微型无人机

彼岸花 · 发表于 2013-12-20 19:05:53

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微型无人机1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，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  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。

1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。
2技术攻关动力问题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。
不同的空气动力学原理由于尺寸小速度低，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。
飞行控制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。
通信系统一旦飞到空中，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。
侦察传感器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。
3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。
4控制动力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。
5研制成功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恐怖分子头目发动定点攻击。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。
6最新无人机据中国国防科技信息网报道，美国空军正在开发一种微型无人机，可以像蜜蜂一样盘旋，像蜘蛛一样爬行，甚至偷偷对未防备目标进行致命打击。美国空军飞行器研究机构已经发布了一段电脑动画视频，勾勒出未来微型飞行器(MAVS)的能力。该项目有望彻底改变战争模式，缩小作战规模。

美国试验型超级微型无人机

　据国家地理杂志透露，该项目开发地点在俄亥俄州代顿的赖特 - 帕特森空军基地。美国空军表示已经生产出微型遥控原型系统，但耗电量很大，只能工作几分钟。研究人员估计需要花费数年提升电池技术，才能使设计可行。不过，空军对于项目目标已经有了明确概念。
视频展示了一群微型无人机从一架飞机上扔到一个城市，通过相互的数据沟通确保实时可靠的决策，为其他平台或操作者提供广泛详细的战场视图。这些无人机像昆虫一样高频振翅飞行，这将确保它们在狭小空间徘徊和悬停。国家地理杂志透露，美军已开发出一种类似飞蛾每秒振翅30次的无人机，但电力仅能维持几分钟。
另一种类似鸽子的无人机可携带摄像机，栖息在电线上监视目标。美空军正在研发无人机窃电技术，从电线或其他来源窃取电力，使它们能够运行数天或数周。该无人机还可携带失能性化学武器、可燃物或爆炸物以精确打击目标。(工业和信息化部电子科学技术情报研究所陈皓)
7技术完善1、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。
2、“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。
3、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。
4、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。
微型无人机无人机,模型,固定翼,直升机,微型机作者:彼岸花 5015