无人航空器安全性与可靠性设计 —面向低空经济的技术与标准思考

11月7日，在澳门举办的“第二届国际低空经济标准研讨会暨 IEEE CTSoc 低空经济国际标准论坛”上，为民可靠性研究院院长、北航国新院智慧民航科创中心主任康锐教授作《无人航空器安全性与可靠性设计》主旨报告。

他先把“适航、安全性、可靠性”三个常被混用的词分开讲：适航是“门槛”，是资格与合规状态，回答“能不能合法飞”；安全性是“目标”，衡量系统不造成不可接受风险的能力，回答“出事会造成多大伤害”；可靠性是“手段和指标”，衡量功能在时空中的可重复性，回答“会不会坏、多久坏一次”。

三者层层支撑：适航是顶层框架，安全性是核心目标，可靠性是基础支撑；但可靠性不等于安全性——数据链再可靠，缺少失效安全机制，链路一断照样失控；为安全做冗余，也可能因复杂度上升牺牲可靠度。

康锐教授指出，无人机比有人机“千奇百怪”，最大难点是可靠性数据积累不足，不能照搬靠历史统计的老办法，得换一套从原理出发的新方法。

这套方法就是“确信可靠性”：把可靠性从工程上“规定条件下规定时间内完成规定功能的能力”，上升为科学上“系统功能在时空中的可重复性”，底层是三条原理：退化永恒、裕量可靠、不确定。三者落成可算可验的“学科方程”：0号方程描述性能与内外因的关系，是各专业学科的共同底座；退化方程管时间维，裕量方程管空间维，度量方程把“裕量大于零的概率”算成可靠度；再配以可靠域实验、退化律实验，用实验验证方程，而不是凭经验临时决定。

往下是一条完整的正向设计链：使用场景分析，界定边界、理清应力时序；功能性能裕量分析与性能参数退化分析，找出关键性能参数和关键退化机理；建方程、量化不确定性、算指标；不达标就回头“提高裕量”或“延缓退化”，最后沉淀为设计、工艺和供应链控制规范。

为让企业更好落地这套方法，团队还把方法固化成乐12项团体标准，并在不同企业落地应用。康锐教授强调，这些标准后续完全可以转化为低空经济的国际标准。

同时，康锐教授在分享过程还展示了两个案例应用。

案例一，降落伞系统安全性分析：无人机失控坠落会带来地面风险——四川曾发生无人机坠向铁路轨道、致铁路停运253分钟的事故，而降落伞是最后一道防线。团队把伞降拆成自由落体、爆破开伞、主伞拉直、主伞充气、稳定下降五段，逐段写动力学方程，叠加事件树分析理清失效因果，用随机混杂自动机把“每段裕量是否大于零”串成状态转移，再以一万次蒙特卡洛仿真算出确信可靠度0.9685，并指出主伞伞绳拉力最薄弱、贮存温度影响最显著、火工弹射冲量不确定性影响最大。

他指出，方法的价值不只是“算一个数”，而是说清可靠性“为什么掉、往哪改”。

案例二，整机可靠性正向设计，直面“三新”（新设计、新环境、新任务）带来的“四无”：失效预计无数据、指标分配无方法、设计改进无方向、全新研制无经验。

团队用0号方程把“无经验”变成“有依据”，梳理出功率、转速扭矩、控制精度、传输时延、静强度、疲劳强度等12项关键性能参数和能源网络、电机、舵操纵系统、组合惯导、机载网络、飞控计算机、机体结构等关重子系统，再做指标分配；建模反馈时发现电源控制器效率裕量为负、可靠度仅1%左右，短板在图纸阶段就暴露——这正是正向设计的意义。验证还延伸到全寿命周期，按“时间维序贯测试、空间维结构测试、主体维管控策略”搭起体系，把可靠性管到元器件、贮存、运输、装机、使用每个环节。

康锐教授强调：低空安全是低空经济的生命线，标准与可靠性不是产业跑起来后的补丁，而是能不能跑远的前提；可靠性不是事后统计出来的，而是在设计阶段正向设计出来的，靠原理、方程与实验，不靠经验和运气；可靠性工作的直接成果是必须有可执行的规范、能够逐级分配的指标、可以复现的实验，而不仅是一份报告，最终让企业自己能算、能验、能改。

对中国低空产业来说，这套“理论—方程—实验—标准—工程”打通的方法，提供了一个对外讲得清、对内落得下的技术底座。