無人機(jī)飛越大西洋

雛鷹 小燕

在航空技術(shù)高度發(fā)展、航空事業(yè)空前繁榮的今天，越洋飛行已不是什么難事。不過能做到這一點的大都是大型飛機(jī)，特別是民航客機(jī)，用無人駕駛飛機(jī)，尤其是小型無人機(jī)作越洋飛行確實是前所未有的。而這一壯舉就發(fā)生在一年前8月份。更有趣的是研制這種創(chuàng)紀(jì)錄無人機(jī)的，既不是什么大的飛機(jī)公司，也不是專門研究機(jī)構(gòu)，而是一撥航空愛好者，其初衷也不是要創(chuàng)什么飛行紀(jì)錄，最終之所以能實現(xiàn)飛越大西洋這一創(chuàng)舉，是他們在試飛中突發(fā)奇想并經(jīng)過艱苦努力的結(jié)果。

研制無人機(jī)的初衷

1992年，有一撥來自華盛頓大學(xué)、大氣物理研究機(jī)構(gòu)等單位的航空愛好者，在美國海軍研究部和澳大利亞氣象局的支持下，成立了無人機(jī)研究小組。

當(dāng)時，他們成立該研制小組的目的，并不是為了作越洋飛行，而是想研制一種小型無人機(jī)來進(jìn)行氣象探測，因為利用小型無人機(jī)的幫助可提高天氣預(yù)報的準(zhǔn)確度，這是氣象部門尤為感興趣的。在以往的氣象探測中，通常是利用探空氣球攜帶無線電探空儀升入空中，來獲取大氣數(shù)據(jù)，如大氣壓力、溫度、濕度和空氣流動情況（風(fēng)）等。這是各國氣象部門常用的方法，也是一種老辦法。

一般來說，放飛這種探空氣球，在陸地上進(jìn)行并不難，是比較簡單的。但是，如果要在海上放飛，則只能在輪船上起飛或者用有人駕駛飛機(jī)帶到空中投放，這樣做無疑會大大增加氣象工作的費用。據(jù)統(tǒng)計，為了完成天氣預(yù)報，光在陸地上每天大約要放飛1000個帶有無線電探空儀的氣球，這本身就是一筆很大的投資，而如果在海上放飛就必須利用船和飛機(jī)或者利用人造衛(wèi)星，其花費還要大得多。由于投資太大，對于海洋上空的氣象探測，只能采取消極的辦法，少進(jìn)行或不進(jìn)行。因此，長期以來對海上的天氣預(yù)報，一直是存在障礙的。小型無人機(jī)機(jī)動靈活，且成本低，可反復(fù)使用，利用它來進(jìn)行大范圍的海上氣象探測，無疑是一件廉價和可行的事。這就是這個由愛好者組成的無人機(jī)研制小組成立的最初目的。

研制無人機(jī)雖不象研制大飛機(jī)那樣需要巨大的人力、物力和資金的投入，但必要的研制費用也是不可缺少的。在他們的宣傳和努力下，后來研制小組又先后得到了美國、加拿大和中國臺灣氣象部門，華盛頓大學(xué)以及澳大利亞樂器公司的援助，其中包括資金和技術(shù)。至于在后來的越洋飛行中，當(dāng)然還得到了沿途有關(guān)政府和部門的幫助。

越洋飛行設(shè)想的提出

經(jīng)過研制小組的努力，無人機(jī)研制出來后，截至1998年中已經(jīng)制造了多架無人機(jī)，大多數(shù)都攜帶探空儀上天進(jìn)行了試飛，累計飛行800多小時，以驗證無人機(jī)的飛行性能、對各種條件的適應(yīng)性和采集數(shù)據(jù)的能力。因為，這些無人機(jī)在將來執(zhí)行大氣探測任務(wù)時，其飛行范圍主要在環(huán)太平洋海岸，天氣條件十分復(fù)雜。如哥倫比亞海岸一帶降雨多，甚至還有凍雨；澳大利亞和南中國海常有強(qiáng)雷暴天氣等。也就是說，在這些地區(qū)各種天氣條件都可能發(fā)生，要想保證無人機(jī)隨時都能夠起飛作業(yè)，就必須適應(yīng)各種天氣條件。為此他們用多架無人機(jī)進(jìn)行了反復(fù)試驗，也包括長時間的持續(xù)飛行。其中有兩架無人機(jī)持續(xù)飛行時間達(dá)到了30小時，有好幾架無人機(jī)超過24小時，盡管飛行距離都不太遠(yuǎn)，一般不超離起飛點200公里的范圍內(nèi)。正是由于在試飛中更進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)這種無人機(jī)具有長時間的持續(xù)飛行能力，于是他們突發(fā)奇想——提出了用無人機(jī)飛越大西洋的設(shè)想。

大西洋是一片神奇的海域，曾有不少探險家在這里留下過他們的足跡，其中包括飛行探險家查爾斯·林伯、艾沙巴德·伯努利、約翰·阿羅克和阿托·布朗等。1919年6月14日，阿羅克和布朗二人駕駛一架“威克斯·威姆”號飛機(jī)，從圣約翰出發(fā)，經(jīng)過16小時的不著陸飛行，最后降落在愛爾蘭海岸的沼澤地上，成為首次飛越大西洋的人。

不過，用小型無人機(jī)飛越大西洋至今無人嘗試。現(xiàn)在，他們認(rèn)為已經(jīng)有條件，向這一紀(jì)錄挑戰(zhàn)。

他們之所以能大膽地提出無人機(jī)越洋飛行設(shè)想，還有一個前提，那就是航空航天科學(xué)發(fā)展和新技術(shù)的應(yīng)用，在客觀上已具備了實現(xiàn)這一目標(biāo)的條件。事實早已證明，一個新的科學(xué)成果或一項新技術(shù)的出現(xiàn)，完全有可能使我們原來認(rèn)為辦不到的事成為可能，讓其未表現(xiàn)的潛能得到發(fā)揮。在小型無人駕駛飛機(jī)方面，通過采用新技術(shù)設(shè)備，完全有可能使它性能更好、能力更強(qiáng)、應(yīng)用領(lǐng)域更廣。比如新型復(fù)合材料的大量使用，可以使無人機(jī)的結(jié)構(gòu)重量更輕、性能更好；全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）的出現(xiàn)，可以使它飛得更遠(yuǎn)（只要動力系統(tǒng)允許）。

以往，對于小型無人駕駛飛機(jī)來說，要進(jìn)行越洋飛行簡直是不可能的。其原因主要是沒有合適的遠(yuǎn)距離導(dǎo)航設(shè)備。在GPS沒有出現(xiàn)以前，要進(jìn)行越洋飛行，人們只得使用諸如羅蘭、歐米伽和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等設(shè)備。這些設(shè)備既笨重又昂貴，對于大飛機(jī)來說可能不算什么，但對于重量輕、成本低的小型無人機(jī)來說，是很不匹配或者是不能接受的。而GPS技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，則使得人們只需花上幾百美元，就可以得到重量低于100克、功率小于1瓦特、可在世界范圍內(nèi)提供精確導(dǎo)航的設(shè)備。它的出現(xiàn)，解決了小型無人機(jī)的大范圍、遠(yuǎn)距離導(dǎo)航問題，使無人機(jī)的越洋飛行成為可能。

越洋無人機(jī)的特點

從氣動布局來看，該機(jī)采用常規(guī)布局。流線型的機(jī)身上安裝著一副外翼段帶上反角的機(jī)翼。動力裝置為一臺螺旋槳發(fā)動機(jī)，安裝在機(jī)身后部。機(jī)翼的展弦比很大，內(nèi)翼段平面形狀為矩形，外段翼尖前緣為弧形，這種形狀有利于減小飛行阻力。中段機(jī)翼的后緣裝有簡單襟翼，在降落和起飛時，襟翼向下偏轉(zhuǎn)可以增加升力，以縮短起飛、著陸距離和減小著陸速度。外翼段后緣裝有副翼，利用它和尾翼配合使用，可以控制無人機(jī)的轉(zhuǎn)彎和滾轉(zhuǎn)。從機(jī)翼中段向后伸出了兩根復(fù)合材料尾撐，尾撐后部上方連接著一個倒V字形尾翼。無論是正V字形還是倒V字形尾翼都可以兼顧水平尾翼和垂直尾翼的作用，利用尾翼后緣舵面的偏轉(zhuǎn)配合，可以控制無人機(jī)的俯仰和偏航。為了減小重量和減少阻力，在進(jìn)行越洋飛行時該機(jī)沒有安裝起落架。

這種無人機(jī)的尺寸很小，翼展2.75米，包括機(jī)頭空速管全機(jī)長約1.8米；重量也不大，只有13.2公斤；但成本卻不算太低，每架要花費25000美元，可能是因為設(shè)備投入比較大。

該機(jī)的機(jī)翼和機(jī)身采用了碳纖維蜂窩結(jié)構(gòu)，其它的結(jié)構(gòu)部件則基本采用玻璃纖維復(fù)合材料。在機(jī)身里裝有飛行中所需的一些設(shè)備，其中包括一套六通道的L1、C/A碼GPS接收機(jī)，其GPS天線裝在無人機(jī)的右邊機(jī)翼內(nèi)。為了和地面進(jìn)行聯(lián)系，每一架無人機(jī)都配有超高頻調(diào)制解調(diào)器，其偶極子天線裝在左邊尾翼內(nèi)（見圖二所示）。

每架無人機(jī)都配有兩臺隨機(jī)攜帶的計算機(jī)。主計算機(jī)可控制幾種不同的任務(wù)，包括通訊、飛行控制、GPS信號處理；而第二臺計算機(jī)則負(fù)責(zé)溫度、壓力、濕度、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)的計算。每一臺計算機(jī)都使用16－MHz、32－bit微處理器。無人機(jī)電源由直流發(fā)電機(jī)提供，該發(fā)電機(jī)則由無人機(jī)發(fā)動機(jī)驅(qū)動。

飛行控制傳感器包括傾斜、偏航陀螺儀和空速管（動靜壓傳感器）。機(jī)載計算機(jī)利用這些傳感器的信號和GPS信號，經(jīng)過計算發(fā)出指令對無人機(jī)進(jìn)行飛行控制。無人機(jī)的控制伺服系統(tǒng)控制發(fā)動機(jī)的油門和操縱面，包括襟翼、副翼和尾翼后緣的操縱面（方向/升降舵)。關(guān)于飛行控制的計算，每5秒鐘完成一次。

該無人機(jī)的飛行控制回路示意圖如圖三所示，其中包括兩個嵌套的反饋回路。其內(nèi)環(huán)以5Hz運行，通過副翼和方向舵調(diào)節(jié)偏航率；外環(huán)每兩秒更新一次GPS位置，以對飛行軌跡進(jìn)行修正。

雖然在自動起飛和降落時數(shù)據(jù)更新是有所不同的，但是在單程飛行中他們卻沒有使用不同的技術(shù)，因為那樣將需要更寬的頻帶，才能滿足地面站和無人機(jī)間的通訊。

無人機(jī)的速度和位置信息大約每半秒由GPS更新一次。由于GPS接收機(jī)和偏航陀螺是無人機(jī)軌跡控制中的唯一手段，地面站不能知道它的瞬時方向。無人機(jī)只能每5秒通過升降舵調(diào)整一次速度，每5秒通過風(fēng)門調(diào)節(jié)一次高度。這些操縱自始至終貫穿于整個飛行包線里，包括起飛和著陸。

總共有四架無人機(jī)參加了越洋飛行。四架無人機(jī)都是一樣的，但名字各不相同，分別稱之為“吹笛手”(Piper)、“喇叭手”(Trumper)、“百萬富翁”(Millionaire)和“萊瑪”(Laima)號無人機(jī)。

越洋飛行前的準(zhǔn)備工作

雖然前前后后已經(jīng)過了近三年野外飛行試驗，但要想進(jìn)行越洋飛行，仍然存在不少問題，有不少事要做。

首先是要保證無人機(jī)和各種設(shè)備的完好、可靠，尤其是動力和燃油系統(tǒng)必須滿足越洋飛行的要求，而實際上要做到這一點是不容易的。為此，他們采取了取消起落架的辦法，以減小飛機(jī)的重量和阻力。據(jù)估算，如果保留起落架的話，其機(jī)體重量和飛行阻力比無起落架時要大很多，發(fā)動機(jī)的耗油率也會相應(yīng)增加，這樣有可能飛不完全程就耗盡了燃油。而取消起落架，既可減輕重量、減小阻力，又可以增加無人機(jī)的載油量、延長航程，可以說是一舉多得。

不過，取消了起落架又會帶來新的問題，即如何起飛和著陸？解決起飛問題比較好辦，他們把無人機(jī)裝在汽車上（見圖四和圖五），助跑一段后發(fā)射上天，也就是說用發(fā)射車起飛。降落則沒別的好辦法，只能靠自動或人工控制將無人機(jī)調(diào)整到合適的草地上著陸，盡量減小因著陸時與地面的磨擦給無人機(jī)帶來的損壞。

由于對無人機(jī)的可靠性一直存有疑慮，再說用小型無人機(jī)越飛大西洋也是首次嘗試，誰也沒有十足的把握。為了確保有成功的機(jī)會，他們不得不多準(zhǔn)備幾架無人機(jī)。

無人機(jī)準(zhǔn)備好以后，下一步是要選擇飛行航線，制定飛行計劃，同時要取得沿途各地有關(guān)部門的批準(zhǔn)。最初的計劃，他們是想沿著1919年約翰·阿羅克和阿托·布朗的飛行路線（即從加拿大的紐芬蘭到西歐的愛爾蘭）作這次越洋飛行的。將起點選在紐芬蘭，很快就得到了加拿大有關(guān)方面的批準(zhǔn)。而終點愛爾蘭卻沒在那么順利。愛爾蘭方面認(rèn)為：一架無人駕駛飛機(jī)在無法跟蹤的情況下，要想越洋飛行那是不可想象的。經(jīng)過一番周折，最后的授權(quán)書于8月10日（星期一）送達(dá)。由于在愛爾蘭沒有合適的空域，最終他們把降落地點選在了英國北部的蘇格蘭。

整個飛行計劃都在8月進(jìn)行。飛行航線確定下來，并得到當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門的批準(zhǔn)后，越洋飛行前的具體準(zhǔn)備工作立即開始，負(fù)責(zé)起飛和著陸的兩支隊伍立即成立，并分別奔赴相應(yīng)的地點。

前三次嘗試飛行均告失敗

8月14日（星期五）晚上，負(fù)責(zé)起飛的隊伍帶著“吹笛手”、“喇叭手”、“百萬富翁”和“萊瑪”4架無人機(jī)到達(dá)加拿大紐芬蘭省的貝爾島。成員有泰德·馬克吉爾（Tad Mcgeer）、羅斯·赫格（Ross Hoag）和克普·杰克遜（Kip Jackson）等。他們都是已有三年以上無人機(jī)飛行操縱經(jīng)驗的老隊員。

負(fù)責(zé)著陸的隊伍到達(dá)蘇格蘭的赫布里底群島是8月13日（星期四），比起飛隊伍到達(dá)貝爾島的時間還早了一天。其成員有比爾·威格里提（Bill Vaglienti）、史蒂夫·赫夫門（Steve Huffman）和格萊格·李普斯（Greg Lipski）等。

8月16日（星期天），起飛點的地面站就已經(jīng)建立，并對無人機(jī)的各種設(shè)備進(jìn)行了測試。當(dāng)時他們估計，如果老天幫忙，飛行處于順風(fēng)狀態(tài)，飛行時間不超過24小時的話，其能量儲備應(yīng)該沒有問題。

地面站建立在一輛租來的微型廂式貨車上（見圖六）。無人機(jī)由地面站通過一個運行在奔騰100Hz便攜式電腦上的DOS程序來控制。便攜式電腦對外連接一個地面GPS接收機(jī)、一個外部微型控制器和一個用于無人機(jī)起飛、著陸遠(yuǎn)距控制的模擬控制臺。在這些外部設(shè)備中，微型控制器負(fù)責(zé)地面站與無人機(jī)之間的無線電聯(lián)絡(luò)；GPS接收機(jī)提供地面站的時空坐標(biāo)，可為糾正偏差提供參考。

對于小型無人機(jī)來說，風(fēng)的影響是很大的，尤其是在飛遠(yuǎn)航程的時候更為嚴(yán)重。按他們的估算，只有在風(fēng)速大于37公里/小時的順風(fēng)條件下，才能保證機(jī)上的燃料可供飛完全程。因此，為了順利地完成計劃，他們不得不加倍關(guān)注天氣預(yù)報，因為哪怕是一點點疏忽都有可能致使飛越大西洋的嘗試失敗。在此次越洋飛行之前，他們根據(jù)有關(guān)信息已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)月的演習(xí)，然而沒想到在起飛前還是出了差錯。設(shè)在美國馬里蘭州的氣象部門的磁盤出了問題，他們所需要的天氣預(yù)報突然中斷。所幸的是故障很快排除，天氣預(yù)報到8月17日(星期一)凌晨就已經(jīng)恢復(fù)。天氣預(yù)報是通過英特網(wǎng)傳給他們的。

起飛前，留在華盛頓大學(xué)的隊員們又對飛行計劃進(jìn)行了一些小的修改。并通過電子郵件發(fā)給貝爾島的地面站。地面站的隊員又把每一個飛行軌跡點輸入到無人機(jī)機(jī)載計算機(jī)的內(nèi)存中。

8月17日早晨7點，第一個被送上藍(lán)天的是“喇叭手”號無人機(jī)。半小時后，貝爾島機(jī)場地面站的工作人員便跟蹤上了它。此時的風(fēng)速為55.5公里/小時，和預(yù)報的風(fēng)速幾乎一樣。不過，該無人機(jī)最終還是失蹤了。到第二天，經(jīng)守候在赫布里底群島的工作人員證實，“喇叭手”并沒能到達(dá)目的地。

第二架無人機(jī)“吹笛手”是在“喇叭手”出發(fā)后3小時起飛的。它失蹤的更快，由于一個軟件的錯誤導(dǎo)致無人機(jī)產(chǎn)生了過量的副翼偏轉(zhuǎn)而進(jìn)入螺旋，最后墜入大海。

后來又發(fā)射起飛了第三架無人機(jī)“百萬富翁”號，不久該無人機(jī)也墜入大海，至今不明原因?？赡苁怯錾狭朔浅２焕膹?qiáng)氣流，也可能是控制系統(tǒng)出了問題。當(dāng)然也沒有必要去搜尋和打撈這架小小的無人機(jī)，因為其花費可能要比無人機(jī)本身高得多。

前三架無人機(jī)越洋飛行的嘗試均告失敗，這對他們的打擊是很大的，但并沒有因此而氣餒，反而使大家把所有精力都集中在第四架無人機(jī)上，各項工作做到萬無一失，成敗在此一舉。

“萊瑪”號成功越大西洋

經(jīng)過前幾次飛行嘗試后，一直天公不作美，尤其是靠近蘇格蘭的大西洋上空逆風(fēng)帶很強(qiáng)，對無人機(jī)飛達(dá)目的地并安全著陸有很大的威脅。直到8月20日(星期四)，天氣才開始變好。于是，他們決定抓住機(jī)會將“萊瑪”號無人機(jī)送上天，進(jìn)行第四次也是最后一次飛越大西洋的嘗試。

8月20日早上7點29分，他們的起飛發(fā)射車（見圖七）就出發(fā)了，飛行前的準(zhǔn)備工作也進(jìn)行得很順利。起飛隊員各就各位后，首先對“萊瑪”號的發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)情況進(jìn)行了檢查，一切結(jié)果都很正常。泰德·馬克吉爾通過查看發(fā)射車的速度判定無人機(jī)發(fā)射前的初始速度；克普·杰克遜通過遙控器操縱“萊瑪”號無人機(jī)，當(dāng)速度達(dá)74公里/小時時，將無人機(jī)從發(fā)射車上發(fā)射起飛。在30秒內(nèi)，“萊瑪”號無人機(jī)開始轉(zhuǎn)入自動駕駛。在起飛處地面站可控范圍的上空，經(jīng)過簡短的測試后，便將它送入了飛向蘇格蘭的征程。

由于該無人機(jī)的無線電超高頻傳輸范圍只有40公里，地面站人員只能在該范圍內(nèi)對無人機(jī)進(jìn)行了遙測。通過測試，此時機(jī)載系統(tǒng)運行良好，風(fēng)速也和預(yù)測的一樣。在往后的24小時內(nèi)，有關(guān)天氣情況的信息可更新兩次，當(dāng)?shù)玫叫碌奶鞖庑畔⒑螅麄儽憷媚M設(shè)備重新計算一下飛越大西洋的航線。經(jīng)過計算認(rèn)為，該機(jī)將在當(dāng)?shù)貢r間13時30分左右到達(dá)目的地。當(dāng)他們將這一信息通過電子郵件告知遠(yuǎn)在蘇格蘭的工作人員時，大家都覺得松了一口氣，因為在此之前的幾次失敗已經(jīng)使得他們有些信心不足了?；旧鲜窃陬A(yù)計的時間內(nèi)，在蘇格蘭地面站的計算機(jī)上發(fā)出了“滴－答”聲，這就意味著著陸地面站和“萊瑪”號無人機(jī)的聯(lián)系接通了。

就在“萊瑪”號經(jīng)過一個轉(zhuǎn)彎后，碰巧進(jìn)入了一個無線電盲區(qū)，信號再次從屏幕上消失。此時，無人機(jī)大約離著陸地面站44公里左右。寂靜再次籠罩著整個著陸地面站，飽受多日苦守煎熬的著陸隊員們都感到有些喘不過氣來。

由于無人機(jī)有每2秒向地面報告一次位置的功能，著陸地面站的工作人員怕自己的儀器有什么問題，開始和英國民用航空局（CAA）聯(lián)系，請求幫助搜索。按照CAA的判斷，“萊瑪”號可能已到達(dá)離海岸19公里處。隨后無人機(jī)與著陸地面站的聯(lián)系再次建立。地面站的工作人員格萊格重新確定了一下無人機(jī)的位置，并開始將它往南維斯特島上空引導(dǎo)。當(dāng)無人機(jī)飛到著陸地面站的頂上時，比爾在手邊的地圖上標(biāo)出了“萊瑪”號無人機(jī)的確切位置。此時，小亮點已出現(xiàn)在控制計算機(jī)的屏幕上，比爾又將無人機(jī)從自動駕駛切換到人工控制。然后用遙控器將無人機(jī)引導(dǎo)到早已選好的著陸地點，輕輕地將其降落在草地上。當(dāng)“萊瑪”號無人機(jī)順利地降落在蘇格蘭的著陸點后，隊員們都感到異常興奮，多日的疲勞似乎早已煙消云散了。

在這里需要指出的是，“萊瑪”號無人機(jī)在大西洋上空是按照圖三所示的飛行控制回路自動飛行的，其實在降落時也是可以采用差分GPS技術(shù)進(jìn)自動著陸的，因為該無人機(jī)上已經(jīng)安裝了這種設(shè)備。其使用的差分GPS技術(shù)進(jìn)行自動著陸的原理可見圖八所示。使用這項技術(shù)需要在無人機(jī)、GPS衛(wèi)星和地面站之間建立一套協(xié)議關(guān)系，隨時修正無人機(jī)的航跡誤差。地面站先要對跑道位置用GPS接受機(jī)進(jìn)行測量，然后經(jīng)過計算給出跑道的相對位置，并每兩秒鐘與無人機(jī)聯(lián)系一次，以對無人機(jī)的位置和速度進(jìn)行校正。利用這種方法，其定位的精確度可達(dá)到3米左右。

最后之所以未采用自動著陸，而用人工控制的辦法著陸，主要是蘇格蘭的天氣反復(fù)無常，使他們不得不取消使用自動駕駛計劃，而改用人工控制降落。

在“萊瑪”號安全著陸后，隊員們對無人機(jī)進(jìn)行了一些檢查，在取出“萊瑪”號無人機(jī)內(nèi)的電池前，他們從無人機(jī)機(jī)載計算機(jī)的內(nèi)存中取出了它的飛行日志。從中他們看到，全程的實測天氣資料和國家氣象系統(tǒng)的預(yù)報是十分吻合的。

此次“萊瑪”號無人機(jī)全程飛行3200公里，創(chuàng)造了小型無人機(jī)飛越大西洋的壯舉，同時也顯示了其更為廣泛的應(yīng)用前景?！?/p>