無人機的普及和其數(shù)量劇增，無人機“黑飛”現(xiàn)象頻發(fā)，嚴重危及航空安全和正常航班的運行[1]，無人機碰撞民用飛機造成破壞損傷程度的研究成為民航領域關注的新型熱點問題。

目前，國內(nèi)針對無人機碰撞民用飛機的安全性研究主要有：吳志堅[2]利用有限元分析，對碰撞客機關鍵部位的損傷情況作出分析；王永虎等[3]通過ABAQUS軟件，對比分析了無人機撞擊機翼與鳥撞機翼，得出無人機撞擊飛機比鳥體撞擊飛機更具破壞性的結論；于清媛[4]和高揚等[5]通過改進Event碰撞模型，得出不同情況下的碰撞風險；鄧力[6]研究了不同類型無人機與民航客機的碰撞概率。

國外，針對無人機撞擊民用飛機的問題，F(xiàn)AA無人機安全研究聯(lián)盟認為，無人機的剛性結構及質(zhì)量集中的部分，例如電池、攝像頭、電機等對飛機結構的損壞比柔性的鳥要嚴重[7]，但研究時可以借鑒比較成熟的鳥撞案例[8]；J.Lai等[9]參考飛鳥撞擊位置，采用有限元分析法對無人機撞擊客機進行了數(shù)值模擬；K.Schroeder等[10]將無人機等同于相同質(zhì)量的鳥體來分析碰撞的損傷，但這一思路的合理性仍需進一步驗證；文獻[11]介紹了一個模仿無人機物理特性的彈體，通過壓縮空氣以一定的速度射出，但未考慮無人機的鋰電池，鋰電池如果在發(fā)動機的燃燒室中，則很容易燃燒，將造成非常嚴重的后果。

綜上，國內(nèi)外已在無人機與民用飛機碰撞的安全性分析方面進行了諸多研究，但主要是在鳥撞研究的基礎上進行的數(shù)值模擬和試驗，雖然得到了一些有價值的物理現(xiàn)象和規(guī)律，但有些結論只能從表面上進行猜測和推測，一直缺乏全面、系統(tǒng)性的碰撞試驗驗證。

火箭橇試驗是介于實驗室與全尺寸飛行試驗之間的一種非常有效的地面試驗，其采用不同的火箭發(fā)動機組合作為推進動力，主要模擬飛行時的動態(tài)環(huán)境，以解決飛機、導彈、宇航飛行器等在研制中有關高速度和高加速度的技術問題[12]，能夠為無人機碰撞民用飛機的安全評估提供一種全新的試驗方法。

本文基于火箭橇試驗平臺對無人機碰撞民用飛機的破壞損傷開展試驗技術研究，針對無人機與民用飛機碰撞工況的復雜性、隨機性及火箭橇試驗高昂的成本和苛刻的試驗要求，為了系統(tǒng)、逼真地模擬無人機與民用飛機碰撞的工況，通過對碰撞速度、碰撞位置、無人機碰撞姿態(tài)、參數(shù)測量等進行研究，設計出適用于火箭橇試驗的無人機與民用飛機碰撞技術方案；對設計的火箭橇進行結構有限元剛度、強度分析和彈道仿真計算，并完成10個工況的火箭橇試驗，對試驗結果進行評價分析。

1 試驗技術狀態(tài)

根據(jù)某型飛機和大疆系列無人機的真實性能數(shù)據(jù)，參考鳥撞試驗方法，確定技術狀態(tài)如下。

1.1 試驗件

采用某型民用飛機機頭及平尾段，真實模擬和分析碰撞的危害性。

選用大疆系列無人機。參考鳥撞適航規(guī)章[13]和民航局對無人機的注冊管理規(guī)定，選用0.30、0.73、1.30、3.50 kg四個質(zhì)量型號的無人機進行碰撞試驗。

1.2 碰撞速度

FAA Part 107規(guī)定無人機的飛行高度不得高于400 ft(120 m)[14]，大疆公司的無人機限飛高度為500 m。按某型民用飛機運營的速度包線，120 m高度對應的速度為96 m/s，500 m高度對應的速度為122 m/s，考慮到10 000 ft以下運行速度250 kn(1 kn=1.852 km/h)的限制，選擇這3個工況下的速度為試驗速度。無人機最大水平飛行速度統(tǒng)一為20 m/s，碰撞速度如表1所示。

表1 碰撞速度

1.3 碰撞位置

通過動態(tài)仿真分析，確定風擋的中間點和邊角點、機頭承力梁和平尾中點為薄弱部位，作為碰撞位置。

1.4 無人機姿態(tài)

無人機姿態(tài)有懸停和懸掛，為了保證碰撞位置的精確控制，采用懸掛的方式。

無人機懸掛時，既要保證其能穩(wěn)定地掛在預定碰撞點，又要保證在碰撞瞬間其不與機體結構干涉、連接繩完全斷裂而不發(fā)生牽連作用。

為了保證無人機平穩(wěn)地掛在預定碰撞點，通過實驗室模擬吹襲試驗，得到懸掛方式，如圖1所示。

圖1 實驗室懸掛試驗

通過動靜結合及試驗前在位調(diào)節(jié)保證碰撞位置的準確性。

2 技術方案

利用火箭橇平臺搭載民用飛機機頭及平尾，以固體火箭發(fā)動機為動力，推動火箭橇沿高精度滑軌高速運動，模擬民用飛機飛行過程。在預定碰撞點位置布置無人機懸掛架，將無人機預先用多根凱夫拉繩懸掛固定并調(diào)整至試驗姿態(tài)。火箭橇運行到預定速度(碰撞點速度)時與懸掛在軌道上方的無人機發(fā)生碰撞，模擬無人機碰撞民用飛機的全過程。

通過橇載高速視頻系統(tǒng)、地面高速視頻系統(tǒng)拍攝整個碰撞過程，并利用橇載電遙測測試設備采集撞擊過程的結構應變數(shù)據(jù)，試驗后通過數(shù)據(jù)分析評價無人機碰撞民用飛機后的危害性。試驗總體布局如圖2所示。

圖2 火箭橇試驗總體布局

2.1 火箭橇結構設計

考慮機頭總體尺寸和結構傳力特點、運行平穩(wěn)性、制動需求和研制成本等因素，確定火箭橇采用雙軌、分節(jié)、桁架式結構形式。為了保持所有發(fā)次試驗彈道的一致性和碰撞可實施性，民用飛機機頭安裝在試驗橇體上方，將平尾始終安裝在機頭前方下部位置的橇體上，并在平尾與機頭之間用搭接板進行整流，以取得良好的整體氣動外形，最終得到一體化的機頭-平尾結構外形，如圖3所示。

圖3 火箭橇結構示意圖

2.2 試驗彈道設計

無人機和民用飛機碰撞速度的精確度直接影響到對試驗結果的評價，由于火箭橇速度受軌道精度、發(fā)動機技術狀態(tài)、環(huán)境溫度、軌道潤滑狀態(tài)等多因素影響，每發(fā)試驗實際彈道結果存在不可避免的誤差。本文無人機碰撞試驗基于同一彈道設計，碰撞速度精度依賴于碰撞點的彈道位置布局，因此對彈道的準確估計是控制碰撞速度精度的前提。試驗過程中采取如下措施：

①試驗前調(diào)整試驗段軌道精度；

②規(guī)范軌道潤滑作業(yè)程序，確保各發(fā)次試驗軌道潤滑狀態(tài)保持一致；

③在所有5發(fā)試驗中選用同型、同批次固體火箭發(fā)動機。

彈道計算的速度和加速度-時間曲線如圖4所示，可以看出：火箭橇運行過程中滿足試驗碰撞速度的點有兩處，分別處于火箭橇運行加速段和減速段，可實現(xiàn)一次試驗中完成兩次碰撞，減少試驗發(fā)次，節(jié)約試驗成本。

圖4 速度和加速度-時間曲線圖

2.3 強度校核

在結構設計和彈道性能計算的基礎上，對火箭橇進行強度計算，以保證整個試驗過程中火箭橇的安全，結果表明：在各個危險狀態(tài)，火箭橇的強度、剛度均能滿足試驗要求。火箭橇有限元計算模型如圖5所示。

圖5 火箭橇有限元計算模型

2.4 測試方案

火箭橇速度采用電測測量?；壐避墫|側每10 m安裝一塊永磁鐵，火箭橇底部前后分別安裝兩臺霍爾傳感器，火箭橇運動過程中，霍爾傳感器進入磁場會產(chǎn)生脈沖變化，采集器通過捕捉脈沖變化來判斷永磁鐵的位置[15]。

在民用飛機艙內(nèi)固定HBM應變測試系統(tǒng)和NI應變測試系統(tǒng)，在碰撞點對應的內(nèi)側貼一定數(shù)量的應變片，記錄碰撞時的數(shù)據(jù)。典型的應變片布局如圖6所示。

圖6 應變片布局

為了能夠多角度地觀測無人機的碰撞過程，光測采用多方位、多點交匯布局，如圖7所示。

圖7 光測布局

3 結果分析

共進行5發(fā)次10個工況的火箭橇試驗，各工況試驗技術狀態(tài)及實際碰撞速度如表2所示。

表2 各工況試驗技術狀態(tài)及實際碰撞速度

表2 各工況試驗技術狀態(tài)及實際碰撞速度

為了進一步驗證試驗碰撞結果的準確性，對各試驗工況進行數(shù)值仿真。碰撞分析采用PAM-CRASH求解器進行計算分析，有限元網(wǎng)格在Hypermesh 中處理，機頭試驗件、尾翼和Phontom型無人機的有限元模型如圖8～圖9所示。

圖8 機頭、尾翼有限元模型

圖9 Phontom型無人機有限元模型

機頭和尾翼的隔板固支，無人機以預定速度碰撞。工況7和工況10的試驗結果和仿真結果分別如圖10～圖11所示。

(a) 試驗結果 (b) 仿真結果

(a) 試驗結果 (b) 仿真結果

工況7的仿真計算結果顯示：第一、第三、第五層風擋出現(xiàn)嚴重破損，其他兩層膠膜出現(xiàn)輕微破損，與試驗結果一致；工況10的仿真計算結果顯示：蒙皮出現(xiàn)局部破損，斜板斷裂，前梁未擊穿，與試驗結果一致。試驗結果和仿真計算結果基本一致，表明無人機碰撞民用飛機的試驗方案和數(shù)據(jù)是可信的。無人機的姿態(tài)、重量和相對速度是影響民用飛機飛行安全的主要因素，試驗取得圓滿成功。

4 結 論

(1) 本文針對無人機碰撞民用飛機的安全性研究問題，設計了火箭橇碰撞試驗方案，解決了某型機身-尾翼一體化的火箭橇設計及制造、基于彈道布局的無人機運行狀態(tài)模擬等問題，實現(xiàn)了單一彈道上的連續(xù)多點碰撞；并通過動靜結合及試前在位調(diào)節(jié)保證了碰撞位置模擬的精確性；制定了多方位、多點交匯的測試布局，實現(xiàn)了多視角、全覆蓋、高穩(wěn)定的全過程記錄。

(2) 試驗結果與仿真結果基本一致，驗證了試驗方案的可行性和仿真結果的可信性，試驗達到了預期目的。

(3) 采用火箭橇試驗來評估無人機碰撞民用飛機的安全性，該碰撞技術為后續(xù)開展同類型火箭橇試驗提供了重要的技術參考，試驗結果為無人機碰撞民用飛機的安全性評估提供了重要的試驗數(shù)據(jù)。