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国外微型无人机的发展

发布时间:2018-05-09 11:31:00 文章来源:未来智讯    
    
    微型无人机概念及特点
    
    为了满足未来野外分散部队和城区作战的需要,1995年美国就提出了微型无人机的概念,并进行了可行性研究。随后成立了专门的研究小组,提出了研制计划。到目前为止,已有一些微型无人机型号或方案相继问世,有的还进行了飞行试验,从而引起了人们的关注。
    究竟什么样的无人机才算得上是微型无人机,目前尚无定论。据有关资料介绍,西方国家有人把翼展或机体直径在18厘米以下、重量在几十克至500克之间的无人机定义为微型无人机。但是,实际情况并没有这么严格,有人把翼展尺寸超过60厘米的也归为微、小型无人机之列。微型无人机的英文缩写为MAV。它的最佳使用高度为45~60米、最高可达150米,飞行速度将达到80公里/小时,作用距离10公里左右。
    正因为微型无人机有尺寸小、重量轻、成本低等特点,也就决定了它具有携带方便和使用广泛的优势。美国人研究这种无人机的最初目的主要有两个:一是用于班排级或分散小组的步兵使用,二是用于城市上空作战。为了适应未来的城市作战环境,提高部队的作战效率和减少伤亡,微型无人机在这方面也是大有可为的。城市环境是以地面复杂和建筑物众多为特征的,微型无人机由于具有体积小、速度慢、机动灵活等特点,因此可以在城市作战和监控等方面发挥其它别的飞行器难以替代的作用。
    实际上,微型无人机的用途远不止这些。在军用方面,微型无人机主要用于低空侦察、通信、电子干扰和对地攻击等任务。当战情发生在偏远山区时,具有各种保障的大部队是难以进入的,通常是以几个人为一个战斗小组的小分队形式进行活动。在这种环境下执行任务,获取战场情报极为重要,不然就可能寸步难行,而微型无人机正好就能帮助步兵小分队解决这样的难题。使用这种微型无人机可进行小范围的侦察,给战斗小组或单兵提供他们所需要的信息。这样,不仅可减少部队在侦察过程中的伤亡,还可大大提高作战效率。
    微型无人机还可用于信号干扰。虽然这种飞行器的干扰信号很小,但它可以飞到离敌雷达很近的区域,有效地干扰敌方雷达。它还可用于对地攻击,如携带高能炸药破坏对方雷达和通信中枢。微型无人机还可用于目标指示及生化武器探测等。
    微型无人机在城市作战中更能显示出它的优势。它能够在建筑物中以缓慢的速度飞行,利用机动动作绕过障碍,避免相撞。它可飞到大型建筑周围执行侦察和监视任务,探测建筑物内部的目标或恐怖分子的活动情况,窃听对方的情报。
    在民用方面,微型无人机可用于通信中继、环境研究、自然灾害的监视与救援。微型无人机还可用于边境巡逻与控制、毒品禁运、农业勘测等,在未来大型牧场和城区监视等方面,也具有广阔的应用前景。
    
    国外微型无人机发展现状
    
    国外研究微型无人机的国家主要是美国。另外,英国、法国、德国、以色列、瑞典和加拿大等国也对这种飞行器很感兴趣,有的已开始行动。但是,进展最快的还是美国,不仅已多种微型无人机方案出台,同时与之配套的关键装备――微型发动机也已经提出,并即将试飞。
    在美国对于微型无人机的研究,最初是在一些大学或工业研究所开始搞起来的。在此基础上,1995年美国国防高级研究计划局(DARPA)组建了微型无人机可行性研究小组,1996年正式成立了由用户与研制人员共同组成的联合小组,1997年制定了为期4年的微型无人机研制与验证计划,1998年4月DARPA与这些研究单位签定了价值3500万美元的合同(到2000财年)。
    根据合同要求,各承包商要在大约3~4年的时间内,研究出一种翼展尺寸约在15厘米左右、配有自动驾驶系统及电视摄像机,航程在5~10公里,能够昼夜传回高质量的地面图像,能够执行军用任务的微型无人机。另外,要求设计的微型无人机能够使士兵在不超过6个月的训练时间内熟练掌握它的操纵要领。
    最近,美国国防高级研究计划局提出的微型无人机计划已进入飞行试验阶段。即将进行飞行试验的有4种近距侦察微型无人机原型机,参与研制这些微型无人机的主要是美国洛克希德(桑德)和航空环境(Aero Vironment)两个公司。
    洛克希德(桑德)公司主要从事固定翼方案的研究,已研制了四种不同尺寸的微型无人机模型,以用于进行飞行试验。其翼展尺寸分别为60.95厘米、48.26厘米、30.48厘米和15.24厘米。
    按洛克希德公司的计划,1999年12月,有一架翼展为20.32厘米、带全部机载设备的模型进行飞行试验;2000年3月,将数据链的工作范围扩大到5000米,并进一步改进自动驾驶仪和导航设备,调整成像设备,以得到更加稳定、清晰的成像;2000年9月,将研制出一种采用长寿命电池、具有更好成像系统及先进机动性能的微型无人机。
    航空环境公司研制的“黑寡妇”微型无人机已顺利通过飞行试验,该机翼展为15.24厘米,机上装有一台照相机,动力源采用锂电池,飞行速度为48公里/小时,飞行时间为22分钟。试飞中,无人机的整个操纵过程能够全部显示在地面站的监视器上。其间,除了发现机翼略有震动之外,其余基本正常。该机包括操纵装置、电视监视器、天线和一个气压发射器。这些设备的全部可装在一个公文包中。其数据链的工作范围为1500米。在1999年,它参加了两次由军方组织的城区演习。试飞和演习证明,该机的横滚性能和俯仰稳定性良好,空速、高度和航向保持能力也都不错,但需要增加一个5克重的GPS装置。
    另外,美国还进行了直升翼和扑翼型微型无人机的研究。关于这些非常规的微型无人机本刊上期已有文章介绍,在这里不再重复。
    美国在提出研制微型无人机的同时,便开始着手进行与之相配套的微型发动机的研制。1995年,美国陆军研究办公室就开始进行微型发动机的研究工作。1998年4月,美国国防高级研究计划局与陆军签定了研制微型涡喷发动机的合同,由美国麻省理工学院的航空系、机械系和电气系联合研制一种微型无人机用的微型涡轮喷气发动机。合同要求在2000年春季,能有一台地面验证机开始投入运转试验;2001年春季,有一台“基准”型发动机出现,要求该发动机具有设在芯片上的燃油系统;2002年秋季,有一台微型涡轮发动机搞出来。
    并计划在2001年,制造一架装涡轮喷气发动机的无人机进行试飞。这架微型无人机的翼展为12.7厘米,重量为50克,安装一台推力为0.127牛顿的发动机。这种无人机的飞行速度为57~114公里/小时,飞行距离为60~120公里,每小时使用大约25克的甲烷燃料。
    另外,美国国防高级研究计划局还在研究用于无人机的小尺寸新型推进系统,要求推力在9.8~98牛顿(1~10公斤力)级的喷气式发动机或火箭推进系统。目前已能制造的喷气发动机可用于翼展为50厘米左右的微型无人机,不久将会使这种发动机进一步微型化。另外还在研究一种微型柴油发动机和电动机,不久将有一种翼展为15厘米的电动微型无人机“微星”试飞。
    
    微型无人机的关键技术
    
    微型无人机是一个全新的课题,它将面临着微电子和微工程技术的挑战。目前,微工程技术已得到迅速发展,尤其在微型惯性传感器(如加速表和陀螺仪等)方面已取得了显著的进展。但距微型无人机的实际需求还有较大差距,尚需进行大量关键技术的研究。
    微机电系统技术 微机电系统(MEMS)是微电路和微机械按功能要求在芯片上集成的一个独立的智能系统。主要由传感器、制动器、电源、信号处理和控制电路组成。其结构特征尺寸为微米级,甚至小至纳微米级,整个系统的体积为1立方毫米或更小。并具有微型化、低能耗、响应快、可靠性高、易于更换、制造成本低等显著优点。新的微机电系统制造技术使得微型传感器及微型发动机部件等的制造成为可能,并能应用于如惯性导航设备、气流探测系统、微型发动机、微型卫星以及摄象机和发报机等。由于制造的部件尺寸很小,在微机电系统中大多采用单晶硅,在机械特性方面,要比钛合金等材料性能更好,且具有良好的电气特性。只有在这些技术进入实用后,微型无人机的作用才能得到发挥。
    光电传感器技术 微型无人机的情报信息是探测系统通过光电信号提供的。光电传感器可昼夜不间断地提供完整的实时情报信息,它是满足未来信息战的一项关键技术。光电传感器可提供高质量的探测、识别与成像以及高分辨率的静止图像。光电传感器技术是未来探测技术的发展方向,也是微型无人机必须具备的关键技术之一。
    微型动力装置技术 如果一架微型无人机的尺寸只有十几厘米大小,那么它的动力装置将会更小,估计其尺寸也就1厘米左右,甚至更小。因此微型无人机推进系统的微型化难度更大。目前,美国研制的微型无人机动力装置采用的是微型涡轮喷气发动机,其涡轮直径只有8毫米,叶片长度为0.2毫米。它是利用集成电路技术,用硅材料制成的。微型动力装置采用氢氧燃料电池作为能源也是未来一种发展方向。
    随着先进材料和虚拟制造技术的发展,微型无人机在技术上是可行的。目前,对于象美国这样的先进国家,大部分技术已经具备或正处于研制阶段。预计到2020年,微工程的光学传感器(即红外探测系统)、化学传感器以及各种物理传感器都将会成为现实。微电子设备的计算能力将会从现有设备单芯片的计算水平提高两个数量级。采用微电子设备和微工程传感器可使现有的无人机系统功能提高、重量减轻、成本降低。在今后20年左右的时间里,微电子和微工程技术将会得到大力发展。到了那个时候, 微型无人机也必将会得到相应的发展。■
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