Impact aspecten bij botsing RPAS en vliegtuig

Openbaar rapport
NLR-CR-2016-234 | mei 2016
Impact aspecten bij botsing RPAS
en vliegtuig
OPDRACHTGEVER: Nederlands Lucht- en
Ruimtevaartcentrum
NLR - Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum
Nederlands Lucht- en
Ruimtevaartcentrum
Het NLR is een toonaangevend, mondiaal opererend
onderzoekscentrum voor de lucht- en ruimtevaart. Met zijn
multidisciplinaire expertise en ongeëvenaarde
onderzoeksfaciliteiten, levert NLR innovatieve, integrale
oplossingen voor complexe uitdagingen in de aerospace sector.
De werkzaamheden van het NLR beslaan het volledige
spectrum van Research Development Test & Evaluation
(RDT&E). Met zijn kennis en faciliteiten kunnen bedrijven
terecht bij het NLR voor validatie, verificatie, kwalificatie,
simulatie en evaluatie. Zo overbrugt het NLR de kloof
tussen onderzoek en toepassing in de praktijk. Het NLR
werkt zowel voor overheid als industrie in binnen- en
buitenland.
Het NLR staat voor praktische en innovatieve oplossingen,
technische expertise en een lange termijn ontwerpvisie.
Hierdoor vindt NLR’s cutting edge technology zijn weg naar
succesvolle lucht- en ruimtevaartprogramma’s van OEM’s
zoals Airbus, Embraer en Pilatus. Het NLR draagt bij aan
(defensie)programma’s zoals ESA’s IXV re-entry voertuig,
de F-35, de Apache-helikopter en Europese programma’s
als SESAR en Clean Sky 2.
Opgericht in 1919 en met 650 betrokken medewerkers,
realiseerde het NLR in 2014 een omzet van 73 miljoen
euro. Driekwart hiervan is afkomstig uit
contractonderzoek, het overige betreft een
overheidsbijdrage.
Voor meer informatie bezoek: www.nlr.nl
NLR-CR-2016-234 | mei 2016
Impact aspecten bij botsing
RPAS en vliegtuig
OPDRACHTGEVER: Nederlands Lucht- en
Ruimtevaartcentrum
AUTEUR(S):
R.J. Roosien
Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum
NLR - Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum
mei 2016 | NLR-CR-2016-234
Niets uit dit rapport mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt, op welke wijze
dan ook, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de eigenaar.
2
OPDRACHTGEVER
Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum
CONTRACTNUMMER
---
EIGENAAR
NLR
NLR DIVISIE
Aerospace Operations
VERSPREIDING
Onbeperkt
RUBRICERING TITEL
ONGERUBRICEERD
NLR-CR-2016-234 | mei 2016
Samenvatting
Incidenten tussen remotely piloted aircraft systems (RPAS, in de volksmond vaak drones genoemd) en
vliegtuigen worden steeds vaker gemeld door piloten en verschijnen geregeld in de media. Dit roept de
vraag op wat de potentiële gevolgen zijn van een botsing tussen een RPAS en een vliegtuig. Hierover is
nog weinig bekend. Dit document verzamelt de huidige kennis over dit onderwerp en doet een oproep
voor nader onderzoek.
3
mei 2016 | NLR-CR-2016-234
4
NLR-CR-2016-234 | mei 2016
Inhoudsopgave
Afkortingen
6
1 Introductie
7
2 Incidenten met RPAS
8
3 Huidig onderzoek
9
4 Certificering
10
5 Potentiele gevolgen van een botsing
11
6 Conclusies en aanbevelingen
12
7 Bronnen
13
5
mei 2016 | NLR-CR-2016-234
Afkortingen
6
ACRONIEM
OMSCHRIJVING
IenM
Ministerie van Infrastructuur en Milieu
ILT
Inspectie voor Leefomgeving en Transport
ILT
Inspectie voor Leefomgeving en Transport
kts
Knopen/zeemijlen per uur
RPAS
Remotely Piloted Aircraft Systems
NLR-CR-2016-234 | mei 2016
1
Introductie
Een delegatie van IenM heeft recent een bezoek gebracht aan NLR in Marknesse voor een informatie
workshop over RPAS. Tijdens deze sessie ontstonden er vragen over de potentiële impact van een
botsing tussen een RPAS en een vliegtuig in relatie tot de eisen die gesteld gaan worden aan een RPAS
vallend onder de ‘mini-drone regeling’ (<4 kg).
Dit document geeft een overzicht van wat er nu bekend is over de impact van een botsing tussen een
RPAS en een vliegtuig.
7
mei 2016 | NLR-CR-2016-234
2
Incidenten met RPAS
In de media is veel aandacht voor incidenten met RPAS en vliegtuigen. Uit tellingen van de Inspectie
voor Leefomgeving en Transport (ILT) blijkt het aantal incidentmeldingen sterk toe te nemen: van 8 in
2012, 15 in 2013, tot 27 in 2014. Hierbij zijn zowel RPAS als modelvliegtuigen inbegrepen (ILT, 2015).
RPAS incidentmeldingen
30
20
10
0
2012
2013
2014
Figuur 1: Meldingen van incidenten met RPAS en modelvliegtuigen
Tot op heden zijn er geen incidenten met doden of gewonden bekend. Hieronder volgt een kort
overzicht van enkele incidenten.
Tabel 1: Selectie van incidenten met RPAS
Datum
Locatie
Gebeurtenis
Mei 2016
Zwolle, NLD
Melding door piloot van RPAS op 5 km hoogte (NOS, 2016)
Mei 2016
Spaarnwoude, NLD
2016)
Amsterdam Schiphol,
Bijna botsing tussen RPAS en Boeing tijdens landing op
NLD
Schiphol (NOS, 2016)
April 2016
A28 Hulshorst, NLD
Bijna-botsing tussen RPAS en auto (De Stentor, 2016)
April 2016
Londen Heathrow, GBR
Mei 2016
April 2016
Amsterdam Schiphol,
NLD
Februari
Parijs Charles de Gaulle,
2016
FRA
Augustus
2015
Juli 2015
Maart
2014
Mei 2013
8
Melding door piloot van RPAS in nabijheid van Schiphol (NOS,
Ben Gurion, ISR
Warschau Chopin, POL
Nistelrode, NLD
Harderwijk, NLD
Botsing met niet geïdentificeerd object tijdens de landing.
Object is vermoedelijk een RPAS. Geen schade. (NOS, 2016)
Melding door piloten van drie vliegtuigen over een of
meerdere RPAS op 30-300 m afstand tijdens de landing (AT5,
2016)
Bijna-botsing tussen RPAS en Airbus tijdens de nadering.
Piloot moest auto-pilot uitschakelen om uit te wijken
(Financieel Dagblad, 2015)
Melding door piloot van Airbus over RPAS op 100 m afstand
tijdens landing (Knack, 2015)
Bijna-botsing tussen RPAS en Embraer tijdens de nadering
(Financieel Dagblad, 2015)
Bijna-botsing tussen modelvliegtuigje en traumahelikopter
(Omroep Brabant, 2014)
Bijna-botsing met Socata (GA) (OVV, 2013)
NLR-CR-2016-234 | mei 2016
3
Huidig onderzoek
Naar de gevolgen van een botsing tussen een RPAS en een vliegtuig is tot op heden weinig praktisch
onderzoek gedaan. Publieke resultaten van dergelijk onderzoek zijn nog niet beschikbaar.
Theoretisch onderzoek is wel voorhanden, zo biedt het boek van Dalamagkidis, Valavanis en Piegl een
theoretisch handvat voor de veiligheid van RPAS in civiel luchtruim (2012). Echter, hierbij gaat het met
name om de kans op een ongeval (bijvoorbeeld een mid-air collision) en niet om de gevolgen.
Onderzoek van de George Mason University (Dourado & Hammond, 2016) verwacht op basis van de
Amerikaanse wildlife strike database dat de gevolgen van een botsing met een enkele RPAS van minder
dan 2 kg minimaal zullen zijn. De kans op een botsing wordt door de onderzoekers voor de VS geschat
-5
op 3,06 x 10 per 100.000 vlieguren. Echter, dit wordt volledig afgeleid van de kans op een birdstrike.
Hierbij wordt de kanttekening gemaakt dat de kans op een RPAS-strike vermoedelijk lager zal liggen.
Ook Exponent (2014) schat de kans op een botsing laag in. Echter, ook hier wordt deze schatting
gebaseerd op de kans op een birdstrike.
Over de potentiële impact van een botsing met een RPAS met een vliegtuigmotor zijn de meningen
verdeeld. Sommigen schatten de impact laag in vanwege de robuustheid van gasturbines (Schneider,
2015), anderen verwachten catastrofale schade (Virginia Tech, 2015). Veel lijkt af te hangen van de
hardheid van het object (harder is gevaarlijker) en het toerental waarop de motor draait (hoger,
bijvoorbeeld tijdens de start, is gevaarlijker).
Op basis van gepubliceerde experimentdata, berekeningen en test data van de impact van scherpe,
metalen fragmenten op de huid van een vliegtuig trekken onderzoekers van de Monash University en
de Australische civiele luchtvaart autoriteit de volgende conclusies (Radi, 2013):
•
Door de aanwezigheid van harde delen, is de impact RPAS niet te vergelijken met die van vogels
•
Indien een RPAS in de motor terecht komt wordt een motoruitval verwacht. Voor
meermotorige, grote vliegtuigen hoeft dit niet catastrofaal te zijn omdat ze zo gebouwd worden
dat ze ook na motorverlies door kunnen vliegen
•
Boven de 200 kts wordt verwacht dat een RPAS door de vliegtuighuid heen dringt en systemen
kan beschadigen
•
Tijdens de landing (bij 160-180 kts) wordt verwacht dat een cockpitraam bestand is tegen de
impact van een RPAS tot 2 kg. Voor RPAS zwaarder dan 2 kg is dit niet het geval.
•
Cockpitramen van general aviation op kruissnelheid zullen niet bestand zijn tegen de impact
van een RPAS, ongeacht gewicht
Het NLR heeft in het verleden zelf enkele testen met ballistische gel uitgevoerd om de impact van een
botsing tussen een mini-RPAS en een mens te schatten. Ook is er een val-test van ~12 m hoogte
uitgevoerd om de schade aan een auto in te schatten wanneer een mini-RPAS uit de lucht zou vallen. In
deze twee tests bleef de schade beperkt tot enkele diepe schrammen, putten in de motorkap, en een
bekraste (maar niet gebroken) voorruit.
9
mei 2016 | NLR-CR-2016-234
4
Certificering
Vaak worden paralellen getrokken met botsingen met vogels (birdstrikes), omdat hier veel data over
beschikbaar is en de massa’s vergelijkbaar zijn (Exponent, 2014). Zo specificeert de European Aviation
Safety Agency’s certification specification for large aeroplanes (EASA CS-25) waar een groot vliegtuig aan
moet voldoen. EASA’s specification for engines (CS-E) specificeert de eisen voor vliegtuigmotoren. Deze
specificaties bieden ook eisen met betrekking tot birdstrikes. Niet alle categorieën geven echter
certificeringseisen op het gebied van birdstrikes. Tabel 2 geeft een overzicht.
Tabel 2: Overzicht EASA certificering op het gebied van birdstrikes (EASA, n.d.)
EASA CS
CS-22
Titel
Toepasbaarheid
Sailplanes and powered
(Gemotoriseerde)
sailplanes
zweefvliegtuigen tot 750 kg
Birdstrike criteria
Geen
Raam: 0,91 kg bij
CS-23
Normal, utility, aerobatic
and commuter aeroplanes
Vliegtuigen met
naderingssnelheid gelijk aan
startgewicht tot 5670 kg en
maximale
9 passagiers of minder
naderingssnelheid met
geopende flaps
CS-25
Large aeroplanes
Grote vliegtuigen met
Raam: 1,81 kg op
gasturbinemotoren
kruissnelheid op zeeniveau
Helikopter met startgewicht
CS-27
Small rotorcraft
tot 3175 kg en 9 passagiers
Geen
of minder
Cat A: veilige
Cat.A: startgewicht > 9072
CS-29
Large rotorcraft
kg en 10 of meer passagiers
Cat.B: startgewicht <9072 kg
of 9 of minder passagiers
vluchtvoortzetting na
botsing vogel 1 kg op
maximale snelheid
Cat B: veilige landing na
botsing vogel 1 kg op
maximale snelheid
Licht sport vliegtuigje met
CS-LSA
Light sport aeroplanes
startgewicht beneden de
600 kg geschikt voor 2
Geen
personen of minder
Licht vliegtuigje met
CS-VLA
Very light aeroplanes
startgewicht beneden de
750 kg geschikt voor 2
Geen
personen of minder
Startgewicht 600 kg of
CS-VLR
Very light rotorcraft
CS-E
Engines
Gasturbines
CS-P
Propellers
Propellor motor
10
minder
Geen
Afhankelijk van grootte
inlaat 1,85 tot 3,65 kg
1,8 kg op ‘meest kritieke
snelheid’
NLR-CR-2016-234 | mei 2016
5
Potentiele gevolgen van een botsing
Een RPAS heeft andere eigenschappen dan een vogel, wat betekent dat de resultaten van birdstrikes
niet zonder meer 1-op-1 vergeleken kunnen worden met de impact van een RPAS. Dit komt
voornamelijk door het verschil in dichtheid en daardoor het verschil in de vervorming na een impact.
Daar waar een vogel vervormd heeft een RPAS enkele harde onderdelen (bijvoorbeeld elektromotoren)
die naar verwachting vrijwel niet vervormen bij een botsing. Ook ligt de botsingsnelheid mogelijk hoger.
Deze twee factoren samen kunnen tot een ander schadebeeld voor RPAS leiden. Naast directe schade
bestaat het risico dat de harde onderdelen uit een RPAS putjes slaan in bijvoorbeeld turbinebladen.
Deze lokale verzwakkingen kunnen leiden tot spanningsconcentraties met vervroegde
vermoeiingsschade tot gevolg.
De gewichten van sommige RPAS liggen beduidend hoger dan de vogelgewichten zoals die bij de
certificering gehanteerd worden. Daarnaast kunnen RPAS in volle vlucht behoorlijke snelheden
behalen. Deze twee factoren roepen vragen op naar de impact van een RPAS met een cockpitraam. De
tabel hieronder geeft een overzicht van gewichten en snelheden van enkele gangbare vogelsoorten en
voor particulieren verkrijgbare RPAS.
Tabel 3: Snelheden en gewichten van vogels en RPAS
Type
Gewicht
(incl. payload)
Snelheid
Prijs (indicatie)
Gans
3-4 kg
45 km/u
-
Zwaan
10-12 kg
Onbekend
-
RPAS (bijv. DJI Phantom 4)
1,5 kg
70 km/u
€1600, -
RPAS (bijv. DJI Inspire 1)
3,5 kg
65 km/u
€2800, -
RPAS (bijv. DJI M600)
15 kg
65 km/u
€5300, -
11
mei 2016 | NLR-CR-2016-234
6
Conclusies en aanbevelingen
Er is nog maar weinig praktisch onderzoek gedaan naar de impact van een botsing tussen RPAS en
vliegtuig. Vaak wordt verwezen naar birdstrikes voor een indicatie. Echter, het verschil in structuur en
snelheid tussen vogels en RPAS zou tot een wezenlijk ander schadebeeld kunnen leiden. Ook zijn er
voor sommige categorieën lichte vliegtuigen en lichte helikopters geen certificeringseisen op het gebied
van birdstrikes. Juist deze categorieën kunnen kwetsbaar zijn in geval van een botsing. Aangezien RPAS
aan populariteit winnen en het aantal incidenten toeneemt, lijkt het raadzaam hier nader onderzoek
naar te doen.
Elementen hieruit kunnen zijn:
12
•
Identificeren van kritische componenten
•
Component testen op RPAS-impact
•
Full-scale testen in samenwerking met fabrikant
•
Voorspellen verwacht RPAS-gebruik
NLR-CR-2016-234 | mei 2016
7
Bronnen
AT5. (2016, april 2). Bijna-botsing met drone boven Schiphol. Opgeroepen op april 21, 2016, van
nu.nl:
http://www.nu.nl/amsterdam/4240596/bijna-botsing-met-drone-boven-
schiphol.html
Dalamagkidis, K., Valavanis, K., & Piegl, A. (2012). On integrating unmanned aircraft systems into
the National Airspace System. Springer.
De Stentor. (2016, april 20). Drone zorgt voor levensgevaarlijke situatie op A28. Opgeroepen op
april 21, 2016, van destentor.nl: http://www.destentor.nl/regio/nunspeet/drone-zorgtvoor-levensgevaarlijke-situatie-op-a28-1.5941731
Dourado, E., & Hammond, S. (2016). Do consumer drones endanger the national airspace?
Evidence from wildlife strike data. Arlington, VA, USA: Mercatus Center, George Mason
University.
EASA. (2016). Certification specification for engines (CS-E). European Aviation Safety Agency.
EASA. (2016). Certification specification for large aeroplanes (CS-25). European Aviation Safety
Agency.
EASA. (n.d.). Certification Specifications (CSs). Opgeroepen op 05 12, 2016, van European
Aviation Safety Agency: https://www.easa.europa.eu/document-library/certificationspecifications
Exponent. (2014). UAS Safety Analysis. UAS America Fund.
Financieel Dagblad. (2015, 4 maart). Bijna-botsing tussen Airbus en drone. Opgeroepen op 2016
april, 2016, van fd.nl: 21
Financieel Dagblad. (2015, juli 28). Snelle opmars van drones bedreigt veiligheid luchtvaart.
Opgeroepen op april 21, 2016, van fd.nl: http://fd.nl/ondernemen/1112611/snelleopmars-van-drones-bedreigt-veiligheid-luchtvaart
ILT. (2015, juni). Informatieblad ABL - Incidentmeldingen drones. Inspectie Leefomgeving en
Transport.
Knack. (2015, augustus 13). Bijna-botsing van Brussels Airlines vliegtuig met drone. Opgeroepen
op april 21, 2016, van knack.be: http://www.knack.be/nieuws/wereld/bijna-botsing-vanbrussels-airlines-vliegtuig-met-drone/article-normal-593927.html
Nizampatnam, L. (1999). Models and methods for bird strike load predictions. Wichita, KS, USA:
Wichita State University.
NOS. (2016, 05 07). Opnieuw drone rakelings langs vliegtuig op Schiphol. Opgeroepen op 05 25,
2016, van NOS: http://nos.nl/artikel/2103650-opnieuw-drone-rakelings-langs-vliegtuigop-schiphol.html
NOS. (2016, mei 13). Opnieuw incident met drone bij Schiphol. Opgeroepen op mei 25, 2016, van
NOS.nl: http://nos.nl/artikel/2104838-opnieuw-incident-met-drone-bij-schiphol.html
NOS. (2016, april 17). Passagiersvliegtuig Heathrow botste vermoedelijk met drone. Opgeroepen
op april 21, 2016, van NOS.nl: http://nos.nl/artikel/2099843-passagiersvliegtuigheathrow-botste-vermoedelijk-met-drone.html
13
mei 2016 | NLR-CR-2016-234
NOS. (2016, mei 19). Piloot ziet drone op recordhoogte. Opgeroepen op mei 25, 2016, van
NOS.nl: http://nos.nl/artikel/2105943-piloot-ziet-drone-op-recordhoogte.html
Omroep Brabant. (2014, september 23). Traumahelikopter bijna gebotst met modelvliegtuigje
boven
Nistelrode.
Opgeroepen
op
april
21,
2016,
van
omroepbrabant.nl:
http://www.omroepbrabant.nl/?news/217223612/Traumahelikopter+bijna+gebotst+m
et+modelvliegtuigje+boven+Nistelrode.aspx
OVV. (2013). Kwartaalrapportage Luchtvaart (april-juni 2013). Onderzoeksraad Voor Veiligheid.
Radi, A. (2013). Potential damage assessment of a mid-air collision with a small UAV. Civil Aviation
Safety Authority (Australia)/ Monash University.
Schneider, D. (2015, 03 11). What might happen if an airliner hit a small drone? Opgeroepen op
05
12,
2016,
van
IEEE
Spectrum:
http://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/drones/what-might-happen-if-airlinerhit-small-drone
Virginia Tech. (2015, 10 28). Engineering researchers seek remedies for threat posed by drones to
commercial
airliners.
Opgeroepen
op
05
12,
2016,
https://www.vtnews.vt.edu/articles/2015/10/102815-engineeringjetenginedronestrike.html
14
van
Virginia
Tech:
NLR
Anthony Fokkerweg 2
1059 CM Amsterdam
p ) +31 88 511 3113 f ) +31 88 511 3210
e ) [email protected] i ) www.nlr.nl