eVTOL飛機級安全性減緩措施和效果分析

作者：來源：發布時間：2024-04-22 點擊數：

摘要：

城市空中出行通過應用eVTOL（electric Vertical Take-off and Landing, eVTOL）飛行器實現了零排放的短途快速出行，緩解了地面交通擁堵的問題。但同時城市地區密集的人口以及eVTOL高度的自動化等因素給飛行安全性也帶來了諸多挑戰。本文基于局方對于eVTOL設立的的頂層安全性目標，分析了當嚴重失效發生時，eVTOL飛機級安全性減緩措施——抗墜撞性和整機降落傘兩種方式的應用限制與效果。通過對減緩措施的對比分析，提出了一種考慮減緩效果的eVTOL飛行任務剖面，并總結出不同飛行階段的飛機級安全性影響，得出定量的飛行區域關鍵高度數值。針對飛行剖面中的高風險區域，提出了降低嚴重失效概率的預防措施，為eVTOL的安全性設計以及適航管理提供參考。

00

引言

電動垂直起降航空器是一種面向未來立體交通的中短途出行工具^[1]，與直升機、固定翼飛機等傳統飛行器相比，具有低碳環保、自動化程度高、噪音低等顯著優勢^[2]。但是，eVTOL需要在高密度交通流和復雜城市地形環境下運行^[3]，密集的建筑群減小了eVTOL緩解突發事故的裕量^[4]。如何降低非預期事故對機上及地面人員的影響，是eVTOL安全性研究的重點。NASA在2021年發布了一份名為《支持UAM的eVTOL的功能危害性評估》^[5]的報告，該報告分別以飛行、通信、運輸、導航為頂事件，為應用于城市空中出行（Urban Air Mobility，UAM）的eVTOL提供了安全性分析的指導。2022年12月，NASA在一項eVTOL墜撞測試中根據試驗假人的狀態確定了兩個主要的傷害來源，分別是地板和座位的沖擊以及機身頂部結構的倒塌。美國國家航空研究所（NIAR）也對飛機電池進行了首次墜落測試，以研究eVTOL在緊急著陸時的安全性。該測試由FAA贊助，也是FAA正在進行的以乘客安全為重點的耐撞性評估項目的一部分。與傳統航空運輸相比，eVTOL由于降低了飛行高度和在城市地區運行的因素，加之新穎的飛行器配置和推進裝置（如高壓電池）也帶來了新的安全挑戰^[6]。根據羅蘭貝格的一項研究表明，到2050年，將有多達16萬輛商用空中出租車在空中飛行^[7]。即使災難性的失效狀態平均每飛行小時失效概率等于或小于1X10^-9，事故的絕對數量將由于既定飛行通道中的飛行器數量的增加以及故障概率的恒定而增加^[8]。

綜上所述，考慮到eVTOL在城市低空域這種復雜場景下的飛行安全問題，減緩當航空器在發生嚴重失效后的沖擊影響成為當前eVTOL安全性研究的重點。但是目前專門針對eVTOL抗墜撞性研究較少，直升機的研究成果可以作為參考。文獻^[9]描述了典型的直升機墜機場景，分析了墜毀時對乘員的主要傷害來源，總結了兩個具有代表性的抗墜撞性準則（失效模式可控和能量耗散）。為了降低試驗成本以及縮短試驗周期，數值模擬被廣泛用于輔助抗墜撞性設計，在文獻^[10]中，代爾夫特理工大學研究人員從質量估計、機翼載荷、材料選擇等專業建立模型，為其主導的eVTOL“wigeon”項目進行了初步的抗墜撞設計分析。文獻^[11]通過建立eVTOL的有限元模型，使用數值分析的方法具體到對起落架、減震器、座艙結構及其組合進行了抗墜撞整體結構的優化。另一方面，物傘系統（回收物-降落傘系統）技術也日趨成熟且已經在一些機型中裝載，文獻^[12]介紹了Cirrus SR20的整機降落傘系統（Cirrus Aircraft Parachute System）仿真數據，該系統的目的是提高飛行員和乘客的生還幾率，且該數據可用于FAA驗證過程中的測試用例。文獻^[13]以美國空軍C-9為例，建立了降落傘減速器的氣動彈性模型，并提供了相關的性能與結構數據，用于減速系統的實際計算。但是在VTOL領域的整機降落傘系統仍處于開發階段，仍需進一步的分析、測試和驗證以及制定相關的適航法規和安全標準。

本文基于EASA和CAAC在適航認證方面對eVTOL的安全性要求，分析了當發生嚴重的失效狀態時，使用抗墜撞策略和整機降落傘兩種方案的應用目標和使用限制，并基于分析結果總結出eVTOL在不同飛行階段的飛機級安全性考慮，得出實際飛行中影響航空器安全的關鍵高度節點，為eVTOL的后續安全性研究和適航取證工作提供參考。

01

eVTOL頂層安全性目標

任何民用航空器（Aircraft）都要確定飛機級的安全性目標，即公眾所能接受的航空器失效概率，以及與之相匹配的開發過程（管控）嚴格度。該目標也是適航管理局方（Authority）認可該航空器設計并頒發型號合格證的重要依據。eVTOL是全新的飛行器類別，EASA、CAAC已制定一套全新的適航取證規章，通過適航認證進一步確保飛行器的安全性^[14]。eVTOL種類與構型繁多，運營場景也各不相同。為了應對eVTOL帶來的監管挑戰并推動其應用普及，需要建立相關設計和操作、適航審定的監管框架，并兼顧安全、公共利益和行業發展訴求^[15]。各國適航管理局對于eVTOL的管理規章雖不盡相同，但也大同小異，下文將分別介紹兩個適航管理要求實例。

1.1 EASA頒布的專用條件SC-VTOL-01

在城市人口密集區與運行的垂直起降航空器VTOL，屬于增強型（Enhanced）運營范圍，該類型的VTOL不論載客數目，其最嚴重的失效狀態分類為“災難性”級別，對應的失效概率不小于10^-9（參見表1），并且不能由單點失效產生。此級別的失效概率要求與C919等大型民用飛機基本相同，確保乘客和地面公眾的生命財產安全。

表 1 EASA安全目標與失效條件分類表

相較于FAA，EASA對eVTOL的適航審定要求更為嚴格，采用了與行業實際發展密切相關、循序漸進的方法，先后頒布了eVTOL的特殊條件文件法、符合性方法以及城市空中交通運行規劃等提案^[16]。并且EASA也在MOC SC-VTOL中闡述基本型（Basic）VTOL的失效狀態定義與AC 23.1309-1E類似，但增強型（Enhanced）將對于機上或地面人員造成的單個或多個“致命”（fatality）影響皆歸類于“災難性”級別。

1.2 針對EH-216S頒發的專用條件 SC-21-002

EH-216S是億航智能（Ehang）公司開發的一款電動多旋翼飛行器，也是其“216”系列產品的一部分。其主要特點包括：垂直起降和著陸、無人駕駛、雙座設計、電動驅動等。民航局按照CCAR-21-R4《民用航空產品和零部件合格審定規定》的條款要求為該航空器系統制定了專用條件，確定適用其具體設計和預期用途且具有可接受安全水平的適航要求。依據“PEU.F010系統、設備和安裝”的條款內容，在PEU.F000（a）中包含的航空器系統中的系統、設備和安裝，在單獨考慮以及與其他系統和設備一同考慮時，應當滿足如表2的要求。

表 2 CAAC針對EH216-S頒發的專用條件

eVTOL飛機級安全性減緩措施和效果分析(圖2)

參考EASA與CAAC各自針對eVTOL頒布的專用條件，可以看出各國局方對于eVTOL的安全性目標設定參考了已有同級別的民用航空器目標，同時鑒于eVTOL主要在城市上空飛行，于是在制定相關的安全性要求時，會較同級別的民用航空器更加嚴格。對于發生概率“極不可能”所對應的定量指標還需根據運營場景進一步明確其具體數值。

02

eVTOL飛機級安全性減緩措施

在航空產品研發中，更高的失效狀態等級意味著更嚴苛的產品可靠性要求與研制過程要求，例如DO-178C對于A級軟件需要比C級軟件完成更多的9個目標，且需要滿足更嚴苛的獨立性要求，這些差異最終會影響到項目的人力資源、成本和項目周期等。

基于eVTOL的安全性考慮，尋求一種將飛機頂層的失效狀態降級的措施是問題的關鍵。即在航空器發生嚴重的失效狀態時，不會導致產生機毀人亡的后果。行業中通常有兩個方向來減緩頂層的失效狀態帶來的影響，即開展失效安全設計（Fail-Safe Design），以及通過限制條件和增加運行維護來減小航空器失效的影響。對于飛機級的失效安全設計，當今前沿研究提出了包括滑翔（固定翼）、被動旋翼自轉、安全氣囊、外部能量吸收系統、板下系統等方式減緩沖擊載荷，但是部署在eVTOL中時也面臨效果有限或技術成熟度問題，故本文重點介紹以下兩種具有裝機實例的飛機級減緩措施與效果分析：抗墜撞性設計^[6,10-11]和整機降落傘^[12-13]。

2.1 抗墜撞性

盡管航空器在特定情形下的應急墜撞著陸中可能損壞，但必須設計成在下列條件下合理地保護每一乘員，這就是航空領域一種典型的失效安全設計。該設計方向主要分為“主動安全”和“被動安全”兩部分，飛行器的整體安全是兩部分的結合與協作^[8] 。主動安全側重于避障設計，被動安全側重于碰撞后的減緩措施，本文則主要關注后者。

作為垂直起降的航空器，eVTOL的應急著陸和抗墜撞性（Crashworthiness）要求將會參考類似機型的適航規章條款。首先是現有的旋翼類規章，如中國民航局CCAR-27-R2規章以及歐洲民航管理局EASA的CS-27規章“正常類旋翼航空器適航規定”中的抗墜撞性相關條款第561條（總則）、562條（應急著陸）和952條（燃油系統的抗墜撞性）。這些條款對航空器的乘員的周圍結構、旅客艙地板下的內部燃油箱（電池組件）區域的機身結構、航空器支承結構以及乘員座椅提出了具體要求。對于最大起飛重量超過9080公斤（20000磅）的eVTOL飛行器，還將參考CCAR-29部或其他適用的規定。其次，對于小型固定翼飛機也有相應的適航條款要求，比如23.2270條（應急情況）、23.2315（撤離設施和應急出口）。中描述了正常類飛機審定時的乘客結構保護適航要求。此外，局方還有可能針對eVTO的特點，制定相關的專有條件明確對于新特性的適航審定要求，例如動力電池抗墜撞性方面的要求。因此制造商通常需要和監管機構緊密合作，確保航空器的設計和實現應按照相應的準則成功地完成動態試驗，或由相似型號座椅的動態試驗為基礎的合理分析來表明符合性，從而保證公眾安全。

按照這些規章和墜撞動態試驗要求（EASA CS-27.952、CS-27.561、CS-27.562等），當航空器在約為10米（32英尺）的高度自由落體試驗時，乘客必須能夠在撞擊后撤離；在約15米（50英尺）高度的自由落體跌落測試，應確保乘員安全，免受撞擊后火災等二次傷害。考慮到eVTOL

eVTOL飛機級安全性減緩措施和效果分析(圖3)

圖 1 eVTOL抗墜撞性作用過程

上的動力電磁技術以及在人口密集區域運行的特點，相關的抗墜撞性要求只會更加嚴格，不會低于正常類旋翼航空器相關的要求。一方面，這些規章條款要求eVTOL應采合理的保護措施，實現并表明對相關抗墜撞要求的符合性；另一方面，一旦eVTOL通過了這些測試和分析，也就表明了該eVTOL在一定的高度（例如15米）之下，即便飛機系統發生了嚴重的失效情況（例如電池動力喪失），也不會產生機毀人亡的災難性后果，從而達到了飛機級安全性減緩的目標。圖1顯示了具備抗墜撞性的eVTOL飛行器的作用過程，首先起落架通過變形吸收部分碰撞能量，其次機身的底部具備可控的破壞性元件用于分散沖擊能量，最后航空座椅具備變形特性減緩對乘客身體所受到的沖擊。預期這三個系統同時工作時可以提供足夠的能量耗散，當沖擊力傳遞到乘客時，傷害水平會明顯下降^[17]。

2.2 整機降落傘

降落傘作為常見的安全保障措施，整機降落傘在輕型飛機的安全保證中扮演著重要的角色。整機降落傘的專業術語是彈射救生系統（Ballistic Rescue System），起源于航天技術中的彈道回收技術。Cirrus飛機公司在其SR20、SR22和SR22T等機型中廣泛使用了CAPS系統，該技術是Cirrus飛機的一項創新技術，旨在為成員提供額外的安全保障^[18]。

當裝備了彈射救生系統的航空器遇到危險的時候，降落傘會從航空器內部彈射出來，降落傘充氣打開來增加空氣阻力，從而降低飛機的下降速度，并使航空器保持降落姿態，結合上述抗墜撞性結構設計，可以使飛機較完整地落到地面，保證機上乘員安全，減少對地面人員和財產危害。同時現代的整機降落傘都有滑環（Slider）設計，避免傘蓋瞬間撐開帶來巨大沖擊力破壞航空器結構完整性。

整機降落傘的打開過程需要對降落傘蓋充氣使其膨脹打開，如圖2所示，這需要速度和時間。對于eVTOL飛機來說，其飛行的水平速度有限，這更加依賴于飛行高度來確保有足夠的空間和時間打開降落傘。根據輕型通用飛機整機降落傘的產品信息和使用經驗，帶有滑環的彈射救生整機降落傘的有效打開的最小高度建議在60–80米（200-260英尺）^[19]，鑒于eVTOL的重量、電池和運營特性，建議的BRS最小打開高度不應小于80米。另外，盡管低于BRS的有效高度，在降落傘打開的過程中，部分充氣的降落傘也能起到一定的減速緩沖作用，此時也會起到降低失效狀態嚴重程度的作用。

綜上分析，eVTOL飛機的功能失效（例如，電池動力喪失）如果發生在：

(1)抗墜撞性設計有效高度(10-15米)以下，或

(2)在BRS傘降系統有效高度(60-80米)以上

在以上兩種設計均部署的條件下，只要應對妥當，理論上不會出現災難性事件。

eVTOL飛機級安全性減緩措施和效果分析(圖4)

圖 2 整機降落傘打開過程

03

eVTOL飛行剖面的進一步細化分析

為了保證商業運營的eVTOL飛機能夠有序的起飛和著陸，垂直起降場（Vertiport）會為離場爬升和近進著陸的eVTOL飛機提供額外的安全保障措施來減緩排隊離場和入場飛機的安全性影響。EASA在2022年3月發布了首個垂直起降場的原型技術設計規范^[20]，對垂直起降場的設計和運營提供了明確的指導。FAA發布的垂直起降場設計指南^[21]中，包括且不限于起降區的以下要素：

(1)幾何設計，在平均海平面（Mean Sea level, MSL）超過1000英尺（305米）的高度，需要更長的最終進近與起飛區域（Final Approach and Takeoff, FATO），用來提供更高的安全裕度和更大的操作靈活性。

(2)動態載荷，FATO的設計應假定為eVTOL最大起飛重量的150%的動態載荷。

在文獻^[22]中討論了建立城市空中交通（UAM）垂直起降場運營所需的安全區域設計標準。基于以上資料，在eVTOL起飛和著陸階段，垂直起降場提供的安全保障措施能夠支持比航空器自身的抗墜撞性設計高度更高的安全高度，具體的減緩效果與操作流程和場地設施的具體實現密切相關。

按照相關eVTOL的運行場景分析，結合上述安全性減緩措施和考慮，eVTOL的飛行階段及其安全性影響可以進一步細化，如表3所示，相應飛行階段劃分和安全性風險參考圖3所示。

表 3 eVTOL飛行階段及其安全性影響

圖 3 不同飛行階段對應的安全性風險示意圖

04

結論

通過上述分析，盡管典型的飛機級安全性減緩措施（例如抗墜撞性設計和整機降落傘等）也適用在eVTOL航空器中特定的失效狀態（例如，電池動力喪失），但其保護乘員飛行安全的效果有限，特別是飛行在“不高不低”的區域2和區域3時，并不能很好地保護乘員的安全。基于上述飛行剖面以及各飛行階段安全性考慮，可以得出以下結論：

(1)增加eVTOL的運營場景限制條件，避免航空器處于區域2；

(2)如果航空器無法避免在區域2內運行，最大降低處在該高風險區域的幾率，并通過可信的計算分析確定定量影響；

(3)開展飛機系統功能危害度和初步安全性分析，識別高安全性影響的功能和系統；

(4)在eVTOL進入高風險區域2之前，針對已識別的關鍵功能和系統，開展足夠的狀態檢查，為進入飛行安全關鍵區域做好充足準備。如根據關鍵的電機故障閾值數據、計劃的起飛著陸安全范圍進行判定，確保eVTOL有足夠的發動機性能抵達低風險區域或是航空器下方有足夠的符合要求的墜撞面積，以決定是繼續安全飛行或者拒絕起飛，減少在區域2發生嚴重失效的概率。

在運輸類飛機領域，已經形成了成熟的安全性分析方法和流程（例如ARP 4754A和ARP 4761等指南），這些方法和流程可以很好地指導民用飛機和系統的研制，降低航空器位于高風險區域時失效的幾率。通過局方的審查認可來確保安全性目標得以滿足，同時也適用于eVTOL航空器的研制和適航管理。

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