发信人: rcchina(美国大兵)
整理人: njoook1979(2001-10-07 16:25:13), 站内信件
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其实这是一个庞大的课题，它已经远远超出了娱乐的范畴，是极具挑战性的边缘科技，现在广泛用于科研军事等。该课题的完成必须仰赖新材料新控制理论及大量的资金。由于涉及高精尖的东西比较多，还需要一个较大的团队，以上陈述并非骇人听闻，看看以下的文章，你就知道我们要做的是一件什么样的事。
微型无人机是90年代中期才出现的新生事物，它是一项顶尖的高新技术，然而它却发展神速，对陆军颇具吸引力，呈现出巨大的潜力。本文对它的基本状况加以简单介绍。
填补战术侦察的空白
著名军事家孙武说:“知彼知己，百战不殆“。在千变万化的战场上，情报是最最宝贵的东西。随时了解敌情，针对性地制定自己的作战计划，这是指挥员面临的最重要的也是最困难的任务之一。随着飞机的出现和发展，高级指挥员越来越多地收益于空中侦察数据。特别是近年来，由于卫星及无人机技术的迅猛发展，利用便携式卫星数传装置，基层指挥人员也可以以接近实时的方式收到无人机侦察到的战区级敌情的图像信息。但是，不论是卫星、间谍飞机还是无人侦察机，都很难为前线指挥员提供小范围内的具体敌情。例如，山头后面有多少敌人？树林中是否隐藏着敌人的坦克？一座大楼中有没有敌人？通常在这种情况下，基层指挥员就要派出侦察员深入敌区进行侦察，而这要冒很大的风险。
怎样才能填补小范围内空中侦察的空白呢？美国国防部设想，可利用微型侦察机，帮助基层指挥员对局部地区进行侦察，并把这种飞机作为基层部队的制式装备。
大多数无人机都需要好几个人员操作，用几辆车进行发射、回收及控制，整个系统的费用也是可观的。对于基层部队来说，他们没有能力使用无人机系统，也使用不起它。国防高级研究计划局打算研制的微型无人机，只有麻雀或燕子大小，只需一名士兵控制，而且他不需要减少所携带的食品及弹药。无人机可及时为他提供当地敌人的情况。由于微型机的体积小，不易引起敌人的注意，即使看见了它，也会误以为那是天上的一只飞鸟。这种飞机还很便宜，一次使用完就可把它扔掉。这是幻想吗？不！美国公司已经研制出只有15厘米长的微型无人机样机，它只有手掌那么大，可以飞行1公里远，还可拍摄地面目标的图像。
有趣的是，一些科学家还在研究仿昆虫的扑翼式微型飞机，这种飞机的体积小，速度低，雷达很难发现它。更有甚者，有的人甚至想要研制象苍蝇一样的微型无人机，它可以飞进一个房间，落在墙壁上，不为人所发现。还有更小的蚊子一样的飞机，它可在夜间无声无息地潜入敌人的指挥部，隐蔽地进行侦察。看来，在高科技迅猛发展的今天，许多过去连想也不敢想的事，正在或将要变成现实。
微型无人机的由来
1992年， 在美国兰德公司，国防高级研究计划局(Darpa)举办了一个关于未来军事技术的研讨会。高级科学家奥根斯坦主持了有关微型无人机的讨论。会后，兰德公司对微型机的原理进行了研究，并出版了一本广为流传的研究报告，报告认为，带有微小传感器的极小的侦察机是可以实现的。可以说，兰德公司是最早提出研制微型无人机主张的。开始，林肯实验室对此表示怀疑。1994年底，他们自己也开始研究这个问题，并且得出了相同的结论。
1995年11月，Darpa主持了关于微型无人机可行性的研讨会，代表们得出的结论是肯定的。1996年3月，Darpa又向工业界作了简要的介绍。同年10月，还举办了用户与研究单位之间有关这一问题的讨论会。
专家们论证了三年内可以实现的微型无人机的主要参数，它们是:长6－20厘米，重量10－100克，负载1－18克，在30－60公里/小时的巡航速度下，续航时间为20－60分钟，最大航程为1－10公里。飞机是固定翼的，而不是扑翼式的。
在与潜在的军方用户协商后，林肯实验室的结论是，微型无机必需是适合军用的系统；它可携带昼夜用的近距离成像系统，其分辨率足以使操作人员分辨出发送区内的重要细节；飞机应具有准确确定地理位置的能力；它应重量轻、坚固耐用，可以装在士兵的背包里携带；它的价格最好便宜到使用一次便可丢弃；而且，它的隐蔽性要好，敌人很难看到、听到或探测到它，因而不会暴露操作人员的位置。
Darpa的计划人员认为，微型无人机是一种半自主的飞机，它比现在最小的飞机要小10倍。它非常适合于在城市市区内的作战以及小部队的特种作战。它可完成侦察及监视任务，战果评估，引导武器瞄准重要目标，部署自主传感器，实施通信中继，探测生化战剂和地雷等，也可用于军备监督，边界巡逻及寻找灾害幸存者。
从基础研究抓起
既然非常有用又能够实现，Darpa就决定开始研究微型无人机，并从基础研究抓起。它决定1997财政年度拨款3500万美元，要求在4年内研制出并演示微型无人机。它还委托海军研究所作为其技术代理。
Darpa对微型机的要求是:最大尺寸为15厘米，重量124克，航程10公里，航速64－80公里/小时。它应具有实时成像、导航及通信能力，可用手、弹药或飞机部署它们。一次性使用的微型机的价格在1000美元以下。
为此，Darpa的战术技术办公室与一些单位签订了9项第一阶段的“小企业创新研究”(SBIR)合同，其中每个系统及每项专业技术合同的研究经费均为10万美元。1998财年，其中的4项进入了第二阶段，它们是:
1.Aero Vironment公司的合同，要求设计出在开阔地区、城区及丛林区三种不同环境中使用的微型无人机的方案，并试验各种技术的特点。尽管该公司制造了在城区及丛林区用的悬停式飞机的试验台，但它资金的重点放在了飞越开阔地带的固定翼飞机上面。
2. Aerodyne公司的合同，它研制的是一种名教Hyperav的悬停式的飞行圆盘，其重量约为300克，可能由液体燃料驱动，因为它的能量密度较高。它的功率重量比是固定翼飞机的两倍。目前的工作还停留在纸面上。
3. M-Dot公司的合同，要求它继续研制0.63公斤力推力的燃气轮机，它长约7.6厘米，直径4.3厘米，重85克。该燃气轮机可用在Hyperav微型机中。本项目第二阶段的经费为75万美元。
4. IGR企业公司第二阶段的合同，将研制微型无人机用的固体氧化物燃料电池。它产生的能量可使50克的微型机飞行数小时，同时还可为其负载提供能量。它将装在Aero Vironment的微型无人机上。经费也是75万美元。
除小企业创新研究合同外，还有以下企业获得1998财年的微型无人机研究合同。
1. 桑德斯公司、洛克希德·马丁公司及通用电气公司将研制固定翼的微型无人机。预计它的起飞重量为85克，可对小山后及城市进行昼夜成像，它利用航路点导航。初步的合同经费为69万美元，合同期42个月。
2. Lutronix公司研制城市侦察用的10厘米大的旋翼式微型无人机。合同经费初步为20万美元。在与大学合作演示飞机后可以增加。
3. SRI国际公司与多伦多大学共同研制一种约15厘米的扑翼式微型无人机，它由电致伸缩的聚合物人造肌肉驱动。经费59万美元，36个月后可增加到200万美元。
4. 范德比尔特大学研制仿昆虫的微型无人机，多个压电驱动器使很细的金属结构振动，驱动机翼。若中选，其合同经费为73.8万美元，研制期限3年。
5. 加利福尼亚技术研究所等几家共同研制一种10克重的扑翼式的“微型蝙蝠”。它将携带扩音器阵列利用音响导航，计划经费为180万美元。
6. 麻省理工学院将研制钮扣大小的蜗轮喷气式发动机/发电机组，它可产生13克的推力，重量仅为1克，可推进50克的微型机。发动机用硅制成，转速每分钟100万次以上。合同的最终经费可达200万美元。
7. D-STAR工程公司将制造一台煤油内燃发动机，也可能是一台带衬套的陶瓷柴油发动机。一种型号的发动机重20克，产生20瓦的轴驱动力，可驱动50克的微型机，并为仪器用的发电机提供所需的动力。其总经费为65万美元。
8. 技术公司将研制温差电池，它可利用小型发动机没有充分燃烧产生的废热。启动经费为15万美元，选中后将提高到95万美元。
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 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。
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