探索民用无人机系统适航审定基础：安全坠落关键问题

 

 

 

 

 

前言与摘要：

民用无人机的应用越来越广泛，在国家依法助推低空经济发展的利好政策下，预计低空经济将对我国经济社会产生积极的促进影响。低空经济是以各种有人驾驶和无人驾驶航空器的低空飞行活动为牵引，可以辐射带动相关领域融合发展的综合性经济形态。

 

为了规范无人驾驶航空器飞行以及有关活动，促进无人驾驶航空器产业健康有序发展，维护航空安全、公共安全、国家安全，国务院和中央军委联合发布了《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》，其中规定了从事中型、大型民用无人驾驶航空器系统的设计、生产、进口、飞行和维修活动，应当依法向国务院民用航空主管部门申请取得适航许可。

 

本文主要针对民用无人机系统适航审定基础对安全坠落方面的问题进行探讨，给无人机加装降落伞或许是成本最低也是最容易实现的一种安全措施。‍

 

1.

 

 

民用无人机的安全适航概述‍

 

 

近年来，无人机的技术发展较快，其应用场景也逐渐得到扩宽，除了军用场景之外，民用场景已经扩展至很多领域，包括航拍、农林作业、电力巡线、测绘勘探、应急救灾、定点货运、商业表演与娱乐等领域。

 

与军用无人机相比，民用无人机更加注重实用性和经济性，预期在不久的将来，民用无人机应用将会越来越广泛，越来越普遍，随之而来的是实践中的安全性问题。例如，一些无人机违规飞行影响了航空安全、公共安全，甚至对国家安全造成一定的影响。

 

因此需要将无人机系统纳入到国家空域的管理中，进而引出了民用无人机系统的适航性要求。民用无人机要适合航行，在实践中既要保证无人机不会对空中的目标产生安全隐患，以及不会对该区域内其他航空器的正常安全飞行产生影响，同时也要保证在发生意外坠落时，无人机能够减少冲击动能，使地面上的操作人员和其他人员能够及时作出避险反应和应对反应，尽可能地降低无人机的受损程度以及对地面人员、物体造成危害的程度。

 

2.

 

 

坠落的安全性要求探讨

 

 

民用无人机作为一种新兴的智能航空器，在具体的飞行操作过程中会存在一定的安全性问题，虽然人们竭力避免发生安全性问题，但是无法做到百分之一百避免，民用无人机可能会因为某种意外状况出现不稳定飞行，甚至发生事故坠落，这时候对地面上的人和物体产生极大的威胁。

 

为了保证无人机坠落时不对地面产生巨大撞击力，保护无人机不被撞毁，同时防止对地面上的人或物体造成伤害，需要对无人机的坠落撞击动能或落地速度提出设计要求。

 

 

2.1 坠落撞击动能

 

坠落撞击动能是指物体（这里指无人机）落地时具有的动能，如果这个动能较大，则撞击会导致无人机受损严重，甚至解体，同时也会使地面上的人或物体受到严重伤害。

 

如果无人机在高空发生故障而停机，自由落体导致的坠落撞击动能是很大的。

坠落撞击动能的计算公式为：

 

 

从上述公式可以看出，当质量一定时，速度越小，则坠落撞击动能便越小。

于是，为了减少由于撞击动能过大而对无人机及地面的人、物体造成的严重影响，可以采取减小下落速度的方法。只要让下落速度降低到一个较低的水平，坠落撞击动能便可以降低到一个比较可控的安全范围。

 

无人机的起落架在落地撞击时会通过牺牲自己的方式吸收一部分能量。另外，给无人机在结构上设计一些缓冲装置，也可以吸收撞击动能。例如，在无人机上加装气囊来缓冲以减慢冲击能量的释放过程。

 

然而，降落伞被证明是最容易实现也是最靠谱的用于让坠落物体减速的方式之一。降落伞是一种主要由柔性织物制成的可展式气动力减速器，它充分利用空气阻力原理，依靠相对于空气运动充气而快速展开，可以使人或物从空中安全降落到地面的一种航空工具。

 

具体而言，降落伞极速开伞后，利用空气阻力使航空器或高空物体进行减速——降低高空坠落时的速度，从而最终达到安全着陆的效果。空投物体、空降兵就是采用降落伞进行空中安全降落。在无人机上装载降落伞，同样可以大概率保证降低无人机的损失，还能保证地面人员的安全。

 

 

2.2 落地速度   

 

 

 

通过专门设计的无人机降落伞，可以让高空坠落的无人机降低落地速度，这是最容易实现的基础方法。通过降落伞减速，无人机的落地速度通常可以降低到10m/s以内，有些降落伞还能让无人机落地速度降低到5m/s左右。

 

《民用无人驾驶航空器系统安全要求》（GB 42590—2023）4.6节“整机跌落”条款对无人机整机跌落的安全性要求做出了规定：

 

4.6  整机跌落

 

 

对于采用锂离子电池作为动力的微型和轻型无人驾驶航空器，整机跌落应满足以下要求：

 

 

 

a)调节无人驾驶航空器电池组至满电量的30%±2%，无人驾驶航空器由10 m高度自由垂直跌落（见图2)，不出现爆炸或起火现象；

 

 

 

b)如无人驾驶航空器带有降落伞等跌落保护措施，记录无人驾驶航空器开伞状态下最大跌落速度，将此速度折算为无人驾驶航空器不带保护措施悄况下自由落体高度（称为等效高度)，按等效高度开展跌落试验。‍

 

 

图2 整机跌落示意图

 

 

对整机跌落的试验条件和试验步骤，《民用无人驾驶航空器系统安全要求》（GB 42590—2023）在5.6节做出了以下规定：

 

5.6 整机跌落

 

 

5.6.1 试验条件整机跌落试验条件应满足以下要求：

 

a）地面风速不超过5.4 m／s（3级风等级)；

 

b）试验件按照确定材料、工艺生产的无人驾驶航空器产品，附有试验件合格证等证明文件；

 

c）试验设备和仪器均为检定合格且在有效使用期内，精度优于被试样机对应指标精度的三分之一或一个数量级。

 

 

 

5.6.2 试验步骤‍微型和轻型无人驾驶航空器整机跌落应按以下步骤开展试验：

 

a）试验前先检查试验件和试验场地状态是否满足试验要求，调整无人驾驶航空器电池组电量至满电量的30%±2%；

 

b）如无人驾驶航空器带有降落伞等跌落保护措施，测试并记录等效高度；

 

c）用吊绳对无人驾驶航空器多点起吊，以单点悬提、释放方式进行整机跌落，提升系统能使飞行状态下试验件相对撞击地面高度达到10 m 或等效高度，误差在±2cm以内；

 

d）调整吊绳长度使试验件处于水平姿态，误差在±5°以内，可通过非接触测量手段（如地面高速摄像系统等)进行试验件姿态测量；

 

e）选用质轻、软的吊绳，连接在试验件上软绳的附加重量不超过无人驾驶航空器自重的5%；

 

f）当试验件姿态和离地高度都达到预定要求后，释放锁打开，使试验件自由落体跌落至硬质铺砌水泥道面；

 

g）采用高速摄像机观测无人驾驶航空器撞击地面的碰撞姿态失效过程，碰撞试验结束后，目视观测30 min，以确认电池是否发生自燃、着火等现象；

 

 

 

对于采用锂电子电池作为动力的微型和轻型无人驾驶航空器，电池调至满电量的30%±2%，无人驾驶航空器由10m高度自由垂直跌落，不应出现爆炸或起火现象。

 

上述《民用无人驾驶航空器系统安全要求》（GB 42590—2023）虽然是适用于除航模之外的微型无人驾驶航空器、轻型无人驾驶航空器和小型无人驾驶航空器的研制、生产、交付和使用，但是对中型和大型无人驾驶航空器系统产品的安全要求也同样有参考借鉴作用。

 

在不考虑空气阻力的情况下，由自由落体公式进行相应的换算。

 

 

假设10m高度自由落体，h=10m，那么落地速度：

 

下述表1列出了1米、2米、3米、5米、10米自由落体对应的落地速度。

表1 几个典型高度的自由落体对应的落地速度（参考值）

 

自由落体高度

 

 

使用降落伞可以令离地面几十米高的无人机在发生坠落时有效减速，高空坠落的无人机通过降落伞可以减速至至少等效于离地面高3米以内的自由落体运动，安全系数将大为提升。一些无人机的起落架还能起到缓冲作用，进一步降低降落动能冲击的影响。

 

事实上，很多消费级、工业级产品在设计时会将自由落体的限制高度定为3米，要求产品能够经受得住3米自由跌落的冲击，或者要求至少关键零部件能承受3米跌落而安然无恙。超过3米自由跌落，则很可能会造成产品结构受到较大的损坏，甚至是毁灭性的。

 

3米自由落体高度对应的落地速度为7.67m/s，将无人机最低的落地速度定为7.5m/s是有严谨逻辑在内的。

 

目前，有些贵重的民用无人机，通过专门的伞降系统可以让坠落的无人机能获得5m/s左右的安全缓降速度。无人机降落伞系统可以与飞控系统相连、交互，有飞行安全态势感知能力，可以采用领先的小火箭喷射技术来及时快速地释放降落伞，让无人机的安全性和可靠性得到较大的保障，并且降落伞可以重复使用，在开伞之后仅需更换伞仓替换模块，即可实现复用。

 

当在空中飞行的无人机遇到突发危险时，无人机的飞控融合系统会在应急状态下及时切断桨叶电源，同时即刻触发极速开伞机制来救机，使得最后能获得一个较为安全的缓降速度，例如这个速度为4m/s~5m/s，那么就能充分保护无人机设备和地面人员的安全了。

 

对于5m/s左右的落地速度，对应的等效自由落体高度为：

 

 

这样相当于进一步增大了安全系数，降低了坠落的冲击危害。

 

3.

 

 

民用无人机适航要求概述

 

 

国务院、中央军委今年公布了《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》（国务院令第761号），第八条规定：

“从事中型、大型民用无人驾驶航空器系统的设计、生产、进口、飞行和维修活动，应当依法向国务院民用航空主管部门申请取得适航许可。”‍

 

在第六十二条则对中型、大型民用无人驾驶航空器及无人驾驶航空器系统做出了定义：

“

（五）中型无人驾驶航空器，是指最大起飞重量不超过150千克的无人驾驶航空器，但不包括微型、轻型、小型无人驾驶航空器。

 

 

 

（六）大型无人驾驶航空器，是指最大起飞重量超过150千克的无人驾驶航空器。

 

 

 

（七）无人驾驶航空器系统，是指无人驾驶航空器以及与其有关的遥控台（站）、任务载荷和控制链路等组成的系统。其中，遥控台（站）是指遥控无人驾驶航空器的各种操控设备（手段）以及有关系统组成的整体。”

 

如果没有特别说明，本文提及的民用无人机指中型、大型无人驾驶航空器。这类无人机的型号设计需要申请型号合格证（TC），生产批准需要申请生产许可证（PC），运行人、操作员及维修要满足CCAR-92部、AC-91-31咨询通告等规章与规范性文件要求。

 

适航审定依据的相关管理规则和管理程序主要有《民用无人驾驶航空器运行安全管理规则（征求意见稿）》（CCAR-92）、《民用无人驾驶航空器系统适航审定管理程序》（AP-21-AA-2022-71）、《轻小型航空器生产许可及适航批准审定程序》（AP-21-AA-2019-32）、《民用无人驾驶航空器系统适航审定分级分类和系统安全性分析指南》（AC-21-AA-2022-40）等。

 

其中，《民用无人驾驶航空器运行安全管理规则（征求意见稿）》（CCAR-92）在设计批准部分明确了基于风险的设计批准审定原则：

“

民用无人驾驶航空器系统的设计批准审定工作采用基于风险的原则，实施分类管理。局方综合考虑民用无人驾驶航空器系统的产品特性、运行场景，及新颖特性和复杂程度等因素，结合申请人的符合性表明能力和以往设计批准审定过程中的表现，确定与风险相匹配的审查方式。

 

 

 

基于风险的民用无人驾驶航空器系统设计批准审定，重视申请人设计保证系统的能力。申请人应当建立设计保证系统，确保民用无人驾驶航空器系统符合适用的适航标准和环保要求。申请人设计保证系统的成熟度关系到局方对申请人的信任程度，以及对其设计保证系统的权利和限制的批准。”

 

《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》要到2024年1月1日才开始生效，中型、大型民用无人机的适航审定标准还有待继续完善，这类无人机的适航审定往往需要研究国内外同级别无人机的军用标准、行业标准、企业标准、专用条件，还需要依据无人机地面控制站和数据链等相关标准，以及参考类似航空器的审定基础，来确定该无人机的审定基础，形成专用条件。

 

在专用条件或相关的安全性方面，为了保障地面人员和物品的安全，也为了保障民用无人机及其载重物的财产安全，安全第一，消除飞行中的安全隐患，有必要对中型民用无人机等提出在高空遇到故障停机或突发状况发生坠落，要求落地速度不得高于某个具有一定安全系数的值，例如这个值为7.5m/s。

 

这一最大落地速度，通过无人机降落伞完全可以达到，从而为无人机提供更全面的安全冗余保障，尽可能将坠机风险降低到最低程度。大型民用无人机的落地速度还要根据最大载重量和使用场景，对落地速度提出更适合的安全要求。

 

在《投物伞空投系统通用规范》（GJBz 20338—96）中，3.9条对着陆速度（落地速度）做出了要求：着陆速度一般应在7~9m/s之间（换算为国际标准大气压条件下的垂直下降速度）。

 

4.

 

 

无人机整机降落伞实施探索

 

 

前面提到无人机可能会失控，意外坠落，地面上的行人存在被无人机击中的潜在风险，地面上的设施也可能会被撞击产生损失或其他严重后果。为了解决无人机坠落安全问题，可以有多种解决方案。但是目前来说，最常见也是最靠谱的应该当属无人机整机降落伞。

 

从成本的角度来看，很多工业无人机造价较高，有些在商用时还会运载有贵重的货物或搭载高端传感器或摄像头，如果发生故障坠落，损失往往很大，因此采用无人机降落伞可以起到保驾护航的最后一道“保险”作用。

 

事实上，整机降落伞在飞机上已有几十年的应用经历，提升了轻型飞机的安全性水平，曾经成功挽救了很多生命。目前，比较成熟的整机降落伞有美国BRS、西锐CAPS和捷克的Galaxy GRS。

 

美国已经批准出台了一份名为F2316-12（2022年重新批准）的《整机紧急降落伞》标准规范，规定了整机降落伞在材料、设计、制造、工艺、安装、检查与维修等方面的要求，旨在航空设备在坠落发生时能拯救成员和航空器。

 

无人机也可以采用同样的安全性措施，给无人机设计配置整机降落伞，让整机降落伞成为无人机所有安全措施的最后一道防线，将失控的无人机安全降落到地面。美国已经出台了一份《小型无人驾驶飞机系统（sUAS）降落伞》（《Standard Specification for Small Unmanned Aircraft System (sUAS) Parachutes》，ASTM F3322-18），该规范定义了可在小型无人机上安装、可展开的降落伞回收系统（PRS）的设计、制造、安全性要求和测试要求等，具有较佳的借鉴价值。

 

国内降落伞领军企业深圳市天鹰装备科技有限公司在伞降装备安全领域深耕了许多年，自主研发了一系列人用、物用降落伞安全系统，其中包括整机降落伞和无人机降落伞，可以用于各类轻型飞机、物流无人机、垂直起降飞行器等，业已发展成为一家以降落安全系统自主设计、研发、生产为中心的民营高新技术企业、工信部低空通航产业联盟唯一一家伞降安全服务商，人用降落伞已经通过民航局的适航审定认证，相关产品还通过国军标规范。天鹰研发了多种型号的工业无人机降落伞，各种型号最大载重时的落地速度均可达5.5m/s，有力地保护了各类无人机设备的坠落安全。

 

例如，天鹰T200系列的无人机降落伞T200-25、T200-50、T200-75、T200-100、T200-150的相关参数如下表1所示，基本覆盖了中型无人机（25kg<最大起飞重量≤150kg）各典型重量的应用场景，包括25公斤级、50公斤级、75公斤级、100公斤级和150公斤级。

 

表1 天鹰T200系列的各型号无人机降落伞性能参数一览表

 

 

而天鹰整机降落伞基本上能做到最大载重时落地速度为7m/s，有些高速固定翼类的整机降落伞的最大载重时的落地速度会稍微大一些，例如7.9m/s。针对高速固定翼类，天鹰开发出了181整机降落伞系统，涵盖整机重量从200kg~1550kg，激活方式有飞控激活、自主激活和手动激活，整机落地速度（海拔1500米标准日间温度）基本在7m/s~7.9m/s之间，重量越大，整机落地速度则可能会略高一些。

 

对于低空多旋翼/evtol类，天鹰开发出了T191整机降落伞系统，涵盖整机重量从200kg~950kg，激活方式同样有飞控激活、自主激活和手动激活等多种方式，整机落地速度（海拔1500米标准日间温度）可达7m/s。

 

如果针对中型民用无人机，以现有技术来说，要求落地速度不高于7.5m/s是可行的。对于大型民用无人机，要求落地下降速度不高于7.5m/s也是可以实现的。

 

在制定无人机降落伞相关标准时，深入探讨落地速度这一关键指标具有重要现实意义，也是有必要的。一个合适的落地速度指标，可以更好地为无人机的安全飞行保驾护航。