碰撞课程 ： 从涉及远程驾驶和自主飞机的事故中汲取的教训

彼得 · 梅林 国会图书馆出版物编目数据梅林 ， 彼得 · W · ， 1964 -崩溃课程 ： 从涉及远程驾驶和自主飞机 / 彼得 · W · 梅林。页厘米。 - （ NASA SP ； 2013 - 600 ）包括书目参考和索引。1.无人机 -- 美国 -- 测试。 2. 研究飞机 -- 美国。 3. 飞行测试。 4. 美国国家航空航天局德莱顿飞行研究中心。一、美国。美国国家航空航天局。航空研究任务局。二、职称。UG1242. D7M47 2013 629.133 '34 -- dc232012046389美国国家航空航天局版权所有 © 2013 。本卷中表达的观点是作者的观点 ， 不一定反映美国政府或美国国家航空航天局的官方立场。ISBN 978 - 1 - 62683 - 002 - 8 3AcknowledgmentsvIntroductionviiChapter 1:F - 15 RPRV 1首款实用的远程驾驶研究车Chapter 2:HiMAT 17提高飞机性能Chapter 3:DAST 29气动弹性结构设计探讨Chapter 4:珀尔修斯 59高海拔、长耐力科学平台第 5 章:These 修斯 79对地球的使命Chapter 6:Helios 原型 91第 7 章:Hyper - X 109高超音速空气呼吸推进第 8 章:曼宁无人 119循环中的人类第九章:捕食者 - B 中的人为因素分析碰撞............................................................................143结论:历史的教训 159参考书目163关于作者170索引171 5作者要感谢许多帮助我们使这本书成为可能的人。首先，感谢美国国家航空航天局航空研究任务局的托尼 · 斯普林格赞助了这个项目。我感谢 NASA Dryde 飞行研究中心的许多人的努力，包括但不限于Christia Gelzer Tom Tschida 和 Karl Beder.感谢 Media Fsio 的 Chris Yates 和 Be Weistei 为出版准备手稿。特别感谢 Victoria Regeie，Mar Pestaa，Ke Cross 和 Patric Stolier - 他们审查了材料的技术准确性 - 尤其是 Sarah Merli 对最终手稿进行了文案编辑。 vi过度控制系统增益引起的发散滚转振荡运动是由不等的分析建模导致的 ， 该模型允许工程师高估系统安全裕度。 NASA 7半个多世纪以来，工程师和科学家一直致力于开发遥控和自主飞机。从简单的无线电控制模型发展到配备电传控制，先进的复合结构和集成推进的复杂飞机，其中一些飞机需要复杂的地面站，由飞行员 / 操作员，系统监视器，工程师和科学家组成。结果，它们最终被认为是无人驾驶飞机系统 （ UASes ） 。已经为民用和军用应用开发了各种各样的 UAS 。称为远程驾驶研究车 （ RPRV ） 的专用实验模型补充了驾驶实验飞机 ； 提供可提供的 “快速查看 ” 设计验证 ； 实现危险测试而不会危及飞行员的生命 ； 并提供新功能，例如高空，太阳能供电的环境监测或先进的推进系统。操作 UAS 已用于执法，消防，科学和农业。军事应用包括侦察，打击，通信和货物运输。用于描述这些工艺的术语在不断发展。“无人 ” 一词被替换为“ 无人驾驶 ” 或 “无人居住 ”，但两者最终都被认为是不够的。在大众媒体中，“无人机 ” 一词经常被用来描述任何类型的飞机，这些飞机不能容纳机上人员。不幸的是，这给人的印象是飞机只是一个没有头脑的机器人。没有什么比事实更重要的了 ； 总是有很多人参与其中，担任操作员，监视器和地勤人员。术语 “远程驾驶 ” 和“ 自主 ” 已用于区分由操作员在地面座舱中使用常规的操纵杆和方向舵型控件控制的飞机 （ 人在回路中 ） 与由接收来自地面操作员的导航输入的机载计算机 （ 人在回路中 ） 完全控制的飞机。2010 年，U.S.空军领导人当选为引入一个包罗万象的新术语 - 远程驾驶飞机或 RPA - 以便认识到在每种情况下，无论自治程度如何，都有人类参与。空军官员希望给联邦航空管理局 （ FAA ） 和航空航天界留下深刻的印象，尽管这些车辆始终处于积极控制之下。 8碰撞课程船上缺少人员。1无论他们叫什么 ， RPA 看到越来越多的军事 ， 商业和研究工具的使用。在 1943 年至 1959 年之间 ， 在实际的 RPRV 问世之前 ， 有二十多架飞行员研究飞机和原型机在事故中丢失 ， 其中一半以上是致命的。到 1960 年代 ， 研究人员开始认识到使用远程驾驶车辆作为减轻与飞行测试相关的风险的一种手段的价值。2早在第一次世界大战时，远程驾驶车辆就已被开发用于军事用途，但这些无人机武器系统技术粗糙，设计简单，用于执行车辆无法返回的单向任务。1950 年代电子学的进步大大提高了控制系统的可靠性，使 RPRV 的开发更加实用。早期的努力集中在制导和导航，稳定和远程控制上。最终，设计人员致力于改进技术，通过集成改进的航空电子设备，微处理器和计算机来支持这些功能。RPRV 概念对研究人员很有吸引力，因为它通过在实际飞行条件下的演示，以相对较低的成本，快速响应需求，并且对飞行员没有风险，从而建立了对新技术的信心。尽管使用遥控驾驶车辆代替需要机上人员的飞机提供了优势, 但存在显著的折衷。让飞行员离开飞机有时意味着在开发和制造方面的节省。一些机器人和远程驾驶车辆的成本和复杂性低于需要机载机组人员的可比飞机的成本和复杂性，因为不需要生命支持系统、逃生和生存设备或卫生设施。另一方面, 地面支持设备和人员的成本可能随着对复杂地面控制站的需求而增加。此外, 由于车辆缺乏车载人员, 硬件成本可能降低, 而软件成本增加。但是，在机组人员安全方面确实有好处。可以对被认为是消耗性或半消耗性的车辆进行对机载飞行员造成不可接受的风险的危险测试。由于消除了冗余系统 （ 通常为船员安全而添加 ） 和人员等级测试 ， 以及通过使用不太复杂的结构 ， 对客户需求的快速响应和降低了计划成本1.路透社博客 ， 2009 年 12 月 14 日 ， http: / / blogs. reuters. com / summits / 2009 / 12 / 14 / a - drone - by - any - other - name / ， 2010 年 4 月 30 日访问。2.R. Dale Reed ， “利用远程驾驶研究飞行器的飞行研究技术 ” ， 技术报告 （ TR ） AGARD - LS - 108 ， 论文第 8 号 ， 研究工程 ， NASA Dryden 飞行研究中心 （ DFRC ） ， 加利福尼亚州爱德华兹 （ 1980 ） 。 9Introduction使用可编程地面控制系统提供了额外的灵活性 ， 并消除了因需要进行大量飞机改装而导致的停机时间。3美国国家航空航天局 （ NASA ） 德莱登飞行研究中心 （ DFRC ） 的研究人员使用 RPRV 开拓了创新的新概念，并为当前和未来飞机的技术发展做出了贡献。低预算的无线电控制模型，以及更复杂的亚尺度和全尺度研究飞机，已经成功地用于任务，这将是危险的或物理上延长人员。这种尖端技术的实验和操作使用也导致了许多事故，这些事故可能为未来的 RPRV 和 UAS 运营商提供有价值的教训，实际上也为参与飞机操作的任何人提供了宝贵的教训。以下对 RPRV / UAS 事故的调查将检查其原因、后果、由此产生的纠正措施和经验教训。大多数不期望的结果通常不是由于单个事件而发生的，而是由于涉及设备故障和 / 或人为因素的一系列事件和动作而发生的。本书包括一系列案例研究，主要关注涉及实验飞机的事故和事件。所提供的信息应用于飞行测试组织，飞机运营商，教育者和学生等。这些课程并非 UAS 环境独有，也适用于人类航空和太空飞行活动。共同要素包括船员资源管理，培训，运输计划问题，管理和计划压力 （ 例如Procedre， 时间表，预算，资源 ），驾驶舱 / 控制站设计和其他因素。3.Ibid. 10使用 F - 15 的八分之三的远程驾驶模型 ， 在其全尺寸对应物旁边看到 ， 使研究人员能够进行危险的测试 ， 而不会冒着飞行员的生命危险。NASA 1CHAPTER 1自 20 世纪 60 年代初以来，美国宇航局的研究人员一直在试验遥控飞机，当时无线电控制的模型被用来测试无翼空间再入飞行器配置的空气动力学。随着这种技术的优点变得明显，工程师们很快开始设计更复杂的测试床。十年后，当研究人员应用这项新技术来支持新型空军战斗机 McDoell - Doglas F - 15 Eagle 的研究，开发，测试和评估时，该机构参与了远程驾驶车辆概念。低成本、低风险的替代品1969 年，美国空军选择麦克唐纳 - 道格拉斯飞机公司建造 F - 15，这是一架具有 2 马赫能力的空中优势战斗机，利用越南空战期间的经验教训设计而成。该原型机于 1972 年 7 月首次飞行。在那次飞行前的几个月里，少校Ge.俄亥俄州赖特 - 帕特森空军基地 F - 15 系统项目办公室主任本杰明 · 贝利斯要求 NASA 协助测试八分之三的 F - 15 RPRV 模型，以探索 F - 15 配置的空气动力学和控制系统特性。这样的操作可能是极其危险的。地面飞行员不会冒着对有价值的测试飞行员和原型造成伤害的风险，而是会与 RPRV 一起开发失速 / 自旋恢复技术，并将经验教训传递给驾驶实际飞机的测试飞行员。1972 年 4 月，NASA 授予麦克唐纳 - 道格拉斯 762, 000 美元的合同，以制造三架 F - 15 RPRV 模型。其他承包商提供了电子部件和降落伞回收设备。NASA 技术人员安装了航空电子设备，液压系统和其他子系统。F - 15 RPRV 长 23.5 英尺，主要由玻璃纤维和木材制成，重 2500 磅。它没有推进系统，是为使用直升机进行空中恢复而设计的。 2碰撞课程F - 15 RPRV 地面驾驶舱包含一系列典型的飞行仪器。飞机上的前向电视摄像机提供了外部视觉参考。 NASA每个型号的成本都超过 25 万美元 ， 而全尺寸 F - 15 飞机的成本为 680 万美元。1尽一切努力使用现成的组件和设备现成的飞行研究中心，包括液压元件，陀螺仪，和遥测系统从升降体研究计划。为 RPRV 地面控制站获取了上行链路，然后用于仪表着陆系统实验。地面座舱是由用于稳定性和控制研究的通用模拟器制成的。数据处理计算机适用于基于地面的可编程控制系统。电视摄像机提供了向前的能见度。在每次试飞结束时，RPRV 将使用配备空中回收系统 （ MARS ） 的直升机从天空中拔出。这个降落伞.1.Richard P. Hallion 和 Michael H. Gorn ， 在前沿 ： NASA Dryden 的实验飞行（ 华盛顿特区 ： 史密森尼出版社 ， 2003 年 ） ， 第 210 页。 F - 15 RPRV3该机制已成功用于 Ryan AQM - 34 Firebee 无人机 ， 但在 F - 15 RPRV 测试程序中证明是麻烦的。2第一架 F - 15 RPRV 于 1972 年 12 月抵达飞行研究中心，但直到 1973 年 10 月 12 日才开始飞行。该模型被带到了改良的 B - 52 平流堡垒机翼下方约 45, 000 英尺的高度。在以 175 节的速度从发射塔中释放后，地面飞行员 Eiar Eevoldso 引导飞船进行了完美的 9 分钟飞行，在此期间，他探索了车辆的基本操纵质量。在 15, 000 英尺的高度，部署了一个 12 英尺的旋转恢复降落伞以稳定下降。然后部署了一个 18 英尺的啮合滑槽和一个 79 英尺直径的主滑槽，以便 RPRV 可以在飞行中被直升机下方的钩子和电缆钩住，然后轻轻地放在充气袋上。3飞行 RPRV对于习惯于驾驶常规飞机的飞