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微型无人机:无人机的尖端领域

发布时间:2018-05-09 11:30:00 文章来源:未来智讯    
    无人驾驶空中飞行器(无人机)现已成为战场上被广泛认同的一员,在短短不过十年的时间里,其从指挥人员武器库中的一个偶尔使用的角色一跃成为冲突作战中必不可少的重要角色。
    网络中心战作战理论在美国的兴起以及随后各国类似作战思想的发展,促进了无人机在军事领域的推广应用。将无人机作为网络组成部分提供目标截获和战场毁伤评估,是一种良好的手段,但无人机的质量、尺寸、带宽限制仍是目前面临的挑战。对于微型无人机,这一系列问题更为突出。同时,微型无人机在实现自主性方面还需解决诸多技术问题。
    
    发展进程
    
    美国�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。
    
    美国航境公司对"黑寡妇"微型无人机(上图)的改进使这种无人驾驶飞机具有7g载荷和2km控制航程的能力。"蝗虫"无人机(下图)翼展33cm、总质量17g
    
    以色列飞机工业公司的"蚊1.5"式无人机采用全球定位系统,形成了自主飞行能力
    
    爱普生公司最近研制出世界最小的无人驾驶直升机 --"微型飞行机器人"原型机
    
    日本精工大小如一只大型昆虫、采用双层反向螺旋桨、可像直升机一样在空中飞行的"微型飞行机器人",能源靠尾部从外提供,采用蓝牙技术控制
    
    德国"天皇"固定翼手持发射无人机,续航时间超过15分钟,翼展50cm。图中可看见机身下面的传感器头
    
    
    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。
    以色列�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。
    日本�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�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。
    
    技术挑战
    
    微型无人机作战环境主要在峡谷和城市建筑物之间,这意味着微型无人机的使用往往是非直视的。
    微型无人机空中飞行时需要与操作人员保持通信联系,但由于体积、质量的限制,目前只能采用微波通信方式。尽管微波可传输大量数据,足够进行电视实况转播,但却无法穿透墙壁,这是当前急需解决的问题。
    对于非视线数据传输,目前已有了一系列的技术和方案,其中之一就是把大量较大的无人机部署到所需区域的上空,以提供整个网络所需的网络连通性,并实时传送信息。

         卫星通信是处理非视线数据传输的另一种方式,但存在电源消耗过大的问题,并且还需要空中的通信中继站才能与网络连通,中继站可以是另一架飞机或者卫星。
    如果微型无人机不在操作者的控制之下飞行,那么其自主能力是至关重要的。
    目前全球定位系统的导航系统已经小型化到适于微型无人机使用的尺寸,并且已经进行了试验,但离自主飞行所需的水平仍有一定的差距。
    微型无人机要超出按预编程序飞行的限制,需要有一定程度的自主性,以使无人机系统可以完全独立飞至所需地域后收集数据,然后将数据传给作战单位或网络。这一点目前还做不到。
    微型无人机自主性的发展对通信带宽和能量提出要求。传输的数据越多,需要的能源消耗越多,需要的无线电频谱也越多。
    
    新型技术
    
    英国克兰菲尔德大学西文汉校园内的皇家军事科学院在航空航天研究方面占有举足轻重的地位,是微型无人机飞行系统研究的领跑者。该院的首席研究员拉法尔博士认为,用类昆虫扑翼作为飞行控制系统可以提供低速飞行时一定程度的机动性能,这种机动性能是现有平台所不能实现的。
    该院自1998年开始研制类昆虫扑翼飞行控制系统,在静态平台上建立了2个机械装置。建立这种平台进行空气动力研究的目的有两个,一是研究类昆虫扑翼机械装置的可行性;二是探索微型无人机的空气动力学问题。
    目前虽然已研制出一些相当成功的数学模型,但仍需要收集更多的数据,尤其是扑翼微型无人机方面的数据。因为现在对昆虫飞行的原理还知之甚少,其中的许多问题还难以用普通空气动力学理论加以解释。
    为了改变参数,需要对现在的模型进行分解。研究人员期望通过对目前研制中的类昆虫扑翼机械装置加以改进,比如说使用非对称翼,来提高其机动能力。
    这既涉及到空气动力学又涉及到飞行动力学的研究。由于对昆虫飞行控制的原理尚不清楚,因此,目前需要做的工作是采取推拉式的方法,在工程方面要推进,在生物科学方面要拉动。不过,现在已能够复制昆虫大部分的机动特性,惟一的障碍是尺寸问题。
    家蝇的平均尺寸只有1.5cm,而目前研制的机械装置是这一尺寸的10倍,所以重要的问题是要搞清二者空气动力特性和飞行动力特性在多大程度上是相同的。
    这不只是一个简单的几何缩放问题,而是需要解决空气动力特性与惯性力之间的相互关系问题。通过扑翼可以产生空气动力,但如何将它应用于机身呢?
    对于翼展15cm的微型无人机与1.5cm的家蝇,扑翼的效果会一样吗?目前已有了一些粗浅的认识。从纯空气动力学方面看,较小的昆虫在飞行过程中所发生的现象,对于较大的微型无人机同样也会发生。小小的昆虫在飞行中可能遇到湍流或突发的阵风,15cm的无人机同样也可能遇到,如何增加其自然的稳定性,以保持其航线,并执行操作人员的机动命令?若微型机需要对目标成像,如何稳定瞄准线?这些问题的研究目前已有一些进展,但还仅仅只是开始。
    完全的自主性对未来微型无人机是至关重要的,否则只能训练大量的士兵来控制成千上万的微型无人机。

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