《Journal of Loss Prevention in the Process Industries》：An experimental evaluation of the ignition risk by collision of an unmanned aerial vehicle propeller in the explosive hydrogen atmosphere
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摘要近年来，使用无人驾驶航空器（UAV）进行基础设施维护和检查的应用日益广泛。这些任务往往在存在可燃气体的环境中进行，存在爆炸风险。我们重点关注了无人驾驶航空器螺旋桨与其他物体碰撞后引发点火的可能性。在一个充满氢气爆炸性气氛的密闭室内，使用旋转的无人机螺旋桨和四种靶材（三种不
摘要
近年来，使用无人驾驶航空器（UAV）进行基础设施维护和检查的应用日益广泛。这些任务往往在存在可燃气体的环境中进行，存在爆炸风险。我们重点关注了无人驾驶航空器螺旋桨与其他物体碰撞后引发点火的可能性。在一个充满氢气爆炸性气氛的密闭室内，使用旋转的无人机螺旋桨和四种靶材（三种不同表面涂层的聚碳酸酯和一块锈蚀钢板），共进行了17次碰撞实验。螺旋桨直径为12英寸，转速维持在5,500–6,000转/分钟。撞击点由两台帧速率为15,000帧/秒的高速摄像机记录。在14次实验中观察到碰撞产生的火花。在多次使用聚碳酸酯靶材的实验中，火花多次出现（最多达五次），持续时间最长约为4毫秒。锈蚀钢板靶材仅产生极短暂的火花。在所有实验中，氢气均未发生点火。据推测，即使在爆炸性氢气气氛中，这种尺寸的无人机螺旋桨因碰撞而发生点火的可能性也不高。然而，在条件不同的情况下，例如产生持续时间更长的火花（即更多次连续碰撞）和/或更高转速，点火的可能性不能完全排除。
引言
无人驾驶航空器（UAV）在工业领域的使用正在许多方面不断增加，包括基础设施的检查和维护。在过程工业中，使用无人机进行检查也日益普遍。它取代了高空作业和密闭空间进入等高风险检查任务，有助于减少坠落或窒息等职业事故的发生可能性。另一方面，无人机的使用也可能引发其他类型的无人机相关事故。与无人机使用相关的主要风险是人员与无人机或其部件/载荷接触导致的人员伤害。例如，美国的统计数据显示，每10万人的无人机相关伤害人数从2013年的一例增加到2017年的35例（Johnson等，2019年）。除了人员伤害之外，火灾和爆炸风险也是无人机使用中的主要关注点。无人机引发的火灾和爆炸的主要点火源是电池。例如，2025年，雅加达一家无人机运营公司的仓库发生大规模爆炸，造成22人死亡。该事故是由一块30,000毫安时的锂聚合物无人机电池从堆叠物中坠落至地面所引发（Dawaman等，2026年）。
因此，IEC TC31正在讨论用于爆炸性气氛的防爆无人机的要求。然而，即使无人机实现防爆，也不能排除碰撞产生的机械火花。机械火花通常由金属对金属接触产生，如研磨、打磨、抛光甚至无意间的撞击（碰撞），它可能成为摩擦引燃的来源（例如van Wingerden，2019年；Mayer等，2017年；Averill等，2020年）。当周围环境充满可燃气体或固体气溶胶（如粉末或粉尘）时，可能引发爆炸。据报道，工厂和电厂中30%–50%的爆炸事故归因于机械摩擦或撞击产生的火花（Proust等，2007年）。另一项统计显示，12%的粉尘爆炸事故归因于机械火花（Yuan等，2015年；Eckhoff，2003年）。机械火花引发的点火有时会导致灾难性后果。例如，Davis（2024年）指出，2011年雪佛龙彭布罗克炼油厂爆炸事故中，机械火花也是可能的点火源之一，除了英国HSE（健康与安全执行局，2020年）调查报告中确定的静电和自燃材料之外。
关于无人机碰撞，Yoshizaki等（2024年）报告了碳纤维无人机螺旋桨撞击聚碳酸酯个人防护装备（PPE）时产生火花的情况。Yoshizaki等（2024年）还报告了火花产生时的温度。在许多情况下达到约350°C，在某些情况下高达900°C。这些温度超过了代表性可燃气体如柴油（210°C）、汽油（246°C）、煤油（336°C）和氢气（500°C）的自燃点。由于其实验装置并非为爆炸性实验设计，因此在存在可燃气体的条件下未进行实验。在本研究中，我们改进了他们的实验装置，使其能够在可燃气体爆炸性气氛中进行测试，然后测试由无人机螺旋桨碰撞产生的火花是否会使气体点火。
章节摘要
方法
本实验模拟了无人机在空中失控并与无人机操作员佩戴的个人防护装备（PPE）或设施结构发生碰撞的情景。
结果
针对不同靶材共进行了17次实验：A型（面罩）7次，B型（头盔面罩）4次，C型（护目镜）3次，D型（锈蚀钢板）3次。由于一次实验（第A-003次）中记录摄像机未能正常工作，因此无法测量火花持续时间。因此，我们将讨论其余16次实验的数据。螺旋桨实际转速读数
讨论
在本研究中，使用自主研发的实验装置共进行了16次碰撞实验。在16次实验中，有13次在氢气爆炸性气氛（10%–20%）中进行，在所有使用聚碳酸酯个人防护装备靶材的实验中均明显观察到火花。不同靶材类型之间的火花产生存在明显差异。A型和B型产生的火花持续时间比C型更长。这种差异被认为是由于不同的
结论
通过无人机螺旋桨与各种聚碳酸酯靶材（PPE）之间的碰撞观察到火花的产生。与设施结构中常用的锈蚀钢板碰撞仅产生微弱火花，表明其爆炸风险低于聚碳酸酯。并且在所有实验给定条件下均未发生爆炸。然而，这并不意味着在任何条件下碰撞产生的火花都不会导致爆炸。
作者贡献声明
Tetsuya Kimura：监督、项目管理、资金获取、概念构思。Daisuke Fujiura：数据整理。Toshiro Hoshi：监督、资源。Kosuke Yoshizaki：方法学、数据整理。Soto Moreno Johan Alexis：撰写——初稿、调查研究、数据整理。Hideki Masago：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、监督。Teruhito Otsuka：验证、方法学。Hiroki Igarashi：调查研究。Ayumu Miyahara：方法学、数据整理
未引用参考文献
Averill等，2020年；Haase，1977年；Meyer等，2017年。
利益冲突声明
? 作者声明他们不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文所报告的工作。
致谢
本论文基于日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）委托的项目（JPNP22002）所获得的研究成果。
Soto Moreno Johan Alexis|Kosuke Yoshizaki|Ayumu Miyahara|Hiroki Igarashi|Teruhito Otsuka|Hideki Masago|Toshiro Hoshi|Daisuke Fujiura|Tetsuya Kimura
长冈技术大学。日本新潟县长冈市上殿町1603-1，邮编940-2188
