剖析無(wú)人機(jī)

李洪興

美國(guó)《航空周刊》網(wǎng)站2016年4月25日發(fā)表了一篇論述無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)的文章，以下是本文的內(nèi)容。

各種無(wú)人機(jī)都由基本相同的分系統(tǒng)組成。從大到14500千克的“全球鷹”到一次性的無(wú)人機(jī)再到僅僅14克重的“黑色大黃蜂”微型無(wú)人機(jī)，每個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)都是由多個(gè)分系統(tǒng)構(gòu)成的組合體，而這些分系統(tǒng)則確定了無(wú)人機(jī)的功能、應(yīng)用領(lǐng)域和成本。由于大小和功能的多樣性，在過(guò)去的十幾年里涌現(xiàn)出各種各樣性能和成本差異巨大的無(wú)人機(jī)。想要了解無(wú)人機(jī)的過(guò)去和未來(lái)，關(guān)鍵是要了解相關(guān)的技術(shù)突破。

無(wú)人機(jī)的機(jī)身大小和布局確定了它的載荷、飛行速度、飛行高度和續(xù)航能力。飛行高度決定了傳感器的作用距離，特別在山區(qū)更是如此，增加飛行高度也有助于提升生存能力；盡可能提高續(xù)航能力往往是用戶所希望的；而飛行速度的提高則可以增加單個(gè)基地的覆蓋范圍。然而，機(jī)身也決定著無(wú)人機(jī)的特征信號(hào)大小及發(fā)射和回收方式，減小特征信號(hào)是美國(guó)海軍對(duì)各型MQ無(wú)人機(jī)提出的核心要求之一。在發(fā)射和回收方式方面，多數(shù)用戶都拒絕使用車載彈射器、降落傘、氣囊和回收網(wǎng)，特別是艦上使用的無(wú)人機(jī)，還在追求垂直起降。大多數(shù)無(wú)人機(jī)機(jī)身也是傳感器載體，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要保證能夠搭載比較大的載荷和傳感器視場(chǎng)無(wú)障礙。

在無(wú)人機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)方面，無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)人員都希望發(fā)動(dòng)機(jī)效率更高，重量更輕，更可靠，并且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。在眾多無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中，Rotax 914發(fā)動(dòng)機(jī)——用于以色列飛機(jī)工業(yè)公司（IAI）的“蒼鷺”無(wú)人機(jī)和埃爾比特系統(tǒng)公司的“赫耳墨斯900”無(wú)人機(jī)和霍尼韋爾公司制造的TPE331發(fā)動(dòng)機(jī)——用于通用原子公司的“捕食者”和“死神”無(wú)人機(jī)，是優(yōu)秀代表。

隨著用于商用飛機(jī)的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)，較大型的無(wú)人機(jī)隨之出現(xiàn)，不過(guò)要為起飛重量達(dá)450～4500千克的無(wú)人機(jī)提供效率更高的發(fā)動(dòng)機(jī)，且同時(shí)避免使用汽油仍然相當(dāng)困難。IAI與意大利的Diesel Jet公司合作開(kāi)發(fā)了用于“超級(jí)蒼鷺HF”無(wú)人機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)，Textron Lycoming公司也改進(jìn)了Diesel Jet發(fā)動(dòng)機(jī)，用于美國(guó)陸軍的MQ-1C“灰鷹”無(wú)人機(jī)。美國(guó)極光科學(xué)飛行公司的“雷擊”新概念無(wú)人機(jī)贏得了DARPA的垂直起降無(wú)人機(jī)VTOL X-Plane計(jì)劃的合同，可能表明未來(lái)的無(wú)人機(jī)會(huì)采用渦輪電力推進(jìn)和不同的配置?；旌舷到y(tǒng)會(huì)提供比現(xiàn)在更高的冗余。

在過(guò)去的10年中，隨著微小型化技術(shù)、光電技術(shù)以及工程技術(shù)的發(fā)展，光電和紅外傳感器轉(zhuǎn)塔取得了迅速的進(jìn)步，已經(jīng)成為大多數(shù)無(wú)人機(jī)的主要固定載荷。手動(dòng)發(fā)射的無(wú)人機(jī)攜帶了包括激光測(cè)距儀在內(nèi)的穩(wěn)定載荷，高端多波段系統(tǒng)能夠穿透霧霾，將情報(bào)傳送數(shù)千米的距離，自動(dòng)目標(biāo)搜索算法為無(wú)人機(jī)提供了寬視場(chǎng)雷達(dá)能力。即使小型無(wú)人機(jī)也可能安裝合成孔徑雷達(dá)和電子監(jiān)視裝置。另外，由于存在安全方面的挑戰(zhàn)，為無(wú)人機(jī)加裝殺傷性載荷具有潛在限制。

靈敏度更高的多波段傳感器系統(tǒng)對(duì)于除數(shù)據(jù)鏈設(shè)計(jì)者之外的所有人員來(lái)說(shuō)都是好消息。多數(shù)大中型無(wú)人機(jī)的首選是衛(wèi)星通信，但是無(wú)人機(jī)上的衛(wèi)星通信天線只是系統(tǒng)的一部分。去年夏天，波音公司有人提出，諸如“全球鷹”和“死神”之類的無(wú)人機(jī)對(duì)于寬帶全球衛(wèi)星通信星群的要求比其他方面用戶的要求更高，該星群只有10顆衛(wèi)星，2015年7月發(fā)射了其中的第7顆。同時(shí)，英國(guó)和美國(guó)的情報(bào)機(jī)構(gòu)最近對(duì)以色列無(wú)人機(jī)的黑客攻擊將使人們更加關(guān)注數(shù)據(jù)鏈安全。隨著無(wú)人機(jī)和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，類似于空客制造的“微風(fēng)”無(wú)人機(jī)那樣的長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)今后有可能攜帶機(jī)上中繼裝置，再往后還可能采用激光通信裝置。機(jī)上處理將來(lái)能夠?yàn)镮AI的M-19HD傳感器轉(zhuǎn)塔之類提供幫助，能夠向地面發(fā)送靜止圖像及視頻圖像，還能夠通過(guò)自動(dòng)目標(biāo)探測(cè)和變化探測(cè)處理產(chǎn)生告警信號(hào)，向地面發(fā)送。采用實(shí)際上沒(méi)有限制的機(jī)上記錄也會(huì)減輕對(duì)于數(shù)據(jù)鏈的壓力。

復(fù)雜的傳感器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)沟密娪脽o(wú)人機(jī)的成本居高不下，但也推動(dòng)了更為堅(jiān)固和故障容限更高的導(dǎo)航和飛行管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，其中特別令人關(guān)注的是融合慣性導(dǎo)航與自動(dòng)天體跟蹤或目視場(chǎng)地匹配的非GPS導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展。然而，最為重要的目標(biāo)是在今后開(kāi)發(fā)出可靠的最終能夠防止與其它交通工具發(fā)生碰撞的感測(cè)和避讓系統(tǒng)。

無(wú)人機(jī)的地面控制站，無(wú)論是蘋(píng)果手機(jī)，還是可以容納多人的可移動(dòng)掩蔽所，其功能都同樣是管理操作人員和無(wú)人機(jī)之間的通信聯(lián)絡(luò)以及顯示、處理和記錄圖像信息和其它數(shù)據(jù)資料。不過(guò)，地面控制站的設(shè)計(jì)卻可能大不一樣，美國(guó)空軍的地面控制站就像一個(gè)飛機(jī)駕駛艙或飛行模擬器，而IAI最近推出的地面控制站就只有鍵盤(pán)和鼠標(biāo)輸入裝置。