简画无人机适航

文摘   科学   2023-04-13 16:38   北京  

前言

无人机是IT行业对航空业的一次跨界革命,然而多数IT人被适航、飞标等概念搞的云里雾里,而多数航空人依然以航模的思维去理解无人机,导致大多数无人机长期不能获得合法身份运行。因此,本文探讨无人机的适航管理,希望能够起抛砖引玉之功用。

适航到底是什么

什么是适航?适航,英文Seaworthiness,是海商法的基本主题。指船东和承运人提供能够对抗海上危险的船舶和船员的义务。也就是说,人和机器共同应对风险,是适航的本质

而民用航空器的适航性(Airworthiness)是指该航空器各部件及子系统的整体性能和操纵特性在预期运行环境和使用限制下安全性和物理完整性的一种品质。飞行中人应对风险的能力则由飞行标准(Flight Standard)来确保品质。所以民航业的适航+飞行标准,才构成等同于上述适航的本质。

无人机适航又是什么

无人机适航,应该是航空器的品质,还是航空器+人的品质呢?无人机到底有没有人呢?

我们先看一下传统航空器的操作。人在驾驶舱,操作驾驶杆舵、油门杆、各种开关电门,从而使舵面、发动机、空调等系统正常工作,并抵御各类风险,实现安全飞行。

无人机,就是把上图中的人去掉。所以无人机的标准定义是:驾驶舱没有驾驶员的航空器。人在哪里呢?人在远程操纵或者监控(运行环路中完全没有人的无人机还没出现,ICAO暂时删除了“自主无人机”的概念)。

为了方便理解,我们把上图简化一下:

首先理解一下人在驾驶舱的作用,以便了解去掉人以后需要哪些补偿。人的作用体现在3个方面:

1、感知:通过视觉、听觉、触觉、肌肉反馈等获取外界信息、指令等,IT行业称之为输入;

2、计算:对所有信息和指令做出分析和判断,做出决策,操作驾驶杆舵、油门杆、各种开关电门,保持航空器正常运作,并化解风险,IT行业称之为算法和输出;

3、链路:人通过钢索、线缆对舵面、喷油嘴、桨距实现调整,钢索、线缆这些中间媒介可称为链路。

把人抽离驾驶舱后,就得确保感知、算法、链路的可靠性。

感知可靠性:要求准确、精度、多元等;

算法可靠性:要求逻辑正确、没有BUG,大号或载人无人机还需要多路独立平行计算并自主决策(相当于多人制机组);

链路可靠性:要求稳健、带宽足够等,大号无人机还需要区分正常链路、备份链路、应急链路等(相当于客机的正常法则、备份法则、直接法则)。

航模算不算无人机?一般来讲,航模不具备感知、计算能力,而是靠人在地面人肉感知、人工计算,通过链路完成操作,因此不是完全意义上的无人机。ICAO也确实把航模甩在了一边。算力完全在外的无人机,也和航模差不到哪儿去。

那么,人不在驾驶舱的话,其他设备的适航性有什么变化呢?发动机还是那个发动机,起落架还是那个起落架,螺旋桨还是那个螺旋桨,这些部件的适航和传统适航是一脉相承的,并不需要推倒重来。

结论:狭义的无人机适航,不是全新的一套体系,而是传统适航审定+感知、算法、链路的可靠性审定。新增的三类是传统适航所欠缺的,而且需要这些方面的专家来制定标准。

为什么无人机看上去如此不同

这也是为什么说无人机是IT行业对航空业的一次跨界革命的原因。感知、算法、链路均来自于IT行业,这里重点说一下算法。

80年代,出现了电子表,算是发动了一次对机械表的降维打击,以至于2022年的315晚会上说,机械表维修已经堕落成欺诈行业。那一次革命的核心,就是算法取代机械。

我们知道,任何一个齿轮卡壳,就会对钟表带来致命伤害;而封装在集成电路内的算法,可靠性是指数级的高。

同样道理,航空器上的机械构造越多,可靠性越低,在算法的加持下,可靠性会显著提高,现在的航空器上使用了大量计算机,可是为什么还需要驾驶员呢?为什么不能计算机自动执行故障处理检查单,或者一键到底执行检查单呢?这里还有一个算力的问题。

这是著名的TSP问题,要求给出连接所有节点的最短路径。当节点较少时,可以用枚举法算出结果。

当节点较多时,枚举法计算量呈指数级上升,最终导致电脑死机。其他算法目前无法给出准确答案。

机械构造的每一个活动铰链,可以算作一个节点,节点越多,可靠性越低,所需算力越呈现指数级的大,所以当前的航空器无法一键执行检查单,会死机。

而无人机怎么做到的呢?

简化机械结构。你所见到销售量、使用量靠前的无人机,全部都是极简构造,全身能动的地方基本就是电动机和螺旋桨,算力足以应对。

但凡倾转旋翼、直升机、传统飞机魔改等等,依然保留复杂机械的无人机,都是没有出息的无人机

极简构造+内置算法,这就是为什么无人机肉眼看上去如此不同。

无人机怎么审定

传统航空器的审定分为人、机、环三个方面,人主要是执照、运行标准等,机主要是适航审定,包括初始适航和持续适航,环主要针对机场和空管的审定,这是因为一百年来,人类对航空器有相当多的经验和教训,摸索总结出一套方法,来应对常规风险;而对于常规以外的风险,则是使用《运行规范》来解决,针对每一个特定风险,再次从人机环三个方面去应对,从而确保安全。

而无人机大量涌现的年份不是很久,根据近年的《无人机云数据统计报告》可知,如果传统航空器归为鸟类,那么绝大多数无人机可以归为昆虫类,对鸟类的经验绝不可随意套用到昆虫来,因此可以说人类还需要很多年才能建立对无人机的基本管理方法。

那怎么办?如前文所述,对于常规以外的风险,传统航空业是使用《运行规范》来解决,针对每一个特定风险,从人机环三个方面去应对;那么对于无人机,对于各类运行场景,目前而言大部分是特定风险,因此可以使用《运行规范》的方式去管理,也就是SORA方法,对不同的风险逐一分析,连同缓解措施一并列入运行规范。

由于无人机的大小不同、场景不同,对感知、算法、链路的需求也大不相同,因此现阶段很难把无人机按适航、飞标、机场、空域来审定。方向只有一个,即所谓“审运结合”,结论纳入运行规范,先飞起来,多年后再从运行规范中总结出通用要求。

这很符合航海的适航。即广义的无人机适航,人在环内。



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