微型无人机

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  微型无人机(MAV)是指尺寸只有手掌大小(约15cm)的飞行器。它将作为士兵可携带的一种战场侦察设备,其潜在的作用包括空中监视、生物战剂探测、目标识别、通信中继,它甚至能探测到大型建筑物和大型设施的内部情况,因此,为士兵增添了“空中之眼” 。

  目前研制的这些无人机系统大都由无人飞行器、地面控制站和发射器组成。在地面指挥小组的控制下来完成作战使命,主要定位在排师级作战部队使用。

  微型无人机是在1992年提出来的,在美国兰德公司和国防高级研究计划局(DARPA)举办了一个关于未来军事技术的研讨会,资深科学家奥根斯坦主持了有关微型无人机的讨论。会后,兰德公司对微型机的原理进行了研究,认为带有微小传感器的极小的侦察机是可以实现的,可以说,兰德公司是最早提出研制微型无人机主张的。鉴于微型传感器和微机电系统正在日趋成熟,专家们提出了3 年内可以实现的微型无人机的主要参数,它们是:长6-20cm,质量10-100g,负载1-18g , 在30-60 km/h的巡航速度下, 续航时间为20-60min,最大航程为1 -10km 。

  有关专家认为,MAV 应该归于纳米飞行器一类,但纳米飞行器一般是指尺寸在1 μm-1 nm之间或小于1 nm的飞行器,一些专家也把10 cm左右的飞行器笼统的称为纳米飞行器。美国通过对MAV 所需的特殊空气动力要求及技术可行性研究后, 一般把MAV 的有关参数定义为长、宽、高在15 cm 以下、质量在10 g-500 g、最佳使用高度在45-60m范围、最高150 m、飞行速度10-20m /s、最大航程10 km左右、最大续航时间2h以上。有人把翼展或机体直径不超过60 cm 的无人机也归为MAV 之列。

  20世纪90年代以来,微型无人机引起了各国的关注。它的迅速发展和大量使用,将对未来信息化战场的军事行动产生重大影响。美国已将无人飞行器列为五大空中威胁平台中最具破坏力的空中威胁之一,而且无人飞行器将对作战全过程构成威胁,在未来的信息化战场上发挥更重要的作用。

  与有人机比较,无人机的主要优点是采购费用低和无飞行员伤亡危险,其特点是体积小、质量轻、机动性好、隐蔽性好、续航时间长,特别适于执行危险大的任务,主要用作靶机和侦察。在无人机中,微型无人机费用低、无伤亡、轻、小、灵活、机动更突出,特别适于小部队行动和巷战侦察。

  要想研制出如此小的无人机面临着许多技术及工程问题。最大的困难是动力问题。在微型无人机的开发中,近期最大的困难是发动机系统及其相关的空气动力学问题,而发动机又是关键,它必须在极小的体积内产生足够的能量,并把它转变为推力,而又不增加过多的重量。

  由于尺寸小速度低,微型无人机的工作环境更像是小鸟及较大昆虫的生活环境,而人们对于这种环境中的空气动力学还知之甚少,其中的许多问题,都难以用普通空气动力学理论加以解释。由于微型无人机只能低速飞行,层流占主导地位,它引起较大的力及力矩,这可能要求用三维方法解释它的空气动力学。微型无人机的机翼载荷很小,几乎不存在惯性,很容易受到不稳定气流、如城市楼群中的阵风以及风雨的影响。

  怎样控制微型无人机的飞行是另一个难点。首先要有一个飞行控制系统来稳定微型无人机,至少增加其自然的稳定性。这样在面临湍流或突发的阵风时可以保持其航线,并可执行操作人员的机动命令。若微型机需要对目标成像的话,还需要稳定瞄准线。为使微型无人机自主飞行,要采用重量轻、功率低的GPS接收机,低漂移量的微型陀螺仪和加速度计,也可以利用地理信息系统提供地形图导航。GPS可以大大提高微型机的能力,但目前它在功率、天线尺寸、重量及处理能力等方面均存在不少问题,需要加以解决。而且,系统还要不受电磁波及无线电频率的干扰,要求通信电子元件的质量/功率效率极高。

  一旦飞到空中,微型无人机需要保持它与操作人员之间的通信联系。由于体积重量的限制,目前只能采用微波通信方式。尽管微波可以传播大量的数据,足够进行电视实况转播,但它却无法穿透墙壁,因而只能在视距内使用它,微型无人机的尺寸小限制了无线电的频率及通信距离。当微型机飞出视距或视线被挡住时,就需要一个空中的通信中继站,中继站可以是另一架飞机或者卫星。

  要想在战场上实际应用,微型无人机还需要携带各种侦察传感器,如电视摄像机、红外、音响及生化探测器等。这些都必须是超轻重量的微型传感器,因而部件小型化是传感器技术发展的关键。

  美国空军已经成功研发了一种可精确打击目标的微型无人机。2008年美国空军研究实验室开始研发一种体型微小的武装无人机,准备配备给美国特种部队,执行对“具有较高价值的目标”的杀伤任务。军方不会透露这项名为“阿努比斯(Anubis)”的计划的具体执行情况,但据军方预算文件记录,美国空军工程师已经在“装备新型导引/追踪传感器算法、能够对较高价值目标发起攻击的微型飞行器(Mirco-Air Vehicle, MAV)”方面取得了成功。近几年来,美国军方越来越多地使用“捕食者”和“收割者”这类无人机,利用它们装备的“地狱火”(Hellfire)导弹在阿富汗和巴基斯坦对头目发动定点攻击。但这些体型相对较大的无人机有三大缺点:

  美国空军2008年度预算计划中,“阿努比斯计划”被描述为“一种小型无人机,配备传感器、数据链,装备可在复杂环境下对时间敏感、可迅速移动的目标发起攻击的武器。”预算计划中还称,美国空军研究实验室完成开发后,该机型将用于空军特战司令部。截至目前为止,军方对此没有发表官方声明,对于媒体提出的询问,空军也没有做出任何评论。但最新的空军研究与发展预算中简短地提及了这项计划。最新文件称“阿努比斯计划”已经完成,共耗资175万美元。 “阿努比斯计划”的现状不得而知,有可能在研发结束后无疾而终,也有可能已经交到了空军特战司令部手中。如果是第二种情况,那么它将解决“捕食者加地狱火”组合带来了两大问题:它能够跟踪并追捕最难捕捉的目标,在接近目标时,它装备的视频传感器可以让其明确辨别目标,以便操作者决定是否采取行动。在埃及神话中,阿努比斯神负责称量死者的心脏,决定他们是否能得到永生。而“阿努比斯”无人机同样要执行这种精确判断的任务。此外与重达20磅的“捕食者”相比,这种只有不足一磅重的无人机带来的附带损伤无疑可以降到最低。

  与常规飞行器相比,人们对微型无人机的空气动力学机理知之甚少,0.076 m 以下的飞行器的空气动力学

  特性对人们来说还是个谜。美国是对微型无人机领域进行研究的最早的国家,并已取得了重大成果,其所研制的MicroStar 固定翼微型无人机已经在阿富汗战争中试用。美国加利福尼亚理工学院微机械加工实验室在2000 年研制了一个基于MEMS 的微电机驱动、电池供电、质量仅约10 g 左右的扑翼微型无人机,由于微型电池动力有限,最多仅持续飞行了18 s。美国最新研制的扑翼微型无人机已经能够在微型无线电控制器的遥控下飞行约6min,这是目前公开报道的、有技术细节的、可以持续飞行且飞行时间最长的扑翼微型无人机。美国通用原子航空系统公司宣布,曾经参加过作战行动的RQ -1“捕食者” 无人驾驶飞机(UAV)最近在飞行中成功地发射了一架微型无人机,这是历史上第1次飞行中的无人机自携带并发射另一架微型无人机。

  我国也对微型无人机展开了系统的研究,航天科技集团公司北京空气动力研究所研制的微型无人机目前已经进入了自主飞行样机研制试验阶段。它的动力装置为卫星活塞式发动机,具有微型电视摄像机、数据传输设备、电子干扰装置及特种装备等机载设备,由微型陀螺、微处理芯片机、微型GPS 、舵机对它进行制导与控制。它的翼展为220-600mm;最大起飞质量0.12-1.5 kg;性能数据:最大平飞速度100 km/h,巡航速度60 -72 km/h,巡航高度100-300 m ,最大航程10-36 km,最大续航时间10-30 min 。

  要想研制出如此小的无人机,有许多极其重要的工程问题需要解决,存在许多困难。发动机是关键问题,它必须在极小的体积内产生足够的能量,并把它转换为推力。微型无人机的动力可以有好多种,如火箭脉冲式喷气发动机、转子发动机及内燃机等,内燃发动机具有良好的前景。微型内燃发动机的热效率可能只有5%左右,功率密度一般为1 W/g,发动机使用高能燃料。到目前为止,尚未制成真正可用的内燃发动机,而且还必须克服噪声和可靠性问题。电动装置也是很有前途的。微型无人机的电动机可以利用电化学电池、燃料电

  池、微型涡轮发电机、热光电发电机、太阳能电池或电子束能量系统作为能源。前三者被认为是最适用的,但目前还没有被应用。

  由于尺寸小速度低,微型机要比普通飞机在较低的雷诺数下飞行。这时空气的粘滞力很大,与大飞机相比,微型机按比例所受的阻力更大。研究高效的气动外形成为研究微型无人机的重要核心内容。通常情况下,这方面研究还缺乏有效的理论和实践,“仿生”仍是最有效的捷径方法。并且,微型无人机螺旋桨的效率有限。在飞机长15cm 时,螺旋桨还可以有效地工作,但7.6 cm 是它的下限,在这以下,就需要采用扑翼技术,这种技术还需要许多基础研究工作。

  微型无人机必须实现垂直起降、悬停和爬行等特殊飞行要求,单靠已有的发动机装置和配置结构都难于实现这一目标,怎样控制微型无人机飞行是一个难点,至少要有一个飞行控制系统来控制它,并可执行控制人员的机动命令。一旦飞到空中,微型无人机需要保持它与控制人员的通信联系,由于体积的限制,目前微型无人机只能采用微波通信方式,尽管微波可以传播大量的数据,但它不能穿透墙壁,因而只能在视距内使用。当飞机飞出视线或视线以下时,可以利用全球定位系统(GPS)来确定它的位置,但目前最小的GPS 装置的功率至少需要0.5W,天线g,并且天线尺寸又大,因而目前无法采用,需要进一步的改进。

  要想在战场上实际应用,微型无人机还需要携带各种侦察传感器,如电视摄像机、红外、音响及生化探测器等。这些都必须是超轻质量的微型传感器,因而部件小型化是传感器技术发展的关键问题。

  美国大力发展微型无人机技术,并研制出各种微型无人机平台,有固定翼、旋翼及扑翼式3种。微型无人机的研制始于1990年代中期,第一个飞行样机出现于1990年代末期。1996年,美国国防高级研究计划局授予航境公司一项研制合同,进行制造微型无人机的可行性研究。该公司制造出了“黑寡妇”固定翼微型无人机。该机为直径152mm的圆盘形,采用轻木结构,螺旋桨驱动。 1997年底,使用锂电池不带载荷进行了16分钟的飞行。另一架“黑寡妇”在1999年年中进行了重新设计,最大起飞质量60g,最大载荷量7g,翼展15cm,续航时间22分钟,航程2km。 随后,航境公司开发出了“蝗虫”固定翼微型无人机,翼展33cm,总质量17g。2002年8月,一架试验型“蝗虫”飞行时间超过了100分钟。此外该公司还开发出了“大黄蜂”固定翼微型无人机,动力系统采用氢燃料电池,而不是大多数微型无人机所采用的锂电池。“大黄蜂”质量为170g,翼展38cm。2005年1月,美国霍尼韦尔公司开始了涵道风扇小型无人机的飞行试验。该无人机高56cm、宽35.5cm、质量2.2kg,样机还将交付美国陆军进一步试验。霍尼韦尔公司在该项目的主要合作伙伴是常规无人机制造商AAI公司,该公司将制造其机身。尽管目前的动力系统采用汽油发动机,但霍尼韦尔公司希望在2006年前研制出重质燃料型发动机。美国军事技术公司的“背包式无人监视瞄准与增强侦察”无人机系统已经出售给美国陆军和英国国防部用于测试和评估。

  美国《连线日报道,美国空军已经成功研发了一种可精确打击目标的微型无人机。2008年,美国空军研究实验室开始研发一种体型微小的武装无人机,准备配备给美国特种部队,执行对“具有较高价值的目标”的杀伤任务。军方不会透露这项名为“阿努比斯(Anubis)”的计划的具体执行情况,但据军方预算文件记录,美国空军工程师已经在“装备新型导引/追踪传感器算法、能够对较高价值目标发起攻击的微型飞行器(Mirco-Air Vehicle, MAV)”方面取得了成功。

  近几年来,美国军方越来越多地使用“捕食者”和“收割者”这类无人机,利用它们装备的“地狱火”(Hellfire)导弹在阿富汗和巴基斯坦对头目发动定点攻击。但这些体型相对较大的无人机有三大缺点:

  首先,无法精确确定具体击中的目标。在2002年那起著名的无人机误杀事件中,中央情报局特工在阿富汗帕克蒂亚省向一位平民发射了“地狱火”导弹。这位平民因为身材异乎寻常的高大,被无人机操纵者认定是身高6英尺5英寸(约合1.96米)的本·拉丹。然而实际上,受害者只是一位无辜的阿富汗农民。

  第二,“地狱火”导弹并不是执行这类任务的最佳武器。这种型号的导弹最初是为反坦克任务设计的,因此灵敏度并不特别高,也不适合像汽车、摩托车这样可以在最后一秒钟转向、躲避袭击的目标。

  第三,这类袭击通常会在杀伤目标的同时波及其他人,因此常有误伤无辜的危险。

  由于上述缺点的存在,“阿努比斯计划”应运而生。美国特种部队已经开始广泛使用“航境”(AeroVironment)公司开发的“黄蜂”(Wasp)无人机,这是现役体型最小的无人机,不足一英镑重,持续航行能力在45分钟左右,视距控制最大为3英里。

  相对于较大型的飞行器,这些性能数据似乎很有限。但“黄蜂”的特长在于近距离侦察。它使用较为安静的电动发动机,因此可以不被发现的情况下接近目标。

  美国空军2008年度预算计划中,“阿努比斯计划”被描述为“一种小型无人机,配备传感器、数据链,装备可在复杂环境下对时间敏感、可迅速移动的目标发起攻击的武器。”预算计划中还称,美国空军研究实验室完成开发后,该机型将用于空军特战司令部。

  截至目前为止,军方对此没有发表官方声明,对于媒体提出的询问,空军也没有做出任何评论。但最新的空军研究与发展预算中简短地提及了这项计划。最新文件称“阿努比斯计划”已经完成,共耗资175万美元。

  “阿努比斯计划”的现状不得而知,有可能在研发结束后无疾而终,也有可能已经交到了空军特战司令部手中。如果是第二种情况,那么它将解决“捕食者加地狱火”组合带来了两大问题:它能够跟踪并追捕最难捕捉的目标,在接近目标时,它装备的视频传感器可以让其明确辨别目标,以便操作者决定是否采取行动。在埃及神话中,阿努比斯神负责称量死者的心脏,决定他们是否能得到永生。而“阿努比斯”无人机同样要执行这种精确判断的任务。

  此外,与重达20磅的“捕食者”相比,这种只有不足一磅重的无人机带来的附带损伤无疑可以降到最低。

  美国防部所属专门负责美军新概念武器研发的美国国防高级研究计划局与洛马公司签订了一项1 700 万美元的合同,由洛马公司负责设计出一种新型超级微型无人机,这种无人机将能够在敌方毫无知觉的情况下飞进室内执行侦察任务,这就是世界上最小的无人机,能有多小? 仅有枫树籽那样大小。

  这种新型无人机仅2.5cm长,最大起飞质量只有10g。根据美军划分,这种无人机的形状和大小仅和一枚枫树籽相当,可谓是一种名副其实的超级微型无人机。洛马公司将设计出这种无人机的总体框架,并研制出无人机的发动机、机体和飞行控制系统。

  这种史无前例的超级微型无人机,体形虽小,但将会是“五脏俱全”。除了所有的无人机都装备有的动力系统外,这种无人机还将配备遥感勘测仪、导航系统、成像传感器和数据传输系统等。美军规划,这种无人机在研制成功后,将首先用于反恐战场上。无人机操作员最远可以在距离所要侦察地区约800 m 外的地方放飞,无人机的机身下安装有摄像头,可通过数据链将前进路线状况实时传输给操作员,便于操作员的飞行操纵。在飞进室内或到达指定区域后,操作员遥控启动无人机上的侦察装备,开始执行侦察任务。这种超级微型无人机的最大作战特点是机动灵活、隐蔽性好,机身上所携带的成像传感器可使其昼夜执行侦察和监视任务。此外,超级微型无人机由于体积小,还可侦察一些大型侦察兵器无法进入的区域。

  以色列飞机工业公司的“蚊1”式无人机的研制始于2001年,2003 年1月1日首次飞行。该机翼展30cm,质量250g,续航时间40分钟。“蚊1.5”式无人机质量为首架样机的两倍,翼展34cm。“蚊1.5”式无人机于2004年试飞成功。 二者主要区别在于“蚊1.5”式无人机可以自主飞行,能按全球定位系统指示的航路点飞行,而“蚊1”式无人机不具备这种能力,因为其体积太小,不能集成飞行控制系统和全球定位系统。“蚊1”式无人机只能无线电操纵,但配备飞行计算机和提供航路点后具有自主飞行能力。自主飞行是微型无人机的关键,没有这种能力其工作能力就受限制。为了获得飞行控制、稳定性和航路点的所有参数,以色列飞机工业公司对“蚊1.5”式无人机进行了大约100小时的试飞。“蚊1.5”式无人机的稳定性、质量与其性能之间也同样存在折衷选择的问题,比如进行载荷与电池质量之间的折衷选择,使用10~20g的摄像机可以提供一个小时的续航时间。低速飞行时的可控性和机动性也是一个急待解决的问题。由于这种飞行器的速度限制,它不能用于所有的军事行动,仅适于与其速度和摄像机要求相适应的作战环境。以色列飞机工业公司目前致力于微型无人机推进装置、电池以及技术模型的研究,旨在提高“蚊”式无人机系统的性能。近期内还要利用现行飞机的空气动力特性解决低速度条件下的机动性能问题。以色列飞机工业公司的I-See无人机质量不到1kg,翼展为2.9m,能携载光电传感器(电视)或者红外传感器,具备自动起飞和自动传输数据能力。

  小型化直升机目前已经出现,其中包括日本精工爱普生公司研制的 “微型飞行机器人” 样机,是世界最小的无人驾驶直升机,质量只有9g,高度仅为 2.8cm。

  欧洲航空航天防务多尼尔公司生产的Do-MAV无人机质量约510g,翼展42cm,续航时间超过30分钟,法国和英国已对该机进行演示论证。英国航空航天系统公司对“微星”微型无人机进行了进一步的研制。“微星” 微型无人机为三角翼平台,续航时间超过20分钟。 德国的EMT公司已研制出2种微型无人机,即“扇风机”垂直起降旋翼无人机和“天皇”固定翼手持发射无人机。“扇风机”无人机执行任务半径超过500m,续航时间超过15分钟,起飞质量约750g。“天皇”无人机具有类似的特性,但起飞质量约为500g。

  据美国媒体报道,中国刚刚公布了其CH-901管射巡飞弹的详细信息,一款便携式杀手无人机,士兵可以随身携带,然后现场发射,追踪并攻击对手。中国人在这领域并非是第一家,美国于2011年推出了“弹簧刀”无人机并在阿富汗使用了它。但是,这是中国军队的一大举措。

  中国军队飞行五花八门的无人机,从小型手推系统的巨型“神鹰”,双机身飞机旨在远程探测隐形飞机。有些是西方模式仿制品:在20世纪60年代,中国在其领土上空击落美国“火蜂”无人机之后,中国仿制它们,于1972年建造了“长虹”1无人机,此外,中国的无人机商业有许多民间企业。最著名的是大疆,其在消费无人机市场占有70%的份额。

  虽然CH-901在亚洲防务展展示过,但是它是中国第一款战术攻击无人机。它有两种配置,搭载不是爆弹头就是额外的摄像机和回收降落伞。显然,这是仿制以色列像“英雄”-30神风微型无人机。这款CH-901的起飞重量为20磅,相比之下,美国的“弹簧刀”无人机到6磅。

  大小规模的原因是有效载荷,它可以超过6磅。虽然“弹簧刀”不足一磅弹头是针对打击人员和轻型车辆,但是CH-901将能够清除更广泛的各种目标。在这方面,它类似于波兰“战友”巡飞弹,其采用碎片装药或形装药弹头武装,能够穿透4英寸装甲,摧毁坦克和轻型装甲车。不过,中国的无人机几乎是“战友”无人机的两倍大小。一枚6磅重的弹头可能无法穿透像M1“艾布拉姆斯”主战坦克的前装甲,但在攻击中,它可以从上方突破顶部薄装甲。像M2“布雷德利”轻型车辆便是易如反掌。

  标准的CH-901的配置是一组3架无人机,1根发射管和1台控制器,具有100英镑的总重量。中国称之为“单兵携带”(大概是负载可在两个或更多的士兵之间拆分),或者可以安装在像一辆越野车的轻型汽车。据制造商,无人机巡航速度每小时为40至75英里,侦察配置的续航力为2小时,作为攻击无人机续航力为1小时,其航程约10英里。侦察版本的估计寿命为20次任务。

  这款CH-901是由中国保利集团防务公司负责销售,其声称是中国顶级3家防务公司之一。2013年2月,中国保利技术公司(保利防务公司的一部分),因违反制裁“伊朗,朝鲜和叙利亚不扩散法,而受到美国国务院的制裁”。但是该公司否认发生任何违约行为。这架CH的标记表明无人机是由中国航天科技集团打造,其负责军用无人机生产2000年从CH-1到近期的CH-803。

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