國外微型無人機的發(fā)展

計秀敏

無人駕駛飛機由于成本低、安全性好，而且用途廣泛，尤其是在軍事領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力，近年來倍受人們的關(guān)注和各國軍方的重視，特別是進入90年代以來其發(fā)展最為活躍，不但型號方案多，而且出現(xiàn)了一些很有特色的新類型，如在大型長航時無人機問世之后，又相繼出現(xiàn)了戰(zhàn)斗無人機和微型無人機等小型或微型無人機。那么，微型無人機有哪些特點，現(xiàn)狀如何，牽涉到哪些關(guān)鍵技術(shù)，本文將對其進行簡要介紹。

微型無人機概念及特點

為了滿足未來野外分散部隊和城區(qū)作戰(zhàn)的需要，1995年美國就提出了微型無人機的概念，并進行了可行性研究。隨后成立了專門的研究小組，提出了研制計劃。到目前為止，已有一些微型無人機型號或方案相繼問世，有的還進行了飛行試驗，從而引起了人們的關(guān)注。

究竟什么樣的無人機才算得上是微型無人機，目前尚無定論。據(jù)有關(guān)資料介紹，西方國家有人把翼展或機體直徑在18厘米以下、重量在幾十克至500克之間的無人機定義為微型無人機。但是，實際情況并沒有這么嚴格，有人把翼展尺寸超過60厘米的也歸為微、小型無人機之列。微型無人機的英文縮寫為MAV。它的最佳使用高度為45～60米、最高可達150米，飛行速度將達到80公里/小時，作用距離10公里左右。

正因為微型無人機有尺寸小、重量輕、成本低等特點，也就決定了它具有攜帶方便和使用廣泛的優(yōu)勢。美國人研究這種無人機的最初目的主要有兩個：一是用于班排級或分散小組的步兵使用，二是用于城市上空作戰(zhàn)。為了適應(yīng)未來的城市作戰(zhàn)環(huán)境，提高部隊的作戰(zhàn)效率和減少傷亡，微型無人機在這方面也是大有可為的。城市環(huán)境是以地面復(fù)雜和建筑物眾多為特征的，微型無人機由于具有體積小、速度慢、機動靈活等特點，因此可以在城市作戰(zhàn)和監(jiān)控等方面發(fā)揮其它別的飛行器難以替代的作用。

實際上，微型無人機的用途遠不止這些。在軍用方面，微型無人機主要用于低空偵察、通信、電子干擾和對地攻擊等任務(wù)。當(dāng)戰(zhàn)情發(fā)生在偏遠山區(qū)時，具有各種保障的大部隊是難以進入的，通常是以幾個人為一個戰(zhàn)斗小組的小分隊形式進行活動。在這種環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)，獲取戰(zhàn)場情報極為重要，不然就可能寸步難行，而微型無人機正好就能幫助步兵小分隊解決這樣的難題。使用這種微型無人機可進行小范圍的偵察，給戰(zhàn)斗小組或單兵提供他們所需要的信息。這樣，不僅可減少部隊在偵察過程中的傷亡，還可大大提高作戰(zhàn)效率。

微型無人機還可用于信號干擾。雖然這種飛行器的干擾信號很小，但它可以飛到離敵雷達很近的區(qū)域，有效地干擾敵方雷達。它還可用于對地攻擊，如攜帶高能炸藥破壞對方雷達和通信中樞。微型無人機還可用于目標指示及生化武器探測等。

微型無人機在城市作戰(zhàn)中更能顯示出它的優(yōu)勢。它能夠在建筑物中以緩慢的速度飛行，利用機動動作繞過障礙，避免相撞。它可飛到大型建筑周圍執(zhí)行偵察和監(jiān)視任務(wù)，探測建筑物內(nèi)部的目標或恐怖分子的活動情況，竊聽對方的情報。

在民用方面，微型無人機可用于通信中繼、環(huán)境研究、自然災(zāi)害的監(jiān)視與救援。微型無人機還可用于邊境巡邏與控制、毒品禁運、農(nóng)業(yè)勘測等，在未來大型牧場和城區(qū)監(jiān)視等方面，也具有廣闊的應(yīng)用前景。

國外微型無人機發(fā)展現(xiàn)狀

國外研究微型無人機的國家主要是美國。另外，英國、法國、德國、以色列、瑞典和加拿大等國也對這種飛行器很感興趣，有的已開始行動。但是，進展最快的還是美國，不僅已多種微型無人機方案出臺，同時與之配套的關(guān)鍵裝備——微型發(fā)動機也已經(jīng)提出，并即將試飛。

在美國對于微型無人機的研究，最初是在一些大學(xué)或工業(yè)研究所開始搞起來的。在此基礎(chǔ)上，1995年美國國防高級研究計劃局(DARPA)組建了微型無人機可行性研究小組，1996年正式成立了由用戶與研制人員共同組成的聯(lián)合小組，1997年制定了為期4年的微型無人機研制與驗證計劃，1998年4月DARPA與這些研究單位簽定了價值3500萬美元的合同（到2000財年）。

根據(jù)合同要求，各承包商要在大約3～4年的時間內(nèi)，研究出一種翼展尺寸約在15厘米左右、配有自動駕駛系統(tǒng)及電視攝像機，航程在5～10公里，能夠晝夜傳回高質(zhì)量的地面圖像，能夠執(zhí)行軍用任務(wù)的微型無人機。另外，要求設(shè)計的微型無人機能夠使士兵在不超過6個月的訓(xùn)練時間內(nèi)熟練掌握它的操縱要領(lǐng)。

最近，美國國防高級研究計劃局提出的微型無人機計劃已進入飛行試驗階段。即將進行飛行試驗的有4種近距偵察微型無人機原型機，參與研制這些微型無人機的主要是美國洛克希德(桑德）和航空環(huán)境（Aero Vironment）兩個公司。

洛克希德(桑德）公司主要從事固定翼方案的研究，已研制了四種不同尺寸的微型無人機模型，以用于進行飛行試驗。其翼展尺寸分別為60.95厘米、48.26厘米、30.48厘米和15.24厘米。

按洛克希德公司的計劃，1999年12月，有一架翼展為20.32厘米、帶全部機載設(shè)備的模型進行飛行試驗；2000年3月，將數(shù)據(jù)鏈的工作范圍擴大到5000米，并進一步改進自動駕駛儀和導(dǎo)航設(shè)備，調(diào)整成像設(shè)備，以得到更加穩(wěn)定、清晰的成像；2000年9月，將研制出一種采用長壽命電池、具有更好成像系統(tǒng)及先進機動性能的微型無人機。

航空環(huán)境公司研制的“黑寡婦”微型無人機已順利通過飛行試驗，該機翼展為15.24厘米，機上裝有一臺照相機，動力源采用鋰電池，飛行速度為48公里/小時，飛行時間為22分鐘。試飛中，無人機的整個操縱過程能夠全部顯示在地面站的監(jiān)視器上。其間，除了發(fā)現(xiàn)機翼略有震動之外，其余基本正常。該機包括操縱裝置、電視監(jiān)視器、天線和一個氣壓發(fā)射器。這些設(shè)備的全部可裝在一個公文包中。其數(shù)據(jù)鏈的工作范圍為1500米。在1999年，它參加了兩次由軍方組織的城區(qū)演習(xí)。試飛和演習(xí)證明，該機的橫滾性能和俯仰穩(wěn)定性良好，空速、高度和航向保持能力也都不錯，但需要增加一個5克重的GPS裝置。

另外，美國還進行了直升翼和撲翼型微型無人機的研究。關(guān)于這些非常規(guī)的微型無人機本刊上期已有文章介紹，在這里不再重復(fù)。

美國在提出研制微型無人機的同時，便開始著手進行與之相配套的微型發(fā)動機的研制。1995年，美國陸軍研究辦公室就開始進行微型發(fā)動機的研究工作。1998年4月，美國國防高級研究計劃局與陸軍簽定了研制微型渦噴發(fā)動機的合同，由美國麻省理工學(xué)院的航空系、機械系和電氣系聯(lián)合研制一種微型無人機用的微型渦輪噴氣發(fā)動機。合同要求在2000年春季，能有一臺地面驗證機開始投入運轉(zhuǎn)試驗；2001年春季，有一臺“基準”型發(fā)動機出現(xiàn)，要求該發(fā)動機具有設(shè)在芯片上的燃油系統(tǒng)；2002年秋季，有一臺微型渦輪發(fā)動機搞出來。

并計劃在2001年，制造一架裝渦輪噴氣發(fā)動機的無人機進行試飛。這架微型無人機的翼展為12.7厘米，重量為50克，安裝一臺推力為0.127牛頓的發(fā)動機。這種無人機的飛行速度為57～114公里/小時，飛行距離為60～120公里，每小時使用大約25克的甲烷燃料。

另外，美國國防高級研究計劃局還在研究用于無人機的小尺寸新型推進系統(tǒng)，要求推力在9.8～98牛頓（1～10公斤力）級的噴氣式發(fā)動機或火箭推進系統(tǒng)。目前已能制造的噴氣發(fā)動機可用于翼展為50厘米左右的微型無人機，不久將會使這種發(fā)動機進一步微型化。另外還在研究一種微型柴油發(fā)動機和電動機，不久將有一種翼展為15厘米的電動微型無人機“微星”試飛。

微型無人機的關(guān)鍵技術(shù)

微型無人機是一個全新的課題，它將面臨著微電子和微工程技術(shù)的挑戰(zhàn)。目前，微工程技術(shù)已得到迅速發(fā)展，尤其在微型慣性傳感器（如加速表和陀螺儀等）方面已取得了顯著的進展。但距微型無人機的實際需求還有較大差距，尚需進行大量關(guān)鍵技術(shù)的研究。

微機電系統(tǒng)技術(shù) 微機電系統(tǒng)（MEMS）是微電路和微機械按功能要求在芯片上集成的一個獨立的智能系統(tǒng)。主要由傳感器、制動器、電源、信號處理和控制電路組成。其結(jié)構(gòu)特征尺寸為微米級，甚至小至納微米級，整個系統(tǒng)的體積為1立方毫米或更小。并具有微型化、低能耗、響應(yīng)快、可靠性高、易于更換、制造成本低等顯著優(yōu)點。新的微機電系統(tǒng)制造技術(shù)使得微型傳感器及微型發(fā)動機部件等的制造成為可能，并能應(yīng)用于如慣性導(dǎo)航設(shè)備、氣流探測系統(tǒng)、微型發(fā)動機、微型衛(wèi)星以及攝象機和發(fā)報機等。由于制造的部件尺寸很小，在微機電系統(tǒng)中大多采用單晶硅，在機械特性方面，要比鈦合金等材料性能更好，且具有良好的電氣特性。只有在這些技術(shù)進入實用后，微型無人機的作用才能得到發(fā)揮。

光電傳感器技術(shù) 微型無人機的情報信息是探測系統(tǒng)通過光電信號提供的。光電傳感器可晝夜不間斷地提供完整的實時情報信息，它是滿足未來信息戰(zhàn)的一項關(guān)鍵技術(shù)。光電傳感器可提供高質(zhì)量的探測、識別與成像以及高分辨率的靜止圖像。光電傳感器技術(shù)是未來探測技術(shù)的發(fā)展方向，也是微型無人機必須具備的關(guān)鍵技術(shù)之一。

微型動力裝置技術(shù) 如果一架微型無人機的尺寸只有十幾厘米大小，那么它的動力裝置將會更小，估計其尺寸也就1厘米左右，甚至更小。因此微型無人機推進系統(tǒng)的微型化難度更大。目前，美國研制的微型無人機動力裝置采用的是微型渦輪噴氣發(fā)動機，其渦輪直徑只有8毫米，葉片長度為0.2毫米。它是利用集成電路技術(shù)，用硅材料制成的。微型動力裝置采用氫氧燃料電池作為能源也是未來一種發(fā)展方向。

隨著先進材料和虛擬制造技術(shù)的發(fā)展，微型無人機在技術(shù)上是可行的。目前，對于象美國這樣的先進國家，大部分技術(shù)已經(jīng)具備或正處于研制階段。預(yù)計到2020年，微工程的光學(xué)傳感器（即紅外探測系統(tǒng)）、化學(xué)傳感器以及各種物理傳感器都將會成為現(xiàn)實。微電子設(shè)備的計算能力將會從現(xiàn)有設(shè)備單芯片的計算水平提高兩個數(shù)量級。采用微電子設(shè)備和微工程傳感器可使現(xiàn)有的無人機系統(tǒng)功能提高、重量減輕、成本降低。在今后20年左右的時間里，微電子和微工程技術(shù)將會得到大力發(fā)展。到了那個時候， 微型無人機也必將會得到相應(yīng)的發(fā)展。■