民用多旋翼無人機(jī)

貓貓 相羽

結(jié)構(gòu)簡單、操控方便、可靠性高的民用多旋翼無人機(jī)除廣為人知的航拍用途之外，還能在工農(nóng)業(yè)、應(yīng)急救援和軍事領(lǐng)域發(fā)揮獨(dú)特的作用，成為相關(guān)工作人員的得力助手。在軍事領(lǐng)域，它更被稱為“戰(zhàn)場(chǎng)幽靈”。如何讓它為作戰(zhàn)己方提供有利幫助，同時(shí)偵測(cè)、干擾、反制敵方無人機(jī)的進(jìn)攻，已成為現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)急需解決的一個(gè)難題。

從丑小鴨到白天鵝

雖然多旋翼無人機(jī)是近年來才嶄露頭角的新秀，但事實(shí)上，多旋翼結(jié)構(gòu)的飛行器早在1907年就被法國的寶璣兄弟和里切特教授制造出來了。該飛行器被命名為“旋翼機(jī)一號(hào)”，其最大離地高度僅為1.5米。隨后，法、美等國的工程師又陸續(xù)制造了一批早期多旋翼飛行器，雖然它們的滯空時(shí)間和離地高度有所延長和提高，但依舊停留在技術(shù)驗(yàn)證階段。20世紀(jì)50年代后期，美國陸軍提出了“飛行吉普”項(xiàng)目，旨在制造一種小型垂直起降飛行器。為此，柯蒂斯·萊特公司設(shè)計(jì)了一款名為VZ-7的四旋翼載人飛行器。VZ-7采用一臺(tái)渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，利用機(jī)械變速裝置連接螺旋槳，能夠相對(duì)穩(wěn)定地懸停和向前飛行，且操控相對(duì)便利。不過，VZ-7的最高飛行時(shí)速僅為51千米，最大飛行高度僅為60米，性能完全無法滿足當(dāng)時(shí)美國陸軍的要求，因此最終并未量產(chǎn)和裝備。

上述早期多旋翼飛行器普遍缺乏先進(jìn)的自動(dòng)飛控系統(tǒng)和推重比高，缺乏快速響應(yīng)的動(dòng)力系統(tǒng)，導(dǎo)致大多操控困難、性能低下、實(shí)用價(jià)值低，因而這種構(gòu)型的飛行器逐漸被人們淡忘了。

1995—2010年，隨著微機(jī)電系統(tǒng)、微處理器、動(dòng)力鋰電池、無刷電機(jī)、碳纖維機(jī)身等關(guān)鍵硬件的實(shí)用化、小型化和低成本化發(fā)展，安裝有飛行姿態(tài)自動(dòng)控制器的電動(dòng)多旋翼飛行器逐漸在航模愛好者中流行起來，并開始進(jìn)入商業(yè)航拍領(lǐng)域。這一時(shí)期，典型的商用多旋翼無人機(jī)包括德國Microdrones公司發(fā)布的MD4-200等，不過這一階段的多旋翼無人機(jī)普遍具有控制距離短、價(jià)格高昂等缺點(diǎn)，且不具備相機(jī)三軸穩(wěn)定系統(tǒng)，對(duì)操作人員有較高的技術(shù)要求，因此受眾狹窄。

2010年，法國Parrot公司發(fā)明了AR.Drone多旋翼無人機(jī)，該機(jī)可以在移動(dòng)設(shè)備上利用無線網(wǎng)絡(luò)控制并接收?qǐng)D像，還可以借助帶陀螺儀的飛控和超聲波測(cè)高傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定高懸停。該無人機(jī)一經(jīng)發(fā)布便被各國消費(fèi)者大量購買，這標(biāo)志著消費(fèi)級(jí)無人機(jī)時(shí)代拉開了序幕。

2012年，中國深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司發(fā)布了經(jīng)典的精靈Phantom無人機(jī)，該機(jī)擁有1.2千克的最大起飛重量、控制距離1000米的遙控系統(tǒng)和集成GPS、陀螺儀與氣壓高度計(jì)于一體的飛控系統(tǒng)，具有室外定點(diǎn)懸停和失控返航功能。該機(jī)大幅提升了消費(fèi)級(jí)多旋翼無人機(jī)的實(shí)用性，使之進(jìn)化為航拍工具。

此后，大疆、零度、道通智能等企業(yè)憑借不斷提高的機(jī)電模塊集成度、逐步提高的電池能量密度、反復(fù)優(yōu)化的氣動(dòng)設(shè)計(jì)和不斷迭代的人工智能算法，讓消費(fèi)級(jí)多旋翼無人機(jī)在越來越輕便小巧的同時(shí)飛得更快、更遠(yuǎn)，并逐漸實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)避障、視覺跟隨、自動(dòng)拍攝等智能飛行功能，使無人機(jī)真正“飛入尋常百姓家”。

隨著多旋翼無人機(jī)在消費(fèi)級(jí)航拍市場(chǎng)的興起，無人機(jī)制造商開始進(jìn)一步拓展這種結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)、操控便捷、擴(kuò)展性強(qiáng)的飛行器在行業(yè)級(jí)市場(chǎng)中的應(yīng)用。各種集成了三軸增穩(wěn)云臺(tái)的光電探測(cè)設(shè)備陸續(xù)問世，例如，用于高精度測(cè)繪的激光雷達(dá)和全畫幅相機(jī)、用于農(nóng)作物狀態(tài)監(jiān)測(cè)的多光譜相機(jī)、用于長距離觀察的高倍率光學(xué)變焦相機(jī)和激光測(cè)距儀等。為了更好發(fā)揮載荷性能，廠商又根據(jù)各個(gè)行業(yè)的需求開發(fā)了一系列擁有長續(xù)航時(shí)間、高可靠性和一定便攜性的行業(yè)無人機(jī)。功能繁多的載荷和性能優(yōu)異的飛行平臺(tái)，輔以無人值守機(jī)場(chǎng)和配套專業(yè)軟件，逐漸讓多旋翼無人機(jī)在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

多行業(yè)應(yīng)用中的能工巧匠

農(nóng)業(yè)方面，農(nóng)技人員可以首先使用搭載多光譜相機(jī)和光照傳感器的小型多旋翼無人機(jī)，對(duì)農(nóng)作物長勢(shì)和太陽輻照度進(jìn)行評(píng)估；再用裝有噴灑器和播撒裝置的農(nóng)業(yè)植保多旋翼無人機(jī)精準(zhǔn)而快速地施放藥物或肥料。相比傳統(tǒng)的人力施肥打藥，這套操作流程不僅節(jié)約了人工成本，還避免了藥物和肥料的濫用，可謂“多快好省”。

應(yīng)急救援方面，多旋翼無人機(jī)可以搭配系留套件，借助地面發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)連續(xù)照明，為救援隊(duì)員在災(zāi)區(qū)夜以繼日搶救被困人員提供照明保障。2023年2月土耳其發(fā)生連續(xù)強(qiáng)震后，奔赴災(zāi)區(qū)的我國藍(lán)天救援隊(duì)就攜帶了多套系留照明無人機(jī)系統(tǒng)，成為災(zāi)區(qū)“夜空中最亮的星”。對(duì)于森林滅火或野外搜救場(chǎng)景，搭載熱成像儀的無人機(jī)則可以提供直觀的地面熱源分布圖，從而大幅提升救援效率。

科學(xué)研究方面，多旋翼無人機(jī)不僅可以代替人類深入火山、冰川等危險(xiǎn)場(chǎng)合，而且因體積小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)而更適于飛入文物古跡等狹小空間內(nèi)部進(jìn)行細(xì)致考察。相比固定翼無人機(jī)，多旋翼無人機(jī)可以穩(wěn)定地懸停或以很低的速度巡航，這樣不易錯(cuò)過每一個(gè)觀察細(xì)節(jié)。國外的研究團(tuán)隊(duì)還曾嘗試使用多旋翼無人機(jī)觀察鯨魚，并操縱裝有采集裝置的無人機(jī)穿越鯨魚噴射的水柱以采集研究樣本。

現(xiàn)有的民用多旋翼無人機(jī)依靠多樣化的負(fù)載和簡便的操作維護(hù)，正滲透進(jìn)越來越多的領(lǐng)域，為許多傳統(tǒng)行業(yè)插上了翅膀。但我們也必須看到，多旋翼無人機(jī)的廣泛使用也帶來了航空安全、信息安全等方面的新問題。例如在2021年8月，由于雙方疏忽，加拿大約克地區(qū)警方操作的一架多旋翼無人機(jī)和一架載人的小型飛機(jī)相撞，所幸機(jī)上人員并無大礙。為解決這些問題，無人機(jī)制造商、使用者和航空監(jiān)管部門等都必須采取人防、物防和技防相結(jié)合的手段，盡可能避免意外事故的發(fā)生。

“戰(zhàn)場(chǎng)幽靈”

和固定翼飛機(jī)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用歷程類似，多旋翼無人機(jī)最早也被用來偵察敵情，隨后又陸續(xù)出現(xiàn)了自殺式爆炸無人機(jī)和凌空投擲爆炸物的無人機(jī)。

2014年，“伊斯蘭國”武裝分子開始使用民用多旋翼無人機(jī)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)情況進(jìn)行偵察。2016年10月，伊拉克北部地區(qū)，“伊斯蘭國”武裝分子故意墜毀了一架多旋翼無人機(jī)，該機(jī)的電池內(nèi)裝有簡易爆炸裝置；當(dāng)兩名庫爾德戰(zhàn)士撿起這架無人機(jī)時(shí)，爆炸發(fā)生，兩人當(dāng)場(chǎng)死亡。本次事件很可能是最早的多旋翼無人機(jī)作為武器直接攻擊敵方的案例。

隨后的幾個(gè)月中，“伊斯蘭國”武裝分子和伊拉克警察部門在庫爾德地區(qū)先后使用了多旋翼無人機(jī)向?qū)Ψ酵稊S簡易炸彈。前者所用的投彈無人機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡單—在無人機(jī)底部安裝一個(gè)下漏塑料筒，操縱者通過粘貼在機(jī)身側(cè)面的組件釋放筒中爆炸物；后者使用的投彈無人機(jī)結(jié)構(gòu)更為完善—機(jī)身下方安裝有兩個(gè)遙控投擲器，可以各自懸掛一枚裝有羽毛球“尾翼”的榴彈。這種“羽毛球炸彈”由于下落軌跡更穩(wěn)定，攻擊精度更高，一經(jīng)問世就不斷被世界各地的軍事組織借鑒，隨后還產(chǎn)生了3D打印塑料尾翼的“升級(jí)版”。

2018年8月，委內(nèi)瑞拉總統(tǒng)馬杜羅在閱兵式上發(fā)表演講時(shí)，一架大型六旋翼無人機(jī)在主席臺(tái)附近爆炸，造成多人受傷，所幸馬杜羅本人并無大礙。這是近年來最為著名的一起使用多旋翼無人機(jī)刺殺政治人物的案件。

2022年初俄烏爆發(fā)沖突后，俄烏雙方時(shí)常在社交媒體上發(fā)布各種由民用無人機(jī)拍攝的作戰(zhàn)視頻：這些無人機(jī)時(shí)而引導(dǎo)火炮射擊，時(shí)而投放炸彈，時(shí)而使用專用探測(cè)器搜索地雷，甚至還通過撞擊來擊落敵方無人機(jī)。借助復(fù)合材料制成的小巧機(jī)身、低空低速的飛行特性和靈活的操控性能，民用多旋翼無人機(jī)得以在槍林彈雨中穿梭自如。敵方雖然可以通過耳聽眼看的方式發(fā)現(xiàn)并擊落它們，但往往困難重重。

偵測(cè)、反制皆困難重重

對(duì)無人機(jī)進(jìn)行處置的前提是偵測(cè)到其存在。但對(duì)來去無蹤的多旋翼無人機(jī)而言，要做到這一點(diǎn)并不容易。

在各式各樣的無人機(jī)偵測(cè)手段中，最簡單的方法就是在陣地的各個(gè)方向設(shè)立無人機(jī)觀察哨。該方法雖然簡單粗暴，面對(duì)噪聲大、高度低、速度慢的小型民用多旋翼無人機(jī)卻有著不錯(cuò)的效果，所以在戰(zhàn)場(chǎng)上也應(yīng)用得最廣。

多旋翼無人機(jī)飛行時(shí)，其電子元器件的溫度較高，和溫度較低的天空背景會(huì)形成明顯的熱輻射反差。據(jù)此原理，部分安防監(jiān)控廠商制造了紅外熱成像式監(jiān)測(cè)設(shè)備。此類設(shè)備在工作時(shí)，首先借助安裝在電動(dòng)云臺(tái)上的熱成像相機(jī)對(duì)空旋轉(zhuǎn)掃描，再利用后端計(jì)算機(jī)自動(dòng)分析圖像并生成目標(biāo)軌跡。不過，這類設(shè)備多用于要地安保，對(duì)飛行高度較高的目標(biāo)有很好的識(shí)別能力，卻容易漏報(bào)貼著樹梢、巖石或建筑物頂部飛行的無人機(jī)。還有一些企業(yè)開發(fā)了便攜式反無人機(jī)雷達(dá)。這種雷達(dá)采用有源相控陣架構(gòu)，形似一塊平板，可單人背負(fù)操作，最遠(yuǎn)可以偵測(cè)到數(shù)千米外的無人機(jī)。不過，這類設(shè)備同樣存在低空識(shí)別能力較弱的問題，而且因?yàn)楸銛y式反無人機(jī)雷達(dá)會(huì)主動(dòng)發(fā)射電磁輻射，所以反而有可能被敵方無線電監(jiān)測(cè)手段發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致己方陣地暴露。

雖然戰(zhàn)場(chǎng)上的作戰(zhàn)雙方都使用了無人機(jī)控制信號(hào)偵測(cè)器、單兵干擾槍、無人機(jī)干擾車等反制裝備，但民用多旋翼無人機(jī)依然可以神出鬼沒。究其原因，一方面是上述反制裝備的普及率有限，不太可能讓己方每個(gè)作戰(zhàn)單元都擁有無人機(jī)搜索和壓制能力；另一方面是此類無人機(jī)價(jià)格低廉，即使被擊落，敵方損失也不大。

此外，絕大多數(shù)無人機(jī)干擾設(shè)備通過強(qiáng)電磁來干擾、阻斷敵方無人機(jī)的衛(wèi)星定位和遙控信號(hào)，但市售的民用無人機(jī)往往缺乏可靠的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，在丟失全部無線電信號(hào)后會(huì)變成“無頭蒼蠅”。這就意味著，如果無人機(jī)攜帶有爆炸物，而干擾信號(hào)作用距離又不夠長時(shí)，反而容易使無人機(jī)在己方陣地附近墜毀，同樣造成損失。此外，大功率電磁干擾還有可能造成誤傷己方無人機(jī)、干擾己方通信等附帶問題。

為了克服無人機(jī)干擾設(shè)備的種種缺點(diǎn)，烏克蘭科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一款名為FOWLER的多旋—固定翼混合構(gòu)型截?fù)魺o人機(jī)。FOWLER采用多旋翼構(gòu)型垂直起飛，并可在空中轉(zhuǎn)換為固定翼模式高速平飛。被放飛后，它首先通過低成本的紅外和可見光雙波段攝像頭搜索目標(biāo)，隨后在接近目標(biāo)時(shí)釋放一個(gè)網(wǎng)狀充氣捕捉器，最后降落在指定區(qū)域進(jìn)行充電和重復(fù)使用。當(dāng)然，也可以將FOWLER設(shè)置為直接撞擊模式，與目標(biāo)同歸于盡。

此外，各國軍工企業(yè)還研發(fā)了各式各樣的激光反無人機(jī)設(shè)備。這類設(shè)備首先由大功率激光發(fā)射器產(chǎn)生激光，再借助安裝在萬向支架上的光學(xué)鏡頭實(shí)現(xiàn)跟蹤照射。相比于實(shí)體彈藥，沿直線傳播的高能激光不僅使用成本低廉，更能輕松做到“指哪打哪”，十分適合對(duì)付民用多旋翼無人機(jī)這種高機(jī)動(dòng)性小型目標(biāo)。但由于現(xiàn)有的移動(dòng)式激光發(fā)射器功率有限，往往只能使敵方無人機(jī)墜毀，而無法將其在空中徹底粉碎，因此依然存在敵方無人機(jī)失控墜毀后對(duì)己方陣地產(chǎn)生附帶損傷的可能性。

【責(zé)任編輯】諶 燕