無人機如何(以及不)威脅客機

四軸飛行器分別與直升機和飛機相撞——這是美國和加拿大的首次此類事件,表明此類碰撞不再是假設

今年秋天的一個溫暖夜晚,兩架美國陸軍 UH-60M 黑鷹直升機在紐約市史泰登島低空巡邏,為在附近的曼哈頓舉行的聯合國大會年度會議提供安全保障。日落後不久,一個鞋盒大小的飛行物體與其中一架直升機相撞,損壞了它的主旋翼葉片、窗框和傳動系統。在附近的機場進行的檢查顯示,發生了以前從未發生過的事情——一架民用無人機撞上了美國領空內的一架載人飛行器。這導致陸軍、國家運輸安全委員會和其他政府機構爭先恐後地調查此事發生的原因和經過。

這些問題雖然重要,但對航空研究人員來說,不如確定越來越常見的無人機(如史泰登島事件中的1.4公斤四軸飛行器)可能對直升機和小型低空飛行器造成的潛在損害程度更重要。關於輕型無人機對航空安全造成的風險的資料很少,即使消費級和商用無人機的銷量正在猛增。美國聯邦航空管理局 (FAA) 預計,到 2020 年,美國可能會售出近 700 萬架無人機。

飛行員已經非常重視無人機碰撞的可能性,有時甚至會因為擔心發生此類撞擊而暫停可能拯救生命的飛行任務。8 月,消防員在蒙大拿州萊斯嶺撲滅一場大火時,由於附近的天空中發現了一架未經授權的無人機,暫時停止了直升機作業。次月,政府機構釋出嚴厲警告,要求平民讓他們的無人機遠離用於在休斯頓定位和疏散哈維颶風受害者的低空飛行器。然而,目前尚不清楚無人機碰撞的風險是否足以超過這些飛行器執行任務的必要性。


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英國克蘭菲爾德大學和國防學院的裝甲系統教授伊恩·霍斯福爾表示,進行搜救行動等低空飛行的直升機可能面臨最嚴重的碰撞風險,因為它們通常與多旋翼消費級和商用無人機佔據相同的空域。“不僅存在控制不當的無人機出現在錯誤地點的威脅,而且直升機的飛行特性是,[即使]一架獲得許可並由飛行員駕駛的無人機也可能被一架誤入其空域的直升機撞擊,反之亦然,”霍斯福爾說。史泰登島上空的陸軍黑鷹直升機在被撞擊時飛行高度約為 150 米。業餘無人機在紐約市的大部分地區都是被禁止的,但在某些地點是被允許的,包括史泰登島的拉圖雷特公園,只要它們保持在約 120 米以下。

固定翼飛機在四軸飛行器可到達的空域中飛行的時間可能不如直升機那麼長,但它們可能會因碰撞而遭受嚴重損壞。在史泰登島事件發生後不到一個月,一架無人機撞上了一架在魁北克市附近的雙引擎螺旋槳飛機。這架比奇空中國王 A100 飛機在接近讓·勒薩熱國際機場的跑道時,其左翼在 450 米以上的高度與無人機相撞。隨後的地面檢查僅發現輕微損傷:機翼頂面有劃痕,除冰系統上有刮擦痕跡。但是,加拿大交通部長馬克·加諾在事件發生後的新聞釋出會上表示,如果無人機撞穿駕駛艙擋風玻璃或損壞發動機,這次碰撞可能會造成“災難性”的後果。

事實上,低空飛行器最危險的一些情況包括無人機撞碎擋風玻璃或撞壞主發動機。紐約州立大學布法羅分校航空航天結構和混合材料的耐撞性 (CRASH) 實驗室創始人兼主任賈維德·巴揚多表示,危險程度取決於所涉及的無人機和載人飛機的型別。巴揚多及其同事此前在弗吉尼亞理工學院和州立大學工作,他們花費多年時間整理了 150 多種無人機模型的資料,並使用計算機模擬來研究對飛機的潛在威脅。“我們不僅對無人機進行分類,並找出它們在多種飛機型別和發動機的不同位置的損傷足跡,”巴揚多說。“我們還在研究可能的損害緩解方法。”

英國交通部軍事航空管理局在 2016 年的一項研究中得出結論,無人機碰撞可能比軟體鳥類的撞擊要糟糕得多。為英國研究進行的測試包括向直升機和大型飛機擋風玻璃射擊不同尺寸的定製無人機,結果發現一架 1.5 公斤的無人機有時可能會突破擋風玻璃。

消費級無人機對高空飛行的商用飛機造成的威脅要小得多;噴氣式客機僅在起飛和降落期間才處於無人機空域,並且對於四軸飛行器來說是一個非常快速移動的目標。最大的風險可能是無人機被吸入其渦輪機之一。巴揚多的 CRASH 實驗室曾經制作過一段影片,展示了無人機如何在噴氣發動機內部被撕成碎片。他說:“這些碎片可能會在發動機內四處飛射,有時速度非常高,並可能繼續擴大損害。”

研究人員表示,無人機與任何型別飛機碰撞的總體機率實際上仍然相對較低。由於沒有太多關於無人機碰撞甚至險些碰撞的資料,喬治梅森大學的梅卡圖斯中心在 2016 年 3 月的一份報告中,將鳥擊作為四軸飛行器的替代物進行了研究 (pdf)。研究人員發現,儘管美國空域中估計有 100 億隻鳥類,但每年僅發生數百起鳥擊事件。“與龐大的鳥類數量相比,造成破壞的鳥擊事件很少見,”該報告得出結論,認為重量不超過 2 公斤的無人機對空域造成的風險很小。

斯坦福大學航空工程師兼斯坦福智慧系統實驗室主任米克爾·科申德費爾說:“直到現在才發生無人機碰撞事件,而且考慮到航班的數量,我認為這證實了我懷疑的那樣,並非像有時媒體讓我們擔心的那樣,存在飛機經常墜毀的瘋狂風險。”儘管如此,他還是將最近在美國和加拿大發生的事件描述為“對無人機操作員關於其對航空安全潛在影響的警鐘”。

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