民用轻小型无人机碰撞安全特性研究进展

白春玉，郭亚周，刘小川，王亚锋，王计真，秦庆华,*

1.西安交通大学 航天航空学院 机械结构强度与振动国家重点实验室，西安 710049 2.中国飞机强度研究所 结构冲击动力学航空科技重点实验室，西安 710065

近年来，中国无人机(Unmanned Aerial Vehicles，UAVs)技术和产业迅猛发展，尤其民用轻小型无人机与消费者需求、工业需求紧密相关，在个人娱乐、农林植保、物流、巡检、安防、测绘等领域获得了深度应用，也涌现出一批明星企业和明星产品，成为中国制造一张亮丽的名片。随着全球无人化、智能化趋势的不断增强，轻小型无人机逐渐成为热点电子消费产品，预计近十年左右轻小型无人机将步入发展的黄金时期。

随着无人机在城市公共空间的深度应用，其安全运营问题受到越来越广泛的重视。特别是轻小型无人机制造门槛相对低、获取容易，使用中又难以被发现，可控监管难度大。同时，由于其与人类活动空间、民航飞机运营等有较大的交叉性，轻小型无人机的碰撞安全问题一旦发生，轻则造成财产损失，重则造成人员伤亡，影响社会秩序，已成为公众和政府高度关注的事件。据报道，2015年仅半年美国即发生无人机安全事故583起。

目前，世界各国和地区都在积极探索无人机的管理制度。据不完全统计，欧盟18个成员国和美、日、加等约30多个国家均颁布了无人机管理法规。国外发达国家和国际民航组织都在寻求加强技术更新、完善管理制度、出台相应规范等措施，推动无人机产业健康发展和安全运营。如欧盟无人机规章联合制定机构(Joint Authorities for Rule-making on Unmanned Systems，JARUS)发布了关于无人机的特定运营风险评估文件(Specific Operations Risk Assessment，SORA)，SORA采用定性与定量相结合的方法，可对不同类别的无人机进行安全风险评估，简化评估工作流程。美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration，FAA)出台了关于小型无人机法规(第107部)，对无人机的安全运营管理、分类模式等进行了规定。

中国从无人机产业发展和安全运营需求出发，也出台了一系列的管理规章和指导意见，如《基于运行风险的无人机适航审定指导意见》《关于促进和规范民用无人机制造业发展的指导意见》等，综合对低、慢、小无人机使用实施放管结合的细化分类管理，进一步维护轻小型无人机的安全运营秩序。

在加强轻小型无人机监管的要求下，更要加强无人机安全体系建设，总体而言，无人机安全体系建设主要体现在以下4个方面：除了前述提到的规章制度外，还有主动安全、被动安全和运营支持。其中，运营支持方面主要体现在针对用户进行飞行技能培训、提供指导手册等。主动安全方面主要体现在使用电子围栏、主动避障、航路规划等手段进行无人机的主动碰撞保护和实践。如学者们对无人机主动避障进行了大量的研究和技术应用，虽然这些方法在一定程度上降低了意外碰撞事故的风险，但仍无法保证无人机永远可靠，也无法保证不会出现不符合无人机飞行规定的无意或者恶意“黑飞”现象。

被动安全是无人机安全运营的底线，同时也是其公共安全管理制度制定的出发点，无人机的被动安全研究是无人机安全设计、评估和管控的关键环节之一，其实质是在无人机各类主动安全措施失效的情况下，最大限度地减少被碰撞对象的损伤，主要从无人机的结构出发，关注无人机碰撞事件不可避免地发生之后，应该如何最大程度地减少无人机碰撞伤害，即不伤害被撞击对象，又能够在一定程度上保证无人机下一步的正常使用和可维修性。诸如鸟撞飞机、冰雹撞击高铁等冲击动力学问题更多地关注被撞击对象的能量吸收设计和验证，以确保装备平台和人员的安全，这是由于此类外来撞击物具有不可设计性，而无人机的碰撞安全问题除了关注被撞击对象的损伤外，还可通过无人机结构的安全性设计和验证，以及其运营条件的限制等，保证相关方的安全。

航空发达国家在无人机被动碰撞安全方面已开展了大量的研究工作，如FAA和EASA分别进行了轻小型无人机运营的碰撞安全场景分析和风险评估研究，结合大量的碰撞试验和数值分析研究，对无人机碰撞伤害进行了定性和定量评估，并给出了碰撞伤害等级以及为政府制定运营制度提供了数据支持。国内的中国飞机强度研究所(以下简称强度所)、西北工业大学等也开展了轻小型无人机碰撞安全技术研究工作，建立了轻小型无人机碰撞安全风险分析方法、碰撞安全等效试验方法及损伤评估准则等，并基于研究成果支撑了轻小型无人机运营安全相关的国际、国家和行业标准的制定。

本文从民用轻小型无人机碰撞安全技术研究出发，首先分析了轻小型无人机运营中的碰撞安全风险诱因，介绍了国内外在无人机机体“材料/元件-部件-全尺寸机体”的多层级碰撞动力学建模和验证方面开展的技术研究工作。其次，从无人机碰撞民航飞机和碰撞人员2类场景出发，阐述了轻小型无人机碰撞安全分析和试验技术的研究进展，以及典型的无人机碰撞安全准则及损伤分级方法。最后，对轻小型无人机碰撞安全研究的现状进行了小结，并对下一步技术发展进行了展望。

1 民用轻小型无人机碰撞安全风险

1.1 民用轻小型无人机碰撞安全风险诱因

民用轻小型无人机的碰撞安全诱因主要包括以下方面：

1) 技术故障，如无人机的传感器故障导致功能失灵、通信故障导致链路丢失等技术原因致使发生无人机被动碰撞事故。澳洲皇家墨尔本理工大学的一项研究显示，无人机事故频发的罪魁祸首是技术故障，而非操作失误。研究小组分析了在澳大利亚发生的超过150起无人机事故，发现其中64%的事故是由无人机失灵造成的。

2) 人为操作失误或受到干扰，由于轻小型无人机易获得，飞手准入门槛低，水平参差不齐，人为操作失误引起无人机炸机、意外跌落造成碰撞安全事件。另外，网络攻击和第三方干预犯罪活动可能将无人机用作飞行导弹或在人口稠密地区用作危险载荷源。

3) 复杂运营环境影响，如恶劣天气可能导致无人机损坏或影响其飞行路径，复杂城市场景下超视距使用造成被动碰撞，以及与地面交通运输工具、其他飞行器运营线路发生交叉时导致无人机碰撞事件等。

1.2 碰撞安全危害典型情况

1.2.1 对地面人员造成碰撞安全危害

当轻小型无人机因自身系统不可靠“炸机跌落”或在城市人员密集环境穿越飞行碰撞到地面人员时，人体的头部、面部和上躯干是遭受碰撞的危险部位，主要由无人机碰撞动能导致人体冲击损伤，此类属于钝性伤害。以2 kg重的轻小型无人机为例，不考虑其垂直和水平的耦合运动影响，从20余米高处跌落或以20 m/s水平飞行速度撞击到人体，分别产生约400 J的碰撞能量，在不考虑无人机结构平台撞击过程能量耗散的前提下，碰撞能量的较大部分将被人体吸收，人体将极可能导致严重伤害。

同时，对于旋翼类轻小型无人机，与人体接触过程中，由塑料或复合材料制成的高速旋转叶片对人体造成穿刺性伤害或割伤，此类属于对人体的锐性伤害。人体面部、颈部及手臂等部位是遭受无人机锐性伤害的危险部位。图1为典型的轻小型无人机碰撞人员损伤案例。

图1 无人机碰撞地面人员事件[24]Fig.1 Incident of collision with ground personnel by UAVs[24]

1.2.2 对其他交通运输工具造成碰撞安全危害

轻小型无人机的使用高度一般在100 m以下，其与民航飞机在起飞和降落阶段具有使用空域的交叉性，且该区域内航线复杂，民航客机飞行密度高，尽管法律规章明确禁止在机场附近空域进行无人机飞行，但鉴于部分无人机使用者法律意识淡薄等因素影响，无人机干扰民航飞机飞行事件仍频繁发生，国内已有多家机场发生无人机入侵机场净空保护区的事件，2017年4月，成都双流机场连续发生5起无人机空中接近民机事件，造成大量航班备降。据报道，国外已发生数起无人机碰撞民航客机的事件，如图2所示。与鸟撞飞机类似，民航飞机的雷达罩、风挡玻璃、机翼和发动机叶片等部位都是易遭受无人机碰撞的敏感区域。相较鸟撞飞机，无人机碰撞民航飞机结构除了关注撞击部位的结构损伤外，还需关注无人机电池碰撞起火或燃爆对引起的二次破坏效应。另外，诸如无人机电机等刚性部件与民航飞机结构的碰撞能量吸收问题也需进行针对性的评估。

图2 无人机与民航飞机碰撞事件[26]Fig.2 Incident of collision with civil aircraft by UAVs[26]

近年来，出现了无人机碰撞汽车、高铁、地铁等地面交通运输工具的事件，如无人机与汽车发生碰撞事件后的责任划分问题也屡见报端，无人机与地面交通运输工具的碰撞安全问题也受到广泛的关注。

1.2.3 对关键高价值设施造成碰撞安全危害

按照飞行方式划分，轻小型无人机一般分为遥控式和自主航行式，特别是在城市密集环境飞行时，一旦发生飞行故障，有可能导致无人机失去控制，撞击到高价值设施，尤其政府敏感设施遭受无人机有意或无意的入侵后，造成隐私泄露成为安全风险的主要关注要点。

2 无人机机体及关键部件碰撞动力学分析与验证

轻小型无人机与目标物发生碰撞后，无人机机体结构会发生变形甚至失效，电池等关键部件在碰撞过程存在破裂甚至着火风险，因此，无人机机体及部件的动态力学行为是研究其碰撞安全特性的关键，一般通过无人机机体“材料/元件-部件-全尺寸机体”的多层级试验和分析相结合的方法开展研究。其中，材料/元件级对象主要是无人机机体使用的金属、塑料、复合材料等，结合材料动态力学性能试验及本构的表征，获得无人机机体材料在碰撞载荷下的本构方程和动态参数，为无人机结构碰撞分析提供准确的输入参数；部件级对象主要是无人机机体组件、电机、电池、桨叶、起落架等，主要通过试验和分析相结合的研究手段评估各部件在碰撞载荷下的能量吸收特性及失效模式，并为全机碰撞评估提供数据基础；全尺寸机体的研究对象为无人机整机，一般通过开展无人机整机跌落或水平碰撞刚性靶板的试验和分析研究，对无人机的碰撞吸能特性进行集成评估。美国FAA无人机安全联盟(Alliance for System Safety of UAS through Research Excellence，ASSURE)以大疆精灵系列四旋翼无人机为研究对象，开展了各层级对象的碰撞试验与分析工作，见图3，并通过经验证的分析方法对无人机碰撞民航客机及人员进行了评估。

图3 ASSURE开展的无人机碰撞研究[29]Fig.3 UAVs collision by ASSURE[29]

采用多层级逐级确认和验证(Validation and Verification, V&V)的方式进行了无人机碰撞动力学研究工作，如图4所示，分别通过高速液压伺服材料试验机进行了塑料、复合材料等无人机机体材料的动态拉伸力学性能试验与本构表征研究；在部件层级进行了无人机电池、电机等部件的碰撞刚性靶板试验；在全尺寸层级进行了无人机整机的水平碰撞试验和跌落试验。同时，在各个对象层级均建立碰撞动力学模型和分析方法，进行与物理试验的对比。

图4 无人机碰撞逐级验证Fig.4 Step-by-step verification of UAVs collision

对无人机结构采取逆向建模等合理的建模策略，是开展无人机碰撞分析的关键环节。建模过程一般包括机体使用材料识别、零组件测绘、建立装配关系、模型定义以及模型的确认和验证等，如图5所示。

图5 无人机逆向建模流程Fig.5 Process of UAVs reverse modeling

强度所以三型轻小型无人机为应用对象，见表1，建立了经试验验证的无人机结构碰撞分析模型，碰撞分析与试验结果失效模式一致，最大冲击载荷峰值分析模型结果与试验结果的误差在10%以内。

表1 典型轻小型无人机结构模型Table 1 Typical light and small UAVs structural model

无人机整机的精细化逆向建模具有与真机一致性好的优点，但模型的建立过程需要分别进行元件、部件、整机的有限元分析和试验验证工作，验证成本高，同时为了保证无人机的连接真实性，需要对模型建立较多的连接关系来满足连接一致性，在仿真计算过程中常常需要质量缩放等操作来约束计算步长，不得已在计算效率和精度方面进行取舍，学者们提出了对无人机模型进行简化建模。

Meng等在无人机精细化建模的基础上进行了适当的简化，如图6所示，在整体结构上采用逆向建模与真实无人机保持一致，简化了次要部件及其几何特征，其中电机、电池、摄像头等均简化为实体，采用该建模方法在整体上对无人机结构进行了简化，但在细节集中质量部件上的性能具有差异性。

图6 Meng等提出的无人机简化建模[30]Fig.6 UAVs simplified modeling proposed by Meng et al.[30]

代尔夫特理工大学Rattanagraikanakorn等对大疆精灵3无人机进行了简化建模，该模型由7组实体模块组成，如图7所示，各实体采用椭球面表征，用于无人机的外表面接触检测，使用力穿透接触模型模拟表面间的相互作用，并采用运动学关节将各实体连接在一起，同时固定每个实体的相应自由度，以约束各个实体运动，该简化模型保留了无人机结构的主要特征。

图7 代尔夫特理工大学提出的无人机简化建模[31]Fig.7 UAVs simplified modeling proposed by Delft University of Technology[31]

南阳理工大学Liu等对无人机结构进行了逆向测绘重构，在外形上舍弃了复杂的曲面和肋结构，简化了无人机的连接方式，仅保留主体结构的刚度特征，如图8所示。此建模方法忽略了无人机结构的连接方式等细节特征，尤其在无人机低速碰撞分析时计算精度明显不足。

图8 南洋理工大学提出的无人机简化建模[32]Fig.8 UAVs simplified modeling proposed by Nanyang Technological University[32]

3 民用轻小型无人机碰撞安全分析

3.1 无人机碰撞民航飞机典型结构

相较于鸟撞飞机而言，无人机作为碰撞有人飞机的外来物是可设计的，即可通过无人机自身结构的能量吸收设计减缓对民航飞机的碰撞损伤，以保障乘员和民航飞机的安全。同时，由于无人机结构的特殊性，在高速撞击飞机结构过程中，无人机并不会像鸟体的撞击呈现流体特性，相同撞击能量的鸟体和无人机，其对同一结构导致的撞击损伤是不同的。因此，通过分析方法确定无人机碰撞民机典型结构造成的损伤程度阈值，以支撑民机结构设计边界的制定是十分必要的。

ASSURE开展了轻小型无人机碰撞民航飞机不同结构部位的损伤分析，分析工况包括重量为1.2 kg的四旋翼无人机和重量为1.8 kg的固定翼无人机以128.6 m/s撞击水平/垂直安定面、机翼前缘、风挡玻璃等部位，结果表明结构不可接受的碰撞损坏是由硬度相对较大的无人机部件(如电池、电机、摄像头等)撞击造成的，结合与鸟体撞击的对比分析，指出质量更为密集、刚性较大的无人机碰撞导致了民航飞机结构损伤的加剧。

Meng等以民航飞机作为碰撞对象，基于PAM-CRASH软件分别对无人机和鸟碰撞飞机机翼前缘结构进行了模拟，如图9所示，研究结果与ASSURE结论一致，即巡航速度下无人机撞击产生比同重量鸟撞更严重的损伤后果，影响碰撞损伤的决定性因素是无人机集中质量部件的硬度而不是动能，同时，无人机锂电池在撞击后可能发生着火风险。

图9 无人机碰撞与鸟撞飞机结构对比[30]Fig.9 Comparison of UAVs and bird impact aircraft structure[30]

Lu等开展了四旋翼无人机与民航飞机风挡玻璃碰撞仿真研究，见图10，评估了飞机风挡玻璃在各种条件下受到无人机撞击后的动态响应和损伤，研究结果表明，无人机的撞击角度、速度、结构形式等对飞机风挡玻璃的损伤模式有显著影响，相同撞击能量的无人机造成的风挡玻璃损伤比鸟撞要更为严重。

图10 无人机撞击风挡玻璃分析[34]Fig.10 UAVs impact on windshield[34]

3.2 无人机碰撞人员

ASSURE于2016年开始对无人机碰撞人员进行有限元分析研究，如图11所示。其研究主要分为2个阶段，第1阶段重点关注多旋翼无人机和固定翼无人机撞击人体头部和前胸部造成的损伤定性评估，其中，在仿真模型中，碰撞人体头部分析时，颅骨采取高保真模型，而碰撞人体前胸部分析时，采取刚性假人模型，获得了无人机的结构特征(如结构形式、材料类型等)以及碰撞工况(碰撞角度、碰撞速度、碰撞位置等)对人体造成撞击损伤的影响规律，结果表明无人机采用轻质、低刚度、壁厚更小的材料时，将会减少对人体的碰撞损伤和能量传递。ASSURE第2阶段则结合无人机碰撞假人试验数据，对无人机、假人模型进行了标定和试验验证，如图12所示，对无人机碰撞假人进行了定性和定量相结合的评估，通过分析获得了人体遭受碰撞后脑损伤的压力和应变响应、颅骨模型在受到撞击后的局部变形数据等，并结合人员碰撞损伤准则建立了损伤等级评价方法。无人机碰撞安全分析工作的结果被用于优化轻小型无人机碰撞试验矩阵的制定，从而降低了物理试验的成本。

图11 无人机碰撞人体分析(ASSURE第1阶段)[35]Fig.11 UAVs collision on human body (the first stage research of ASSURE) [35]

图12 无人机碰撞人体分析(ASSURE第2阶段)[36]Fig.12 UAVs collision on human body (the second stage research of ASSURE) [36]

2017年南洋理工大学Low等通过无人机碰撞人员分析，见图13，指出虽然法规对民用轻小型无人机使用的飞行高度、飞行速度等参数进行限定，但这些限定缺乏科学研究数据的支撑。为此，建立了无人机对地面人员碰撞的概率方程，研究了高度、重量和空气阻力等对碰撞速度与能量的影响，给出了无人机在不同高度，不同阻力系数下坠落对人员造成致命伤害的概率。他认为可通过采用软质材料、轻质框架、“弹力”接触区域等方案设计无人机，以减小无人机对人员的损伤程度。

图13 Low等开展的无人机碰撞人员分析[37]Fig.13 UAVs collision on human body conducted by Low et al.[37]

强度所、北京交通大学联合开展了轻小无人机碰撞刚性假人模型，以及碰撞基于解剖学的高生物逼真度假人模型分析工作，分别考虑了无人机对人体水平碰撞和垂直跌落碰撞的损伤情况，获得了无人机的撞击姿态、角度、速度和位置等对人体碰撞损伤的影响规律，见图14。以无人机碰撞人体胸部为例，归纳了人体解剖学胸部结构特征、在碰撞工况下的损伤类型、人体胸部损伤评价准则及不同概率分布下的耐限值，并构建和标定了高逼真度的人体胸部有限元模型，使用黏性损伤指数(Viscous Criteria，VC)和胸部综合损伤指数(Combined Thoracic Index，CTI)对胸部的碰撞损伤进行评价，发现在无人机低速碰撞工况下，胸椎不易发生损伤，而高速碰撞下，黏性损伤指数VC会超出其损伤限值，但胸部综合损伤指数CTI却大多位于损伤限值内。

图14 无人机撞击人体仿真分析[39]Fig.14 UAVs collision on human body[39]

4 民用轻小型无人机碰撞安全试验

4.1 无人机碰撞民航飞机试验

无人机碰撞民航飞机试验主要通过专用试验设施模拟无人机与民航飞机的高速碰撞，试验需考虑无人机与民航飞机的相对运动，碰撞速度一般在100 m/s以上。

常用的试验方式是地面等效模拟试验，即利用蓄能加速的方式将无人机加速到目标速度，碰撞到目标飞机结构上。如强度所搭建了系列空气炮试验装置，见图15。试验主要过程为将无人机放置于特制的弹托中，采用气体推进驱动弹托沿炮管加速运动，脱壳装置将弹托挡下，使得无人机以高速向前运动碰撞至飞机结构上。强度所以典型飞机风挡玻璃结构为试验对象，开展了轻小型无人机与鸟体对风挡玻璃撞击损伤的对比性试验研究，见图16。结果表明，虽然无人机和鸟体撞击都对风挡造成了穿透，但损伤模式却有差别，无人机偏向于硬质物高速撞击穿透损伤，而鸟体则倾向于大面积撕裂穿透损伤，呈现明显不同的损伤模式。

图15 直径400 mm口径空气炮试验装置Fig.15 Air gun test device with diameter of 400 mm

图16 无人机与鸟体碰撞风挡玻璃对比试验[27]Fig.16 Comparative test on windshield of UAVs colliding with bird body[27]

另一种地面等效试验模拟方式是加速目标飞机结构，使其撞击静止状态下的无人机。郑奎涛等采用火箭撬试验设施加速大型民机结构，开展了四旋翼无人机碰撞民机风挡和水平安定面结构的试验研究，见图17和图18。无人机以142 m/s的速度碰撞到风挡玻璃后，外层玻璃破碎，但未穿透内层玻璃。

图17 火箭撬试验布局[40]Fig.17 Overall layout of rocket sled test[40]

图18 火箭撬驱动无人机碰撞风挡试验[40]Fig.18 UAVs collision on windshield test based on rocket sled[40]

4.2 无人机碰撞人员试验

4.2.1 无人机钝性损伤

无人机存在状态失控高空跌落或平飞碰撞地面人员的风险，ASSURE首先对无人机运营状态的故障进行试验模拟，再现其碰撞发生的诱因，以确定其与地面人员碰撞的边界条件，再分别采用四旋翼无人机和固定翼无人机碰撞Hybrid-III第50百分位假人装置(Anthropomorphic Test Device，ATD)，通过气动水平冲击台实现无人机的水平加速运动碰撞人体，通过自由落体实现无人机跌落运动碰撞人体，如图19所示。并采用假人内部的头部加速度/角速度传感器、颈部力/力矩传感器测试碰撞数据，结合人员碰撞损伤准则进行无人机对人员碰撞安全性的评估，试验重点关注无人机的钝性碰撞损伤，试验中对无人机的动力断电处理，且拆除旋翼。

图19 无人机碰撞ATD试验[35]Fig.19 Test of UAV collision on ATD[35]

ASSURE还开展了人类死后受试者(Post Mortem Human Surrogate,PMHS)的无人机碰撞试验， 如图20所示，用来标定高生物逼真度假人模型，并且在PMHS内部安装了加速度传感器，获取碰撞过程人体的减速度响应。同时，为研究无人机机体材料对碰撞响应的影响，ASSURE团队还对比开展了相同质量的木块、钢块等碰撞人员试验，结果表明无人机对人体的碰撞响应相对更小，这是因为无人机机身主要由塑料制成，刚度相对更小，致使传递到假人头部和颈部的载荷更少。

图20 无人机碰撞PMHS试验[35]Fig.20 Test of UAVs collision on PMHS[35]

美国弗吉尼亚理工大学通过遥控无人机开展了水平飞行碰撞假人试验，遥控无人机加速40 m 距离，碰撞Hybrid III假人的头部，该方法无需依赖专门的试验装置即可开展试验，但存在碰撞位置和速度控制精度差等缺点，如出现无人机机臂侧向碰撞到假人后，使得碰撞姿态偏转导致无人机动能没有传递到人体，没法获取到人员潜在的严重碰撞损伤。研究团队也实施了无人机垂直跌落试验研究该工况下对假人头部碰撞的损伤情况，如图21所示。本试验的目的是评估无人机运营中的突然故障对人类碰撞造成的头部和颈部伤害风险范围，通过碰撞试验数据支撑无人机安全标准的制定。

图21 弗吉尼亚理工大学开展的无人机碰撞 ATD试验[41]Fig.21 Test of UAVs collision on ATD conducted by Virginia Polytechnic Institute and State University[41]

强度所搭建了轻小型无人机水平碰撞试验装置和垂直跌落试验装置，如图22所示，并配备有Hybrid-III第50百分位假人、Q6儿童假人，实施了四旋翼无人机水平碰撞和垂直跌落碰撞人体试验，试验工况考虑了无人机的碰撞位置、碰撞能量、撞击角度等变量，通过试验获得了人体头部、颈部及胸部等部位遭受无人机碰撞后的响应数据，基于试验数据揭示了无人机碰撞人体损伤的影响规律，并编制了相关标准。

图22 强度所开展的无人机碰撞ATD试验Fig.22 Test of UAVs collision on ATD conducted by ASRI

4.2.2 无人机锐性损伤

旋翼类无人机运行过程中，高速旋转的叶片对人体皮肤造成的刺伤、割伤等锐性损伤是无法忽视的安全风险。ASSURE开展了无人机叶片锐性损伤人体皮肤的试验研究，主要原理为将仿人皮肤固定于圆柱形手臂模拟件上，高速运转的旋翼叶片安装在等效质量的运动载体上，达到目标转速后，运动载体带动旋转叶片切割仿人皮肤，通过测量仿人皮肤的伤口深度、长度和损伤面积等参数进行锐性损伤的评估，试验还可用于验证无人机叶片防护机构对锐性损伤防护的情况，如图23所示。

图23 ASSURE开展的无人机叶片锐性损伤试验[35]Fig.23 Sharp injury test of UAVs blades conducted by ASSURE [35]

强度所分别采用3种方法开展了旋翼无人机叶片对仿人皮肤的刺伤/割伤试验，如图24所示。第1种方法通过遥控无人机，使其自由水平飞行撞击仿人皮肤，简称自由飞锐性损伤试验；第2种方法将仿人皮肤固定于水平冲击滑车台台架夹具上，将旋翼无人机悬垂于滑台运行前方，加速滑车台水平运动，实现仿人皮肤与叶片的刺伤模拟，简称基于滑车台的锐性刺伤试验；第3种方法通过研制的无人机叶片刺伤/割伤试验台进行，简称专用试验台锐性损伤试验，将无人机固定于试验台的夹持释放工装中，蓄能装置驱动将无人机加速到目标速度后，瞬间释放无人机，使其叶片对仿人皮肤产生锐性损伤，该方法还可采用抗冲击电机带转旋翼叶片，通过将无人机重量进行等效匹配的方式进行碰撞能量的模拟。总体而言，以上3种方法均能实现无人机锐性损伤的试验模拟，在试验模拟的真实性、可重复性及控制精度等方面，采用专用试验台进行锐性损伤试验的优势更为明显。

图24 强度所开展的无人机叶片锐性损伤试验Fig.24 Sharp injury test of UAVs blades conducted by ASRI

5 无人机碰撞安全准则及分级

5.1 无人机碰撞民航飞机损伤准则及分级

针对鸟撞民航飞机事件，各国航空管理部门在适航条例中作出了明确的规定，如中国民用航空总局制定的《中国民用航空规章—运输类飞机适航标准》(CCAR-25-R3)就规定如风挡玻璃、机翼等结构的抗鸟撞要求，撞击后必须能够确保飞机完成飞行，以确保乘员和飞机的安全。

无人机碰撞民航飞机与鸟撞飞机具有相似性，如飞机结构抗外来物撞击按照碰撞破损安全理念设计，均需结合碰撞场景和条件，评估飞机结构的碰撞损伤，实现的目标都是撞击事件发生后，确保飞机能安全返航，保证乘员和飞机的安全。相较于鸟撞飞机，无人机碰撞民航飞机的研究也存在需特殊关注的方面，如轻小型无人机作为碰撞外来物，可通过无人机机体结构的吸能设计减缓对民航飞机的碰撞损伤，另外，无人机内部的锂电池在碰撞事件中，存在电化学失效，导致着火等风险，这些是鸟撞飞机等研究中不涉及的。

无人机碰撞民航飞机典型结构的损伤情况与无人机的类型、碰撞位置、碰撞速度、碰撞姿态等因素相关，ASSURE采用经试验验证的分析方法对无人机碰撞民航飞机典型结构损伤等级进行了划分，如表2所示，通过对140余种无人机碰撞民机典型机翼前缘结构的分析结果进行归纳，将碰撞损伤划分为4级，其中，第1级碰撞损伤等级下结构未破损，机翼前缘蒙皮碰撞区域结构产生局部塑性变形；第2级碰撞损伤等级下机翼前缘蒙皮未破损，但变形区域进一步扩展，机翼内部结构出现变形；第3级碰撞损伤等级下机翼前缘碰撞部位蒙皮出现破损，无人机进入机翼结构内部，但尚未对飞机主承力结构造成实质损伤；第4级碰撞损伤等级下无人机部件击穿蒙皮进入机翼内部，机翼主承力结构发生碰撞破坏。

表2 无人机碰撞民机典型结构损伤等级划分[9]Table 2 Classification of typical structural damage of UAVs collision civil aircraft[9]

无人机与飞机结构碰撞过程中，锂电池存在热失稳、短路，甚至爆炸等安全风险，这将使得无人机在撞击飞机后发生更严重的二次伤害。ASSURE将无人机碰撞后的锂电池着火风险作为安全评估的主要因素，其碰撞后着火风险如表3所示。研究结果表明，并非无人机与民航飞机的相对碰撞速度越高，锂电池着火的风险越大，反而是碰撞使锂电池进入民机结构内部，且电池结构一定程度受损，但总体保持结构完整条件下电池着火风险最大。

表3 锂电池碰撞后着火风险Table 3 Fire risk of lithium battery after collision

5.2 无人机碰撞人员损伤准则及分级

在轻小型无人机碰撞人员事件中，人员头部和颈部是较为容易出现损伤的部位，不同部位其损伤准则也有一定差异。另外，过大的碰撞瞬时加速度、载荷以及变形会引起人体钝性损伤，旋翼类无人机叶片易导致人员的锐性损伤，对无人机撞击人体造成的伤害进行评估是其风险评定的关键，目前尚无公认的轻小型无人机碰撞人员损伤分类标准及损伤准则。

在汽车碰撞及飞机坠撞的人员保护方面，已建立了较为完善的人体损伤评估标准，学者们尝试用这些标准应用于无人机碰撞人体的损伤评估中。美国医学会和美国汽车医学学会于1976年发布了简明创伤分级标准(Abbreviated Injury Scale，AIS)，其是在数千例临床损伤资料基础上制定，以解剖学为基础的分级标准，最初仅用于评定交通事故损伤，现已成为全球通用的创伤分级评定标准，依据损伤程度，并按照身体部位对每种损伤划分为6个等级，分别对应轻度、中度、较重、严重、危重、最高(目前不可救治)。

然而，目前为止，国内外尚无碰撞载荷下人体损伤准则及分级划分的统一标准，各国研究者针对人体各部位提出了损伤准则并不断修正，其原因之一即碰撞载荷下人体耐受极限具有研究难度且需要反复试验验证，通常只能采取一些替代品作为试验对象，包括假人、尸体、动物和数值仿真模型等。美国联邦航空局于2016年发布了微型无人机飞越人群运行豁免条件为“无人机运行所造成的等于或大于AIS3级别伤害的概率应低于30%”。

5.2.1 人体钝性损伤准则

1) 人体头部损伤准则

Versace于1971年提出了人体头部损伤准则(Head Injury Criteria，HIC)，是目前较为常用的人员头部损伤量化评估准则，规章中规定HIC值不得超过1 000。定义为

(1)

式中：为HIC最大值过程中的起始时刻；为HIC最大值过程中的结束时刻；()为碰撞过程中人员头部质心的合成加速度。

另外，头部3 ms加速度准则也用于进行头部损伤评价，该准则由ECE于1993年提出，指的是碰撞过程的头部加速度曲线超过某一个限值的累积时间不超过3 ms。

2) 人体颈部损伤准则

Klinich于1996年提出了人体颈部损伤准则，即准则，将颈部受载模式定义为4种类型，即拉伸伸展类型、拉伸屈曲类型、压缩伸展类型和压缩屈曲类型，限定值为1。

(2)

式中：为颈部轴向力；为颈部弯矩；为颈部轴向力临界值，其中(拉伸)=6 806 N，(压缩)=6 160 N；为颈部力矩临界值，其中(拉伸)=310 N·m,(压缩)=135 N·m。

3) 人体胸部损伤准则

Neathery等在1975年提出了人体胸部最大压缩量准则，该准则采用胸部受到碰撞时的压缩量作为安全评估标准，其安全阈值为63 mm。

5.2.2 人体锐性损伤准则

ASSURE搜集了旋翼无人机和直升机叶片锐性伤害人员的案例，并将锐性伤害划分为6个等级，分别为轻微、中等、严重、非常严重、危急和无法存活，如图25所示(1 in=25.4 mm)，旋翼直径越大造成的锐性损伤风险也越高。事实上，锐性损伤与无人机旋翼叶片的材料类型(如金属、塑料或复合材料等)、叶边倒角、旋转速度以及碰撞人体部位的皮肤特性等参数也密切相关。

图25 无人机叶片锐性损伤等级[36]Fig.25 Classification of blade sharp injury damage of UAVs[36]

欧盟参照IEC62368-1将轻小型无人机旋翼叶片的锐性伤害分为3级，分别对应MS1～MS3，见表4，其中，MS1等级为叶片不会造成疼痛或伤害，即不需医生或医院急救介入；MS2等级为叶片不会造成伤害，但存在疼痛风险；MS3等级为叶片存在造成伤害风险，即医生介入或医院急救是必要的。并根据叶片类型、叶片的转动特征对锐性损伤进行了量化，以塑料叶片MS1等级为例，有

表4 叶片锐性损伤分类Table 4 Classification of blade sharp injury damage

(3)

式中：

=6×10

其中：为叶片转速；为叶片运动零部件(叶片、转轴和转子)质量；为叶片从转轴中心线到可能被触及的外部区域末端的半径。

6 总结与展望

6.1 总 结

民用轻小型无人机的被动安全是其安全运营的底线，是无人机安全性设计、评估和管控制度制定的关键出发点，也是工程界和学术界广泛关注的焦点问题。轻小型无人机的碰撞安全问题属于广义的外来物撞击问题，在学科上属于冲击动力学的研究范畴，还涉及生物力学等多个学科的交叉，其主要研究轻小型无人机与其他交通参与者、使用环境、公众之间的相互作用关系，确保体系的安全运行。通过开展该领域研究可提升轻小型无人机产品的安全特性，促进产业更好发展，以及为政府制定无人机相关运营和监管规章制度提供技术支持。

民用轻小型无人机在使用中对地面人员、其他交通运输工具以及高价值设施的碰撞是典型的3类碰撞安全场景，碰撞方式主要包括跌落碰撞、平飞碰撞以及垂直/水平耦合碰撞等。2015年以来，以美国ASSURE、强度所等为代表的研究机构逐步开展了卓有成效的无人机碰撞安全研究工作。

在轻小型无人机机体结构及关键部件碰撞动力学分析与验证方面。主要通过无人机机体“材料/元件-部件-全尺寸机体”的多层级试验和分析相结合的方法开展研究，获得高精度的结构碰撞动力学建模和分析方法，并结合无人机碰撞场景，采用经验证的分析方法评估非试验工况、类似构型无人机的碰撞特性。

在轻小型无人机碰撞安全分析与试验方面。相同撞击能量的鸟体和无人机，其对民航飞机结构导致的撞击损伤是不同，分析和试验均表明，无人机碰撞飞机结构造成的风险更高。无人机碰撞人员会造成钝性损伤和锐性损伤2种模式，国内外通过试验和分析相结合的方法获得了无人机的撞击姿态、角度、速度和位置等造成人体损伤的影响规律。总体而言，在无人机碰撞假人分析和试验方面仍缺少标准规范，如碰撞分析中假人模型的选取刚性假人模型或高生物逼真度假人模型，以及碰撞人体试验中假人对象的选取ATD假人、仿人皮肤或PMHS等均存在一定的差异。

在无人机碰撞安全准则及分级方面。无人机碰撞飞机与鸟撞飞机具有相似性，研究的目标都是撞击事件发生后，确保飞机能安全返航，保证乘员和飞机的安全。相较于鸟撞飞机，无人机碰撞民航飞机的研究也存在需特殊关注的方面，如轻小型无人机作为碰撞外来物，可通过无人机机体结构的吸能设计减缓对民航飞机的碰撞损伤，另外，无人机内部的锂电池在碰撞事件中，存在电化学失效，导致着火等风险，这些是鸟撞飞机等研究中不涉及的。目前尚无公认的轻小型无人机碰撞人员损伤分类标准及损伤准则，各国的学者们大多借鉴汽车碰撞及飞机坠撞的人体损伤准则和分级方法。

6.2 展 望

民用轻小型无人机碰撞安全特性关乎到公众的生命安全、关乎到无人机行业的良性发展、关乎到无人机相关管理规定的科学制定，是政府、工业方、科研机构以及社会公众普遍关注的焦点问题。总体而言，存在以下方面需要继续加强研究：

1) 加强无人机碰撞安全技术研究，推进无人机行业和技术创新的协同进步，为无人机碰撞安全技术标准、运营政策法规的制定和改进提供关键基础数据。

随着中国民用轻小型无人机产业的快速增长及其应用场景的不断深入，对无人机安全运营的管理法规和标准体系需求更为迫切。2017年，工业和信息化部、国家标准委等八部委联合发布了《无人驾驶航空器系统标准体系建设指南》(简称《指南》)，并于2021年发布了更新版本，《指南》指出无人机应用广泛，但是标准体系却并不完善，导致了产品质量缺乏保证，技术要求难以统一，行业发展受限，影响国家安全和公共安全。《指南》明确提出了《民用轻小型无人机碰撞人员损伤等级及准则》《民用轻小型无人机碰撞安全性试验方法：叶片割伤刺伤试验》等十余项与碰撞安全直接相关的标准亟待编制。

通过持续深入开展无人机碰撞安全研究，一方面可推动该领域技术进步，提升无人机的碰撞安全技术水平，促进无人机行业的健康发展。另一方面基于无人机碰撞安全试验数据，可为制定系列无人机碰撞安全相关技术标准，以及为改进无人机运营政策法规提供基础数据支撑。

2) 持续构建无人机碰撞安全试验与分析技术体系，搭建无人机碰撞安全体系化试验能力和第三方测试平台。

无人机的碰撞安全技术研究伴随着近年来无人机产业的爆发式发展而产生，是冲击动力学研究领域的新问题。同时，无人机碰撞安全问题既与其自身动力学特性相关，又与其碰撞对象(民航飞机、人员等)密切相关，虽然中国已初步开展了多层级、多场景的无人机碰撞分析和试验研究工作，总体尚未形成体系化的试验能力。借鉴汽车碰撞安全及飞机坠撞安全等其他行业的被动安全研究经验，搭建专门的试验设施，通过开展无人机碰撞安全试验，结合试验数据评估与相关标准规范的符合性是十分重要的。

2017年工业和信息化部发布了《关于促进和规范民用无人机制造业发展的指导意见》(简称《意见》)，《意见》明确了推动无人机产品检测认证，形成民用无人机产品安全性检测认证标准，推动建立一批具有民用无人机检测认证资质和试验验证水平的专业服务机构，满足行业发展需要是无人机产业健康发展的主要任务之一。

3) 结合无人机碰撞能量吸收模式和碰撞对象损伤规律，加强无人机吸能减伤技术研究，为提升无人机碰撞安全特性提供创新设计方法。

无人机被动安全设计主要是通过对无人机结构的吸能设计(在直接碰撞中减少传递到被撞击对象的能量)和减伤设计(在接触性碰撞中减少对人员的划伤和擦伤)。

无人机作为碰撞外来物，其特点之一就是可通过自身的能量吸收设计来减缓对被撞对象的碰撞损伤。同时，可通过对无人机旋翼叶片的减伤设计降低其对人员皮肤的锐性损伤，学者们提出了对无人机机体结构采用柔性防撞设计、匹配降落伞减速设计，以及加装桨叶罩或整机防护罩等方式进行吸能减伤优化。就目前的这些设计方法而言，虽可一定程度上提高其碰撞安全性能，但大多都存在应用局限性，因此，为提升先进无人机的被动碰撞安全特性，持续开展结构创新设计方法仍是后续研究的热点技术之一。