無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展歷程淺析

喬善勛

1.河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，河南　鄭州　450012；2.航空經(jīng)濟(jì)發(fā)展河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南　鄭州　450000

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無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展歷程淺析

喬善勛1，2*

1.河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，河南鄭州450012；2.航空經(jīng)濟(jì)發(fā)展河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南鄭州450000

很多人以為無(wú)人機(jī)是近幾年的產(chǎn)物，其實(shí)不然，早在航空技術(shù)起步發(fā)展之時(shí)，各國(guó)就開(kāi)始研發(fā)無(wú)人機(jī)以便在戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)替代有人機(jī)。19世紀(jì)末時(shí)，一批航空先行者便開(kāi)始了無(wú)人機(jī)的預(yù)研計(jì)劃。戰(zhàn)爭(zhēng)是各種先進(jìn)技術(shù)的催化劑，無(wú)人機(jī)也不例外。上世紀(jì)70年代各種無(wú)人機(jī)技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入成熟期，90年代開(kāi)始通信技術(shù)和衛(wèi)星地理定位技術(shù)為無(wú)人偵察機(jī)開(kāi)拓了新方向，就此無(wú)人機(jī)開(kāi)始走入民用領(lǐng)域市場(chǎng)。

無(wú)人機(jī)；軍用無(wú)人機(jī)；民用無(wú)人機(jī)

一、軍用無(wú)人機(jī)的發(fā)展歷程

早在19世紀(jì)末，無(wú)人機(jī)技術(shù)已經(jīng)初露崢嶸。1898年，塞爾維亞裔美國(guó)發(fā)明家特斯拉在一艘“遠(yuǎn)程自動(dòng)控制裝置”(Teleautomaton)船上首次應(yīng)用無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。1909年，美國(guó)發(fā)明家斯帕雷研發(fā)出慣性測(cè)量?jī)x的原型機(jī)陀螺儀，這讓飛行器自動(dòng)飛行成為可能。1918年10月，美國(guó)發(fā)射了世界首架真正的意義的無(wú)人機(jī)“凱特靈蟲(chóng)”(Kettering Bug)，翼展4米，續(xù)航里程120公里，還能攜帶85千克炸藥，也被譽(yù)為導(dǎo)彈的“鼻祖”。工程師為了確定飛機(jī)距離，事先設(shè)定好發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，當(dāng)它在飛行過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到一定的轉(zhuǎn)數(shù)后便停止飛行，機(jī)翼翻轉(zhuǎn)，飛機(jī)便下落完成任務(wù)。

由于精度的缺乏和無(wú)線(xiàn)電的干擾，大約經(jīng)過(guò)20年發(fā)展，無(wú)人機(jī)才算進(jìn)入實(shí)用階段。在兩次世界大戰(zhàn)中，無(wú)人機(jī)傾向于在靶機(jī)方面的應(yīng)用，用于訓(xùn)練飛行員、炮兵和防空部隊(duì)的射擊能力。英國(guó)在20世紀(jì)30年代末把“虎蛾”(Tiger Moth)雙翼飛機(jī)改造成靶機(jī)，并將其命名為“女王蜂”(Queenbee)。

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束，冷戰(zhàn)鐵幕拉開(kāi)之際，無(wú)人機(jī)又得到蓬勃發(fā)展。1945年，美國(guó)為了解決擁有的大量庫(kù)存飛機(jī)，決定把“赫爾卡特幽靈機(jī)”(Hellcat Phantom)改造成無(wú)人機(jī)，用于在太平洋原子彈試驗(yàn)后提取空氣樣本。冷戰(zhàn)又催生了戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)(又稱(chēng)“無(wú)人偵察機(jī)”)，無(wú)人機(jī)以高速低空掠過(guò)戰(zhàn)場(chǎng)，給常規(guī)目標(biāo)或核武器拍照，然后無(wú)人機(jī)憑借降落傘著陸并收回，通過(guò)清洗膠片收集情報(bào)。陸軍更是將之發(fā)揚(yáng)光大，他們不用尋求空軍協(xié)助，操作無(wú)人機(jī)便完成了信息采集工作。

盡管美國(guó)在冷戰(zhàn)時(shí)期使用的無(wú)人機(jī)技術(shù)獲得了無(wú)可爭(zhēng)議的成功，但是無(wú)人機(jī)在防空炮火和戰(zhàn)斗機(jī)面前顯得十分脆弱，并極易遭受攻擊。由于無(wú)人機(jī)的缺點(diǎn)，加上遙控導(dǎo)航技術(shù)的不成熟，無(wú)人機(jī)一直到新世紀(jì)才又獲得新生。

2003年美國(guó)開(kāi)始對(duì)伊拉克和基地組織展開(kāi)打擊行動(dòng)，在這場(chǎng)危險(xiǎn)的戰(zhàn)斗中，美軍有一條不成文的規(guī)定：依靠情報(bào)工作的長(zhǎng)期性和準(zhǔn)確性，盡可能不讓部隊(duì)處于危險(xiǎn)境地，在遠(yuǎn)離美國(guó)本土的戰(zhàn)爭(zhēng)中實(shí)現(xiàn)“零傷亡”，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑。

21世紀(jì)初，無(wú)人機(jī)開(kāi)始向微型化升級(jí)，這也讓單人便攜式無(wú)人機(jī)成為可能。美國(guó)天空環(huán)境公司研發(fā)了RQ-11“渡鴉”迷你無(wú)人機(jī)，固定機(jī)翼翼展1.3米，質(zhì)量不足2千克。該無(wú)人機(jī)搭配攝像機(jī)和視頻接收器，活動(dòng)范圍10千米。步兵手持投出這種無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)隨重力落下而回收。這些特點(diǎn)讓RQ-11無(wú)人機(jī)大獲成功，行銷(xiāo)20多個(gè)國(guó)家，銷(xiāo)量達(dá)20000架。

二、民用無(wú)人機(jī)發(fā)展歷程

進(jìn)入21世紀(jì)，科技的進(jìn)步尤其是半導(dǎo)體工業(yè)的突飛猛進(jìn)，讓軍用無(wú)人機(jī)更加精進(jìn)，同時(shí)也促進(jìn)了民用無(wú)人機(jī)的發(fā)展。科技的演化和突破讓無(wú)人機(jī)的地理定位從陀螺儀轉(zhuǎn)向了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，數(shù)據(jù)聯(lián)絡(luò)通道的打通、無(wú)刷電機(jī)的發(fā)明和數(shù)字相機(jī)的普及都為無(wú)人機(jī)的民用化鋪平了道路。

1995年之前，自動(dòng)駕駛儀只能憑借自帶的慣性測(cè)量?jī)x器(包括機(jī)械陀螺儀、磁羅盤(pán)和壓力傳感器)進(jìn)行導(dǎo)航。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)的應(yīng)用改變了這一切，飛機(jī)可以通過(guò)硬幣大小的傳感器接受衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)，就能進(jìn)行自我定位。隨著GPS精度的進(jìn)一步提高，無(wú)人機(jī)的定位也進(jìn)化到新高度。

微電子技術(shù)生產(chǎn)出了2毫米長(zhǎng)的氣壓高度計(jì)、大小相仿的指南針，3毫米的加速計(jì)，現(xiàn)在沒(méi)有活動(dòng)部件、不需要維護(hù)的微型組件逐漸取代了之前的機(jī)械傳感器。移動(dòng)電話(huà)的普及也讓這些系統(tǒng)更加的大眾化，現(xiàn)在微型無(wú)人機(jī)自動(dòng)駕駛儀中就采用了微電子機(jī)械系統(tǒng)，自動(dòng)駕駛儀包括傳感器在內(nèi)的總重量不到25克。

20世紀(jì)80年代到90年代，復(fù)合材料和高強(qiáng)度塑料泡沫開(kāi)始被廣泛使用。復(fù)合材料是至少兩種特性互補(bǔ)的材料結(jié)合而成，所以，復(fù)合材料也擁有兩種各自材料本身不具備的特性，比如輕量化的堅(jiān)固性。復(fù)合材料質(zhì)量輕，容易塑形，在20世紀(jì)80年代開(kāi)始逐漸取代用于制造空中客車(chē)和波音飛機(jī)的鋁、鋼和鈦。時(shí)至今日，復(fù)合材料能占到飛機(jī)總重量的一半。生產(chǎn)總量的提升讓單位成本急劇下降，復(fù)合材料的價(jià)格也逐漸被業(yè)內(nèi)所接受。現(xiàn)在的無(wú)人機(jī)材料市場(chǎng)中，復(fù)合材料主要以碳或者玻璃纖維管的形式存在。

在航空業(yè)，人們一直通過(guò)制作體積較小的模型用來(lái)測(cè)試設(shè)計(jì)理論、改善已有機(jī)型，或是用于教育教學(xué)。隨著FM調(diào)頻無(wú)線(xiàn)電遙控技術(shù)的出現(xiàn)，飛機(jī)模型制造技術(shù)在20世紀(jì)70年代得以迅速發(fā)展。但是，由于沒(méi)有可用的自動(dòng)駕駛技術(shù)，無(wú)人機(jī)只能依靠遙控者的反應(yīng)速度和敏捷度來(lái)操控。飛機(jī)驅(qū)動(dòng)的主要方式來(lái)自熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)并不可靠，容易產(chǎn)生震動(dòng)、積存污垢，所以后期需要精心保養(yǎng)。當(dāng)時(shí)的無(wú)人機(jī)機(jī)身用木材制成，組裝時(shí)間長(zhǎng)，使用壽命短。

20世紀(jì)80年代，手提攝像機(jī)的出現(xiàn)逐漸改變圖像傳輸問(wèn)題。大型遙控直升機(jī)促使一些媒體應(yīng)用，比利時(shí)飛行鏡頭公司的無(wú)人機(jī)直升機(jī)搭配攝像機(jī)，在巴黎香榭麗舍大街上空航拍法國(guó)大革命二百年紀(jì)念慶典開(kāi)幕式，給人們留下了深刻印象。

在民用無(wú)人機(jī)領(lǐng)域中，日本在20世紀(jì)90年代開(kāi)始占據(jù)了特殊地位。日本農(nóng)民在小片稻田中用無(wú)人機(jī)大規(guī)模噴灑農(nóng)藥。雅馬哈公司推出了99公斤重、可攜帶20升液體的無(wú)人機(jī)“Rmax”，憑借無(wú)人機(jī)總數(shù)達(dá)到3000架、年銷(xiāo)量300架的規(guī)模，占據(jù)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的龍頭地位。在日本農(nóng)業(yè)部的鼓勵(lì)下，無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)大獲成功。日本農(nóng)業(yè)部認(rèn)為，使用無(wú)人機(jī)可以暫時(shí)緩解日本農(nóng)村缺乏勞動(dòng)力的壓力。

[1]魯?shù)婪颉贪蜖栔?，吳博譯.《玩轉(zhuǎn)無(wú)人機(jī)》[M].人民郵電出版社，2015.

喬善勛，男，河南開(kāi)封人，河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院信息工程系，助教，研究方向：交通運(yùn)輸。

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