微型無人機：無人機的尖端領域

無人駕駛空中飛行器（無人機）現(xiàn)已成為戰(zhàn)場上被廣泛認同的一員，在短短不過十年的時間里，其從指揮人員武器庫中的一個偶爾使用的角色一躍成為沖突作戰(zhàn)中必不可少的重要角色。

網絡中心戰(zhàn)作戰(zhàn)理論在美國的興起以及隨后各國類似作戰(zhàn)思想的發(fā)展，促進了無人機在軍事領域的推廣應用。將無人機作為網絡組成部分提供目標截獲和戰(zhàn)場毀傷評估，是一種良好的手段，但無人機的質量、尺寸、帶寬限制仍是目前面臨的挑戰(zhàn)。對于微型無人機，這一系列問題更為突出。同時，微型無人機在實現(xiàn)自主性方面還需解決諸多技術問題。

發(fā)展進程

美國美國大力發(fā)展微型無人機技術，并研制出各種微型無人機平臺，有固定翼、旋翼及撲翼式3種。微型無人機的研制始于1990年代中期，第一個飛行樣機出現(xiàn)于 1990年代末期。1996年，美國國防高級研究計劃局授予航境公司一項研制合同，進行制造微型無人機的可行性研究。該公司制造出了“黑寡婦”固定翼微型無人機。該機為直徑152mm的圓盤形，采用輕木結構，螺旋槳驅動。 1997年底，使用鋰電池不帶載荷進行了16分鐘的飛行。另一架“黑寡婦”在1999年年中進行了重新設計，最大起飛質量60g，最大載荷量7g，翼展15cm，續(xù)航時間22分鐘，航程2km。

隨后，航境公司開發(fā)出了“蝗蟲”固定翼微型無人機，翼展33cm，總質量17g。2002年8月，一架試驗型“蝗蟲”飛行時間超過了100分鐘。

此外，該公司還開發(fā)出了“大黃蜂”固定翼微型無人機，動力系統(tǒng)采用氫燃料電池，而不是大多數(shù)微型無人機所采用的鋰電池。“大黃蜂”質量為170g，翼展38cm。

2005年1月，美國霍尼韋爾公司開始了涵道風扇小型無人機的飛行試驗。該無人機高56cm、寬35.5cm、質量2.2kg，樣機還將交付美國陸軍進一步試驗。

霍尼韋爾公司在該項目的主要合作伙伴是常規(guī)無人機制造商AAI公司，該公司將制造其機身。盡管目前的動力系統(tǒng)采用汽油發(fā)動機，但霍尼韋爾公司希望在2006年前研制出重質燃料型發(fā)動機。

美國航境公司對\"黑寡婦\"微型無人機（上圖）的改進使這種無人駕駛飛機具有7g載荷和2km控制航程的能力。\"蝗蟲\"無人機（下圖）翼展33cm、總質量17g

以色列飛機工業(yè)公司的\"蚊1.5\"式無人機采用全球定位系統(tǒng)，形成了自主飛行能力

愛普生公司最近研制出世界最小的無人駕駛直升機 --\"微型飛行機器人\"原型機

日本精工大小如一只大型昆蟲、采用雙層反向螺旋槳、可像直升機一樣在空中飛行的\"微型飛行機器人\"，能源靠尾部從外提供，采用藍牙技術控制

德國\"天皇\"固定翼手持發(fā)射無人機，續(xù)航時間超過15分鐘，翼展50cm。圖中可看見機身下面的傳感器頭

美國軍事技術公司的“背包式無人監(jiān)視瞄準與增強偵察”無人機系統(tǒng)已經出售給美國陸軍和英國國防部用于測試和評估。

以色列以色列飛機工業(yè)公司的“蚊1”式無人機的研制始于2001年，2003 年1月1日首次飛行。該機翼展30cm，質量250g，續(xù)航時間40分鐘?！拔?.5”式無人機質量為首架樣機的兩倍，翼展34cm?！拔?.5”式無人機于2004年試飛成功。

二者主要區(qū)別在于“蚊1.5”式無人機可以自主飛行，能按全球定位系統(tǒng)指示的航路點飛行，而“蚊1”式無人機不具備這種能力，因為其體積太小，不能集成飛行控制系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)?！拔?”式無人機只能無線電操縱，但配備飛行計算機和提供航路點后具有自主飛行能力。

自主飛行是微型無人機的關鍵，沒有這種能力其工作能力就受限制。為了獲得飛行控制、穩(wěn)定性和航路點的所有參數(shù)，以色列飛機工業(yè)公司對“蚊1.5”式無人機進行了大約100小時的試飛。

“蚊1.5”式無人機的穩(wěn)定性、質量與其性能之間也同樣存在折衷選擇的問題，比如進行載荷與電池質量之間的折衷選擇，使用10～20g的攝像機可以提供一個小時的續(xù)航時間。低速飛行時的可控性和機動性也是一個急待解決的問題。由于這種飛行器的速度限制，它不能用于所有的軍事行動，僅適于與其速度和攝像機要求相適應的作戰(zhàn)環(huán)境。

以色列飛機工業(yè)公司目前致力于微型無人機推進裝置、電池以及技術模型的研究，旨在提高“蚊”式無人機系統(tǒng)的性能。近期內還要利用現(xiàn)行飛機的空氣動力特性解決低速度條件下的機動性能問題。

以色列飛機工業(yè)公司的I-See無人機質量不到1kg，翼展為2.9m，能攜載光電傳感器（電視）或者紅外傳感器，具備自動起飛和自動傳輸數(shù)據(jù)能力。

日本小型化直升機目前已經出現(xiàn)，其中包括日本精工愛普生公司研制的 “微型飛行機器人” 樣機，是世界最小的無人駕駛直升機，質量只有9g，高度僅為 2.8cm。

歐洲歐洲航空航天防務多尼爾公司生產的Do-MAV無人機質量約510g，翼展42cm，續(xù)航時間超過30分鐘，法國和英國已對該機進行演示論證。

英國航空航天系統(tǒng)公司對“微星”微型無人機進行了進一步的研制?！拔⑿恰?微型無人機為三角翼平臺，續(xù)航時間超過20分鐘。

德國的EMT公司已研制出2種微型無人機，即“扇風機”垂直起降旋翼無人機和“天皇”固定翼手持發(fā)射無人機?！吧蕊L機”無人機執(zhí)行任務半徑超過500m，續(xù)航時間超過15分鐘，起飛質量約750g?！疤旎省睙o人機具有類似的特性，但起飛質量約為500g。

技術挑戰(zhàn)

微型無人機作戰(zhàn)環(huán)境主要在峽谷和城市建筑物之間，這意味著微型無人機的使用往往是非直視的。

微型無人機空中飛行時需要與操作人員保持通信聯(lián)系，但由于體積、質量的限制，目前只能采用微波通信方式。盡管微波可傳輸大量數(shù)據(jù)，足夠進行電視實況轉播，但卻無法穿透墻壁，這是當前急需解決的問題。

對于非視線數(shù)據(jù)傳輸，目前已有了一系列的技術和方案，其中之一就是把大量較大的無人機部署到所需區(qū)域的上空，以提供整個網絡所需的網絡連通性，并實時傳送信息。

衛(wèi)星通信是處理非視線數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧硪环N方式，但存在電源消耗過大的問題，并且還需要空中的通信中繼站才能與網絡連通，中繼站可以是另一架飛機或者衛(wèi)星。

如果微型無人機不在操作者的控制之下飛行，那么其自主能力是至關重要的。

目前全球定位系統(tǒng)的導航系統(tǒng)已經小型化到適于微型無人機使用的尺寸，并且已經進行了試驗，但離自主飛行所需的水平仍有一定的差距。

微型無人機要超出按預編程序飛行的限制，需要有一定程度的自主性，以使無人機系統(tǒng)可以完全獨立飛至所需地域后收集數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳給作戰(zhàn)單位或網絡。這一點目前還做不到。

微型無人機自主性的發(fā)展對通信帶寬和能量提出要求。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)越多，需要的能源消耗越多，需要的無線電頻譜也越多。

新型技術

英國克蘭菲爾德大學西文漢校園內的皇家軍事科學院在航空航天研究方面占有舉足輕重的地位，是微型無人機飛行系統(tǒng)研究的領跑者。該院的首席研究員拉法爾博士認為，用類昆蟲撲翼作為飛行控制系統(tǒng)可以提供低速飛行時一定程度的機動性能，這種機動性能是現(xiàn)有平臺所不能實現(xiàn)的。

該院自1998年開始研制類昆蟲撲翼飛行控制系統(tǒng)，在靜態(tài)平臺上建立了2個機械裝置。建立這種平臺進行空氣動力研究的目的有兩個，一是研究類昆蟲撲翼機械裝置的可行性；二是探索微型無人機的空氣動力學問題。

目前雖然已研制出一些相當成功的數(shù)學模型，但仍需要收集更多的數(shù)據(jù)，尤其是撲翼微型無人機方面的數(shù)據(jù)。因為現(xiàn)在對昆蟲飛行的原理還知之甚少，其中的許多問題還難以用普通空氣動力學理論加以解釋。

為了改變參數(shù)，需要對現(xiàn)在的模型進行分解。研究人員期望通過對目前研制中的類昆蟲撲翼機械裝置加以改進，比如說使用非對稱翼，來提高其機動能力。

這既涉及到空氣動力學又涉及到飛行動力學的研究。由于對昆蟲飛行控制的原理尚不清楚，因此，目前需要做的工作是采取推拉式的方法，在工程方面要推進，在生物科學方面要拉動。不過，現(xiàn)在已能夠復制昆蟲大部分的機動特性，惟一的障礙是尺寸問題。

家蠅的平均尺寸只有1.5cm，而目前研制的機械裝置是這一尺寸的10倍，所以重要的問題是要搞清二者空氣動力特性和飛行動力特性在多大程度上是相同的。

這不只是一個簡單的幾何縮放問題，而是需要解決空氣動力特性與慣性力之間的相互關系問題。通過撲翼可以產生空氣動力，但如何將它應用于機身呢？

對于翼展15cm的微型無人機與1.5cm的家蠅，撲翼的效果會一樣嗎？目前已有了一些粗淺的認識。從純空氣動力學方面看，較小的昆蟲在飛行過程中所發(fā)生的現(xiàn)象，對于較大的微型無人機同樣也會發(fā)生。小小的昆蟲在飛行中可能遇到湍流或突發(fā)的陣風，15cm的無人機同樣也可能遇到，如何增加其自然的穩(wěn)定性，以保持其航線，并執(zhí)行操作人員的機動命令？若微型機需要對目標成像，如何穩(wěn)定瞄準線？這些問題的研究目前已有一些進展，但還僅僅只是開始。

完全的自主性對未來微型無人機是至關重要的，否則只能訓練大量的士兵來控制成千上萬的微型無人機。