小型舰载固定翼无人机安全性分析方法

刘学业; 贾靖

doi:10.3969/j.issn.1673-3819.2019.01.022

指挥控制与仿真 >

2019 , Vol. 41 >Issue 1: 109 - 111

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-3819.2019.01.022

工程实践

小型舰载固定翼无人机安全性分析方法

刘学业 ,
贾靖

展开

中国人民解放军92419部队, 辽宁兴城 125106

刘学业(1981-),男,河南漯河人,硕士,工程师,研究方向为无人机使用研究。

贾靖(1980-),男,硕士研究生,工程师。

Copy editor: 胡前进

收稿日期: 2018-06-16

修回日期: 2018-07-21

网络出版日期: 2022-05-20

收起

Safety Analysis Method of Small Shipboard Fixed Wing UAV LIU Xue-ye, Jia Jing

(Unitof PLA

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Received date: 2018-06-16

Revised date: 2018-07-21

Online published: 2022-05-20

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摘要

小型舰载固定翼无人机具有占用空间小、起降灵活等特点,通过搭载摄录任务设备随舰执行任务可有效提升舰队信息获取能力,对其开展安全性分析方法研究是安全可靠执行任务的前提。采用故障模式及影响分析法、风险评价指数矩阵法对无人机执行任务全过程进行了安全性分析,分析结果表明小型舰载固定翼无人机执行任务风险可控。通过制定安全性改进措施,可进一步降低任务风险,由于安全性分析重点与具体任务场景相关,所用安全性分析方法可供相关技术人员参考。

关键词： 舰载固定翼无人机; 安全性; 故障模式; 风险评价; 危险源

本文引用格式

刘学业 , 贾靖 . 小型舰载固定翼无人机安全性分析方法[J]. 指挥控制与仿真, 2019 , 41(1) : 109 -111 . DOI: 10.3969/j.issn.1673-3819.2019.01.022

Abstract

The small carrier fixed wing UAV has the characteristics of small occupancy space and flexible landing. Carrying out the mission equipment with the ship can effectively improve the fleet information acquisition capability and the research on the security analysis method is the prerequisite for the safe and reliable execution of the task. In this paper, the whole process of unmanned aerial vehicle (UAV) execution is analyzed by the method of failure mode and influence analysis and risk evaluation index matrix method. The analysis results show that the small Shipboard Fixed Wing UAV carries out mission risk control. By making security improvement measures, the security of the task can be further reduced. As the security analysis focus is related to the specific task scene, the security analysis method used in this paper can be used as reference forthe relevant technical personnel.

Key words： ship-based UAV; safety evaluation; failure mode; risk evaluation; haxard source

小型舰载固定翼无人机具有固定翼无人机技术成熟、续航时间长、抗风能力高等优点,结合精确回收技术,可装备在航空母舰,驱逐舰等军舰。其在海域上执行侦查、监视、情报搜集等任务,近年来,受到了各国海军的重视,如美国的“扫描鹰”,“综合者”无人机,实现舰上撞绳无损回收,通过加装高性能发动机,实现了续航时间大于12小时^[1]。本文针对小型舰载固定翼无人机舰上执行任务特点进行了安全性分析,重点关注新型舰船首次加装后的安全性研究。安全性分析通常采用功能危险性分析、故障模式及影响分析(FMEA)、故障树分析、区域安全性分析等方法^[2],每一种方法都适应不同的时机和场合,对于较成熟产品可采用FMEA 方法。

1 危险源分析

小型舰载固定翼无人机主要由无人机平台、弹射装置、拦阻回收装置、测控设备、任务设备和保障设备组成,执行任务全过程主要包括起飞准备阶段、弹射起飞阶段、巡航任务阶段和回收阶段,各阶段可能导致舰体损伤、人员受伤和设备损坏,危险源如表1所示。

表1 任务过程危险源分析

任务阶段	危险源
起飞准备阶段	大型设备或无人机意外滑动、倾倒
	油箱起火
	螺旋桨伤人
	人员意外滑落
弹射起飞阶段	起飞能量不足
	无人机意外弹射
	水平/垂直突风
	无人机撞鸟
巡航阶段	机载设备雨浸
	测控链路失效
	飞控系统失效
	任务设备失效
	动力失效
	GPS信号丢失
	惯导失效
	电磁干扰
回收阶段	水平/垂直突风
	飞机撞击舰体
	回收脱钩落水

2 故障模式影响及危害性分析

2.1 危险因素严酷度定义及发生概率等级

根据表1中所列危险源,进一步开展故障模式影响及危害性分析,并进行严酷度分类,以便采取措施,提高其安全性水平。小型舰载固定翼无人机系统的严酷度定义和故障模式发生概率等级定义如表2和表3所示。

表2 严酷度定义

类别	严酷度	定义
Ⅰ	灾难的	导致舰船,舰载无人机损坏或船上人员受伤的故障
Ⅱ	致命的	导致舰载无人机系统不能执行弹射起飞,无损回收的故障
Ⅲ	严重的	导致舰载无人机系统弹射起飞困难、飞行品质不高、回收点位置偏差大等性能下降的故障
Ⅳ	轻度的	不属于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类的故障状态,但它可导致非计划性维修或修理

表3 故障模式发生概率的等级划分^[3]

等级	定义	故障模式发生概率的特征	故障模式发生概率
A	接连发生	高概率	某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的0.2
B	发生频繁	中等概率	某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的0.1,小于0.2
C	发生几次	不常发生	某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的0.01,小于0.1
D	发生可能性很小	不大可能发生	某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的0.001,小于0.01
E	几乎不可能发生	近乎为零	某一故障模式发生概率小于产品总故障概率的0.001

2.2 故障模式影响分析

小型舰载固定翼无人机执行任务危险事件发生故障类别可以分为四类:设计缺陷、成品故障、人为错误和环境影响。每一类别中包括不同故障模式,根据舰载无人机飞行任务特点,对故障发生原因及危害结果进行详细分析,便于量化开展风险评价,具体如表4所示。

表4 故障模式详细分析

故障类别	故障模式	故障发生原因及危害结果
设计缺陷	起飞能量不足	由于起飞系统设计不合理,在舰船晃动时起飞能量不足,飞机离开弹射架后会下沉,增速时间长,但因有弹射抛射角和甲板高度,飞机在触海前增速到受控爬升,也可能触舰或触海坠毁。
	回收脱钩落水	因回收系统与舰船匹配不合理,导致飞机在回收后未能完全挂住回收绳而落水。飞机机载设备水浸,由于海水的腐蚀性,很快将无法正常工作,无人机将受到损失。
	飞机撞击舰体	因进近航线设定不当或不能控制飞机沿预定进近航线飞行,导致飞机撞击舰体。飞机撞击舰体,机体将毁伤严重,但飞机机体为复合材料制造,且动能较小,撞击过程对舰体损伤较小。
	回收后机/舰发生碰撞	因回收后的摆动、晃动和回转,飞机与舰船发生碰撞。在摆动过程中,飞机和舰船均可能受到轻微损伤。
成品故障	测控链路失效	飞机飞行过程中因机载测控系统成品或地面站测控成品可靠性问题导致测控链路失效。测控失效,飞机与舰面站失去联系,将导致任务失败。
	飞管系统失效	飞管系统失效,飞机失去自动控制能力,发现飞管失效时,由人工接管。GPS信号丢失,飞机管理系统的导航误差将随时间累计增大,飞机在GPS信号丢失后,进行盘旋飞机,等待GPS信号恢复,如不能恢复则手工接管。如人工接管不正常,导致飞机损失。
	动力失效	因发动机失效导致飞机无法正常飞行,需要在海面迫降,导致飞机损失。
	油箱起火	因回收过程中的碰撞、挤压、过热导致飞机油箱起火,造成损失和危险,飞机将烧毁。
环境因素	水平/垂直突风	起飞和回收过程中,飞机受到水平/垂直突风的影响,发生运动轨迹突然改变或无法控制,导致飞机坠海或撞击舰体。
	航路降雨	因航路降雨导致机载设备雨浸,导致飞机部件失效坠海或撞击舰体。
	电磁干扰	因舰船或周边强电磁干扰导致飞机GPS失效、测控失效等。
人为因素	运输装卸、准备、设备撤除过程中大型设备跌落	未按程序进行运输装卸,导致大型设备坠落,导致人员受伤。
人为因素	飞机准备时螺旋桨伤人	未按程序进行发动机启动或人员安全意识不强,出现螺旋桨伤人。
不可控因素	飞行过程中撞鸟	在起飞、巡航和进近过程中与海鸟相撞,造成飞机损伤或失控。

2.3 危害性分析

对于已判定的危险,为了确定合适的解决措施,必须制定风险评价准则,采用风险评价指数矩阵来确定其风险水平,如表5所示。矩阵中的加权指数范围为1到20,是根据危险可能性和严重性综合而确定。通常最高风险指数定为1,最低风险指数为20。对应于风险评价指数的风险决策如下:

a) 评价指数1~5:不可接受;

b) 评价指数6~9:不希望有,需使用方决策;

c) 评价指数10~17:使用方评审后可接受;

d) 评价指数18~20:不评审即可接受。

表5 任务风险评价指数矩阵

评价指数	Ⅰ级	Ⅱ级	Ⅲ级	Ⅳ级
A(频繁)	1	3	7	13
B(很可能)	2	5	9	16
C(有时)	4	6	11	18
D(极少)	8	10	14	19
E(不可能)	12	15	17	20

不同事件带来不同危害性,针对主要危险事件,表6列出小型舰载固定翼无人机执行任务危害性分析结果。

表6 危害性分析结果

危险因素	严酷度等级	故障概率等级	风险指数
起飞能量不足	Ⅲ	D	14
回收脱钩落水	Ⅱ	D	10
飞机撞击舰体	Ⅰ	E	12
回收后机/舰发生磕碰	Ⅰ	E	12
测控链路失效	Ⅱ	D	10
飞管系统失效	Ⅱ	D	10
动力失效	Ⅱ	D	10
油箱起火	Ⅰ	E	12
水平/垂直突风	Ⅰ	D	8
航路降雨	Ⅲ	D	14
电磁干扰	Ⅱ	D	10
飞机运输装卸、准备、设备撤除过程中大型设备跌落	Ⅰ	E	12
飞机准备时螺旋桨伤人。	Ⅰ	E	12
飞行过程中撞鸟	Ⅰ	E	12

3 安全性改进措施

综合上述分析,小型舰载固定翼无人机执行任务主要有14项危险因素,除水平/垂直突风危险因素需使用方决策外,其余危险因素均在经评审后可接受范围。小型舰载固定翼无人机执行任务除加强本身可靠性设计、减少设计缺陷和成品故障外,还可采取以下措施进一步降低安全风险^[5]。

1)针对水平/垂直突风、航路降雨、电磁干扰等飞行风险,提前做好任务现场的气候和电磁环境监测工作,确保满足海况、气温、风力、电磁等环境要求^[4]。

2)针对飞机撞击舰体飞行风险,采取规划安全航迹、人工应急干预、设置安全防护网、无关人员撤离危险区等措施。

3)针对测控链路失效等造成飞机坠海风险,采取增加备份测控站、设置自主回收策略等手段及安排搜救组执行任务期间随时待命等保障措施。

4)针对飞行过程中撞鸟风险。采取飞行海域远离鸟群,执行任务前进行驱鸟工作等措施。

5)针对设备运输装卸、准备、撤除等大型设备跌落人员受伤风险。采取制定任务现场管理制度,对任务流程进行规划,定岗定责定人,制定操作检查单,重要步骤进行双岗交叉确认等措施。

无人机舰载起降执行任务是一项高风险活动,不同任务场景安全性关注重点也不同,对其安全性评估贯穿于系统设计与使用的全过程^[5],通过分析评估发现缺陷和不足,制定和采取必要的措施,提高系统安全性。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

[1]	洪达, 周磊, 郑震山. 国外小型舰载固定翼无人机装备回收技术发展研究[J]. 飞航导弹, 2014(4):50-54.

[2]	颜春艳. 飞机区域安全性分析技术研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2009.

[3]	阳再清, 郑成军, 欧阳中辉, 等. 靶用型无人机安全性分析方法[D]海军航空工程学院, 2009, 24(1):5-8.

[4]	阳再清, 刘关心. 无人直升机安全性思考[J]. 直升机技术, 2012(3):69-72

[5]	阳再清, 刘志强. 舰载无人机飞行安全性评估方法研究[J]. 宇航计测技术, 2014, 34(6):84-88.

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