無人機(jī)系統(tǒng)的快速發(fā)展和使用給地面人員的安全構(gòu)成威脅。美國聯(lián)邦航空局針對失效無人機(jī)撞向地面時(shí)，對地面人員的損傷類型和嚴(yán)重程度進(jìn)行了建模和仿真計(jì)算，其方法和模型值得借鑒.

2017年4月28日和11月28日，美國聯(lián)邦航空局（ FAA）分別發(fā)布了《無人機(jī)系統(tǒng)（簡稱UAS）地面（人員）碰撞嚴(yán)重程度評估》和《無人機(jī)系統(tǒng)空中碰撞風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度評估》報(bào)告。這兩項(xiàng)研究由“通過卓越研究實(shí)現(xiàn)無人機(jī)系統(tǒng)安全的聯(lián)盟”（ASSURE）完成。ASSURE是FAA按照美國國會2014年指令建立的無人機(jī)系統(tǒng)卓越中心，于2015年5月成立，由密西西比州立大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)。ASSURE的合作伙伴包括23家全球頂尖研究機(jī)構(gòu)，以及100多家領(lǐng)先的工業(yè)界和政府合作伙伴。本刊相繼將兩項(xiàng)研究報(bào)告的主要內(nèi)容及結(jié)論進(jìn)行編譯、刊登，以飼讀者。

引言

無人機(jī)地面碰撞的嚴(yán)重程度評估的最終報(bào)告文件的無人機(jī)平臺的特點(diǎn)，根據(jù)文獻(xiàn)搜索超過300的出版物從汽車行業(yè)的無人機(jī)地面碰撞的嚴(yán)重程度相關(guān)，消費(fèi)電池市場，玩具標(biāo)準(zhǔn)，和其他領(lǐng)域。文獻(xiàn)檢索包括來自各種行業(yè)和應(yīng)用的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，以及其他民事和聯(lián)邦機(jī)構(gòu)目前正在使用的分析和標(biāo)準(zhǔn)方法?？臻g碎片的事故模型進(jìn)行評價(jià)和推廣提出了使用無人機(jī)確定地面碰撞的嚴(yán)重程度評估和度量他們的活力。參數(shù)分析，總結(jié)數(shù)據(jù)和改性方法提供的最有意義的洞察和無人機(jī)特性等特點(diǎn)在地面碰撞嚴(yán)重程度相關(guān)問題。定性特征以及定量度量。數(shù)據(jù)分析開發(fā)的任務(wù)所有研究中還包括更新數(shù)據(jù)收集在早期階段的任務(wù)A4。在需要時(shí)，為當(dāng)前研究范圍以外的主題確定知識差距。

文獻(xiàn)檢索包括對人類鈍器傷、穿透傷和撕裂傷的各種標(biāo)準(zhǔn)的評估。這些損傷類型表示的最重大的威脅到非參與公共和人員操作的中等大小無人機(jī)和小型無人機(jī)平臺。最壞的情況下，終端速度或最大巡航速度，動(dòng)能的能量密度、轉(zhuǎn)子直徑是最重要的系統(tǒng)特性，鈍力外傷穿透和撕裂傷。

兩沖擊動(dòng)能的方法提供了一種風(fēng)險(xiǎn)和基于場景的確定安全的無人機(jī)操作動(dòng)能閾值方法。降落傘的緩解和面積加權(quán)的動(dòng)能的方法兩個(gè)場景中的應(yīng)用提出了輪廓的閾值范圍更廣的車輛重量超過人們進(jìn)行飛行可能比目前的汽車設(shè)計(jì)目前。通過碰撞試驗(yàn)和動(dòng)力學(xué)建模，對人體頭部和軀干撞擊的有限元分析進(jìn)行了初步的能量傳遞研究。碰撞試驗(yàn)結(jié)果和隨后的分析有力地表明，基于RCC的閾值過于保守，因?yàn)樗鼈儾荒軠?zhǔn)確地表示碰撞。彈性變形的小型無人機(jī)與高速導(dǎo)彈在國家靶場試驗(yàn)，金屬屑接觸面積較大的動(dòng)態(tài)分析方法的比較。動(dòng)態(tài)建模是必要的提高無人機(jī)失效模式的評估和相關(guān)的沖擊能量，建立適當(dāng)?shù)木嚯x外，對模型的影響程度進(jìn)行分析和腳印的概率評估申請人提交的申請或認(rèn)證的一部分。

鋰聚合物電池主導(dǎo)的中等大小無人機(jī)和小型無人機(jī)市場為這些平臺原理的能量源。雖然許多制造商說，他們根據(jù)鋰測試電池根據(jù)消費(fèi)電子產(chǎn)品的離子電池測試方法，電池很少標(biāo)明符合這些標(biāo)準(zhǔn)，許多測試方法不符合與地面碰撞沖擊能量相關(guān)的力和能量水平。需要更多的研究來解決火災(zāi)和沖擊危險(xiǎn)提出的廣泛的電池和化學(xué)電池使用中等大小無人機(jī)和小型無人機(jī)平臺。

研究內(nèi)容

研究背景

任務(wù)A4即地面碰撞嚴(yán)重程度評估由阿拉巴馬大學(xué)亨茨維爾分校（UAH），勘薩斯大學(xué)（KU），密西西比州立大學(xué)（MSU）和安莉芳里德爾航空大學(xué)（ERAU）聯(lián)合執(zhí)行。UAH作為本課題的主持者和收集各高校在各自領(lǐng)域的研究成果匯集成最終報(bào)告，提交給美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）。

該團(tuán)隊(duì)使用了新興的數(shù)據(jù)，包括微型航空器咨詢規(guī)則制定委員會（ARC）和從事對地碰撞工作的無人機(jī)科研小組成員（SARP）的簡報(bào)，以及美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）成員建采用的自2015年9月以來的107部規(guī)則。

本報(bào)告中的結(jié)果和數(shù)據(jù)從2016年6月發(fā)布的白皮書無人機(jī)系統(tǒng)特性研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上通過2016年9月進(jìn)行過更新。本報(bào)告中，模型的構(gòu)建由MSU和ERAU負(fù)責(zé)完成。此外，阿拉巴馬大學(xué)亨茨維爾分校講報(bào)告進(jìn)行更新，以反應(yīng)的任務(wù)11的結(jié)果和一些數(shù)據(jù)，即以107部豁免的申請案例研究中任務(wù)A4收集的部分認(rèn)同數(shù)據(jù)或正式數(shù)據(jù)。

本報(bào)告沒有按照聯(lián)邦航空局的指示研究處理碰撞概率。雖然死亡概率（Probability of Fatality，POF）是衡量碰撞嚴(yán)重程度的指標(biāo)，但這些概率被用于定義碰撞嚴(yán)重程度而不是風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算。

研究內(nèi)容

FAA要求該研究團(tuán)隊(duì)在地面碰撞嚴(yán)重程度評估項(xiàng)目中討論下列研究問題。

1）無人機(jī)系統(tǒng)地面碰撞危險(xiǎn)程度的標(biāo)準(zhǔn)是什么（重量、動(dòng)能（KE）等）？

2）無人機(jī)對地面飛機(jī)碰撞的嚴(yán)重程度是怎樣的？

3）無人機(jī)對地面財(cái)產(chǎn)碰撞的嚴(yán)重程度是怎樣的？

4）無人機(jī)對地面人員碰撞的嚴(yán)重程度是怎樣的？

5）對地面飛機(jī)、財(cái)產(chǎn)、人員構(gòu)成威脅的無人機(jī)系統(tǒng)特性有哪些？

6）各無人機(jī)類別中對地面飛機(jī)、財(cái)產(chǎn)、人員造成的碰撞嚴(yán)重程度類別有哪些？具體是怎樣的？

7）如何設(shè)計(jì)無人機(jī)系統(tǒng)，將無人機(jī)系統(tǒng)在地面碰撞中的潛在損傷降到最??？

研究目標(biāo)

（1）無人機(jī)系統(tǒng)碰撞對公共安全的影響

在無人機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步有明顯增長，這些飛機(jī)的能力和需求將使得這些平臺能夠廣泛應(yīng)用于各種各樣的任務(wù)。然而，這些平臺在國家空域系統(tǒng)（NAS）中操作的相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)在飛行平臺和駕駛員認(rèn)證方面并沒有跟上。由于這些無人機(jī)在商業(yè)和業(yè)余愛好者的使用方面表現(xiàn)出的多樣化，使得消費(fèi)者的興趣大大增加。這種使用量增加導(dǎo)致旁觀者發(fā)生鈍傷或撕裂傷的事故相應(yīng)增加。新聞媒體報(bào)道了多起因娛樂或批準(zhǔn)電影拍攝造成人員受傷的飛行案例。

新成立的團(tuán)體，例如Before YouFly，正在積極制定以社團(tuán)為基礎(chǔ)的安全標(biāo)準(zhǔn)。Before You Fly是一個(gè)教育活動(dòng)組織，由美國航空模型協(xié)會（AMA）、國際無人機(jī)系統(tǒng)協(xié)會（AUVSI）和美國聯(lián)邦航空局領(lǐng)導(dǎo)，致力于為操作這些平臺的愛好者和商業(yè)無人機(jī)系統(tǒng)用戶提供基本法規(guī)和安全操作教育工作。這項(xiàng)研究的大部分內(nèi)容只包含基于統(tǒng)計(jì)的位置和人口密度模型的旁觀者安全分析研究，用于評估風(fēng)險(xiǎn)和安全。這些模型基本上已經(jīng)完成構(gòu)建，或者在構(gòu)建用于評估飛行器在發(fā)射和再入過程中穿越人口密集中心的的空間安全模型。

此外，研究人員和記者們關(guān)注的是，與烏撞事件相似的無人機(jī)近距離接觸飛行飛機(jī)時(shí)發(fā)生的危險(xiǎn)。地面撞擊危害和規(guī)則制定還在公眾輿論沒有引起重視，但美國聯(lián)邦航空局和國家空域系統(tǒng)（NAS）的用戶注意到了這個(gè)問題。為了提高公眾的接受度和公眾的安全性，以及在載人飛機(jī)和多載人飛機(jī)中保持國家空域系統(tǒng)的安全水平，需要根據(jù)具體行動(dòng)制定無人機(jī)的最低和一致的認(rèn)證要求和安全標(biāo)準(zhǔn)。未能制定針對無人機(jī)的監(jiān)管框架顯然是對公共安全的威脅，無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的缺失可能是由缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)模型的不規(guī)則比較造成的。

（2）無人機(jī)系統(tǒng)特性支持FAA立法

該研究團(tuán)隊(duì)分析研究了無人機(jī)系統(tǒng)的特性，主要集中在小型和微型無人機(jī)平臺。這些結(jié)果進(jìn)行了定性總結(jié)，這些更小型的無人機(jī)，不是在重量和速度方面更接近載人飛行器的無人機(jī)平臺等（如“影子”、“掃描鷹”、“捕食者”和“全球鷹”），是由不同的材料制造而成，利用與載人飛機(jī)不同的結(jié)構(gòu)、彈道和空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)，沒有現(xiàn)成的碰撞嚴(yán)重程度潛在分析和操作性能分析的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)總結(jié)可參考。

本報(bào)告重點(diǎn)研究了基于配置的小型無人機(jī)系統(tǒng)（硬殼式多旋翼、模塊化/可折疊多旋翼、飛翼式固定翼、標(biāo)準(zhǔn)式配置固定翼和單旋翼），他們的基本特性如何影響非公共和/或?qū)ο蠛徒Y(jié)構(gòu)的碰撞致命性損傷。本報(bào)告為大型無人機(jī)提供參考，小型無人機(jī)和較大型無人機(jī)與載人飛機(jī)特征相似，應(yīng)采用類似的方法進(jìn)行規(guī)范管理。文獻(xiàn)檢索數(shù)據(jù)分析和已經(jīng)熟悉的應(yīng)用場景已被用于創(chuàng)建一個(gè)無人機(jī)特性分類，F(xiàn)AA和工業(yè)部門可以使用其作為基礎(chǔ)，制定各類無人機(jī)的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)認(rèn)證要求和安全標(biāo)準(zhǔn)對無人機(jī)系統(tǒng)衍生類型制定認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

報(bào)告研究的重點(diǎn)是定義無人機(jī)平臺在碰撞或葉面觸碰過程中將能量轉(zhuǎn)移到地面人員、財(cái)產(chǎn)和飛機(jī)的能力，定義無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)特性確定質(zhì)量、速度、高度、材料結(jié)構(gòu)等因素對碰撞嚴(yán)重性的影響。AUVSI為研究團(tuán)隊(duì)成員提供訪問他們的無人機(jī)平臺數(shù)據(jù)庫的能力以支持本研究。數(shù)據(jù)庫包括來自世界各地的國家提供必要的數(shù)據(jù)來描述他們的質(zhì)量、速度、大小等確定無人機(jī)的特性。這些數(shù)據(jù)被用來開始開發(fā)潛在的特性，這些特性可以通過重量、速度和操作高度來確定。

A4團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)與其他成員的保證團(tuán)隊(duì)與不同的UAS平臺經(jīng)驗(yàn)和SUAS制造商獲得的來自AUVSI數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)有更深的了解。A4團(tuán)隊(duì)還用車輛和組件從各大學(xué)和那些捐贈3dr和DJl獲得額外的數(shù)據(jù)平臺上驗(yàn)證信息在數(shù)據(jù)庫中。團(tuán)隊(duì)從3dr和DJl公司接收損壞的機(jī)型、新的部件和機(jī)型以進(jìn)行分析。工業(yè)部門和ASSURE合作學(xué)校的飛行器已被用來評估不同飛行器質(zhì)量分布、開發(fā)用于建模和參數(shù)分析的參數(shù)化數(shù)據(jù)。

（3）確定認(rèn)識上的知識差距

FAA注冊數(shù)據(jù)包括商業(yè)運(yùn)營商的飛行器類型。無論是飛機(jī)注冊和無人機(jī)在線注冊登記需要不斷收獲保持一個(gè)清晰的認(rèn)識，在國家空域系統(tǒng)（NAS）提煉A4和其他任務(wù)的研究熱點(diǎn)。

報(bào)告從醫(yī)學(xué)、彈道、非致命彈藥、法規(guī)文件、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和科學(xué)研究領(lǐng)域查閱大量資料和文獻(xiàn)，確定了大量的數(shù)據(jù)和分析方法，以確定準(zhǔn)確的損傷嚴(yán)重程度標(biāo)準(zhǔn)，確定與損傷程度相關(guān)的工程技術(shù)指標(biāo)。在對部分文獻(xiàn)的調(diào)研中，各種無人機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)和碰撞模型已經(jīng)完成構(gòu)建，采用基于確定閾值的方法，以評估小型損傷和潛在損傷和。在文獻(xiàn)調(diào)研中，在各種領(lǐng)域中進(jìn)行了分析，明確了知識空白，更好地定義了飛行器特性，確定葉片的挫傷能量和撕裂損傷。本報(bào)告還根據(jù)文獻(xiàn)檢索，界定了本報(bào)告尚未解決或超出這一努力范圍的進(jìn)一步的知識空白。

為了提供一個(gè)通用的技術(shù)框架，無人機(jī)系統(tǒng)被劃分為物理設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)特性，以確定他們在碰撞過程中如何轉(zhuǎn)移和保留能量。這個(gè)框架將系統(tǒng)分為五大類。多旋翼無人機(jī)可分為硬殼式和模塊化/可折疊式結(jié)構(gòu)的配置類。同樣，固定翼無人機(jī)系統(tǒng)可分為飛翼配置和標(biāo)準(zhǔn)配置。單旋翼無人機(jī)，具有一個(gè)單一的主旋翼和尾槳配置或串聯(lián)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，是最后一個(gè)配置分類。無人機(jī)地面碰撞嚴(yán)重程度評估仍然依賴于量化的風(fēng)險(xiǎn)以及撕裂、鈍性撞擊和點(diǎn)火源。

然而，美國五大類無人機(jī)的分類中又有一個(gè)更具描述性的綜合，不同的設(shè)計(jì)及其相關(guān)的屬性。附錄D中描述的目前飛機(jī)設(shè)計(jì)的定性討論，提供各種小型無人機(jī)的設(shè)計(jì)特性，而不同特性在碰撞和損傷程度的影響不同。本報(bào)告的重點(diǎn)還包括飛行器參數(shù)分析和推薦特征度量。飛機(jī)的定性分析還概述了當(dāng)前減小損傷的設(shè)計(jì)理念和屬性。這種減小損傷的討論基于AUVSI數(shù)據(jù)庫調(diào)查，對企業(yè)網(wǎng)站的研究，并與各種飛機(jī)模型的制造商和業(yè)主討論。本報(bào)告的所有章節(jié)確定了文獻(xiàn)和建模所需輸入方面的知識差距，并總結(jié)在附錄E中：附錄E知識差距綜述。

嚴(yán)重程度的定義和討論簡明損傷標(biāo)準(zhǔn)

簡易創(chuàng)傷定級標(biāo)準(zhǔn)（AIS）是國際上公認(rèn)的損傷嚴(yán)重程度分級標(biāo)準(zhǔn)。AIS開始于1970年初，目標(biāo)是將車禍中受害者的受傷嚴(yán)重程度進(jìn)行分組。AIS基于標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)療手冊和一套定義，提供了1-6分的評分。AIS和損傷嚴(yán)重度量表（ISS）之間有很大的交叉。自2008的最后更新以來，AIS標(biāo)準(zhǔn)已進(jìn)行了多次修訂。基于早期的工作，更多的損傷評估系統(tǒng)已經(jīng)被開發(fā)（例如NISS、TRISS、ASCOT，ICISS等）;然而，經(jīng)文獻(xiàn)檢索，AIS、ISS被廣泛用于協(xié)助創(chuàng)傷中心臨床醫(yī)師損傷嚴(yán)重程度評估。因此，AIS/ISS是損傷嚴(yán)重程度分類的首選方法。

需要重點(diǎn)指出的是，AIS字典提供了在車禍期間所造成創(chuàng)傷應(yīng)急救治標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上的傷害評估方法。損傷定級為急診室醫(yī)師的能力和醫(yī)學(xué)知識為標(biāo)準(zhǔn)化的依據(jù)。因此，損傷嚴(yán)重度定級可能低于一般人所期望的，因?yàn)闊o論損傷多么明顯，它可能很容易治療，不具備極高的致命性。表1提供了碰撞案例及其相應(yīng)的AIS損傷定級的描述。基于107部豁免申請案例研究的任務(wù)11，飛行器碰撞能量可能與基于假人碰撞試驗(yàn)的AIS相關(guān)。這些結(jié)果的相關(guān)性使得AIS能夠作為評估飛行器安全性的一個(gè)可行的評價(jià)指標(biāo)，作為沖擊能量函數(shù)確定時(shí)考慮因素之一。

頭部撞擊和損傷度量

創(chuàng)傷性腦損傷（ TBI）的分類方法始于20世紀(jì)60年代。研究人員在研究碰撞時(shí)，提出了一種簡單指標(biāo)，預(yù)測頭部潛在危險(xiǎn)加速性。這個(gè)指標(biāo)被稱為加德嚴(yán)重程度指數(shù)（Gadd Severity Index），是衡量頭部撞擊損傷嚴(yán)重程度的第一首選指數(shù)。加德嚴(yán)重指數(shù)方程見式（]）。該指數(shù)表明，加速度（a）在頭部的持續(xù)時(shí)間（t）是導(dǎo)致TBI的影響因素。加德嚴(yán)重程度的安全和不安全的區(qū)域，如圖1所示。

1000=t×a^2.5（1）

在20世紀(jì)70年代，頭部損傷標(biāo)準(zhǔn)（ HIC）被用于評估顱骨骨折和腦損傷，基于假人頭部碰撞測試的加速度隨時(shí)間變化。HIC只考慮一個(gè)標(biāo)量加速度的時(shí)間歷程。而不是結(jié)合時(shí)間和加速度得多項(xiàng)式函數(shù)，HIC綜合了加速度隨時(shí)間變化的方程式見式（2）。

式中，t1和t2表示HIC區(qū)間的開始和結(jié)束時(shí)間。一般來說，該間隔為15或36ms，因此，用HICis和HIC36來表示這些指標(biāo)。對于HIC₁₅和HIC₃₆參數(shù)估計(jì)，t1的值由HIC最大值決定。截至2000年3月，HIC₁₅一直是國家公路交通安全管理局（NHTSA）應(yīng)用的頭部損傷評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

然而，在過去的十年中，越來越多的學(xué)者所做的工作不斷挑戰(zhàn)這一概念，只需要一個(gè)隨時(shí)間變化的標(biāo)量加速度是不能充分預(yù)測和診斷TBI。其他指標(biāo)，例如角速度、角加速度、充氣壓力、剪切應(yīng)力/應(yīng)變、最大過載等。然而，由于HIC指標(biāo)已被大量使用，文獻(xiàn)中能檢索到大量的數(shù)據(jù)集可用于研究比較。表6提供了基于各種尺寸測試假人（ATD）的HIC₁₅閾值。

為了協(xié)同A4研究團(tuán)隊(duì)的工作，來自頭部碰撞仿真的HIC15和重力數(shù)據(jù)（ g-force）與基于現(xiàn)有文獻(xiàn)中的創(chuàng)傷性腦損傷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的AIS值相關(guān)。通過相關(guān)聯(lián)的AIS和HIC15，A4任務(wù)研究團(tuán)隊(duì)將POF和AIS l-6分級相關(guān)聯(lián)，其中1是最小的輕傷，6是致命損傷。受傷造成的死亡不會自動(dòng)被定級為AIS 6。被歸類為AIS 2或更大的傷害表明，受傷可能導(dǎo)致死亡，其原因是沒有得到治療或未及時(shí)接受治療。

AIS也與POF相關(guān)聯(lián)，在參考其他研究成果情況下，將鈍性損傷能量水平映射到POF，允許他們有一定的交叉。]級AIS相當(dāng)于0%POF，6級AIS是1000致命的。然而，這只是一個(gè)定性的比較。沒有一個(gè)確定的文件表明，一定的10% POF相關(guān)，另一項(xiàng)研究中估計(jì)有10%的POF。

粘性指標(biāo)

已有文獻(xiàn)報(bào)道，無論是胸壓縮程度還是速度都不能作為鈍性撞擊下胸部損傷的標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)更復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)，被稱為粘性標(biāo)準(zhǔn)（VC），被認(rèn)為是胸部損傷分析中最有前途的損傷指標(biāo)，并在建模中可以進(jìn)一步量化。

該標(biāo)準(zhǔn)首先是由Lau和Viano提出，用于預(yù)測評估由碰撞引起的胸部損傷嚴(yán)重程度。人類的耐受性由粘性標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)（VC）來定義，它是由變形速度的瞬時(shí)值V（t）和身體壓縮量C（t）產(chǎn)生的時(shí)間函數(shù)。

該標(biāo)準(zhǔn)通過不依賴于速率的粘性損傷機(jī)制評估軟組織和肋骨損傷的風(fēng)險(xiǎn)，并已被一些汽車碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)所采用。大量學(xué)者已經(jīng)研究了身體壓縮身體壓縮量C（t）對損傷的影響，但是對變形速度的瞬時(shí)值V（t）的影響研究較少。也就是說，目前，胸部損傷對胸壁偏轉(zhuǎn)速度的靈敏度還不是很清楚。混合ⅢATD胸部模型綜合碰撞模擬試驗(yàn)和V（t）敏感性分析將有助于回答這個(gè)問題。此外，還需要建立更為精確的VC值與AIS值之間的定量關(guān)系。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，將對碰撞參數(shù)和響應(yīng)進(jìn)行非線性回歸分析。

本報(bào)告的重點(diǎn)放在當(dāng)前項(xiàng)目的正面碰撞上?，F(xiàn)有的正面碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)的損傷判據(jù)已經(jīng)在汽車工業(yè)得到了直接應(yīng)用。然而，汽車工業(yè)中還沒有研究背部碰撞，需要大量工作來確定粘性判據(jù)是否適用于這種類型的沖擊。在地面碰撞情況下，無人機(jī)的背部碰撞與無人機(jī)系統(tǒng)的操作相關(guān)，并且特別危險(xiǎn)，因?yàn)槿藛T在面對這種碰撞時(shí)是不能夠及時(shí)反應(yīng)并保護(hù)自己。背部碰撞的損傷機(jī)制不同，因?yàn)閾p傷可能以脊柱損傷為主，同時(shí)，正面碰撞的機(jī)制主要是肋骨骨折和內(nèi)部器官破裂。因此，需要一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)。小型無人機(jī)損傷嚴(yán)重程度定義的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)在有沒有現(xiàn)成的、公認(rèn)的小型無人機(jī)嚴(yán)重程度分類標(biāo)準(zhǔn)，或者沒有辦法將這些損傷類別與FAA安全定義關(guān)聯(lián)。然而，地面人員損傷嚴(yán)重程度分類/定義在醫(yī)療領(lǐng)域已經(jīng)有應(yīng)用，主要應(yīng)用于車禍?zhǔn)鹿蕮p傷評估或飛行事故中的碰撞動(dòng)力學(xué)評估。

AIS被分為6級：（1）輕度（minor）;（2）中度（moderate）;（3）嚴(yán)重（serious）;（4）重度（severe）;（5）極嚴(yán)重（critical）和（6）致命（unsurvivable）。美國聯(lián)邦航空局系統(tǒng)安全手冊中則分為5級：（1）沒有安全的影響;（2）輕度（minor）;（3）中度（major）;（4）嚴(yán)重（hazardous）;（5）致命（catastrophic）。在4.2節(jié)中，在撕裂傷的情況下，本報(bào)告認(rèn)為，這兩種判據(jù)可以合理關(guān)聯(lián)。

無人機(jī)和載人飛機(jī)的安全性主要區(qū)別是，由于沒有機(jī)載飛行員或乘客，無人機(jī)事故本身不會造成人員傷亡。相反，無人機(jī)碰撞最大危險(xiǎn)是對地面人員或飛機(jī)造成損傷。因此，使用FAA系統(tǒng)安全手冊中給出的“災(zāi)難性”判據(jù)來定義嚴(yán)重性程度，災(zāi)難性事件不應(yīng)包含“系統(tǒng)損失”。使用安全管理手冊的災(zāi)難性的定義一其中包括與載人飛機(jī)相撞，似乎并不合適。然而，這個(gè)問題是在另一個(gè)研究小組概述。

在2016年4月1日提交FAA的報(bào)告中，微型無人機(jī)ARC在允許的碰撞能量密度推薦值（即每接觸面積單位KE），在指定的飛行場景中飛行的4類無人機(jī)，避免對地面人員造成嚴(yán)重鈍傷。特別是，他們建議按“行業(yè)共識”標(biāo)準(zhǔn)確定許可碰撞能量密度，以避免對地面人員造成AIS3級或更高等級的損傷。表3給出了FAA給出的因碰撞造成的嚴(yán)重或更嚴(yán)重傷害（AIS 3級或更高級別）的容許率。

順便說一句，微型無人機(jī)ARC也承認(rèn)考慮撕裂損傷的重要性，有必要了解由于旋轉(zhuǎn)葉片造成的損傷。FAA安全性定義并沒有考慮永久性殘疾，而美國國防部和其他安全標(biāo)準(zhǔn)則考慮了永久性殘疾。盡管撕裂傷不一定導(dǎo)致死亡，在在公開文獻(xiàn)中被認(rèn)定為永久性殘疾。因此，永久殘疾作為一種可能性較大的損傷嚴(yán)重程度，當(dāng)小型無人機(jī)在操作時(shí)接近或飛越人員上空時(shí)必須要定義其接受程度。

至于地面財(cái)產(chǎn)損傷嚴(yán)重性程度定義，建筑物等結(jié)構(gòu)或汽車、飛機(jī)等地面車輛穿透損傷是很多文獻(xiàn)中損害評估/嚴(yán)重程度定義研究的重點(diǎn)。例如，在美國海軍航空系統(tǒng)司令部一份文件中有惰性碎片撞擊的力學(xué)效應(yīng)研究的記錄。其中，有一個(gè)指標(biāo)涉及屋頂、墻壁或窗戶穿透性破壞，但沒有涉及FAA損傷嚴(yán)重程度定義。表1和表2中美國聯(lián)邦航空局提出的損傷嚴(yán)重程度定義對無人機(jī)或載人飛機(jī)損傷或結(jié)構(gòu)沒有參考價(jià)值。新107部規(guī)則規(guī)定，任何導(dǎo)致至少在五百美元以上的財(cái)產(chǎn)損失的事故都要求上交事故報(bào)告。此外，還要考慮結(jié)構(gòu)損傷帶來的火災(zāi)危害問題。特別是，由于機(jī)載燃料和電池在碰撞過程中很可能引發(fā)火災(zāi)。燃料著火導(dǎo)致火災(zāi)造成損害的評估方法已經(jīng)制定，并在4.12節(jié)中進(jìn)行了討論。

美國航空模型協(xié)會（AMA）的運(yùn)行和損傷數(shù)據(jù)

從操作的角度來看，無線電控制或遙控的飛機(jī)可以與小型無人機(jī)技術(shù)相媲美，尤其是小型無人機(jī)視距內(nèi)操作的情況下。遙控飛機(jī)運(yùn)營商每年累積約6-8百萬飛行小時(shí)，估計(jì)在過去14年中的飛行時(shí)間為84000000h。因此，研究人員還研究了AMA的損傷和事故數(shù)據(jù)。根據(jù)AMA自行收集的遙控飛機(jī)駕駛員數(shù)據(jù)，以下是關(guān)于飛機(jī)模型使用和事故的高級陳述。

1）在調(diào)查前八年內(nèi)，有三十九份文件表明，模型飛機(jī)造成的財(cái)產(chǎn)損失，大部分是由于模型飛機(jī)離開指定的飛行空域，撞上停在飛行現(xiàn)場附近的物體。

2） AMA正在追蹤1979至2013年間在美國發(fā)生的六起與飛機(jī)有關(guān)的死亡事件。只有一起造成致命傷害的事件，是由于不從事模型飛機(jī)操作的人導(dǎo)致的，事故發(fā)生在1979年。這架飛機(jī)，一個(gè)飛行的割草機(jī)，沒有飛的AMA成員和飛行在牛油果體育場在一個(gè)模型飛機(jī)展覽。所有其他的死亡都涉及到參與者的業(yè)余愛好。

3） AMA估計(jì)死亡率為3.57x10^-8次/飛行小時(shí)。

性能標(biāo)準(zhǔn)

地面財(cái)產(chǎn)建筑物（建筑物）或車輛（汽車、飛機(jī)等）損傷的嚴(yán)重性定義是損傷評估/嚴(yán)重程度定義的重點(diǎn)。例如，美國海軍航空系統(tǒng)司令部的碰撞毀傷模型報(bào)告文件就重點(diǎn)研究了慣性碎片撞擊的力學(xué)效應(yīng)。唯一涉及到的指標(biāo)是屋頂、墻壁或窗戶的穿透性。

還有一個(gè)涉及建筑物火災(zāi)危險(xiǎn)的問題。由于燃料和電池板上的撞擊，評估模型設(shè)置了可能導(dǎo)致火災(zāi)的可能，開發(fā)了評估燃料導(dǎo)致火災(zāi)損失的方法。

與小型無人機(jī)相關(guān)的嚴(yán)重程度定義

考慮到永久殘疾以及建筑物滲透和火災(zāi)危險(xiǎn)的相對重要性，對人員和地面財(cái)產(chǎn)損傷的嚴(yán)重性進(jìn)行如下定義：

災(zāi)難性

對非參與公眾或無人機(jī)飛行機(jī)組產(chǎn)生的任何死亡或永久殘疾的（300的概率，AIS 5或更高）。

危害性

對非參與公眾或無人機(jī)飛行機(jī)組產(chǎn)生的嚴(yán)重?fù)p傷，造成功能喪失（300的概率，AIS4或更高）。

使結(jié)構(gòu)不可用的穿透或造成火災(zāi)的結(jié)構(gòu)性損傷。

嚴(yán)重

傷害需要住院治療（300的概率，AIS 3或更大）或意識喪失。

以有限速度穿透建筑物，使建筑物表面起火。

輕度

損傷治療門診的基礎(chǔ)上（300的概率，AIS 2或更大）。

結(jié)構(gòu)損傷，需表面修復(fù)。

沒有安全危害

淺表性損傷（50%概率，AIS1或更大）。

無人機(jī)的設(shè)計(jì)屬性

在分析無人機(jī)各種類型平臺和重量等級基礎(chǔ)上，該報(bào)告指出，對無人機(jī)地面碰撞嚴(yán)重程度影響較大的三個(gè)特性是：動(dòng)能、火源和旋翼部件。評估報(bào)告分析了各設(shè)計(jì)屬性的相關(guān)材料屬性、損傷風(fēng)險(xiǎn)值。載荷、電池、電機(jī)等由于密度較大，不能吸收或者較小沖擊能量。無人機(jī)地面碰撞模型中，無人機(jī)的設(shè)計(jì)屬性分類見圖2。

重要的是要注意，對地面碰撞嚴(yán)重程度的全面分析，動(dòng)能必須根據(jù)沖擊能量等級和單位面積來確定。在碰撞過程中，人體損傷機(jī)制可能有：鈍力損傷、穿透傷（軟組織）和骨折。前者受沖擊動(dòng)能大小的影響，后兩者受單位面積的沖擊動(dòng)能或能量密度的影響。只有沖擊動(dòng)能能在試驗(yàn)過程中才能準(zhǔn)確地估計(jì)。單位面積的受力是難以通過試驗(yàn)來測量的。

m代表無人機(jī)設(shè)計(jì)單元的質(zhì)量，而V代表無人機(jī)設(shè)計(jì)單元的速度。動(dòng)能主要決定于設(shè)計(jì)單元自由落體終點(diǎn)速度。

其中，g代表重力引力，V代表環(huán)境空氣的密度，A代表有效截面積，C_d表示阻力系數(shù)或者無量綱阻力。

無人機(jī)上的燃料、電池等動(dòng)力源都可能是發(fā)生地面碰撞后的點(diǎn)火源。這份報(bào)告主要集中研究電池的影響。分析了AUVSI數(shù)據(jù)庫和FAA 333條豁免條款中在美國銷售、重量小于551bs的使用電池。此外，近100%的獲豁免審批的商業(yè)無人機(jī)都使用鋰聚合物電池。如果被刺穿，暴露在空氣或水中、壓碎、過充電或維護(hù)不善，鋰聚合物電池都有可能起火。

旋轉(zhuǎn)的螺旋槳以及固定翼、旋翼多旋翼、單旋翼無人機(jī)的轉(zhuǎn)子部件，容易對飛行中的無人機(jī)附近人員造成嚴(yán)重的切割傷。雖然RPM、葉片設(shè)計(jì)、葉片剛度容易發(fā)生削減事故概率。相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)查表明，這種假設(shè)并不保守，葉片意外接觸將導(dǎo)致一定程度的切割傷害。

碰撞嚴(yán)重程度評估方法

小型無人機(jī)與地面人員碰撞的損傷機(jī)制主要有三種類型。第一種傷害類型是鈍力創(chuàng)傷。由于對身體的高能沖擊導(dǎo)致器官受到加速和剪切，或由于受撞擊而四肢無法控制運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的損傷。第二種傷害類型是穿透傷。它由大數(shù)值的力作用在小范圍面積上而導(dǎo)致，能量密度可用單位面積上的力來表示。最后一種損傷是撕裂傷，這由螺旋槳和轉(zhuǎn)子等旋轉(zhuǎn)部件在小面積上施加大的力導(dǎo)致。撕裂傷嚴(yán)重程度受螺旋槳葉片邊緣銳度和葉片剛度的影響。

評價(jià)無人機(jī)安全有兩種，采用不同數(shù)據(jù)輸入和建模。

（1）基于RCC標(biāo)準(zhǔn)的損傷嚴(yán)重性評估方法

無人機(jī)碰撞地面人員的損傷嚴(yán)重性初始評估是嚴(yán)格基于RCC標(biāo)準(zhǔn)的，重點(diǎn)研究基于場景的碰撞動(dòng)能閾值，依據(jù)暴露的人體部分以及附近或下方人員飛行無人機(jī)的高度和速度極限。然而，這些RCC閾值與通過AIS衡量的損傷嚴(yán)重程度不直接相關(guān)，與小型、剛性的金屬碎片的碰撞動(dòng)力學(xué)和效應(yīng)相關(guān)。表4和表5是兩種典型的閾值標(biāo)準(zhǔn)。

（2）無人機(jī)跌落測試試驗(yàn)

第二種方法是任務(wù)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的男性假人撞擊測試集進(jìn)行無人機(jī)跌落測試試驗(yàn)，根據(jù)美國聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車輛安全標(biāo)準(zhǔn)（FMVSS）208和醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)研究結(jié)果，研究基于沖擊動(dòng)能的評估方法，以評價(jià)損傷程度。然后將這一結(jié)果與頭部和頸部損的閾值進(jìn)行比較，以確定損傷嚴(yán)重程度等級達(dá)到AIS 3或更高。該方法有兩個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：首先，碰撞動(dòng)力學(xué)的研究可作為實(shí)際無人機(jī)撞機(jī)頭部或者由小金屬碎片導(dǎo)致的損傷的分析基準(zhǔn)。其次，通過美國聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車輛安全標(biāo)準(zhǔn)研究表明，直接碰撞動(dòng)能大小與損傷嚴(yán)重程度有直接相關(guān)性。而該標(biāo)準(zhǔn)完全純粹基于RCC的閾值。

無論哪種方法，沖擊速度可以很容易地通過試驗(yàn)測定和CFD估算。因此，沖擊速度和良好的方法在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較廣，也將用于小型無人機(jī)碰撞損傷評估。

研究結(jié)論

經(jīng)研究，本報(bào)告得出以下結(jié)論：關(guān)鍵微小型無人機(jī)特性

A4團(tuán)隊(duì)綜述了用于評估鈍力傷、穿透傷和撕裂傷的研究和技術(shù)，這是目前對非參與公共人員和操作小型無人機(jī)平臺操作人員最重要的威脅。與地面碰撞嚴(yán)重程度相關(guān)的最重要的飛行器特征有：

（1）特定飛行器的撞擊動(dòng)能和撞擊方向是評價(jià)鈍力傷最重要的指標(biāo)。在無人機(jī)碰撞中鈍力傷最可能造成死亡事故，由于單旋翼微小型無人直升機(jī)的葉片質(zhì)量和葉片速度是最致命的沖擊威脅。在測試過程中，飛行器的沖擊動(dòng)能在已知速度的前提下可以很容易地估算和測量。

（2）能量密度參數(shù)是評價(jià)飛行器設(shè)計(jì)中尖銳邊緣或小碰撞區(qū)域穿透傷的最佳指標(biāo)。在測試過程中，這個(gè)參數(shù)是難以測量的。

（3）直徑是衡量轉(zhuǎn)子和螺旋槳等旋轉(zhuǎn)部件損傷嚴(yán)重程度的指標(biāo)，需要對葉片保護(hù)或其他保護(hù)措施以防止撕裂傷，這是最有可能發(fā)生的傷害類型。單旋翼無人直升機(jī)構(gòu)型由于較大的葉片質(zhì)量和速度，對人體喉部和頭部區(qū)域構(gòu)成潛在的致命威脅。旋轉(zhuǎn)部件的直徑很容易測量。

上面提到的所有指標(biāo)在設(shè)計(jì)過程中都很容易估計(jì)得到。沖擊能量和轉(zhuǎn)子特性也可以在研發(fā)過程中很容易地測試和驗(yàn)證。由于接觸面積和測量技術(shù)昂貴且難以重現(xiàn)，所以能量密度難以測量和測試。本報(bào)告中的分析表明，當(dāng)對機(jī)體燃油箱和推進(jìn)系統(tǒng)能夠被進(jìn)行充分詳細(xì)CAD建模時(shí)，根據(jù)能源失效模式，基本飛行軌跡能夠準(zhǔn)確地估計(jì)沖擊動(dòng)能。該些模型可以隨著設(shè)計(jì)的修改而更新。在原型機(jī)研發(fā)和初始飛行測試過程中，沖擊動(dòng)能評估，包括阻力大小的計(jì)算，是一個(gè)直接的任務(wù)，通過旋轉(zhuǎn)翼飛機(jī)、滑翔機(jī)關(guān)機(jī)后終點(diǎn)速度和固定翼飛機(jī)俯沖空速驗(yàn)證來完成。飛行試驗(yàn)可以用來驗(yàn)證最壞的情況下飛行器最有可能發(fā)生的故障模式的沖擊動(dòng)能。同樣，也可以驗(yàn)證最大前向空速條件下的沖擊動(dòng)能。

給予充分正確接觸區(qū)域評估的詳細(xì)指導(dǎo)，應(yīng)用者可以評估關(guān)鍵部件接的區(qū)域的能量密度，正確處理并降低穿透傷的風(fēng)險(xiǎn)。最后，最容易導(dǎo)致撕裂傷旋轉(zhuǎn)部件直徑很容易由制造商測量，確定葉片保護(hù)或其他防護(hù)措施要求。在任務(wù)A11最終報(bào)告中，附錄C和D提供推薦的測試和分析標(biāo)準(zhǔn)，操作人員可以使用以申請豁免，遵照FAA107部規(guī)則在人群上空限制飛行。討論AIS，HIC和VC以及各種適用于地面碰撞嚴(yán)重程度的評價(jià)指標(biāo)

AIS、HIC和VC指標(biāo)描述了沖擊及其影響。目前，HIC和VC指標(biāo)需要設(shè)計(jì)師在研發(fā)過程中進(jìn)行復(fù)雜的有限元建模與仿真。在這方面的研究成果有限，已經(jīng)由MSU和ERAU主要進(jìn)行的，并沒有推薦的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建模、仿真。UAH研發(fā)出一種方法，將沖擊動(dòng)能和最大過載閾值用于頭部和頸部受傷評估，在沒有找到更精確的方法之前將作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)簡單使用。此方法曾用于汽車工業(yè)碰撞試驗(yàn)和人頭部損傷影響試驗(yàn)。

建立比RCC更科學(xué)的微小型無人機(jī)閾值標(biāo)準(zhǔn)

在研究小型無人機(jī)多轉(zhuǎn)子和FW平臺時(shí)，RCC沖擊動(dòng)能相對于各自POF過于保守，美國聯(lián)邦航空局應(yīng)考慮修改閾值，更好地確定靈活、單體無人機(jī)導(dǎo)致的損傷嚴(yán)重程度，而不是采用RCC評估高密度、小質(zhì)量碎片損傷程度。更多的模型和AIS相關(guān)性需要重新定義損傷嚴(yán)重程度和沖擊動(dòng)能客之間的關(guān)系，更加廣泛地用于靈活、易碎無人機(jī)最常見的失效模式分析?；谶@種方法，制造商能夠在完全失去動(dòng)力情況下使用飛行試驗(yàn)驗(yàn)證沖擊動(dòng)能，提供頭部或頸部損傷的98%的置信度評估。

在任務(wù)A4最初研究工作中，該團(tuán)隊(duì)審查和評估各種小型無人機(jī)的現(xiàn)有RCC沖擊動(dòng)能和能量密度閾值，綜合考慮了沖擊動(dòng)能和50位假人身體各部位的加權(quán)分布。這樣確定沖擊動(dòng)能閾值，可以驅(qū)動(dòng)工業(yè)部門推進(jìn)小型無人機(jī)ARC報(bào)告中定義的分類通用識標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。然而，小型無人機(jī)的跌落測試（DJl Phantom 3標(biāo)準(zhǔn)型）對ATD HybridⅢ型50位男性假人碰撞測試表明，RCC沖擊動(dòng)能閾值和根據(jù)負(fù)載單元評估的損傷閾值以及國家公路交通安全管理局公布的FMVSS 208之間有很大差異。

這種與沖擊動(dòng)能相關(guān)的損傷評估方法，然而，是在基于小型無人機(jī)沖擊理解的基礎(chǔ)上進(jìn)行的研究重點(diǎn)，完善和驗(yàn)證評估指標(biāo)。A4團(tuán)隊(duì)最初假設(shè)，只有600的沖擊能量作為可轉(zhuǎn)移的能量基準(zhǔn)。任務(wù)A11分析估計(jì)，基于純垂直跌落和質(zhì)量沖擊中心分析，約440～670的沖擊能量轉(zhuǎn)移到假人頭部。ERAU的研究工作顯示，有50%～80%能量轉(zhuǎn)移，沖擊速度從24ft/s下降到0.8ft/s，采用鋁合金固定翼無人機(jī)作為沖擊質(zhì)量。

這與A11任務(wù)分析數(shù)據(jù)一致，隨著撞擊速度的增加，可傳遞能量的百分比下降。ERAU模型沖擊角10°與直接水平?jīng)_擊基本接近。隨著撞擊軌跡變陡，能量傳遞的百分比顯著下降。由塑料制成的固定翼小型無人機(jī)和由鋁合金和塑料制成的多旋翼無人機(jī)遵循這一規(guī)律。這些結(jié)果，采用UAH的低階模型，采用NIAR實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和ERAU有限元模型分析，重點(diǎn)對小型無人機(jī)撞擊能量的吸收進(jìn)行分析，開發(fā)設(shè)計(jì)能量吸收參數(shù)，制定評價(jià)沖擊能量吸收的推薦性標(biāo)準(zhǔn)。MSU的建模與仿真工作不包括沖擊能量傳遞分析;然而，在MSU的仿真顯示，無人機(jī)變形程度和跌落試驗(yàn)基本相同。

這表明，碰撞過程中飛行器的彈性和塑性變形對碰撞物體的能量傳遞起著重要作用。MSU的仿真結(jié)果表明，沖擊速度增加，受傷風(fēng)險(xiǎn)也增加，這與其他研究一致。NIAR跌落測試有所偏離，因?yàn)镸SU仿真結(jié)果表明，與跌落測試相比，AIS 3級和更高損傷可能性更高。它是可能的，頸部模型缺乏和MSU的模型約束過多導(dǎo)致。MSU和ERAU計(jì)劃建立復(fù)雜沖擊過程中整個(gè)頭部和頸部的模型。

這些項(xiàng)目可能是互補(bǔ)的，有助于檢查和驗(yàn)證彼此工作。在這些潛在研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以得知，NIAR測試是在任務(wù)A11中完成的，目的是繼續(xù)研究這些跌落試驗(yàn)結(jié)果，以汽車工程和急救醫(yī)學(xué)的方法完善已經(jīng)研究的損傷評估結(jié)果。

上述方法的局限性在于，不能解決單旋翼無人直升機(jī)的轉(zhuǎn)子能量和沖擊動(dòng)能等問題，在小型無人機(jī)系統(tǒng)級別中單旋翼無人直升機(jī)完全不同于多轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)和固定翼無人機(jī)平臺。單旋翼無人直升機(jī)的轉(zhuǎn)子能量問題需要單獨(dú)處理，相關(guān)閾值需要進(jìn)一步考慮。

3和4類無人機(jī)作業(yè)的降落傘標(biāo)準(zhǔn)

降落傘的使用對碰撞損傷有影響，可以增加3類和4類無人機(jī)性能標(biāo)準(zhǔn)中的尺寸和重量，一旦降落傘設(shè)計(jì)性能標(biāo)準(zhǔn)和操作限制建立，以確保有效地使用降落傘。

防區(qū)度量和無人機(jī)地面碰撞模型

現(xiàn)實(shí)的風(fēng)險(xiǎn)模型將需要更好的建模精度，以更好地對大多數(shù)沒有硬件或軟件的認(rèn)證要求的無人機(jī)平臺操作進(jìn)行概率分析和碰撞嚴(yán)重程度評估和最常見的失效模式。

A4任務(wù)團(tuán)隊(duì)提出微小型無人機(jī)的計(jì)算防區(qū)距離和建立度量未來發(fā)生概率方法的框架?；趹T性落體彈道模型的評估指標(biāo)在短期內(nèi)是有用的;然而，無人機(jī)平臺通常不會分解成低于21b重、按純彈道軌跡飛行的碎片。無人機(jī)平臺通常也不能作為一個(gè)重于21b的完整系統(tǒng)。當(dāng)無人機(jī)墜毀時(shí)，其破壞模式和空氣動(dòng)力學(xué)性能將導(dǎo)致不同概率分布。

鋰電池地面碰撞嚴(yán)重程度

需要更廣泛的研究和測試，評估在發(fā)生地面或空中碰撞時(shí)，微小型無人機(jī)裝配的電池發(fā)生火災(zāi)的隱患。鋰電池是微小型無人機(jī)常見的動(dòng)力系統(tǒng)。這些電池有各種尺寸、種類、化學(xué)溶液和大量單元以滿足特定的能源需求。電池采用多種點(diǎn)火措施應(yīng)對電池惡化時(shí)火災(zāi)、爆炸時(shí)情況發(fā)生，在處理不當(dāng)或在地面或空中碰撞損壞時(shí)容易被穿刺。而制造商聲稱電池已經(jīng)按照當(dāng)前消費(fèi)型鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，很少有微小型無人機(jī)電池貼上標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)簽發(fā)明確符合標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽。

然而，電池消費(fèi)級別測試標(biāo)準(zhǔn)并不能解決地面碰撞時(shí)沖擊能量或受力大小，正確評估碰撞后火源、不同化學(xué)結(jié)構(gòu)和制造方法引發(fā)火災(zāi)的危害性。在干燥的環(huán)境下發(fā)生地面碰撞遭損壞時(shí)，鋰電池很容易造成火災(zāi)。此外，損壞的電池與水接觸會造成更大的火災(zāi)危險(xiǎn)和發(fā)生潛在的爆炸?；馂?zāi)對房屋等財(cái)產(chǎn)的危害性與現(xiàn)行屋面標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)性不甚清楚?；馂?zāi)風(fēng)險(xiǎn)在FAA的一份公開出版的報(bào)告中進(jìn)行了評估。FAA用于試驗(yàn)的鋰電池是飛機(jī)常見的。這些高容量電池只用在微型無人機(jī)上。

知識差距

A4小組確定了二十二項(xiàng)知識差距，即：

（1） FAA注冊數(shù)據(jù)包括商業(yè)運(yùn)營商的飛行器類型。無論是飛機(jī)注冊和無人機(jī)在線注冊登記需要不斷收集，對正在國家空域系統(tǒng)（NAS）中飛行的無人機(jī)保持一個(gè)清晰的認(rèn)識，完善A4任務(wù)和其他任務(wù)的研究重點(diǎn)。

（2） UAH最初假設(shè)CR= 0.2，是基于兩個(gè)碰撞體的定性評估，但很少有定量理論基礎(chǔ)。CR值可以通過試驗(yàn)進(jìn)行估算，UAH正在研發(fā)小型無人機(jī)和人員碰撞的動(dòng)力學(xué)建模，基于作為任務(wù)11的技術(shù)方法一部分的NIAR跌落試驗(yàn)結(jié)果。UAH也開始進(jìn)行內(nèi)部資助的有限元分析模型，繼續(xù)研究能量傳遞、飛行器變形、碰撞事件抵消。

（3）電池引發(fā)火災(zāi)的評估有很大的知識空白。小型無人機(jī)使用的電池的著火溫度峰值和各種電壓、電流額定值的電池工作溫度時(shí)間函數(shù)值是多少？在碰撞時(shí)，電池分解的可能性和分解的嚴(yán)重程度是什么？也就是說，在撞擊過程中，損壞的電池的自動(dòng)點(diǎn)火過程？

（4）沒有相關(guān)的研究，沒有有關(guān)無人機(jī)電池安全運(yùn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)出版，尤其是與地面碰撞嚴(yán)重程度相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。因此，進(jìn)一步研究和測試是，需要利用無人機(jī)電池測試校正現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，定義更合適地面碰撞嚴(yán)重程度條件的新標(biāo)準(zhǔn)。這將正式確認(rèn)電池滿足設(shè)計(jì)要求，包括與防火相關(guān)措施。

（5）進(jìn)行大量不同種類無人機(jī)鋰電池測試，提供統(tǒng)計(jì)和試驗(yàn)評價(jià)，確定是否電池引發(fā)C類屋頂火災(zāi)的危險(xiǎn)程度。另一個(gè)缺點(diǎn)是，美國聯(lián)邦航空局的火災(zāi)試驗(yàn)采用的是載人飛機(jī)的機(jī)載電池。如此高容量電池僅用于某些小型無人機(jī)。目前無人機(jī)鋰電池電壓、容量、單元數(shù)量和化學(xué)結(jié)構(gòu)相差很大。在FAA測試試驗(yàn)的六年時(shí)間里，電池化學(xué)結(jié)構(gòu)和制造方法發(fā)生了許多創(chuàng)新。

（6）開展各種現(xiàn)有無人機(jī)鋰電池大小、制造工藝和化學(xué)結(jié)構(gòu)能更好地評估鋰電池對人員和財(cái)產(chǎn)的危害風(fēng)險(xiǎn)。

（7） UAH提交了一份白皮書給FAA，標(biāo)題為W63-鋰聚合物電池失效模式與影響分析，評價(jià)鋰聚合物電池按照現(xiàn)有的鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)的可行性，執(zhí)行額外的跌落和彈道測試。本實(shí)驗(yàn)的目的是，確定是否現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)足以保證無人機(jī)鋰聚合物電池的安全操作和使用，如同筆記本電腦和手機(jī)等消費(fèi)性電子產(chǎn)品應(yīng)用中目前鋰離子電池的適用標(biāo)準(zhǔn)一樣。

（8） RCC的固有靈活性不夠，尤其是分析大質(zhì)量碰撞體損傷和死亡危害評估。任務(wù)A11的一部分，由NIAR的跌落試驗(yàn)和由MSU、ERAU進(jìn)行的模型構(gòu)建中提出了整個(gè)一問題。為解決這些問題的一些建模，但進(jìn)一步測試無人機(jī)系統(tǒng)沖擊和對人員碰撞比小型金屬碎片碰撞的影響研究更加必要。通過有效的有限元分析和動(dòng)態(tài)建模，可以有效地解決無人機(jī)碰撞過程中沖擊能量傳遞問題，能量傳遞如何受到飛行器方向、幾何形狀和材料的影響。

（9）無人機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)性能和失效模式的概率分布擴(kuò)展情況與空間碎片等彈道模型無人機(jī)不同，需要更多的研究來更好地理解這兩個(gè)特點(diǎn)，見關(guān)于距離及其嚴(yán)重程度的關(guān)系。這方面的知識差距是在該白皮書多轉(zhuǎn)子物體跌落動(dòng)力學(xué)研究W64部分和W65無人機(jī)地面撞擊人員和物體的概率問題研究。

（10）由于目前缺乏足夠數(shù)據(jù)，建議在尸體、豬皮和/或合成替代組織上進(jìn)行測試，以更全面地了解葉片直徑對撕裂傷風(fēng)險(xiǎn)的影響。此外，雖然直徑可能是最簡單和最有影響的切割風(fēng)險(xiǎn)因素，葉片材料和鋒利程度也是影響因素，但他們的影響量化更加復(fù)雜。有人建議進(jìn)行后續(xù)測試，以量化葉片材料和葉片鋒利程度對撕裂傷風(fēng)險(xiǎn)的影響，因?yàn)橛幸恍┰O(shè)計(jì)參數(shù)可用于這樣的測試，例如，最小尖端/邊緣半徑要求或最大葉片剛度。KU正計(jì)劃在2016年7月提交的一份白皮書，調(diào)查葉片撞擊引起撕裂的可能性和嚴(yán)重程度，以便進(jìn)一步研究轉(zhuǎn)子直徑在撕裂危險(xiǎn)性中的作用。

（11）葉片防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)取決于消費(fèi)級無人機(jī)愛好者的級別，而不只是考慮飛行中碰撞最低重量。與包裹遞送應(yīng)用相關(guān)的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)可能需要增加額外的標(biāo)準(zhǔn)條款，保護(hù)小孩的手不受轉(zhuǎn)子的傷害。

（12）目前，飛機(jī)故障概率計(jì)算缺乏足夠的樣本，沒法進(jìn)行詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算以正確界定潛在著陸區(qū)。目前，損傷評估方法只針對具有有限氣動(dòng)特性的慣性碎片的典型彈道系數(shù)處理碰撞動(dòng)力學(xué)問題。無人機(jī)平臺可能產(chǎn)生顯著的氣動(dòng)力和力矩，作為單獨(dú)彈性體很少失效。先前與美國聯(lián)邦航空局的對話建議，終端動(dòng)能可以作為一種潛在的手段，確定不同級別的無人機(jī)安全水平。碰撞概率估計(jì)提供了確定小型無人機(jī)安全操作層面的支撐，可以用來建立基于安全水平目標(biāo)的飛機(jī)材料可靠性的最低要求。這方面的知識差距正在該白皮書W64部分跌落多轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究及后續(xù)小型無人機(jī)在操作域碰撞地面目標(biāo)概率的研究提出來的。

（13）正如3.5節(jié)提出的鋰離子聚合物電池的潛在危害，缺乏支持與屋面標(biāo)準(zhǔn)比較的燃燒溫度和燃燒時(shí)間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，還需要研究的幾個(gè)案例，研究小型無人機(jī)墜毀導(dǎo)致的燃料泄漏和燃料次級點(diǎn)火。

（14）小型無人機(jī)對汽車結(jié)構(gòu)的撞擊影響目前尚未可知。基于動(dòng)能和能量密度分析，小型無人機(jī)似乎可以穿透鋼化玻璃和上釉玻璃，但不能穿透金屬板。較大的無人機(jī)很可能穿透玻璃，并可能損壞外部面板。

（15）小型固定翼無人機(jī)的參數(shù)信息中，用于生成終端動(dòng)能和最大起飛重量關(guān)系的質(zhì)量低于用于多轉(zhuǎn)子分析的輸入數(shù)據(jù)。這一分析的質(zhì)量可以提高，獲得固定翼無人機(jī)的CAD文件和/或更好的圖形（垂直平面和正面圖像）以及CFD分析使用的標(biāo)準(zhǔn)配置和飛翼平臺。A4團(tuán)隊(duì)計(jì)劃，在項(xiàng)目的剩余研究工作中重點(diǎn)改進(jìn)固定翼無人機(jī)模型。

（16）目前，人體頭部損傷分析研究采用的是多旋翼小型無人機(jī)。有限元分析結(jié)果表明，一定范圍的撞擊位置和速度確實(shí)增加了TBI的嚴(yán)重程度。然而，利用“精確鷹”（ Precision Hawk）固定翼無人機(jī)卻得不到同樣結(jié)果。該分析將填補(bǔ)中等大小無人機(jī)碰撞中人腦頭部損傷嚴(yán)重程度和相關(guān)TBI分析的知識差距。

（17）正在進(jìn)行中小型無人機(jī)碰撞對人類頭部影響的研究，以及對人體頸部損傷嚴(yán)重程度指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)的分析。這些分析需要解剖學(xué)上精確的人體頸部、頭部的計(jì)算模型。生物力學(xué)分析表明，C1-C7椎體和腦干、脊髓是脖子受傷量化的關(guān)鍵。

（18）人的頭部和無人機(jī)的振動(dòng)分析對于理解無人機(jī)碰撞的致命性嚴(yán)重程度是至關(guān)重要的，即無人機(jī)和頭部碰撞過程導(dǎo)致人的頭部和大腦在一定共振頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)。這個(gè)假設(shè)是，振動(dòng)對人腦的潛在傷害比初始沖擊更嚴(yán)重。

（19）改進(jìn)現(xiàn)有的微型和中型無人機(jī)模型，包括各種系統(tǒng)/組件的真實(shí)材料特性。這些模型將提供無人機(jī)和人碰撞時(shí)更真實(shí)的物理行為。

（20）無人機(jī)的噪聲很大，容易引起操作人員周邊人員的注意。據(jù)報(bào)道，目前已經(jīng)有大量的手和手臂受傷的案例。因此，我們計(jì)劃研究姿態(tài)的影響時(shí)，考慮人們在無人機(jī)飛行和人碰撞前阻擋或躲避時(shí)的手臂、手和身體的不同姿勢。這種傷害將集中在上肢。幾種典型場景需要進(jìn)行研究。

（21）研究軀干撞擊反應(yīng)的方法可以擴(kuò)展到頭部/頸部復(fù)合體。頭部和頸部的損傷機(jī)制不同于軀干。特別是頭部損傷，包括顱骨骨折和腦震蕩，與鈍性撞擊引起的平移和旋轉(zhuǎn)加速度密切相關(guān)。頸部損傷主要由軸向壓縮和側(cè)向彎曲共同作用。將進(jìn)行綜合模擬以建立響應(yīng)和沖擊參數(shù)（無人機(jī)類型、速度、角度和沖擊位置等）之間的關(guān)系。

（22）易脆性有助于降低無人機(jī)旋翼臂或其他附屬物與人碰撞時(shí)的動(dòng)能，這取決于無人機(jī)速度和旋翼臂的易脆性因子。目前，已經(jīng)建立了一個(gè)由易脆性減輕損傷嚴(yán)重程度的評估流程，但還沒有通過測試驗(yàn)證。如果這種損傷的損傷策略被接受，測試驗(yàn)證結(jié)果對多旋翼無人機(jī)是適用的。