ISO 51092023 通过测量旋翼和机身频率评估多旋翼UA（无人驾驶飞机）共振频率的方法标准立项发展报告

ISO5109:2023《通过测量旋翼和机身频率评估多旋翼UA（无人驾驶飞机）共振频率的方法》标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:EvaluationMethodfortheResonanceFrequencyoftheMulti-copterUA(UnmannedAircraft)byMeasurementofRotorandBodyFrequencies摘要无人驾驶飞机（UA）技术的迅猛发展推动民用与工业级无人机应用场景持续扩展，多旋翼无人机作为其中应用最为广泛的机型，其结构安全性与飞行可靠性日益受到行业关注。共振现象是引发多旋翼无人机结构疲劳、传感器干扰乃至飞行事故的关键因素之一，而国际范围内长期缺乏统一的共振频率评估方法标准。在此背景下，国际标准化组织（ISO）于2023年7月正式发布ISO5109:2023标准，首次系统性地规定了通过测量旋翼和机身频率评估多旋翼无人机共振频率的标准化方法。本报告全面梳理了该标准的立项背景、编制历程、核心技术内容、适用范围及预期影响，分析了标准所采用的测试条件规范、测量仪器要求、数据采集与处理流程、共振判定准则及报告格式要求等关键技术要素，并介绍了主要起草单位在标准研制过程中的技术贡献。报告认为，ISO5109:2023填补了多旋翼无人机共振频率评估领域国际标准的空白，为无人机设计验证、生产质量控制、适航审定和运维监测提供了统一的技术依据，对促进全球无人机产业健康有序发展具有重要的引领与支撑作用。关键词：多旋翼无人机；共振频率；旋翼频率；机身频率；国际标准；适航审定Keywords:Multi-copterUAV;ResonanceFrequency;RotorFrequency;BodyFrequency;InternationalStandard;AirworthinessCertification一、引言1.1研究背景近年来，全球民用无人机市场呈现爆发式增长态势。根据行业统计数据，全球无人机市场规模预计在2025年将突破500亿美元，多旋翼无人机凭借其垂直起降、悬停作业、结构简单、操控便捷等优势，在农业植保、电力巡检、测绘遥感、物流配送、应急救援和城市管理等诸多领域得到广泛应用。与此同时，多旋翼无人机飞行安全事故时有发生，其中因共振引发的结构破坏和飞控失效问题尤为突出。多旋翼无人机在飞行过程中，旋翼系统的高速旋转会产生周期性的激励载荷。当旋翼转速产生的激振频率与机身结构的固有频率相接近或重合时，系统将发生共振现象。共振状态下，结构振动幅值急剧放大，不仅导致机体疲劳寿命显著缩短，还可能引发传感器数据失真、飞控算法失稳、紧固件松脱乃至空中解体等严重后果。因此，准确评估多旋翼无人机的共振频率，从设计源头规避共振风险，已成为行业亟需解决的基础性技术问题。然而，在ISO5109:2023发布之前，国际范围内缺乏专门针对多旋翼无人机共振频率评估的统一标准。各制造商和检测机构往往参照航空器通用振动测试规范、或依据内部企业标准开展相关试验，导致测试条件、测量方法、评价准则各异，结果可比性差，难以形成行业共识和国际互认。这一标准化空白不仅增加了跨国贸易中的重复检测成本，也为多旋翼无人机的适航审定和国际市场准入带来了不确定性。1.2标准立项的必要性（1）产业发展的迫切需求。多旋翼无人机的设计研发已从经验设计阶段进入精细化验证阶段，需要统一的共振频率测试标准来支撑结构优化设计、旋翼-机身动力学匹配和振动控制系统的研发验证。（2）适航审定的制度需求。各国航空监管机构对无人机适航管理日趋严格，共振频率评估作为结构完整性验证的重要内容，亟需一个国际公认的标准方法作为适航符合性判定依据。（3）国际贸易的协调需求。统一的标准有助于消除技术壁垒，促进无人机产品和检测报告的国际互认，降低制造企业的合规成本。（4）安全运营的保障需求。标准化共振频率评估方法可为无人机运营中的健康监测和故障预判提供基准数据，从技术层面降低飞行安全风险。二、标准概述2.1标准基本信息ISO5109:2023《通过测量旋翼和机身频率评估多旋翼UA（无人驾驶飞机）共振频率的方法》（Evaluationmethodfortheresonancefrequencyofthemulti-copterUA(unmannedaircraft)bymeasurementofrotorandbodyfrequencies）由国际标准化组织（ISO）正式发布，发布日期为2023年7月13日。该标准采用英文版本，分类号为“航空器和航天器综合”，目前状态为现行有效。标准全文以电子版加密PDF格式发行，文件需通过FileOpen插件在线阅读。2.2标准的适用范围该标准适用于多旋翼无人驾驶飞机（包括但不限于四旋翼、六旋翼、八旋翼等构型），规定了通过测量旋翼频率和机身频率来评估多旋翼UA共振频率的通用方法。标准涵盖了试验条件要求、测量设备规范、测试程序、数据处理方法、共振判定准则及测试报告编写要求等技术内容，适用于多旋翼UA的设计验证、批量生产质量控制和适航审定等环节。2.3标准的研制历程ISO5109:2023的制定工作经历了系统而严谨的标准研制流程。在标准预研阶段，ISO相关技术委员会组织专家对多旋翼无人机振动特性和现有测试方法进行了系统的调研分析，识别了标准化需求的关键技术问题。随后，来自各成员体的专家组成工作组，经过多轮工作组会议讨论和草案修改，先后完成了工作草案（WD）、委员会草案（CD）和国际标准草案（DIS）各阶段的编制工作。在DIS阶段，草案面向全体ISO成员体开展投票和意见征集，编制团队对各成员体反馈的技术意见进行了逐条处理和响应。最终，该标准顺利通过最终国际标准草案（FDIS）投票，于2023年7月正式出版发布。三、标准主要内容与技术要点3.1术语和定义该标准对以下关键术语进行了明确定义：-多旋翼UA（multi-copterUA）：指由三个及以上旋翼提供升力和推进力、通过改变各旋翼转速实现飞行控制的无人驾驶飞机。-旋翼频率（rotorfrequency）：指旋翼旋转过程中产生的周期性激励频率，通常以基频（主轴转速对应频率）及其谐波成分表征。-机身频率（bodyfrequency）：指机身结构在自由振动状态下的固有频率，其值取决于结构的质量分布和刚度特性。-共振频率（resonancefrequency）：当外部激励频率与结构固有频率相接近时，系统响应幅值显著增大的对应频率。3.2测试条件要求标准对振动测试的试验条件提出了明确规定，以保证测试结果的可重复性和可比性。在环境条件方面，标准要求测试应在无强风、无强电磁干扰的环境中进行，环境温度和湿度需控制在规定范围内，以避免环境因素对结构动力学特性产生显著影响。在安装状态方面，标准规定测试时无人机可采用自由悬挂或弹性支撑方式模拟自由边界条件，也可根据实际使用工况采用固定边界条件，但需在测试报告中明确说明边界条件的设置方式。此外，标准还对无人机的质量配置提出了要求，明确测试状态应在标准起飞重量或指定的载荷配置下进行。3.3测量仪器要求3.4测试方法与流程标准规定的测试方法主要包括以下关键步骤：（1）旋翼频率测量。通过转速传感器或光电传感器测量各旋翼在不同工作状态下的实际转速，进而确定旋翼的基频和各阶谐波频率。测量应覆盖从怠速到最大工作转速的全部转速范围，并记录各转速下的频率数据。（2）机身频率测量。采用锤击法或激振器法对机身结构施加宽频激励，通过加速度传感器测量结构的频率响应函数，进而识别机身结构的各阶固有频率和阻尼比。测试点的布置应覆盖机身关键结构节点、设备安装位置和载荷承力部位，确保全面反映机身结构的动力学特性。（3）共振风险评估。将测得的旋翼频率（包含基频和谐波成分）与机身固有频率进行对比分析，判断是否存在频率重合或接近的情况。标准给出了旋翼激振频率与机身固有频率之间安全间隔的判定准则，为设计人员提供了明确的共振风险评估依据。3.5数据记录与报告要求标准对测试记录和报告格式提出了规范化要求。测试报告应包含无人机基本信息（型号、序列号、构型、质量等）、测试环境条件、测量设备信息（传感器型号、标定信息等）、边界条件设置、测试数据汇总、频率分析结果和共振风险评价结论等内容。标准还要求报告应包含原始测试数据或经处理后的频率响应曲线，以便于第三方复核和审定机构审查。四、主要起草单位介绍ISO5109:2023的制定汇聚了来自多个成员体的标准化专家和行业技术力量。在标准研制过程中，中国专家团队发挥了重要的技术支撑作用。中国航空综合技术研究所是参与该标准研制的核心单位之一。作为中国航空工业集团有限公司下属的专业标准化研究机构，中国航空综合技术研究所长期致力于航空领域标准化技术研究，在飞行器结构强度、振动与动力学特性测试、可靠性工程等方向具有深厚的技术积累和丰富的标准化实践经验。该所专家团队凭借在航空器振动测试与结构动力学分析方面的专业技术能力，深度参与了ISO5109:2023标准中关于机身频率测量方法、试验条件控制和数据处理流程等技术条款的讨论与编制工作，将中国在航空器振动测试领域的工程经验和技术成果融入国际标准体系。此外，中国航空综合技术研究所依托其在航空标准化领域的系统研究能力，在国内积极组织有关单位开展标准宣贯和适用性验证工作，推动该国际标准在国内多旋翼无人机制造企业和检测机构中的落地实施。其在国际标准技术协调、国内外标准比对分析以及标准应用推广等方面的专业工作，为ISO5109:2023的顺利发布和有效实施提供了重要的技术支撑，也为中国无人机产业深度参与国际标准化活动树立了良好典范。五、标准的意义与影响5.1填补国际标准空白ISO5109:2023的发布填补了多旋翼无人机共振频率评估领域国际标准的空白。此前，全球范围内尚无专门针对多旋翼无人机共振特性测试的统一国际标准，相关测试工作缺乏系统性的规范指导。该标准的出台为全球多旋翼无人机制造商、检测机构和适航审定部门提供了统一的技术准则，具有重要的里程碑意义。从产业发展角度看，该标准为多旋翼无人机的设计验证和批量生产质量控制提供了明确的技术依据。通过在产品研发阶段开展标准化的共振频率评估，企业能够在设计定型前有效识别和消除共振风险，降低产品迭代成本，提升产品的结构可靠性和飞行安全性。同时，统一的标准也有助于规范市场竞争秩序，促进产业技术水平整体提升。5.3促进国际互认与贸易便利化ISO5109:2023作为国际标准化组织发布的标准，具有广泛的国际认可度和权威性。各成员国在制定本国无人机技术法规和适航标准时，可将该标准作为参考基准或直接引用，从而促进多旋翼无人机检测结果的国际互认，减少重复检测带来的时间和经济成本，便利国际贸易的开展。5.4推动技术创新与标准迭代该标准在制定过程中充分吸收了当前多旋翼无人机结构设计和振动测试领域的最新技术成果，反映了行业对无人机结构安全性的最新认识和技术要求。标准的实施也将反哺技术创新，推动企业在满足标准要求的基础上进一步优化结构设计、开发更先进的振动测试与分析方法，形成“标准引领—技术创新—产业升级”的良性循环。六、结论与展望ISO5109:2023作为国际标准化组织发布的首部专门针对多旋翼无人机共振频率评估的标准，标志着无人机结构安全标准化工作进入了一个新的阶段。该标准系统地规范了多旋翼无人机旋翼频率和机身频率的测量方法、测试条件、数据处理和共振风险评估准则，为全球多旋翼无人机的设计验证、质量控制和适航审定提供了统一的技术依据，具有显著的技术价值、经济价值和社会效益。展望未来，随着无人机技术的持续演进和应用场景的不断拓展，多旋翼无人机共振频率评估标准仍有进一步完善和深化的空间。一方面，随着电动垂直起降飞行器（eVTOL）等新型航空器的快速发展，其多旋翼构型的共振评估需求将对该标准的适用性提出新的挑战，标准的适用范围和技术内容有望进一步扩展。另一方面，随着数字孪生、人工智能等技术与结构动力学分析的深度融合，未来共振频率评估方法可能向智能化、虚拟化方向发展，标准体系也需适时跟进。此外，建议各国标准化机构和行业组织加强合作，推动ISO5109:2023在各国国家标准体系中的采纳和应用，并持续开展标准实施效果评估和技术更新工作，确保标准始终与产业发展和技术进步保持同步，为全球无人机产业的安全、健康和可持续发展持续提供标准化支撑。参考文献[1]ISO5109:2023,Evaluationmethodfortheresonancefrequencyofthemulti-copterUA(unmannedaircraft)bymeasurementofrotorandbodyfrequencies[S].Geneva:Int