无人机系统地面碰撞严重程度评估报告

无人机系统的快速发展和使用给地面人员的安全构成威胁。美国联邦航空局针对失效无人机撞向地面时，对地面人员的损伤类型和严重程度进行了建模和仿真计算，其方法和模型值得借鉴.

2017年4月28日和11月28日，美国联邦航空局（ FAA）分别发布了《无人机系统（简称UAS）地面（人员）碰撞严重程度评估》和《无人机系统空中碰撞风险严重程度评估》报告。这两项研究由“通过卓越研究实现无人机系统安全的联盟”（ASSURE）完成。ASSURE是FAA按照美国国会2014年指令建立的无人机系统卓越中心，于2015年5月成立，由密西西比州立大学领导。ASSURE的合作伙伴包括23家全球顶尖研究机构，以及100多家领先的工业界和政府合作伙伴。本刊相继将两项研究报告的主要内容及结论进行编译、刊登，以飼读者。

引言

无人机地面碰撞的严重程度评估的最终报告文件的无人机平台的特点，根据文献搜索超过300的出版物从汽车行业的无人机地面碰撞的严重程度相关，消费电池市场，玩具标准，和其他领域。文献检索包括来自各种行业和应用的現有标准，以及其他民事和联邦机构目前正在使用的分析和标准方法。空间碎片的事故模型进行评价和推广提出了使用无人机确定地面碰撞的严重程度评估和度量他们的活力。参数分析，总结数据和改性方法提供的最有意义的洞察和无人机特性等特点在地面碰撞严重程度相关问题。定性特征以及定量度量。数据分析开发的任务所有研究中还包括更新数据收集在早期阶段的任务A4。在需要时，为当前研究范围以外的主题确定知识差距。

文献检索包括对人类钝器伤、穿透伤和撕裂伤的各种标准的评估。这些损伤类型表示的最重大的威胁到非参与公共和人员操作的中等大小无人机和小型无人机平台。最坏的情况下，终端速度或最大巡航速度，动能的能量密度、转子直径是最重要的系统特性，钝力外伤穿透和撕裂伤。

两冲击动能的方法提供了一种风险和基于场景的确定安全的无人机操作动能阈值方法。降落伞的缓解和面积加权的动能的方法两个场景中的应用提出了轮廓的阈值范围更广的车辆重量超过人们进行飞行可能比目前的汽车设计目前。通过碰撞试验和动力学建模，对人体头部和躯干撞击的有限元分析进行了初步的能量传递研究。碰撞试验结果和随后的分析有力地表明，基于RCC的阈值过于保守，因为它们不能准确地表示碰撞。弹性变形的小型无人机与高速导弹在国家靶场试验，金属屑接触面积较大的动态分析方法的比较。动态建模是必要的提高无人机失效模式的评估和相关的冲击能量，建立适当的距离外，对模型的影响程度进行分析和脚印的概率评估申请人提交的申请或认证的一部分。

锂聚合物电池主导的中等大小无人机和小型无人机市场为这些平台原理的能量源。虽然许多制造商说，他们根据锂测试电池根据消费电子产品的离子电池测试方法，电池很少标明符合这些标准，许多测试方法不符合与地面碰撞冲击能量相关的力和能量水平。需要更多的研究来解决火灾和冲击危险提出的广泛的电池和化学电池使用中等大小无人机和小型无人机平台。

研究内容

研究背景

任务A4即地面碰撞严重程度评估由阿拉巴马大学亨茨维尔分校（UAH），勘萨斯大学（KU），密西西比州立大学（MSU）和安莉芳里德尔航空大学（ERAU）联合执行。UAH作为本课题的主持者和收集各高校在各自领域的研究成果汇集成最终报告，提交给美国联邦航空管理局（FAA）。

该团队使用了新兴的数据，包括微型航空器咨询规则制定委员会（ARC）和从事对地碰撞工作的无人机科研小组成员（SARP）的简报，以及美国联邦航空管理局（FAA）成员建采用的自2015年9月以来的107部规则。

本报告中的结果和数据从2016年6月发布的白皮书无人机系统特性研究进展的基础上通过2016年9月进行过更新。本报告中，模型的构建由MSU和ERAU负责完成。此外，阿拉巴马大学亨茨维尔分校讲报告进行更新，以反应的任务11的结果和一些数据，即以107部豁免的申请案例研究中任务A4收集的部分认同数据或正式数据。

本报告没有按照联邦航空局的指示研究处理碰撞概率。虽然死亡概率（Probability of Fatality，POF）是衡量碰撞严重程度的指标，但这些概率被用于定义碰撞严重程度而不是风险计算。

研究内容

FAA要求该研究团队在地面碰撞严重程度评估项目中讨论下列研究问题。

1）无人机系统地面碰撞危险程度的标准是什么（重量、动能（KE）等）？

2）无人机对地面飞机碰撞的严重程度是怎样的？

3）无人机对地面财产碰撞的严重程度是怎样的？

4）无人机对地面人员碰撞的严重程度是怎样的？

5）对地面飞机、财产、人员构成威胁的无人机系统特性有哪些？

6）各无人机类别中对地面飞机、财产、人员造成的碰撞严重程度类别有哪些？具体是怎样的？

7）如何设计无人机系统，将无人机系统在地面碰撞中的潜在损伤降到最小？

研究目标

（1）无人机系统碰撞对公共安全的影响

在无人机系统领域的技术进步有明显增长，这些飞机的能力和需求将使得这些平台能够广泛应用于各种各样的任务。然而，这些平台在国家空域系统（NAS）中操作的相关安全标准在飞行平台和驾驶员认证方面并没有跟上。由于这些无人机在商业和业余爱好者的使用方面表现出的多样化，使得消费者的兴趣大大增加。这种使用量增加导致旁观者发生钝伤或撕裂伤的事故相应增加。新闻媒体报道了多起因娱乐或批准电影拍摄造成人员受伤的飞行案例。

新成立的团体，例如Before YouFly，正在积极制定以社团为基础的安全标准。Before You Fly是一个教育活动组织，由美国航空模型协会（AMA）、国际无人机系统协会（AUVSI）和美国联邦航空局领导，致力于为操作这些平台的爱好者和商业无人机系统用户提供基本法规和安全操作教育工作。这项研究的大部分内容只包含基于统计的位置和人口密度模型的旁观者安全分析研究，用于评估风险和安全。这些模型基本上已经完成构建，或者在构建用于评估飞行器在发射和再入过程中穿越人口密集中心的的空间安全模型。

此外，研究人员和记者们关注的是，与乌撞事件相似的无人机近距离接触飞行飞机时发生的危险。地面撞击危害和规则制定还在公众舆论没有引起重视，但美国联邦航空局和国家空域系统（NAS）的用户注意到了这个问题。为了提高公众的接受度和公众的安全性，以及在载人飞机和多载人飞机中保持国家空域系统的安全水平，需要根据具体行动制定无人机的最低和一致的认证要求和安全标准。未能制定针对无人机的监管框架显然是对公共安全的威胁，无人机标准的缺失可能是由缺乏实验数据和统计模型的不规则比较造成的。

（2）无人机系统特性支持FAA立法

该研究团队分析研究了无人机系统的特性，主要集中在小型和微型无人机平台。这些结果进行了定性总结，这些更小型的无人机，不是在重量和速度方面更接近载人飞行器的无人机平台等（如“影子”、“扫描鹰”、“捕食者”和“全球鹰”），是由不同的材料制造而成，利用与载人飞机不同的结构、弹道和空气动力学技术，没有现成的碰撞严重程度潜在分析和操作性能分析的经验技术总结可参考。

本报告重点研究了基于配置的小型无人机系统（硬壳式多旋翼、模块化/可折叠多旋翼、飞翼式固定翼、标准式配置固定翼和单旋翼），他们的基本特性如何影响非公共和/或对象和结构的碰撞致命性损伤。本报告为大型无人机提供参考，小型无人机和较大型无人机与载人飞机特征相似，应采用类似的方法进行规范管理。文献检索数据分析和已经熟悉的应用场景已被用于创建一个无人机特性分类，FAA和工业部门可以使用其作为基础，制定各类无人机的认证标准，根据认证要求和安全标准对无人机系统衍生类型制定认证标准。

报告研究的重点是定义无人机平台在碰撞或叶面触碰过程中将能量转移到地面人员、财产和飞机的能力，定义无人机系统设计特性确定质量、速度、高度、材料结构等因素对碰撞严重性的影响。AUVSI为研究团队成员提供访问他们的无人机平台数据库的能力以支持本研究。数据库包括来自世界各地的国家提供必要的数据来描述他们的质量、速度、大小等确定无人机的特性。这些数据被用来开始开发潜在的特性，这些特性可以通过重量、速度和操作高度来确定。

A4团队协调与其他成员的保证团队与不同的UAS平台经验和SUAS制造商获得的来自AUVSI数据库数据有更深的了解。A4团队还用车辆和组件从各大学和那些捐赠3dr和DJl获得额外的数据平台上验证信息在数据库中。团队从3dr和DJl公司接收损坏的机型、新的部件和机型以进行分析。工业部门和ASSURE合作学校的飞行器已被用来评估不同飞行器质量分布、开发用于建模和参数分析的参数化数据。

（3）确定认识上的知识差距

FAA注册数据包括商业运营商的飞行器类型。无论是飞机注册和无人机在线注册登记需要不断收获保持一个清晰的认识，在国家空域系统（NAS）提炼A4和其他任务的研究热点。

报告从医学、弹道、非致命弹药、法规文件、设计标准和科学研究领域查阅大量资料和文献，确定了大量的数据和分析方法，以确定准确的损伤严重程度标准，确定与损伤程度相关的工程技术指标。在对部分文献的调研中，各种无人机的空气动力学和碰撞模型已经完成构建，采用基于确定阈值的方法，以评估小型损伤和潜在损伤和。在文献调研中，在各种领域中进行了分析，明确了知识空白，更好地定义了飞行器特性，确定叶片的挫伤能量和撕裂损伤。本报告还根据文献检索，界定了本报告尚未解決或超出这一努力范围的进一步的知识空白。

为了提供一个通用的技术框架，无人机系统被划分为物理设计和结构特性，以确定他们在碰撞过程中如何转移和保留能量。这个框架将系统分为五大类。多旋翼无人机可分为硬壳式和模块化/可折叠式结构的配置类。同样，固定翼无人机系统可分为飞翼配置和标准配置。单旋翼无人机，具有一个单一的主旋翼和尾桨配置或串联的转子结构，是最后一个配置分类。无人机地面碰撞严重程度评估仍然依赖于量化的风险以及撕裂、钝性撞击和点火源。

然而，美国五大类无人机的分类中又有一个更具描述性的综合，不同的设计及其相关的属性。附录D中描述的目前飞机设计的定性讨论，提供各种小型无人机的设计特性，而不同特性在碰撞和损伤程度的影响不同。本报告的重点还包括飞行器参数分析和推荐特征度量。飞机的定性分析还概述了当前减小损伤的设计理念和属性。这种减小损伤的讨论基于AUVSI数据库调查，对企业网站的研究，并与各种飞机模型的制造商和业主讨论。本报告的所有章节确定了文献和建模所需输入方面的知识差距，并总结在附录E中：附录E知识差距综述。

严重程度的定义和讨论简明损伤标准

简易创伤定级标准（AIS）是国际上公认的损伤严重程度分级标准。AIS开始于1970年初，目标是将车祸中受害者的受伤严重程度进行分组。AIS基于标准的医疗手册和一套定义，提供了1-6分的评分。AIS和损伤严重度量表（ISS）之间有很大的交叉。自2008的最后更新以来，AIS标准已进行了多次修订。基于早期的工作，更多的损伤评估系统已经被开发（例如NISS、TRISS、ASCOT，ICISS等）;然而，经文献检索，AIS、ISS被广泛用于协助创伤中心临床医师损伤严重程度评估。因此，AIS/ISS是损伤严重程度分类的首选方法。

需要重点指出的是，AIS字典提供了在车祸期间所造成创伤应急救治标准基础上的伤害评估方法。损伤定级为急诊室医师的能力和医学知识为标准化的依据。因此，损伤严重度定级可能低于一般人所期望的，因为无论损伤多么明显，它可能很容易治疗，不具备极高的致命性。表1提供了碰撞案例及其相应的AIS损伤定级的描述。基于107部豁免申请案例研究的任务11，飞行器碰撞能量可能与基于假人碰撞试验的AIS相关。这些结果的相关性使得AIS能够作为评估飞行器安全性的一个可行的评价指标，作为冲击能量函数确定时考虑因素之一。

头部撞击和损伤度量

创伤性脑损伤（ TBI）的分类方法始于20世纪60年代。研究人员在研究碰撞时，提出了一种简单指标，预测头部潜在危险加速性。这个指标被称为加德严重程度指数（Gadd Severity Index），是衡量头部撞击损伤严重程度的第一首选指数。加德严重指数方程见式（]）。该指数表明，加速度（a）在头部的持续时间（t）是导致TBI的影响因素。加德严重程度的安全和不安全的区域，如图1所示。

1000=t×a^2.5（1）

在20世纪70年代，头部损伤标准（ HIC）被用于评估颅骨骨折和脑损伤，基于假人头部碰撞测试的加速度随时间变化。HIC只考虑一个标量加速度的时间历程。而不是结合时间和加速度得多项式函数，HIC综合了加速度随时间变化的方程式见式（2）。

式中，t1和t2表示HIC区间的开始和结束时间。一般来说，该间隔为15或36ms，因此，用HICis和HIC36来表示这些指标。对于HIC₁₅和HIC₃₆参数估计，t1的值由HIC最大值决定。截至2000年3月，HIC₁₅一直是国家公路交通安全管理局（NHTSA）应用的头部损伤评价标准。

然而，在过去的十年中，越来越多的学者所做的工作不断挑战这一概念，只需要一个随时间变化的标量加速度是不能充分预测和诊断TBI。其他指标，例如角速度、角加速度、充气压力、剪切应力/应变、最大过载等。然而，由于HIC指标已被大量使用，文献中能检索到大量的数据集可用于研究比较。表6提供了基于各种尺寸测试假人（ATD）的HIC₁₅阈值。

为了协同A4研究团队的工作，来自头部碰撞仿真的HIC15和重力数据（ g-force）与基于现有文献中的创伤性脑损伤实验数据的AIS值相关。通过相关联的AIS和HIC15，A4任务研究团队将POF和AIS l-6分级相关联，其中1是最小的轻伤，6是致命损伤。受伤造成的死亡不会自动被定级为AIS 6。被归类为AIS 2或更大的伤害表明，受伤可能导致死亡，其原因是没有得到治疗或未及时接受治疗。

AIS也与POF相关联，在参考其他研究成果情况下，将钝性损伤能量水平映射到POF，允许他们有一定的交叉。]级AIS相当于0%POF，6级AIS是1000致命的。然而，这只是一个定性的比较。没有一个确定的文件表明，一定的10% POF相关，另一项研究中估计有10%的POF。

粘性指标

已有文献报道，无论是胸压缩程度还是速度都不能作为钝性撞击下胸部损伤的标准。一个更复杂的标准，被称为粘性标准（VC），被认为是胸部损伤分析中最有前途的损伤指标，并在建模中可以进一步量化。

该标准首先是由Lau和Viano提出，用于预测评估由碰撞引起的胸部损伤严重程度。人类的耐受性由粘性标准响应（VC）来定义，它是由变形速度的瞬时值V（t）和身体压缩量C（t）产生的时间函数。

该标准通过不依赖于速率的粘性损伤机制评估软组织和肋骨损伤的风险，并已被一些汽车碰撞安全标准所采用。大量学者已经研究了身体压缩身体压缩量C（t）对损伤的影响，但是对变形速度的瞬时值V（t）的影响研究较少。也就是说，目前，胸部损伤对胸壁偏转速度的灵敏度还不是很清楚。混合ⅢATD胸部模型综合碰撞模拟试验和V（t）敏感性分析将有助于回答这个问题。此外，还需要建立更为精确的VC值与AIS值之间的定量关系。为实现这一目标，将对碰撞参数和响应进行非线性回归分析。

本报告的重点放在当前项目的正面碰撞上。现有的正面碰撞安全标准的损伤判据已经在汽车工业得到了直接应用。然而，汽车工业中还没有研究背部碰撞，需要大量工作来确定粘性判据是否适用于这种类型的冲击。在地面碰撞情况下，无人机的背部碰撞与无人机系统的操作相关，并且特别危险，因为人员在面对这种碰撞时是不能够及时反应并保护自己。背部碰撞的损伤机制不同，因为损伤可能以脊柱損伤为主，同时，正面碰撞的机制主要是肋骨骨折和内部器官破裂。因此，需要一个新的标准。小型无人机损伤严重程度定义的现有标准

现在有没有现成的、公认的小型无人机严重程度分类标准，或者没有办法将这些损伤类别与FAA安全定义关联。然而，地面人员损伤严重程度分类/定义在医疗领域已经有应用，主要应用于车祸事故损伤评估或飞行事故中的碰撞动力学评估。

AIS被分为6级：（1）轻度（minor）;（2）中度（moderate）;（3）严重（serious）;（4）重度（severe）;（5）极严重（critical）和（6）致命（unsurvivable）。美国联邦航空局系统安全手册中则分为5级：（1）没有安全的影响;（2）轻度（minor）;（3）中度（major）;（4）严重（hazardous）;（5）致命（catastrophic）。在4.2节中，在撕裂伤的情况下，本报告认为，这两种判据可以合理关联。

无人机和载人飞机的安全性主要区别是，由于没有机载飞行员或乘客，无人机事故本身不会造成人员伤亡。相反，无人机碰撞最大危险是对地面人员或飞机造成损伤。因此，使用FAA系统安全手册中给出的“灾难性”判据来定义严重性程度，灾难性事件不应包含“系统损失”。使用安全管理手册的灾难性的定义一其中包括与载人飞机相撞，似乎并不合适。然而，这个问题是在另一个研究小组概述。

在2016年4月1日提交FAA的报告中，微型无人机ARC在允许的碰撞能量密度推荐值（即每接触面积单位KE），在指定的飞行场景中飞行的4类无人机，避免对地面人员造成严重钝伤。特别是，他们建议按“行业共识”标准确定许可碰撞能量密度，以避免对地面人员造成AIS3级或更高等级的损伤。表3给出了FAA给出的因碰撞造成的严重或更严重伤害（AIS 3级或更高级别）的容许率。

顺便说一句，微型无人机ARC也承认考虑撕裂损伤的重要性，有必要了解由于旋转叶片造成的损伤。FAA安全性定义并没有考虑永久性残疾，而美国国防部和其他安全标准则考虑了永久性残疾。尽管撕裂伤不一定导致死亡，在在公开文献中被认定为永久性残疾。因此，永久残疾作为一种可能性较大的损伤严重程度，当小型无人机在操作时接近或飞越人员上空时必须要定义其接受程度。

至于地面财产损伤严重性程度定义，建筑物等结构或汽车、飞机等地面车辆穿透损伤是很多文献中损害评估/严重程度定义研究的重点。例如，在美国海军航空系统司令部一份文件中有惰性碎片撞击的力学效应研究的记录。其中，有一个指标涉及屋顶、墙壁或窗户穿透性破坏，但没有涉及FAA损伤严重程度定义。表1和表2中美国联邦航空局提出的损伤严重程度定义对无人机或载人飞机损伤或结构没有参考价值。新107部规则规定，任何导致至少在五百美元以上的财产损失的事故都要求上交事故报告。此外，还要考虑结构损伤带来的火灾危害问题。特别是，由于机载燃料和电池在碰撞过程中很可能引发火灾。燃料着火导致火灾造成损害的评估方法已经制定，并在4.12节中进行了讨论。

美国航空模型协会（AMA）的运行和损伤数据

从操作的角度来看，无线电控制或遥控的飞机可以与小型无人机技术相媲美，尤其是小型无人机视距内操作的情况下。遥控飞机运营商每年累积约6-8百万飞行小时，估计在过去14年中的飞行时间为84000000h。因此，研究人员还研究了AMA的损伤和事故数据。根据AMA自行收集的遥控飞机驾驶员数据，以下是关于飞机模型使用和事故的高级陈述。

1）在调查前八年内，有三十九份文件表明，模型飞机造成的财产损失，大部分是由于模型飞机离开指定的飞行空域，撞上停在飞行现场附近的物体。

2） AMA正在追踪1979至2013年间在美国发生的六起与飞机有关的死亡事件。只有一起造成致命伤害的事件，是由于不从事模型飞机操作的人导致的，事故发生在1979年。这架飞机，一个飞行的割草机，没有飞的AMA成员和飞行在牛油果体育场在一个模型飞机展览。所有其他的死亡都涉及到参与者的业余爱好。

3） AMA估计死亡率为3.57x10^-8次/飞行小时。

性能标准

地面财产建筑物（建筑物）或车辆（汽车、飞机等）损伤的严重性定义是损伤评估/严重程度定义的重点。例如，美国海军航空系统司令部的碰撞毁伤模型报告文件就重点研究了惯性碎片撞击的力学效应。唯一涉及到的指标是屋顶、墙壁或窗户的穿透性。

还有一个涉及建筑物火灾危险的问题。由于燃料和电池板上的撞击，评估模型设置了可能导致火灾的可能，开发了评估燃料导致火灾损失的方法。

与小型无人机相关的严重程度定义

考虑到永久残疾以及建筑物渗透和火灾危险的相对重要性，对人员和地面财产损伤的严重性进行如下定义：

灾难性

对非参与公众或无人机飞行机组产生的任何死亡或永久残疾的（300的概率，AIS 5或更高）。

危害性

对非参与公众或无人机飞行机组产生的严重损伤，造成功能丧失（300的概率，AIS4或更高）。

使结构不可用的穿透或造成火灾的结构性损伤。

严重

伤害需要住院治疗（300的概率，AIS 3或更大）或意识丧失。

以有限速度穿透建筑物，使建筑物表面起火。

轻度

损伤治疗门诊的基础上（300的概率，AIS 2或更大）。

结构损伤，需表面修复。

没有安全危害

浅表性损伤（50%概率，AIS1或更大）。

无人机的设计属性

在分析无人机各种类型平台和重量等级基础上，该报告指出，对无人机地面碰撞严重程度影响较大的三个特性是：动能、火源和旋翼部件。评估报告分析了各设计属性的相关材料属性、损伤风险值。载荷、电池、电机等由于密度较大，不能吸收或者较小冲击能量。无人机地面碰撞模型中，无人机的设计属性分类见图2。

重要的是要注意，对地面碰撞严重程度的全面分析，动能必须根据冲击能量等级和单位面积来确定。在碰撞过程中，人体损伤机制可能有：钝力损伤、穿透伤（软组织）和骨折。前者受冲击动能大小的影响，后两者受单位面积的冲击动能或能量密度的影响。只有冲击动能能在试验过程中才能准确地估计。单位面积的受力是难以通过试验来测量的。

m代表无人机设计单元的质量，而V代表无人机设计单元的速度。动能主要决定于设计单元自由落体终点速度。

其中，g代表重力引力，V代表环境空气的密度，A代表有效截面积，C_d表示阻力系数或者无量纲阻力。

无人机上的燃料、电池等动力源都可能是发生地面碰撞后的点火源。这份报告主要集中研究电池的影响。分析了AUVSI数据库和FAA 333条豁免条款中在美国销售、重量小于551bs的使用电池。此外，近100%的获豁免审批的商业无人机都使用锂聚合物电池。如果被刺穿，暴露在空气或水中、压碎、过充电或维护不善，锂聚合物电池都有可能起火。

旋转的螺旋桨以及固定翼、旋翼多旋翼、单旋翼无人机的转子部件，容易对飞行中的无人机附近人员造成严重的切割伤。虽然RPM、叶片设计、叶片刚度容易发生削减事故概率。相关文献调查表明，这种假设并不保守，叶片意外接触将导致一定程度的切割伤害。

碰撞严重程度评估方法

小型无人机与地面人员碰撞的损伤机制主要有三种类型。第一种伤害类型是钝力创伤。由于对身体的高能冲击导致器官受到加速和剪切，或由于受撞击而四肢无法控制运动导致的损伤。第二种伤害类型是穿透伤。它由大数值的力作用在小范围面积上而导致，能量密度可用单位面积上的力来表示。最后一种损伤是撕裂伤，这由螺旋桨和转子等旋转部件在小面积上施加大的力导致。撕裂伤严重程度受螺旋桨叶片边缘锐度和叶片刚度的影响。

评价无人机安全有两种，采用不同数据输入和建模。

（1）基于RCC标准的损伤严重性评估方法

无人机碰撞地面人员的损伤严重性初始评估是严格基于RCC标准的，重点研究基于场景的碰撞动能阈值，依据暴露的人体部分以及附近或下方人员飞行无人机的高度和速度极限。然而，这些RCC阈值与通过AIS衡量的损伤严重程度不直接相关，与小型、刚性的金属碎片的碰撞动力学和效应相关。表4和表5是两种典型的阈值标准。

（2）无人机跌落测试试验

第二种方法是任务11的一部分研究成果，107部豁免條例的案例研究部分，使用ATD HybridⅢ的男性假人撞击测试集进行无人机跌落测试试验，根据美国联邦机动车辆安全标准（FMVSS）208和医学文献研究结果，研究基于冲击动能的评估方法，以评价损伤程度。然后将这一结果与头部和颈部损的阈值进行比较，以确定损伤严重程度等级达到AIS 3或更高。该方法有两个明显的优点：首先，碰撞动力学的研究可作为实际无人机撞机头部或者由小金属碎片导致的损伤的分析基准。其次，通过美国联邦机动车辆安全标准研究表明，直接碰撞动能大小与损伤严重程度有直接相关性。而该标准完全纯粹基于RCC的阈值。

无论哪种方法，冲击速度可以很容易地通过试验测定和CFD估算。因此，冲击速度和良好的方法在工业领域应用较广，也将用于小型无人机碰撞损伤评估。

研究结论

经研究，本报告得出以下结论：关键微小型无人机特性

A4团队综述了用于评估钝力伤、穿透伤和撕裂伤的研究和技术，这是目前对非参与公共人员和操作小型无人机平台操作人员最重要的威胁。与地面碰撞严重程度相关的最重要的飞行器特征有：

（1）特定飞行器的撞击动能和撞击方向是评价钝力伤最重要的指标。在无人机碰撞中钝力伤最可能造成死亡事故，由于单旋翼微小型无人直升机的叶片质量和叶片速度是最致命的冲击威胁。在测试过程中，飞行器的冲击动能在已知速度的前提下可以很容易地估算和测量。

（2）能量密度参数是评价飞行器设计中尖锐边缘或小碰撞区域穿透伤的最佳指标。在测试过程中，这个参数是难以测量的。

（3）直径是衡量转子和螺旋桨等旋转部件损伤严重程度的指标，需要对叶片保护或其他保护措施以防止撕裂伤，这是最有可能发生的伤害类型。单旋翼无人直升机构型由于较大的叶片质量和速度，对人体喉部和头部区域构成潜在的致命威胁。旋转部件的直径很容易测量。

上面提到的所有指标在设计过程中都很容易估计得到。冲击能量和转子特性也可以在研发过程中很容易地测试和验证。由于接触面积和测量技术昂贵且难以重现，所以能量密度难以测量和测试。本报告中的分析表明，当对机体燃油箱和推进系统能够被进行充分详细CAD建模时，根据能源失效模式，基本飞行轨迹能够准确地估计冲击动能。该些模型可以随着设计的修改而更新。在原型机研发和初始飞行测试过程中，冲击动能评估，包括阻力大小的计算，是一个直接的任务，通过旋转翼飞机、滑翔机关机后终点速度和固定翼飞机俯冲空速验证来完成。飞行试验可以用来验证最坏的情况下飞行器最有可能发生的故障模式的冲击动能。同样，也可以验证最大前向空速条件下的冲击动能。

给予充分正确接触区域评估的详细指导，应用者可以评估关键部件接的区域的能量密度，正确处理并降低穿透伤的风险。最后，最容易导致撕裂伤旋转部件直径很容易由制造商测量，确定叶片保护或其他防护措施要求。在任务A11最终报告中，附录C和D提供推荐的测试和分析标准，操作人员可以使用以申请豁免，遵照FAA107部规则在人群上空限制飞行。讨论AIS，HIC和VC以及各种适用于地面碰撞严重程度的评价指标

AIS、HIC和VC指标描述了冲击及其影响。目前，HIC和VC指标需要设计师在研发过程中进行复杂的有限元建模与仿真。在这方面的研究成果有限，已经由MSU和ERAU主要进行的，并没有推荐的标准进行建模、仿真。UAH研发出一种方法，将冲击动能和最大过载阈值用于头部和颈部受伤评估，在没有找到更精确的方法之前将作为一个标准简单使用。此方法曾用于汽车工业碰撞试验和人头部损伤影响试验。

建立比RCC更科学的微小型无人机阈值标准

在研究小型无人机多转子和FW平台时，RCC冲击动能相对于各自POF过于保守，美国联邦航空局应考虑修改阈值，更好地确定灵活、单体无人机导致的损伤严重程度，而不是采用RCC评估高密度、小质量碎片损伤程度。更多的模型和AIS相关性需要重新定义损伤严重程度和冲击动能客之间的关系，更加广泛地用于灵活、易碎无人机最常见的失效模式分析。基于这种方法，制造商能够在完全失去动力情况下使用飞行试验验证冲击动能，提供头部或颈部损伤的98%的置信度评估。

在任务A4最初研究工作中，该团队审查和评估各种小型无人机的现有RCC冲击动能和能量密度阈值，综合考虑了冲击动能和50位假人身体各部位的加权分布。这样确定冲击动能阈值，可以驱动工业部门推进小型无人机ARC报告中定义的分类通用识标准的发展。然而，小型无人机的跌落测试（DJl Phantom 3标准型）对ATD HybridⅢ型50位男性假人碰撞测试表明，RCC冲击动能阈值和根据负载单元评估的损伤阈值以及国家公路交通安全管理局公布的FMVSS 208之间有很大差异。

这种与冲击动能相关的损伤评估方法，然而，是在基于小型无人机冲击理解的基础上进行的研究重点，完善和验证评估指标。A4团队最初假设，只有600的冲击能量作为可转移的能量基准。任务A11分析估计，基于純垂直跌落和质量冲击中心分析，约440～670的冲击能量转移到假人头部。ERAU的研究工作显示，有50%～80%能量转移，冲击速度从24ft/s下降到0.8ft/s，采用铝合金固定翼无人机作为冲击质量。

这与A11任务分析数据一致，随着撞击速度的增加，可传递能量的百分比下降。ERAU模型冲击角10°与直接水平冲击基本接近。随着撞击轨迹变陡，能量传递的百分比显著下降。由塑料制成的固定翼小型无人机和由铝合金和塑料制成的多旋翼无人机遵循这一规律。这些结果，采用UAH的低阶模型，采用NIAR实验数据和ERAU有限元模型分析，重点对小型无人机撞击能量的吸收进行分析，开发设计能量吸收参数，制定评价冲击能量吸收的推荐性标准。MSU的建模与仿真工作不包括冲击能量传递分析;然而，在MSU的仿真显示，无人机变形程度和跌落试验基本相同。

这表明，碰撞过程中飞行器的弹性和塑性变形对碰撞物体的能量传递起着重要作用。MSU的仿真结果表明，冲击速度增加，受伤风险也增加，这与其他研究一致。NIAR跌落测试有所偏离，因为MSU仿真结果表明，与跌落测试相比，AIS 3级和更高损伤可能性更高。它是可能的，颈部模型缺乏和MSU的模型约束过多导致。MSU和ERAU计划建立复杂冲击过程中整个头部和颈部的模型。

这些项目可能是互补的，有助于检查和验证彼此工作。在这些潜在研究的实验设计可以得知，NIAR测试是在任务A11中完成的，目的是继续研究这些跌落试验结果，以汽车工程和急救医学的方法完善已经研究的损伤评估结果。

上述方法的局限性在于，不能解决单旋翼无人直升机的转子能量和冲击动能等问题，在小型无人机系统级别中单旋翼无人直升机完全不同于多转旋翼无人机和固定翼无人机平台。单旋翼无人直升机的转子能量问题需要单独处理，相关阈值需要进一步考虑。

3和4类无人机作业的降落伞标准

降落伞的使用对碰撞损伤有影响，可以增加3类和4类无人机性能标准中的尺寸和重量，一旦降落伞设计性能标准和操作限制建立，以确保有效地使用降落伞。

防区度量和無人机地面碰撞模型

现实的风险模型将需要更好的建模精度，以更好地对大多数没有硬件或软件的认证要求的无人机平台操作进行概率分析和碰撞严重程度评估和最常见的失效模式。

A4任务团队提出微小型无人机的计算防区距离和建立度量未来发生概率方法的框架。基于惯性落体弹道模型的评估指标在短期内是有用的;然而，无人机平台通常不会分解成低于21b重、按纯弹道轨迹飞行的碎片。无人机平台通常也不能作为一个重于21b的完整系统。当无人机坠毁时，其破坏模式和空气动力学性能将导致不同概率分布。

锂电池地面碰撞严重程度

需要更广泛的研究和测试，评估在发生地面或空中碰撞时，微小型无人机装配的电池发生火灾的隐患。锂电池是微小型无人机常见的动力系统。这些电池有各种尺寸、种类、化学溶液和大量单元以满足特定的能源需求。电池采用多种点火措施应对电池恶化时火灾、爆炸时情况发生，在处理不当或在地面或空中碰撞损坏时容易被穿刺。而制造商声称电池已经按照当前消费型锂离子电池标准进行测试，很少有微小型无人机电池贴上标准机构签发明确符合标准的标签。

然而，电池消费级别测试标准并不能解决地面碰撞时冲击能量或受力大小，正确评估碰撞后火源、不同化学结构和制造方法引发火灾的危害性。在干燥的环境下发生地面碰撞遭损坏时，锂电池很容易造成火灾。此外，损坏的电池与水接触会造成更大的火灾危险和发生潜在的爆炸。火灾对房屋等财产的危害性与现行屋面标准的相关性不甚清楚。火灾风险在FAA的一份公开出版的报告中进行了评估。FAA用于试验的锂电池是飞机常见的。这些高容量电池只用在微型无人机上。

知识差距

A4小组确定了二十二项知识差距，即：

（1） FAA注册数据包括商业运营商的飞行器类型。无论是飞机注册和无人机在线注册登记需要不断收集，对正在国家空域系统（NAS）中飞行的无人机保持一个清晰的认识，完善A4任务和其他任务的研究重点。

（2） UAH最初假设CR= 0.2，是基于两个碰撞体的定性评估，但很少有定量理论基础。CR值可以通过试验进行估算，UAH正在研发小型无人机和人员碰撞的动力学建模，基于作为任务11的技术方法一部分的NIAR跌落试验结果。UAH也开始进行内部资助的有限元分析模型，继续研究能量传递、飞行器变形、碰撞事件抵消。

（3）电池引发火灾的评估有很大的知识空白。小型无人机使用的电池的着火温度峰值和各种电压、电流额定值的电池工作温度时间函数值是多少？在碰撞时，电池分解的可能性和分解的严重程度是什么？也就是说，在撞击过程中，损坏的电池的自动点火过程？

（4）没有相关的研究，没有有关无人机电池安全运行相关标准出版，尤其是与地面碰撞严重程度相关的标准。因此，进一步研究和测试是，需要利用无人机电池测试校正现有标准，定义更合适地面碰撞严重程度条件的新标准。这将正式确认电池满足设计要求，包括与防火相关措施。

（5）进行大量不同种类无人机锂电池测试，提供统计和试验评价，确定是否电池引发C类屋顶火灾的危险程度。另一个缺点是，美国联邦航空局的火灾试验采用的是载人飞机的机载电池。如此高容量电池仅用于某些小型无人机。目前无人机锂电池电压、容量、单元数量和化学结构相差很大。在FAA测试试验的六年时间里，电池化学结构和制造方法发生了许多创新。

（6）开展各种现有无人机锂电池大小、制造工艺和化学结构能更好地评估锂电池对人员和财产的危害风险。

（7） UAH提交了一份白皮书给FAA，标题为W63-锂聚合物电池失效模式与影响分析，评价锂聚合物电池按照现有的锂离子电池标准的可行性，执行额外的跌落和弹道测试。本实验的目的是，确定是否现有标准足以保证无人机锂聚合物电池的安全操作和使用，如同笔记本电脑和手机等消费性电子产品应用中目前锂离子电池的适用标准一样。

（8） RCC的固有灵活性不够，尤其是分析大质量碰撞体损伤和死亡危害评估。任务A11的一部分，由NIAR的跌落试验和由MSU、ERAU进行的模型构建中提出了整个一问题。为解决这些问题的一些建模，但进一步测试无人机系统冲击和对人员碰撞比小型金属碎片碰撞的影响研究更加必要。通过有效的有限元分析和动态建模，可以有效地解决无人机碰撞过程中冲击能量传递问题，能量传递如何受到飞行器方向、几何形状和材料的影响。

（9）无人机的空气动力学性能和失效模式的概率分布扩展情况与空间碎片等弹道模型无人机不同，需要更多的研究来更好地理解这两个特点，见关于距离及其严重程度的关系。这方面的知识差距是在该白皮书多转子物体跌落动力学研究W64部分和W65无人机地面撞击人员和物体的概率问题研究。

（10）由于目前缺乏足够数据，建议在尸体、猪皮和/或合成替代组织上进行测试，以更全面地了解叶片直径对撕裂伤风险的影响。此外，虽然直径可能是最简单和最有影响的切割风险因素，叶片材料和锋利程度也是影响因素，但他们的影响量化更加复杂。有人建议进行后续测试，以量化叶片材料和叶片锋利程度对撕裂伤风险的影响，因为有一些设计参数可用于这样的测试，例如，最小尖端/边缘半径要求或最大叶片刚度。KU正计划在2016年7月提交的一份白皮书，调查叶片撞击引起撕裂的可能性和严重程度，以便进一步研究转子直径在撕裂危险性中的作用。

（11）叶片防护标准取决于消费级无人机爱好者的级别，而不只是考虑飞行中碰撞最低重量。与包裹递送应用相关的防护标准可能需要增加额外的标准条款，保护小孩的手不受转子的伤害。

（12）目前，飞机故障概率计算缺乏足够的样本，没法进行详细的动力学计算以正确界定潜在着陆区。目前，损伤评估方法只针对具有有限气动特性的惯性碎片的典型弹道系数处理碰撞动力学问题。无人机平台可能产生显著的气动力和力矩，作为单独弹性体很少失效。先前与美国联邦航空局的对话建议，终端动能可以作为一种潜在的手段，确定不同级别的无人机安全水平。碰撞概率估计提供了确定小型无人机安全操作层面的支撑，可以用来建立基于安全水平目标的飞机材料可靠性的最低要求。这方面的知识差距正在该白皮书W64部分跌落多转子动力学研究及后续小型无人机在操作域碰撞地面目标概率的研究提出来的。

（13）正如3.5节提出的锂离子聚合物电池的潜在危害，缺乏支持与屋面标准比较的燃烧温度和燃烧时间的实验数据，还需要研究的几个案例，研究小型无人机坠毁导致的燃料泄漏和燃料次级点火。

（14）小型无人机对汽车结构的撞击影响目前尚未可知。基于动能和能量密度分析，小型无人机似乎可以穿透钢化玻璃和上釉玻璃，但不能穿透金属板。较大的无人机很可能穿透玻璃，并可能损坏外部面板。

（15）小型固定翼无人机的参数信息中，用于生成终端动能和最大起飞重量关系的质量低于用于多转子分析的输入数据。这一分析的质量可以提高，获得固定翼无人机的CAD文件和/或更好的图形（垂直平面和正面图像）以及CFD分析使用的标准配置和飞翼平台。A4团队计划，在项目的剩余研究工作中重点改进固定翼无人机模型。

（16）目前，人体头部损伤分析研究采用的是多旋翼小型无人机。有限元分析结果表明，一定范围的撞击位置和速度确实增加了TBI的严重程度。然而，利用“精确鹰”（ Precision Hawk）固定翼无人机却得不到同样结果。该分析将填补中等大小无人机碰撞中人脑头部损伤严重程度和相关TBI分析的知识差距。

（17）正在进行中小型无人机碰撞对人类头部影响的研究，以及对人体颈部损伤严重程度指标进行详细的分析。这些分析需要解剖学上精确的人体颈部、头部的计算模型。生物力学分析表明，C1-C7椎体和脑干、脊髓是脖子受伤量化的关键。

（18）人的头部和无人机的振动分析对于理解无人机碰撞的致命性严重程度是至关重要的，即无人机和头部碰撞过程导致人的头部和大脑在一定共振频率范围内的振动。这个假设是，振动对人脑的潜在伤害比初始冲击更严重。

（19）改进现有的微型和中型无人机模型，包括各种系统/组件的真实材料特性。这些模型将提供无人机和人碰撞时更真实的物理行为。

（20）无人机的噪声很大，容易引起操作人员周边人员的注意。据报道，目前已经有大量的手和手臂受伤的案例。因此，我们计划研究姿态的影响时，考虑人们在无人机飞行和人碰撞前阻挡或躲避时的手臂、手和身体的不同姿势。这种伤害将集中在上肢。几种典型场景需要进行研究。

（21）研究躯干撞击反应的方法可以扩展到头部/颈部复合体。头部和颈部的损伤机制不同于躯干。特别是头部损伤，包括颅骨骨折和脑震荡，与钝性撞击引起的平移和旋转加速度密切相关。颈部损伤主要由轴向压缩和侧向弯曲共同作用。将进行综合模拟以建立响应和冲击参数（无人机类型、速度、角度和冲击位置等）之间的关系。

（22）易脆性有助于降低无人機旋翼臂或其他附属物与人碰撞时的动能，这取决于无人机速度和旋翼臂的易脆性因子。目前，已经建立了一个由易脆性减轻损伤严重程度的评估流程，但还没有通过测试验证。如果这种损伤的损伤策略被接受，测试验证结果对多旋翼无人机是适用的。