美军无人机可靠性到底有多高?
自1986年到2002年,“捕食者”“先锋”“猎人”三种型号的无人机发生A等灾难性事故数(A等灾难性事故指的是造成机毁人亡、或导致财产损失一百万美元以上的事故)如下:“捕食者”累积事故率(即每100000飞行小时的A等灾难性事故次数)是32;“先锋”是334;“猎人”是55(自1996年实施可靠性改进措施后降为16)。而有人驾驶飞机的事故率,通用飞机的事故率是1次每10万飞行小时,支线万飞行小时,大型客机的事故率是0.01次每10万飞行小时。统计数字显示,无人机的可靠性要达到与有人机同等水平,则需提高一到两个数量级。
不过,美军正不断采取措施,降低无人机的事故率。“先锋”在服役的15年里,“猎人”在服役的11年里,可靠性都分别提高了一个数量级。相比较而言,“捕食者”无人机的事故率自服役以来,基本保持较低水平。这可能是由于其制造商在以前类似型号设计(1988年的“玻玻”和1992年的“纳蚊”750 )中获得了经验。可以预计,较大型的无人机在本年代末,将事故率控制在15-20次/每10万飞行小时是可能的。
对于无人机在整个寿命期里的可用性来说,RQ-2“先锋”和RQ-5“猎人”可用性趋势在使用期内基本保持稳定,并且“猎人”无人机可用性数值较高,达到0.92—0.98。RQ-1“捕食者”从其早期型别到新型别,在可用性方面有了巨大提高。据1997年美国国防分析研究院报告,早期“捕食者”的可靠性较低主要是由于其技术验证不足,从而对训练操作者维护此系统不利。并且确定,后勤基础设施也是影响可用性的主要因素之一。
图1比较了三种无人机的平均失效间隔时间(MTBF)趋势。RQ-1/“捕食者”由于外场试验不足,初期的系统性能和可靠性方面没有建立联系,致使缺少基准。自1996年以来,通过加强训练和运用较好的维护措施,“捕食者”的平均失效间隔时间平均每年提高了5.9小时。
另外值得注意的是,RQ-5/“猎人”的平均失效间隔时间每年以2.6小时的速度稳定增长。“猎人”早期的MTBF较低,但自1996年实施提高可靠性措施以来,平均每年可靠性增长率达到32.5%。这种改善是由于既进行了故障模式与影响分析,又吸取了经验教训所致。对于RQ-2/“先锋”,MTBF每年以1.4小时的速度适度增长,但在服役的近20年中,增长速度低于预期目标。
RQ-5/“猎人”在所测试的这几种无人机中的可靠性增长最快(每年提高3.5%)。这主要是得益于关键子系统的重大改善。例如,美国总审计局报告曾指出,早期“猎人”的发动机可靠性如此低下,以至于每个无人机单元配有两套“猎人”系统,以便每周更换发动机3到10次。美国总审计局的另一份报告指出,“猎人”的飞行控制软件与数据链接存在问题。但当所指出的这些问题解决后,“猎人”无人机的可靠性得到极大提高。
表1概述了美国目前几种军用无人机的可靠性状况。相比较作战要求指出的需求值,绿色和红色标出的数值分别表示超过和未达到要求的数值。对于每10万飞行小时的事故率,没有提出要求。另外,RQ-1A/“捕食者”的可靠性要求没有得到数据。每10万飞行小时的事故率用两种方式表示出来。型别的事故率表示同一型号无人机不同型别的可靠性状况;型号的事故率表示该型号无人机所有型别可靠性的综合状况。
从表中看出,除RQ-2/“先锋”外,本文所研究的无人机可靠性都超过作战要求。RQ-2A虽然可靠性略显不足,但其下一代RQ-2B无人机除可用性仍然达不到要求外,其它可靠性表现良好。这些无人机的失效模式如表2表示。
1) 对RQ-1B“捕食者”,由于人为因素/地面控制相关原因造成的故障显著较低。这主要是由于在加强“捕食者”态势感知的同时,增强运用训练模拟器的原因。
2) 对RQ-1,尽管采用ARC-210无线电设备实现空中交通管制(ATC)超视距通信使解 决方案复杂化,并存在一些初始的集成问题,但并没有增加由通讯硬件和软件失效而带来的事故率。
3) RQ-1/“捕食者”和RQ-2/“先锋”由于动力/推进系统造成的故障趋势非常相似。 早期的A型型别中,所占比例都在20-30%之间(依次分别为23%、29%)。但在后期型别中,都达到原来的两倍即50% 左右(分别为53%和51%)。MQ-1第30批次“捕食者”升级已重视解决此问题,然而提高“先锋”发动机可靠性的计划却没有实现。
4) RQ-1/“捕食者”和RQ-2/“先锋”由于飞行控制造成的故障趋势也非常相似。从A 型到B型,事故率下降大约一半(“捕食者”:从39%下降到23%;“先锋”:从29%下降到15%.)。这是由于不但对无人机实现了较好的自主飞行,而且对无人机空气动力特性和飞行控制有了更进一步的把握。
5)尽管无人机从早期型号到新型号的失效模式发生了改变,但无人机可靠性趋势是持 续得到改善。这说明了设计者和操作者注意到和意识到系统的不足,并加以改进。
图3显示了所有五种无人机失效模式的平均历史数据。在动力/推进系统、飞行控制和操作训练这三个领域中的可靠性问题占总数的80%。这也提示人们,通过努力提高这些领域的可靠性要求,可以极大地降低故障率,减少无人机的损失。另外,可以利用先进技术替换现有技术(比如电系统替换液压系统,数字传感器替换模拟传感器等),来减少航线维护,提高可靠性。
下面,我们将有人机与无人机的可靠性作一比较。根据美国国会研究部的报告,美国军用有人飞机70%的A类事故是由于人为失误造成的,而美国飞行安全基金会研究指出,对于所有的有人飞机,上述数字将上升到85%。
图4显示了美国空军1947年到2002年55年来事故率下降的趋势。在第一个15年里,每100,000飞行小时的事故率从44快速下降到6。在后40年里,该值逐渐地下降到1。 事故率的下降,主要原因是由于涡轮发动机替换了活塞发动机,同时也是由于改善了飞机训练和使用维护程序。
表3示出了一些有人飞机的可靠性指标,为便于比较,我们再次列出了可靠性最高的RQ-1/“捕食者”无人机的可靠性数据。
由上表可看出,即使是在无人机里可靠性最高的RQ-1/“捕食者”,所列出的各项可靠性指标均低于有人机。不过,近年来,通过在长时间高强度的使用中积累操作经验(以及改善人员训练),同时通过技术手段提高可靠性,“捕食者”和“全球鹰”无人机的每十万飞行小时事故率已降低到与F-16飞机等相当的水平。如图5所示。
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