民用輕小型無(wú)人機(jī)跌落測(cè)試試驗(yàn)及損傷特性研究

郭亞周，劉小川，白春玉，張永杰，黃穎杰，王亞鋒

(1.中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)航空科技重點(diǎn)試驗(yàn)室，西安 710065；2.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安 710072)

民用無(wú)人機(jī)與消費(fèi)者需求和工業(yè)需求緊密連接，在公眾消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用等各種領(lǐng)域內(nèi)呈現(xiàn)爆炸式的發(fā)展，在無(wú)人機(jī)豐富人們生活、改變行業(yè)模式的同時(shí)，由于受到無(wú)人機(jī)自身的可靠性和操作人員的專業(yè)性等方面的制約，因此廠方即使對(duì)防撞算法和防撞系統(tǒng)的關(guān)注度很高，但對(duì)于惡意或者失誤等突發(fā)狀況的安全性問(wèn)題仍然是不可避免的。無(wú)人機(jī)碰撞傷人、損物的事件時(shí)有發(fā)生，安全問(wèn)題也逐漸成為公眾、市場(chǎng)和政府關(guān)注的焦點(diǎn)[1-3]。

我國(guó)在《無(wú)人駕駛航空器飛行管理暫行條例》[4]中以質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)作為指標(biāo)，綜合無(wú)人機(jī)的其他性能指標(biāo)，將無(wú)人機(jī)規(guī)劃為微型、輕型、小型、中型和大型無(wú)人機(jī)，其中輕小型無(wú)人機(jī)主要指的是空機(jī)質(zhì)量不大于15 kg，最大起飛質(zhì)量不大于25 kg的無(wú)人機(jī)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)民用輕小型無(wú)人機(jī)占民用無(wú)人機(jī)的85%以上的市場(chǎng)份額，同時(shí)由于輕小型無(wú)人機(jī)自身質(zhì)量輕、速度快、操作門(mén)檻低等特點(diǎn)，也是最容易造成安全事故的無(wú)人機(jī)[5-6]。

正是基于這種民用輕小型無(wú)人機(jī)碰撞安全現(xiàn)狀，目前國(guó)內(nèi)外都出臺(tái)了不少輕小型無(wú)人機(jī)管控條例，其中有代表性的是FAA出臺(tái)了關(guān)于小型無(wú)人機(jī)法規(guī)(第107部分)[7]，對(duì)無(wú)人機(jī)的質(zhì)量、速度、最大飛行高度、飛行員操作飛行條件等進(jìn)行了明確的規(guī)定；我國(guó)民用航空局制定的《輕小無(wú)人機(jī)運(yùn)行規(guī)定》(試行)[8]中也有類似規(guī)定。但是這些規(guī)定中都受到現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)的制約，以至于對(duì)于無(wú)人機(jī)的碰撞安全的底限不明確，從而無(wú)法明確不同類型無(wú)人機(jī)的傷害等級(jí)和傷害水平，進(jìn)而無(wú)法細(xì)化無(wú)人機(jī)適飛空域，可能會(huì)一定程度上影響無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)的高速健康發(fā)展。

因此國(guó)內(nèi)外不少機(jī)構(gòu)在近幾年結(jié)合工業(yè)方、消費(fèi)者、市場(chǎng)和管理部門(mén)等多方需求，開(kāi)展了不少關(guān)于民用輕小型無(wú)人機(jī)碰撞安全相關(guān)的研究，碰撞安全主要分為空中碰撞和地面碰撞，其中針對(duì)無(wú)人機(jī)空中碰撞研究，2017年11月FAA在其官網(wǎng)上發(fā)布了《無(wú)人機(jī)系統(tǒng)空中撞擊嚴(yán)重性評(píng)估最終報(bào)告》[9]，該報(bào)告對(duì)無(wú)人機(jī)和民航客機(jī)的碰撞場(chǎng)景進(jìn)行了數(shù)值模擬和部分部件試驗(yàn)，并且基于數(shù)值模擬結(jié)果給出了無(wú)人機(jī)對(duì)客機(jī)撞擊和損傷等級(jí)評(píng)估，結(jié)果表明等沖擊能量的情況下，無(wú)人機(jī)撞擊破壞力顯著高于鳥(niǎo)體；Meng等[10]基于經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的仿真分析研究了無(wú)人機(jī)與民航飛機(jī)的碰撞響應(yīng)，結(jié)果表明無(wú)人機(jī)的硬度比動(dòng)能會(huì)對(duì)撞擊損傷造成更大的影響，同時(shí)發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)電池在撞擊過(guò)程中可能是潛在的著火源。Lu等[11]研究了五種輕小型無(wú)人機(jī)和飛機(jī)風(fēng)擋玻璃的碰撞嚴(yán)重性，研究結(jié)果表明無(wú)人機(jī)的姿態(tài)、材料、類型、質(zhì)量、速度等因素均會(huì)對(duì)飛機(jī)擋風(fēng)玻璃碰撞損傷造成影響。針對(duì)地面碰撞，主要指無(wú)人機(jī)與地面人員或其他地面財(cái)產(chǎn)的碰撞，F(xiàn)AA于2019年完成了無(wú)人機(jī)地面碰撞性研究，并且發(fā)布了A14：無(wú)人機(jī)地面碰撞嚴(yán)重性評(píng)估報(bào)告[12]，研究通過(guò)試驗(yàn)和仿真分析相結(jié)合的方式系統(tǒng)的研究和評(píng)估了無(wú)人機(jī)對(duì)地面人員的安全威脅。Campolettano等[13]通過(guò)開(kāi)展三款無(wú)人機(jī)最大速度水平飛和10 m/s跌落撞擊地面人員試驗(yàn)研究了無(wú)人機(jī)可能會(huì)對(duì)地面人員造成的風(fēng)險(xiǎn)范圍，結(jié)果表明無(wú)人機(jī)水平飛對(duì)地面人員造成的傷害要遠(yuǎn)小于跌落造成的傷害，且傷害隨著無(wú)人機(jī)的質(zhì)量增加而逐漸增大。Koh等[14]研究了不同質(zhì)量無(wú)人機(jī)在不同跌落高度可能對(duì)人體頭部造成的傷害嚴(yán)重程度，基于頭部損傷標(biāo)準(zhǔn)(HIC)和簡(jiǎn)明傷害標(biāo)準(zhǔn)(AIS)估算了無(wú)人機(jī)操作的質(zhì)量閾值。國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)逐漸開(kāi)展了對(duì)于無(wú)人機(jī)與空中載人飛機(jī)的碰撞安全性研究，無(wú)人機(jī)與飛鳥(niǎo)不同，無(wú)人機(jī)一定程度是可控的，且無(wú)人機(jī)在機(jī)場(chǎng)附近的飛行場(chǎng)景較為單一，因此無(wú)人機(jī)與空中飛機(jī)的碰撞可以在一定程度上通過(guò)機(jī)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的限飛，電子圍欄等一系列措施來(lái)極大程度的避免。而對(duì)于無(wú)人機(jī)對(duì)地面人員的碰撞傷害評(píng)估研究則仍然處于起步階段，無(wú)人機(jī)在城市上空、建筑周?chē)⑷巳荷峡诊w行環(huán)境和場(chǎng)景較為復(fù)雜，由于對(duì)無(wú)人機(jī)因不可控因素跌落產(chǎn)生的最大傷害底限不明確，對(duì)無(wú)人機(jī)的管控造成了較大的阻礙，也可能出現(xiàn)對(duì)于無(wú)人機(jī)飛行管理一刀切的情況，因此對(duì)于無(wú)人機(jī)在飛行故障等極端不可控情況下會(huì)對(duì)地面人員或財(cái)產(chǎn)可能造成的傷害進(jìn)行研究評(píng)估顯得刻不容緩。

本文正是基于這種目的，通過(guò)自由落體的方式開(kāi)展了某兩款民用輕小型無(wú)人機(jī)的跌落測(cè)試試驗(yàn)，采用高速攝像記錄了試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)人機(jī)的跌落撞擊響應(yīng)和變形失效過(guò)程，分析了無(wú)人機(jī)跌落過(guò)程中的跌落撞擊載荷和破壞模式，初步的分析了不同類型、不同質(zhì)量的無(wú)人機(jī)跌落產(chǎn)生影響的差異性，試驗(yàn)和評(píng)估結(jié)果為輕小型無(wú)人機(jī)相關(guān)飛行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定以及輕小型無(wú)人機(jī)的安全性設(shè)計(jì)提供了建議和技術(shù)支持。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)件

本試驗(yàn)的試驗(yàn)件采用的是某款民用輕小型三旋翼無(wú)人機(jī)以及某款民用輕小型四旋翼無(wú)人機(jī)。如圖1(a)所示三旋翼無(wú)人機(jī)整機(jī)質(zhì)量為20.2 kg(帶電池)，無(wú)人機(jī)最大機(jī)體尺寸(不包含葉片)為：1 250 mm×1 180 mm×600 mm，該無(wú)人機(jī)電池位于無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，其中起落架主要是一體化鋁制結(jié)構(gòu)，機(jī)臂和主板都是碳纖維。如圖1(b)所示四旋翼無(wú)人機(jī)整機(jī)質(zhì)量為4.69 kg(帶電池)，無(wú)人機(jī)最大機(jī)體尺寸為883 mm×886 mm×398 mm(帶葉片)，該無(wú)人機(jī)電池主要是以卡扣的形式外掛在無(wú)人機(jī)的供電器上，碳纖維夾芯材質(zhì)的無(wú)人機(jī)起落架分為左右兩側(cè)，并以卡槽的形式斜插固定在機(jī)身與起落架之間的轉(zhuǎn)接頭上。

圖1 無(wú)人機(jī)試驗(yàn)件

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)主要通過(guò)自由落體跌落方法進(jìn)行，如圖2所示，由于三旋翼無(wú)人機(jī)體型相對(duì)較大，因此需要專用的跌落夾具進(jìn)行跌落試驗(yàn)，無(wú)人機(jī)試驗(yàn)件被固定在跌落夾具上，跌落夾具上安裝有三個(gè)用于固定無(wú)人機(jī)的電磁釋放銷，釋放銷末端的叉形銷插入無(wú)人機(jī)電機(jī)銷軸內(nèi)來(lái)達(dá)到固定的目的。由于該無(wú)人機(jī)是三旋翼無(wú)人機(jī)，在機(jī)臂延長(zhǎng)線與夾具交叉處安裝有三個(gè)吊環(huán)，采用吊繩固定，并將吊繩歸至一點(diǎn)，采用單點(diǎn)起吊的方式將試驗(yàn)件固定好，由起吊裝置將試驗(yàn)件提升至目標(biāo)高度，并且適當(dāng)調(diào)整其姿態(tài)使其對(duì)準(zhǔn)撞擊平臺(tái)的中心區(qū)域，試驗(yàn)各個(gè)系統(tǒng)準(zhǔn)備完畢好后試驗(yàn)件由電磁釋放裝置釋放，自由垂直跌落撞擊測(cè)力平臺(tái)，同步觸發(fā)各個(gè)測(cè)試子系統(tǒng)，并在試驗(yàn)件完全靜止后結(jié)束該次試驗(yàn)。四旋翼無(wú)人機(jī)由于體型相對(duì)較小，因此直接采用四根吊繩分別固定在旋翼臂并歸至一點(diǎn)的方法進(jìn)行起吊和釋放。

圖2 無(wú)人機(jī)跌落測(cè)試裝置圖

試驗(yàn)中用的主要設(shè)備是試驗(yàn)提升釋放系統(tǒng)(吊車(chē))、測(cè)力平臺(tái)、高速攝像機(jī)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、傳感器(加速度傳感器、載荷傳感器)等，并且試驗(yàn)中用到的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均有校準(zhǔn)/標(biāo)檢證書(shū)且在有效期內(nèi)。其中測(cè)力平臺(tái)由于自身臺(tái)面大小不足以涵蓋整個(gè)三旋翼無(wú)人機(jī)，因此在三旋翼無(wú)人機(jī)跌落試驗(yàn)過(guò)程中為了保證無(wú)人機(jī)跌落時(shí)不會(huì)因?yàn)闄C(jī)身傾斜而跌出測(cè)力平臺(tái)臺(tái)面外，因此需要加裝擴(kuò)展臺(tái)面，擴(kuò)展臺(tái)面通過(guò)螺栓與傳感器連接。

結(jié)合FAA的無(wú)人機(jī)地面碰撞嚴(yán)重性報(bào)告以及Campolettano等研究報(bào)告和論文中提及的無(wú)人機(jī)跌落試驗(yàn)工況，本試驗(yàn)無(wú)人機(jī)目標(biāo)跌落速度為10 m/s，無(wú)人機(jī)目標(biāo)提升高度為5 102 mm。

無(wú)人機(jī)跌落試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目主要包括跌落撞擊載荷、跌落姿態(tài)、跌落速度、無(wú)人機(jī)變形響應(yīng)。撞擊載荷由傳感器測(cè)量，傳感器采樣率為10 kHz，跌落姿態(tài)、跌落速度、無(wú)人機(jī)變形響應(yīng)等則由高速攝像系統(tǒng)測(cè)量記錄，其中高速攝像布置(俯視示意圖)，如圖3所示，其中正面高速攝像為測(cè)速和觀察用，側(cè)面高速攝像為輔助觀察用，正面高速攝像幀率設(shè)置為4 000 Hz，側(cè)面高速攝像幀率設(shè)置為2 000 Hz。

圖3 高速攝像機(jī)位置

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 無(wú)人機(jī)變形響應(yīng)

2.1.1 三旋翼無(wú)人機(jī)跌落動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程

通過(guò)高速攝像可以較為清晰的看出無(wú)人機(jī)跌落過(guò)程中的整個(gè)響應(yīng)過(guò)程，提取出其中幾個(gè)較為典型的響應(yīng)時(shí)間，如圖4(a)～圖4(j)所示分別為無(wú)人機(jī)跌落時(shí)的正視圖和側(cè)視圖。正視圖中可以較為清晰的看到無(wú)人機(jī)滾轉(zhuǎn)方向的形態(tài)變化，側(cè)視圖則可以較為清晰的看出俯仰方向和機(jī)臂的形態(tài)變化。

由圖4(a)和圖4(b)中可以看出，無(wú)人機(jī)跌落時(shí)由于投放時(shí)跌落姿態(tài)的變化，導(dǎo)致其由左起落架單點(diǎn)先觸地，且三個(gè)旋翼臂兩個(gè)在上，一個(gè)在下。由圖4(c)和圖4(d)中可以看出，無(wú)人機(jī)觸地15 ms時(shí)，起落架形態(tài)發(fā)生了較大程度的變化，而機(jī)身和機(jī)臂則變化不明顯，當(dāng)無(wú)人機(jī)觸地后，由于無(wú)人機(jī)俯仰角的緣故，后側(cè)起落架率先發(fā)生屈曲變形，無(wú)人機(jī)機(jī)身部分由于慣性原因，并未有較為明顯的形態(tài)變化，整體呈現(xiàn)傾斜狀的嵌入在起落架的變形槽內(nèi)。由于無(wú)人機(jī)跌落時(shí)滾轉(zhuǎn)角的緣故，左側(cè)起落架向內(nèi)側(cè)變形，變形點(diǎn)受壓，右側(cè)起落架則向外側(cè)變形，變形點(diǎn)受拉。如圖4(e)和圖4(f)所示，無(wú)人機(jī)觸地25 ms時(shí)，起落架繼續(xù)發(fā)生變形，此時(shí)正面起落架右側(cè)已經(jīng)產(chǎn)生了較為明顯的斷裂，近地點(diǎn)機(jī)臂將要觸地。如圖4(g)和圖4(h)所示，無(wú)人機(jī)觸地50 ms時(shí)，起落架已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的扭曲變形，此時(shí)機(jī)身動(dòng)能也有所減少，順著起落架方向發(fā)生了姿態(tài)偏轉(zhuǎn)，正面起落架右側(cè)斷裂口持續(xù)變大，即將發(fā)生斷裂，此時(shí)近地點(diǎn)機(jī)臂觸地并開(kāi)始反彈。如圖4(i)和圖4(j)所示，無(wú)人機(jī)觸地100 ms時(shí)，正面起落架右側(cè)已經(jīng)發(fā)生了完全斷裂，左側(cè)起落架發(fā)生了大面積較為嚴(yán)重的屈曲變形，無(wú)人機(jī)形態(tài)開(kāi)始逐漸與起落架對(duì)應(yīng)，近地點(diǎn)機(jī)臂開(kāi)始反彈，正面右側(cè)機(jī)臂向下逐漸傾斜，無(wú)人機(jī)整體開(kāi)始趨于穩(wěn)態(tài)。

圖4 無(wú)人機(jī)跌落的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

2.1.2 四旋翼無(wú)人機(jī)跌落動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程

同樣的，針對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)我們提取出其中幾個(gè)典型的響應(yīng)時(shí)間，如圖5(a)～圖5(j)所示分別為無(wú)人機(jī)跌落時(shí)的正視圖和側(cè)視圖。

從圖5(a)和圖5(b)可以看出，無(wú)人機(jī)跌落時(shí)發(fā)生了姿態(tài)變化，此時(shí)無(wú)人機(jī)并不是水平跌落的，由于其在空中的姿態(tài)變化，導(dǎo)致其由左側(cè)起落架先觸地。

從圖5(c)和圖5(d)可以明顯看出，無(wú)人機(jī)觸地15 ms時(shí)，其左側(cè)的起落架由于其本身的結(jié)構(gòu)特性和強(qiáng)沖擊力作用，其左側(cè)起落架直接從根部被“剪斷”，而起落架的其他部分并未有明顯的損傷和破壞，右側(cè)起落架也逐漸被掰開(kāi)，無(wú)人機(jī)姿態(tài)進(jìn)一步發(fā)生傾斜。

如圖5(e)和圖5(f)所示，無(wú)人機(jī)在觸地25 ms時(shí)，右側(cè)起落架被從根部“掰斷”，無(wú)人機(jī)底側(cè)電池供電器接觸地面并受碰撞后產(chǎn)生損傷，并且由于供電器的損傷使得無(wú)人機(jī)電池開(kāi)始從卡扣中脫落，除此之外，右后側(cè)的無(wú)人機(jī)機(jī)臂也由于慣性作用開(kāi)始向下發(fā)生折斷。

如圖5(g)和圖5(h)所示，無(wú)人機(jī)在觸地50 ms時(shí)，無(wú)人機(jī)繼續(xù)與地面碰撞，右側(cè)電池徹底從夾板中脫出，右側(cè)起落架被掰斷后向右側(cè)水平飛出，右后側(cè)的無(wú)人機(jī)機(jī)臂徹底折斷，在機(jī)臂內(nèi)部線路的拉扯作用下不足以飛出，此時(shí)左后側(cè)的無(wú)人機(jī)機(jī)臂也在慣性作用下開(kāi)始與機(jī)身發(fā)生相反方向的運(yùn)動(dòng)，有折斷趨勢(shì)。

如圖5(i)和圖5(j)所示，無(wú)人機(jī)在觸地100 ms時(shí)，無(wú)人機(jī)開(kāi)始發(fā)生了反彈，這時(shí)左后側(cè)機(jī)臂由于慣性效應(yīng)，開(kāi)始向上方折斷，無(wú)人機(jī)準(zhǔn)備進(jìn)入二次跌落狀態(tài)，并且跌落過(guò)程逐漸趨于穩(wěn)態(tài)。

圖5 無(wú)人機(jī)跌落的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

綜上所述，四旋翼無(wú)人機(jī)由于其結(jié)構(gòu)布局、材料與三旋翼之間具有差異性，因此在同樣跌落速度撞擊下其破壞模式和跌落響應(yīng)各不相同，四旋翼無(wú)人機(jī)的起落架在跌落過(guò)程中幾乎不起到能量吸收作用。而且電池由于外掛在供電器上，在起落架完全失效后，供電器幾乎無(wú)任何緩沖的與地面接觸，電池受沖擊后飛出，因此整體破壞情況要比三旋翼無(wú)人機(jī)嚴(yán)重的多。

2.2 無(wú)人機(jī)主要損傷分析

2.2.1 三旋翼無(wú)人機(jī)

2.2.1.1 起落架

無(wú)人機(jī)垂直正姿態(tài)跌落時(shí)，損傷最嚴(yán)重的部件就是起落架，起落架的承載和吸能特性，決定了跌落過(guò)程中無(wú)人機(jī)機(jī)體的安全性，如圖6～圖8所示，為本次試驗(yàn)中無(wú)人機(jī)起落架的變形和損傷情況。

圖6 無(wú)人機(jī)整體變形損傷

圖7 左側(cè)起落架

圖8 右側(cè)起落架

由圖中可以看出，無(wú)人機(jī)起落架左側(cè)主要向內(nèi)彎折，右側(cè)則是向外彎折，右側(cè)變形相比左側(cè)嚴(yán)重。左側(cè)起落架根部向上彎折，下部向內(nèi)彎折，左側(cè)起落架的響應(yīng)主要是屈曲變形，僅在起落架中部變形部位產(chǎn)生了部分破壞，但并未使得左側(cè)起落架失穩(wěn)，尚有部分承載能力。

右側(cè)起落架變形和破壞均比較明顯，破壞主要集中在起落架的根部，由圖4(e)中可以看出在跌落初期起落架兩側(cè)變形基本上一致，而隨著跌落的進(jìn)行，右側(cè)起落架前側(cè)根部的承載能力不足，導(dǎo)致其先行出現(xiàn)了斷裂，從而使得右側(cè)起落架開(kāi)始出現(xiàn)失穩(wěn)，整體無(wú)人機(jī)載荷開(kāi)始像左下方傾斜，后續(xù)過(guò)程中右側(cè)起落架前側(cè)根部斷裂繼續(xù)增大，帶動(dòng)后側(cè)根部向上翻轉(zhuǎn)，迫使其在跌落過(guò)程中發(fā)生斷裂，此時(shí)右側(cè)起落架徹底失穩(wěn)，無(wú)人機(jī)機(jī)身出現(xiàn)大幅度傾斜，僅靠左側(cè)起落架后部連接塊支撐。

整體而言，起落架在無(wú)人機(jī)跌落過(guò)程中起到極其重要的吸能降載作用，使得本次試驗(yàn)中無(wú)人機(jī)跌落后仍能夠保證其完整性。

2.2.1.2 機(jī) 臂

由圖9所示，無(wú)人機(jī)右側(cè)機(jī)臂在跌落過(guò)程中出現(xiàn)了損傷，損傷主要集中在機(jī)臂的下半部分，且損傷并未導(dǎo)致機(jī)臂的斷裂，機(jī)臂尚有部分承載能力，但機(jī)臂的損傷將使得無(wú)人機(jī)只有在更換機(jī)臂后才能夠繼續(xù)使用。

圖9 無(wú)人機(jī)機(jī)臂破壞與損傷

初步分析后發(fā)現(xiàn)主要有兩方面的原因：①由于無(wú)人機(jī)機(jī)臂基本處于懸臂狀態(tài)，機(jī)臂長(zhǎng)度較長(zhǎng)，且機(jī)臂端部的電機(jī)質(zhì)量較大，使得無(wú)人機(jī)在跌落過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的機(jī)臂彎矩，這個(gè)是機(jī)臂斷裂的最主要原因；②由于左側(cè)起落架向內(nèi)屈曲變形，從而使得起落架上部向上拱起，拱起部分對(duì)機(jī)臂造成向下運(yùn)動(dòng)的阻力，在跌落沖擊過(guò)程中機(jī)臂無(wú)法進(jìn)行有效的緩沖，在巨大的沖擊力作用下，左側(cè)機(jī)臂由下至上開(kāi)始產(chǎn)生斷裂，后續(xù)沖擊力減緩使得機(jī)臂并不足以完全斷裂，機(jī)臂處于半斷裂狀態(tài)。

總體而言，機(jī)臂的損傷雖然相比起落架損傷較小，但就無(wú)人機(jī)自身性能和維修費(fèi)用而言，機(jī)臂的損傷顯然比起落架更不可接受，因此針對(duì)此給出兩個(gè)建議：①優(yōu)化無(wú)人機(jī)機(jī)臂長(zhǎng)度，適當(dāng)改善無(wú)人機(jī)機(jī)臂材料；②適當(dāng)改進(jìn)無(wú)人機(jī)夾持部分的結(jié)構(gòu)，可以加入應(yīng)急狀態(tài)下的機(jī)臂緩沖裝置。

2.2.2 四旋翼無(wú)人機(jī)

四旋翼無(wú)人機(jī)跌落時(shí)產(chǎn)生主要破壞的部位有無(wú)人機(jī)起落架、機(jī)臂、無(wú)人機(jī)供電器，電池。其中尤以起落架、機(jī)臂和供電器破壞最為嚴(yán)重，完全影響了無(wú)人機(jī)的正常運(yùn)行能力。

2.2.2.1 起落架

如圖10所示，兩根起落架均在根部連接塊處發(fā)生斷裂，這是由于連接塊與起落架材料不同，起落架主要采用復(fù)合夾芯材料，而機(jī)臂連接塊部分的材料則是工程塑料，材料強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于起落架管材料，因此起落架在跌落過(guò)程中由于兩側(cè)機(jī)臂在撞擊時(shí)受到彎矩作用，因此機(jī)臂都是從連接塊處破壞斷裂，而起落架則仍然完好的插在連接塊內(nèi)。

圖10 起落架破壞情況

由以上現(xiàn)象可以看出，起落架在該無(wú)人機(jī)中只起到了一定的起降支撐作用，而在無(wú)人機(jī)故障跌落安全方面并未起到良好的保護(hù)和吸能作用。其中原因主要有三個(gè)方面：①無(wú)人機(jī)起落架不是整體式，因此兩側(cè)起落架無(wú)法傳遞載荷來(lái)削弱吸收撞擊能量；②無(wú)人機(jī)起落架呈現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)管狀，僅通過(guò)一側(cè)插入固定，在受到?jīng)_擊后，起落架總在承受彎矩，很容易就會(huì)被“掰斷”；③無(wú)人機(jī)通過(guò)連接塊將起落架與機(jī)身連接，連接塊與機(jī)身以螺栓進(jìn)行剛性連接，且連接塊自身強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)不足，使得連接塊不具備緩沖能力，從而在很短暫的時(shí)間內(nèi)就發(fā)生破壞。

2.2.2.2 機(jī) 臂

由于無(wú)人機(jī)在跌落時(shí)并不是處于完全水平狀態(tài)，從響應(yīng)過(guò)程可以看出無(wú)人機(jī)跌落時(shí)，有整體部分前傾趨勢(shì)，因此機(jī)臂損傷主要集中在后側(cè)兩機(jī)臂。

如圖11所示損傷主要折斷在根部位置，無(wú)人機(jī)機(jī)臂在跌落過(guò)程中相當(dāng)于懸臂結(jié)構(gòu)，且在懸臂末端有質(zhì)量集中的電機(jī)，無(wú)人機(jī)在跌落時(shí)由于機(jī)身和機(jī)臂兩者之間的慣性效應(yīng)，且機(jī)臂根部連接的材料呈現(xiàn)硬而脆的材料特性，不足以承受住跌落時(shí)的慣性力而折斷。

圖11 機(jī)臂破壞情況

2.2.2.3 電池及其無(wú)人機(jī)供電器

四旋翼無(wú)人機(jī)破壞最嚴(yán)重的部位之一就是下側(cè)供電器，供電器是除了起落架外最先碰撞地面的機(jī)身結(jié)構(gòu)，而無(wú)人機(jī)起落架又由于自身特性導(dǎo)致其能量吸收特性較差，幾乎在觸地的一瞬間，起落架就已經(jīng)發(fā)生了折斷，因此當(dāng)供電器在撞擊地面時(shí)機(jī)身仍然還有大量的動(dòng)能，這些動(dòng)能幾乎都由供電器直接承受。如圖12所示，可以看出供電器發(fā)生完全斷裂，斷裂部分整體翹起，內(nèi)部的電路板也發(fā)生了部分損傷并且暴露在外面。這是由于無(wú)人機(jī)供電器內(nèi)部沒(méi)有緩沖器件，供電器的殼體也不足以承受住巨大的沖擊力，因此產(chǎn)生了極為嚴(yán)重的破壞。

除此之外，從圖12中可以看出電池已經(jīng)發(fā)生了一定程度的破損，電池安全受到了威脅，因此在更加嚴(yán)峻的工況下可能產(chǎn)生更為嚴(yán)重的破壞，電池與其他幾種質(zhì)量塊的性質(zhì)不同，是屬于高風(fēng)險(xiǎn)的含能結(jié)構(gòu)材料，當(dāng)電池充滿電時(shí)跌落后受沖擊時(shí)很有可能產(chǎn)生著火甚至是爆炸，威脅無(wú)人機(jī)周邊人員和財(cái)產(chǎn)的安全。

圖12 電池組件損傷情況

2.3 跌落撞擊載荷分析

2.3.1 三旋翼無(wú)人機(jī)

由于跌落過(guò)程中臺(tái)面面積不夠所以加裝了擴(kuò)展臺(tái)面，并且擴(kuò)展臺(tái)面通過(guò)螺栓與測(cè)力平臺(tái)連接，此時(shí)擴(kuò)展臺(tái)面的慣性效應(yīng)可能會(huì)對(duì)測(cè)力平臺(tái)測(cè)出的載荷結(jié)果造成影響，因此在試驗(yàn)前在擴(kuò)展臺(tái)面底部加裝了加速度傳感器，用于測(cè)量擴(kuò)展臺(tái)面的臺(tái)面加速度，進(jìn)而消除因臺(tái)面加速度而對(duì)撞擊載荷產(chǎn)生的影響。如圖13所示為測(cè)力平臺(tái)實(shí)際測(cè)量所得的撞擊載荷曲線。擴(kuò)展臺(tái)面的質(zhì)量為120 kg，而真實(shí)撞擊載荷應(yīng)該是實(shí)測(cè)撞擊載荷與擴(kuò)展臺(tái)面慣性力之間的差值。如圖13為實(shí)測(cè)撞擊載荷和真實(shí)撞擊載荷曲線對(duì)比，由圖中可以看出實(shí)測(cè)撞擊載荷和真實(shí)撞擊載荷兩者幾乎一致，只有在一些峰值位置出現(xiàn)了一部分微小的偏差，因此擴(kuò)展臺(tái)面自身的慣性效應(yīng)而對(duì)撞擊載荷造成的影響幾乎可以忽略不計(jì)。

圖13 三旋翼實(shí)測(cè)與真實(shí)跌落載荷對(duì)比圖

結(jié)合無(wú)人機(jī)跌落過(guò)程中的高速攝像和無(wú)人機(jī)跌落撞擊載荷曲線可知，在無(wú)人機(jī)觸地后的35 ms內(nèi)起落架發(fā)生變形響應(yīng)，并呈現(xiàn)雙峰式的撞擊載荷響應(yīng)模式，第一個(gè)峰值出現(xiàn)的原因是因?yàn)樵跓o(wú)人機(jī)觸地過(guò)程中伴隨著起落架撞擊和屈曲變形，第二個(gè)峰值出現(xiàn)的原因是因?yàn)槠鹇浼艿錄_擊力超過(guò)起落架屈服點(diǎn)的屈服極限，機(jī)身和機(jī)臂在慣性作用下使得起落架發(fā)生斷裂，起落架在硬化后降載能力下降，無(wú)人機(jī)的慣性產(chǎn)生了二次沖擊。因此當(dāng)無(wú)人機(jī)以相對(duì)垂直正姿態(tài)跌落時(shí)，鋁合金起落架能夠起到較好的吸能作用且能最大程度的保護(hù)無(wú)人機(jī)機(jī)身不被破壞。

在無(wú)人機(jī)觸地后的35～50 ms時(shí)出現(xiàn)第二個(gè)較大的撞擊載荷峰值，這是由于無(wú)人機(jī)的姿態(tài)導(dǎo)致了其近地點(diǎn)機(jī)臂在此時(shí)接觸地面，機(jī)臂上的電機(jī)以一定的速度“砸”向測(cè)力平臺(tái)，使得撞擊載荷出現(xiàn)了較大的波峰。這就表明無(wú)人機(jī)電機(jī)在跌落過(guò)程中產(chǎn)生的傷害要比其他部件傷害要大，該工況下無(wú)人機(jī)電機(jī)即使在起落架吸收了一波能量的前提下撞擊地面后產(chǎn)生的載荷大小也幾乎與跌落初始峰值一致，因此無(wú)人機(jī)大質(zhì)量部件具有不容忽視的撞擊風(fēng)險(xiǎn)。

從無(wú)人機(jī)跌落的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中可以看出，在無(wú)人機(jī)觸地后50 ms后，無(wú)人機(jī)自身變形大部分基本上已經(jīng)結(jié)束。

2.3.2 四旋翼無(wú)人機(jī)

如圖14所示為四旋翼無(wú)人機(jī)跌落撞擊載荷，無(wú)人機(jī)主要是呈現(xiàn)單峰式的撞擊模式，由圖中可以看出，在撞擊初始階段無(wú)人機(jī)載荷有兩個(gè)波動(dòng)，主要無(wú)人機(jī)姿態(tài)并非完全水平，兩個(gè)起落架一前一后觸地?cái)嗔褧r(shí)產(chǎn)生的載荷。

圖14 四旋翼無(wú)人機(jī)跌落載荷

八字形的無(wú)人機(jī)起落架結(jié)構(gòu)形式，無(wú)人機(jī)自身跌落時(shí)幾乎與地面是處于硬性接觸，而起落架由于其自身特性不會(huì)產(chǎn)生變形吸能，因此無(wú)人機(jī)機(jī)體此時(shí)仍然還有大量的動(dòng)能，繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)使得供電器“砸”向地面，此時(shí)無(wú)人機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)與地面接觸，進(jìn)而在25 ms時(shí)達(dá)到載荷峰值。

從圖中可以看出，兩種無(wú)人機(jī)的跌落載荷最大值具有較大的差異性，四旋翼無(wú)人機(jī)雖然質(zhì)量比三旋翼無(wú)人機(jī)質(zhì)量小，但是其峰值載荷明顯大于三旋翼無(wú)人機(jī)，這表明在無(wú)人機(jī)故障跌落時(shí)起落架起到了不可忽視的能量吸收作用，三旋翼無(wú)人機(jī)在跌落前半程沒(méi)有集中質(zhì)量塊和地面出現(xiàn)硬接觸，雖然后半程有電機(jī)撞擊地面，但是此時(shí)的能量絕大部分都已經(jīng)被起落架吸收，因此觸地載荷并不大。而四旋翼在跌落過(guò)程中起落架能量吸收相對(duì)較少，使得連接機(jī)身的供電器攜帶者大部分動(dòng)能直接與地面硬接觸，載荷相對(duì)較大。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)自由跌落的試驗(yàn)方法開(kāi)展了兩款民用輕小型無(wú)人機(jī)的跌落撞擊試驗(yàn)，分析了無(wú)人機(jī)在跌落時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程、跌落損傷特性和撞擊載荷變化規(guī)律，對(duì)比了不同類型、不同質(zhì)量無(wú)人機(jī)在10 m/s跌落速度下的損傷模式差異性，得出結(jié)論如下：

(1)無(wú)人機(jī)電機(jī)的二次撞擊載荷幾乎與無(wú)人機(jī)觸地載荷相同，因此無(wú)人機(jī)大質(zhì)量部件具有不容忽視的撞擊風(fēng)險(xiǎn)。

(2)當(dāng)以垂直正姿態(tài)跌落撞擊地面時(shí)，無(wú)人機(jī)起落架具有極其重要能量吸收功能，采用一體式鋁合金起落架能夠有效的通過(guò)起落架的屈曲變形來(lái)達(dá)到吸能降載的效果，嵌入式的起落架由于其結(jié)構(gòu)剛度較大，吸能效果相對(duì)較差。

(3)無(wú)人機(jī)電池內(nèi)嵌式相對(duì)于外部卡扣式電池更安全，外部卡扣式電池在受到強(qiáng)載荷沖擊時(shí)會(huì)飛離無(wú)人機(jī)機(jī)體，有可能會(huì)因?yàn)槎巫矒舳鴮?dǎo)致電池產(chǎn)生內(nèi)短路起落甚至爆炸等嚴(yán)重后果。

(4)民用輕小型無(wú)人機(jī)主要損傷集中在起落架、機(jī)臂以及底部機(jī)身上，特別是機(jī)臂在跌落過(guò)程中基本都是從根部折斷，無(wú)人機(jī)機(jī)臂根部連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化和加強(qiáng)。