发信人: rcchina(美国大兵)
整理人: njoook1979(2001-10-07 16:25:23), 站内信件
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还打算给电动机加一个减速器以使旋翼转得慢些，电机转得快些，使各自的效率提高60％，而发动机的效率提高一倍多。为提高电池的寿命，正在测量锂电池是怎样受温度及负载的影响的。温度高时电池的容量更大，因而可能对电池预热及隔热。不过当放电超过20分钟时，电容下降约三分之二，因而需要研制高效电池。IGR公司的固体氧化物燃料电池的能量密度是锂电池的2－3倍，故公司对飞机的续航时间并不担心。
其他研究成果
不少其他单位也取得了可喜的进展。例如，IGR公司正在研制一种非常轻的一次性使用的固体氧化物燃料电池，它的能量密度要比最好的锂电池高2－4倍。该电池有扑克牌大小，高1厘米，重25克。只要加入燃料及空气就可自动产生电能。整个电池是由钢制成的，只有固体陶瓷电解质是由复合材料制成的。过去的固体电解质非常脆，而新的结构的柔性较好。电池的氧化剂是空气，电池上有两个通气孔。由于电源工作时会发热，它被装在一个热交换器/隔热装置中，既可保护仪器设备，又可对进入的空气预热。电池是由专用的低频低功率集成电路控制的。IGR的电池可以立即启动，一旦启动就一直工作到底。它可工作1－2小时。该电池除清洁及安静外，它不怕天冷的影响，而且无毒，保存寿命无限期，不用维护。其他单位的研究成果反映在前文Darpa的合同中。
看来，要研制出适用的微型无人机是非常困难的，因为它既要满足军方提出的技战术要求，又要使它的价格降至最低。总之，军方要求的不是一架普通的航模飞机，而是真正有用的微型军用侦察机。
难点究竟在哪里？
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。例如，要研制出体积非常小、重量极轻的大功率高能量密度的发动机和电源；要研究出产生升力的新方案；要解决在低雷诺数的空气动力学环境下的飞行稳定与控制问题；要有重量轻、功率低可靠的机载电子处理及通信装置，它有足够的带宽可用于实时成像；要研制微型陀螺仪，极小的机载控制、导航及地理定位系统；通过高度集成的机电多功能组件，使功能及结构设计完美地结合起来；研究先进的轻型承力结构；研究弹丸发射系统用的高重力加速度下的防护及特殊的包装，以及微型机专用的先进的传感器等等。
○近期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，并把它转换为推力。而有了一个好的发动机系统，就可以克服空气动力学方面的大多数问题。
微型无人机的动力可以有很多种，如火箭，脉动式喷气发动机，蒸汽循环式发动机，转子发动机以及内燃机等，看来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瓦/克，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及可靠性的问题。
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，微型蜗轮发电机，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。新的小型电动机的效率可达到90％，由高效电动机和最佳的锂电池构成的轻型动力系统，可以运行20－30分钟。
○不同的空气动力学原理
另一个问题是微型机的空气动力学问题。你不可能把一架波音747飞机按比例缩小到15厘米长，还指望它能够飞起来。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。对于小昆虫来说，它们就象是在蜂蜜中游泳似的。在没有微型无人机之前，一般所说的低雷诺数的范围在10万－100万之间；而现在所谓的低雷诺数，是指在5000－80000的范围之内，大大低于过去的数字。
对于大飞机来说，专家们假定，接触机翼的空气层由于摩擦力是粘在机翼上的，而距机翼几厘米远的空气是自由运动的，在这两者之间有一层“附面层”。当飞机与气流的角度太大时，附面层就与机翼分离，飞机就会失去升力，这称为失速。若飞机改为水平飞行，附面层就会重新附着于机翼，飞机又获得升力。在大飞机附面层的周围主要是产生湍流，而微型飞机的附面层的特性就有所不同，这里附面层往往会分离成许多层，从而使它的设计更加复杂。在普通飞机时，人们一般把机翼的设计看着是个两维的问题；由于微型机的附面层分成许多层气流，而设计人员又想充分利用它们所产生的漩涡系，因而必须考虑沿翼展方向的三维影响。例如，瞬态的侧向动量，对于想要获得的额外升力的漩涡系的稳定性有很大的影响。
另一个问题是，微型无人机螺旋桨的效率有限。在15厘米的飞机时，螺旋桨的大小还可以有效地工作，但7.6厘米是它的下限，在这以下，就需要采用扑翼技术，但这是第二代技术，还需要作许多基础研究工作。
○飞行控制与通信
怎样控制微型机的飞行是另一个难点。首先要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，并可执行控制人员的机动命令。若微型机还需要对目标成像的话，还需要稳定瞄准线。
一旦飞到空中，微型机需要保持它与控制人员的通信联系，通信可以采取多种形式。由于体积重量的限制，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，足够进行实况电视转播，但它却无法穿透墙壁，因而只能在视距内使用它。当飞机飞出视线或飞到视线以下时，就需要一个空中的通信中继站，这可以是另一架飞机或者卫星。为使微型机自主飞行，可以利用一个地理信息系统提供的地图导航，也可利用全球定位系统(GPS)卫星的三角测量来确定它的位置。GPS可以大大提高微型机的能力，但目前最小的GPS装置的功率至少要0.5瓦，天线的重量达20－40克，而且需要很大的处理能力。由于它的电子部件的耗电量太大，天线尺寸又大，因而目前仍然无法采用它，需要进一步的改进。天线尺寸小，无线电的频率就受到限制，传输的距离也有限，这是个大问题。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。不过，目前视距内的通信技术已取得了相当的进展，利用毫米波段的任何频率，三年内可将通信距离由现在的3公里提高到10公里。
另一个问题是数传发送机的功率问题。传输一定带宽视频图像的发射机的功率是一定的，不会因体积缩小而减小。在15厘米的微型机时，飞机总功率的10－20％或再多一点是用于驱动视频发射机的，当飞机变小时，问题就会严重起来，直到整个电池的能量都用于视频发射机，而飞机却没有能量可用了。不过采用工程及作战方面的技巧，可以大大降低所需的功率，如调整视频帧速，在短距离时才使用微型机，采用可控天线等。
○侦察传感器
此外，微型无人机还需要携带一些侦察传感器，如电视摄像机、红外及生化探测器等，现在正在研制1克重的CCD摄像机，它可在100米的空中以足够的分辨率探测出人员及车辆。虽然在这方面取得了不少的成绩，但是传感器将是微型无人机价格增加的主要因素。生化战剂传感器现在还比较落后，例如今天的机载化学传感器有5公斤重，而生化传感器则更加落后，还需要作许多工作。
微型机目前的水平
Aero Vironment公司的微型无人机
目前，微型无人机的研究已经取得了相当的成果，展示了诱人的前景，其中Aero Vironment公司具有代表性。早在1996年4月，该公司就自筹资金开始研究微型无人机，并在硬件方面取得了不少的进展。他们研制出一种名叫“毒蜘蛛”的微型机样机，其形状象一个圆盘，因为圆盘具有最大的机翼面积。它长15厘米，因为在15厘米时，圆盘具有较好的升力阻力比。该机是在开阔地带侦察用的最佳结构。开始，工程师们利用镍镉电池使飞机飞了两分半钟，1997年4月Darpa合同的第一阶段结束后，公司自己出资继续研究，利用高能锂电池，使微型机持续飞行了16分钟，大约飞了14.5公里，不过没有携带摄像机。
后来，研究人员设计了一台2.2克重的黑白摄像机，它连透镜在内不到2.5厘米长。以后他们在市场上发现了一台同样大小的摄像机，它有300×240个象素，带有标准的NTSC制式输出的变换器，研究人员在15厘米的飞机上对它进行了试验。以后又在23厘米的圆盘微型机上，对一台15克重的带有2.4GHz下行链路发射机的彩色摄像机进行了飞行试验。为了稳定微型机，他们还改进了一种压电振动式陀螺仪，使它的重量由4－5克减到了0.9克。
该公司15厘米圆盘无人机的主要技术特点如下:
⊙电池 采用镍镉电池可飞行2.5分钟，电池的能量密度约为20瓦时/公斤。而用先进的锂电池可飞行16分钟，其能量密度为100瓦时/公斤。15厘米圆盘机使用两节锂电池，每节有火柴盒大小，重13克，它们相互串联可产生6伏多的电压。其额定电容在20小时放电率时为1安培小时，但放电超过20分钟后，下降到0.3-0.4安时。锂电池价格约为200美元一节。
⊙发动机 用一台直流电刷式电动机直接驱动一种改进的螺旋桨。估计电动机的电效率及螺旋桨的气动效率均在40％左右，发动机系统的效率为16％。
⊙空气动力学 在48－64公里/小时的巡航速度时，该机的升力阻力比为3－4，展弦比为1。微型机的重量为42克，机翼面积为185.8平方厘米，在56公里/小时的速度时，上升系数为0.6。飞机的蒙皮用的是粗糙的泡沫聚苯乙烯，只有部分部件是流线型的。
⊙结构与重量 机架是固体泡沫聚苯乙烯，局部地方用轻木加固。飞机不带摄像机的重量42克，重量的具体分配见表。
⊙飞行控制系统 控制器重2克，有3个通道，可控制阀门、升降副翼或方向舵以及升降舵。由于飞机的侧滚速度高，没有增稳器，因而要求操纵者技术熟练。在普通士兵使用时，需要装上增稳器。
⊙隐蔽性好 电机的声音比鸟叫小得多，飞行中很难看到及听到它。
Aero Vironment公司的微型无人机
* 目视操作半径1公里
* 续航时间10分钟
* 负载 黑白电视摄像机
飞机子系统 重量
(克) 峰值功率
(毫瓦) 平均功率
(毫瓦)
锂电池 26 0 0
推进电机 7 4000 2000
减速器 1 0 0
螺旋桨 2 0 0
机身 4 0 0
舵机 1 200 200
接收机及CPU 1 50 50
下载线路发射机 3 1200 300
黑白电视摄像机 2 150 50
接口电子装置 1 50 50
滚转角速度陀螺仪 1 60 60
磁罗盘 1 180 180
总计 50克 5890毫瓦 2890毫瓦
公司下一步的打算
1998年4月，Aero Vironment公司将开始它为期两年的第二阶段的合同，经费为75万美元。1999年3月，将演示按钮自动发射的(可能是弹射的)15厘米的微型无人机，它至少能飞行10分钟，在开阔地带可在1公里远处与它进行通信。它还将装一台黑白电视摄像机，通过清晰的电视图像，操作人员可在1公里外对飞机进行遥控。高分辨率及高帧速可使飞行更容易些，但带宽大需要消耗更多的能量。可能将采用一台调频模拟发射机，其帧速为30帧/秒。对操作人员的技巧没有要求。
到2000年3月，该机将携带一台彩色摄像机，其遥控距离为3公里，续航时间20分钟。只有发射机的有效功率增加10倍以上，电视的传输距离才能增加3倍。可采用较低的帧频及分辨率来降低发射机的功率，也可控制地面天线获得较高的增益，或操纵者的接收机具有多余的链路容限。
选择更好的微型指令接收机，设计更好的天线以便远程操作，这样其重量会由0.75克增至2克。航线点自主导航要求增加磁罗盘及空速指示器及陀螺仪来稳定飞机。罗盘重约2克，微型风速计重0.5克，两台陀螺仪重1.8克，整个导航部件的重量不到4.5克，消耗的能量可以忽略不计。
还打算给电动机加一个减速器以使旋翼转得慢些，电机转得快些，使各自的效率提高60％，而发动机的效率提高一倍多。为提高电池的寿命，正在测量锂电池是怎样受温度及负载的影响的。温度高时电池的容量更大，因而可能对电池预热及隔热。不过当放电超过20分钟时，电容下降约三分之二，因而需要研制高效电池。IGR公司的固体氧化物燃料电池的能量密度是锂电池的2－3倍，故公司对飞机的续航时间并不担心。
其他研究成果
不少其他单位也取得了可喜的进展。例如，IGR公司正在研制一种非常轻的一次性使用的固体氧化物燃料电池，它的能量密度要比最好的锂电池高2－4倍。该电池有扑克牌大小，高1厘米，重25克。只要加入燃料及空气就可自动产生电能。整个电池是由钢制成的，只有固体陶瓷电解质是由复合材料制成的。过去的固体电解质非常脆，而新的结构的柔性较好。电池的氧化剂是空气，电池上有两个通气孔。由于电源工作时会发热，它被装在一个热交换器/隔热装置中，既可保护仪器设备，又可对进入的空气预热。电池是由专用的低频低功率集成电路控制的。IGR的电池可以立即启动，一旦启动就一直工作到底。它可工作1－2小时。该电池除清洁及安静外，它不怕天冷的影响，而且无毒，保存寿命无限期，不用维护。其他单位的研究成果反映在前文Darpa的合同中。
看来，要研制出适用的微型无人机是非常困难的，因为它既要满足军方提出的技战术要求，又要使它的价格降至最低。总之，军方要求的不是一架普通的航模飞机，而是真正有用的微型军用侦察机。
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