新能源新构型低空装备安全技术体系报告（2024版）

低空产业联盟 2024年11月 主任 张利国副主任 刘法旺程文渊刘薇薇编委（按姓氏拼音排序） 陈宝 邓文亮 董耀聪 冯振宇 黄兵 黄子健 李艺 李毅 李悦立 金伟 刘栋良 刘延利 祁圣君 权威 邵书义 宋磊 田野 王景霖 吴敬涛 吴欣龙 徐冉 闫淑辉 杨党团 杨光 叶宵宇 张桐 张旺旺 张欣 张泽京 赵爽 郑德智 北京理工大学 工业和信息化部装备工业发展中心 中国民航科学技术研究院中国航空工业发展研究中心 工业和信息化部电子第五研究所中国信息通信研究院 北京航空航天大学西北工业大学 南京航空航天大学 中国飞机强度研究所中国飞行试验研究院 中国航空工业集团公司上海航空测控技术研究所中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所 中国航空工业集团气动院中国航空综合技术研究所中国民航大学 中国有研国联汽车动力电池研究院 卧龙电气驱动集团股份有限公司 北京普安信科技有限公司 北京北航天宇长鹰无人机科技有限公司 北京卫蓝新能源科技股份有限公司航天时代飞鹏有限公司 零重力飞机工业（合肥）有限公司 上海峰飞航空科技有限公司 上海时的科技有限公司 上海沃兰特航空技术有限责任公司上海御风未来航空科技有限公司沃飞长空科技（成都）有限公司 中航（成都）无人机系统股份有限公司 目录 1编制概要1 1.1编制说明1 1.2研究目的1 1.3研究范畴4 1.3.1新能源新构型低空装备定义与分类4 1.3.2安全与验证技术定义和分类5 2.1低空装备安全运行是低空经济发展的重要前提7 2.2低空装备安全技术是民用航空体系变革的关键因素7 2.3低空装备安全发展面临机遇与挑战并存的复杂局面8 3低空装备安全性设计技术9 3.1低空装备安全性气动设计技术9 3.2材料、结构及强度的安全性设计技术10 2编制背景7 3.3动力及能源系统的安全设计技术12 3.4低空装备飞行控制系统的安全设计技术13 3.5低空装备感知系统及执行机构的安全性设计技术15 3.6实时传输数据链路系统的安全性设计技术16 4低空装备安全性的验证技术18 4.1气动布局和总体安全性验证技术与验证平台18 4.2材料与结构的安全性验证技术与验证平台19 4.3动力与能源系统的安全性验证技术与验证平台21 4.4飞行控制系统安全性验证技术与验证平台23 4.5感知系统安全性验证技术与验证平台25 4.6实时传输数据链路系统的安全性验证技术与验证平台25 4.7无人驾驶航空器系统的遥控站安全性验证技术与验证平台27 5低空装备运行的安全支持技术31 5.1低空装备运行中的维修性与安全技术31 5.2低空装备健康管理系统技术32 5.3低空装备面向安全使用的支持技术33 6发展建议35 4.8低空装备安全性飞行验证与评估技术28 1编制概要 1.1 本技术体系是根据我国低空产业发展的实际需要，由低空产业联盟低空装备安全技术委员会组织国内航空领域科研院所、高校、企业、民航机构等单位专家共同研究撰写，编制过程中得到了低空产业联盟内200余家成员单位的指导与支持。 学、客观地进行论证总结，旨在为行业提供技术支撑和发展建议； （2）本报告从低空装备本体安全、人员安全、环境安全等维度，围绕低空装备全寿命周期分析论证安全技术体系架构； （3）本报告着重参考了现有的国内外适航审定技术标准规范，所论证的技术体系包含但不限于现有的适航审定技术内容； （4）本技术体系将根据新能源新构型低空装备安全技 （1）本报告以国内外学术研究、技术应用为基础，科 术研究及应用的进展进行动态更新，此次发布的为2024版本。 1.2 为解决以新能源新构型为代表的低空装备在发展过程中面临的主要安全隐患，本报告结合低空装备全寿命周期中的各项研制维保流程，构建低空装备安全技术体系并分析其 中涉及的关键技术，介绍相关技术在新能源新构型低空装备上的应用情况及发展趋势，最后针对我国低空装备安全技术体系发展提出建议，旨在为相关领域的研究者提供参考与借鉴，研究架构如下图所示。 图1低空装备安全技术体系研究报告架构示意图 3 1.3 1.3.1 本报告中的低空装备主 装备的相关安全技术已相对成熟，不在本研究内重复讨论，因此本文后续中低空装备的描述均特指除传统能源及常规构型外的低空装备，即新能源新构型低空装备，如下图所示。 要是指在低空空域（通常指真高3000米以下所包含的空域）飞行的航空器，按动力来源区分包括传统燃油动力、纯电动力、氢能源动力以及混合动力等类型；按构型区分包括固定翼、多旋翼、复合翼等构型。其中传统能源及常规构型低空 图2低空装备的主要构型分类及其定义示意图 对于新能源新构型低空装备，本研究主要聚焦于具备如下能源及构型特征的低空装备。其中主要包括： （1）纯电动飞行器是指采用电力作为唯一动力来源的飞行器，这类飞行器通过电池储存的电能驱动电 动机来产生推力或升力。（2）氢动力飞行器是指以氢能作为主要动力源，通过氢燃料电池或氢涡轮发动机等技术将氢气的化学能转化为机械能，从而驱动飞行器飞行的航空器。（3）混合动力飞行器是指结合了多种动力源（如燃油发动机和电动机）的飞行器，这类飞行器利用能源管理系统来协同这些动力源以提供飞行所需的推力或升力。 进旋翼系统的无机翼飞行器。推进系统仅提供垂直升力，横向推力通过推进系统俯仰轴上的总推力差产生。（2）复合翼：指具有三个及以上的分布式旋翼推进系统的有机翼飞行器，采用互相独立的推进系统分别提供垂直升力和前向动力。 1.3.2 保障低空装备在运行过程中本体安全、人员安全、环境安全等而采取的一系列技术手段和措施。此类技术的主要目标是确保低空装备能够安全、稳 定、可靠地运行，减少或避免使用过程中可能发生的事故、 （1）多旋翼：指具有三个及以上分布式推 故障及损失等风险。 根据低空装备的全寿命周期过程将低空装备安全技术分为：研发设计、试验验证、生产制造、运行与保障四个部分。其中生产制造过程中可能造成的安全风险主要依靠设计制造符合性规范及质量合规管理来控制，暂不列在本研究讨论范围内，具体分类及关键技术如下图所示。 图3低空装备安全技术架构及分类示意图 6 2编制背景 2.1 年，我国通用航空装备将全面融入人民生产生活各领域，形成万亿级市场规模。低空装备的安全运行是保障低空经济高质量可持续发展的必要保障，低空装备产业的高速发展对包括本体安全、人员安全、运行安全、通信安全以及环境安全等关键因素的低空装备体系安全水平提出了较高的要求。为确保低空装备产业发展和运行服务的安全有序，强化低空装备安全技术能力，需重点研究低空装备的研制、验证、运行与维护保障等环节的安全性技术，建立健全的安全技术体系， 提高低空装备的整体安全性能。 《国家综合立体交通网规划纲要》明确提出，将发展低空经济视为国家战略性新兴产业之一。近年来，低空经济市场规模迅速扩大，截至2023年底，国内现有实名登记的无人驾驶航空器126.7万架，同比增加32.2%。根据《通用航空装备创新应用实施方案（2024-2030年）》预测，到2030 2.2 近年来，作为世界航空业先进水平的代表，美国和欧洲均高度重视低空装备安全技术的研究。美国国家航空航天局 （NASA）联合美国联邦航空管理局（FAA）率先提出“先进空中交通”（AAM）以及“城市空中交通”（UAM）作为其民用航空领域的主要发展建设规划，其关键要素之一便是低空装备安全设计与验证技术，包括电推进系统、电池系统、 2.3 低空装备产业作为新质生产力的重要支撑载体，其安全发展正步入一个机遇与挑战并存的复杂局面。随着政策制定和市场需求的不断增加，低空装备产业的投入与研发力度同步增强，为其安全发展提供了必要条件。然而，伴随机遇而来的，是一系列亟待解决的安全挑战。复杂的应用场景、庞大的设备数量对于低空装备的本体安全、人员安全、运行安全、通信安全及环境安全等安全性提出了极高的要求。因此， 低空装备的结构与气动、动力和能源、飞行控制系统、通信 飞行控制系统以及自动化驾驶系统。欧洲航空安全局（EASA）也在推动低空装备的安全验证技术研发，提出了“安全性评估框架”，旨在为新型低空装备的设计和运营提供系统性的安全标准，强调了对低空装备进行全面的风险评估和测试，确保其能在各类复杂场景下安全运行。总的来说，在未来民用航空领域，低空装备安全技术将在保障低空飞行安全、引领民用航空体系变革等方面发挥重要的作用。 链路等领域关键技术均需进一步突破，以确保其在各种环境和紧急情况下都能安全运作。 3低空装备安全性设计技术 3.1 低空装备应用场景复杂，需要兼顾垂直起降、高速飞行等任务剖面，囊括了传统旋翼、固定翼飞机和eVTOL等设计内容，亟需开展综合考虑抗风性、复杂气象环境适应性、绿色低噪声特性的高安全性气动（低噪）设计技术研究。具体路线图如下： 图4低空装备安全性气动（低噪）设计技术 1 针 对低空装备构型种类多、运行环境复杂、安全性要求高等特点，开展以高安全性为强约束的气动布局设计及优化研究，突破过渡状态气动干扰分析、满足多构型需求的气动布局参数优化等关键技术。 2针 对低空装备运行空域安全敏感性高、飞行任务复杂多样、易受环境风扰动等特点，开展以高冗余度设计为要求的安全飞 行性能与抗风设计技术研究，建立复杂飞行环境下低空装备性能体系。 3开展典 型应用场景复杂气象环境特性研究、复杂气象环境仿真模拟技术研究以及低空装备复杂气象环境适应性评估技术研究等工作，建立低空装备复杂气象环境适应性设计体系。 4针对低空 装备旋翼系统气动噪声问题，开展低噪声旋翼设计技术研究，基于低噪声旋翼设计方法，从动力系统源头上改善低空装备噪声水平，开展有源噪声主动控制技术研究，研制舱内噪声主动控制系统。 3.2 现有材料、结构、强度设计技术对低空装备的适用性不足，亟需相关设计标准与规范的扩充与更新，其相关关键技术路线图如下： 图5材料、结构及强度的安全性设计技术 1针对低空装备复合材 料应用需求，研发复合材料性能数据共享程序，建立基础数据库，降低研发成本。并开展复合材料结构承载储能一体化技术研究，解决结构储能复合材料储能密度和承载性能难以兼顾的难题，提高飞行器结构效率。 空装备，开展结构冲击安全性设计与乘员防护技术研究，形 成设计规范，为抗冲击设计提供基础支撑。同时，开展基于整机吸能策略的电动飞机适坠性设计，确保城市空中交通运行场景下载人低空无人驾驶装备的适坠性安全。 3 通过采用主动噪声控制、振动传 递路径优化、吸声隔声材料铺设、声振超材料及多功能一体 化结构设计等多种方法，可显著降低低空装备的噪声与振动水平，提高低空装备的使用安全性和乘坐舒适性。 4 针对低空装备结构系统的腐蚀、磨 2针对低空装备的复杂构型，开展颤振安全设计技术研究，包括颤振分析、结构优化以及颤振抑制与控制技术，确保飞行安全。此外，针对飞行汽车等低 损和疲劳等问题，开展长寿命高可靠性设计技术研究，确保飞行器的长期稳定运行。此外，针对旋翼飞机等低空装备，开展轻量化/智能化/自适应起落架设计技术研究，建立起落架轻量化设计技术体系，提高起落架的品质和性能。 5针对当前低空装备新型 高效结构发展需求，开展超轻分布式变形的高效低空装备新 型结构设计技术研究，突破关键技术，建立可变体结构设计技术体系，为低空装备的创新设计提供有力支撑。 3.3 动力及能源技术是决定低空无人驾驶装备载荷、航程和安全性的关键因素，涉及电机、舵机等驱动器，电能、氢能等能源系统以及螺旋桨、旋翼等动力构件，其关键技术路线图如下： 图6低空装备动力及能源系统的安全设计技术发展路线图 1 在电机设计方面， 采用高绝缘耐压、高可靠性材料及高效冷却系统，结合电磁兼容与容错设计，确保电机在复杂环境中安全稳定。驱动器设计强调冗余、故障检测与隔离、全面自检、热管理及电磁兼容，保障飞行器可靠运行。 2电池系统同样采用 冗余设计，配备故障检测与隔离、热管理、电磁兼容、软件安全验证及紧急供电系统等，确保安全运营。氢能源系统