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整理人: only(1999-11-26 04:25:27), 站内信件
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美国的微型无人机研究十分活跃
——无人作战兵器系列报导之三
随着侦察机、卫星及无人侦察机的出现和发展，在现代战争中指挥员已经可以接近实时
地收到战区级敌情的图像信息。但是由于上述器材价格昂贵，须有专业人员操作，还要
有相应的配套设施，因此不适宜在小部队作战中使用。邻近高地上敌人的部署怎样？对
面楼房中的敌人装备有什么武器？敌人有无在阵地前施放生化战剂？这类小范围内的空
中侦察目前仍然是一个空白领域。微型无人机的出现为解决这一问题带来了希望。
美军主要的微型无人机计划
微型无人机的概念是由美国兰德公司于1992年最先提出的。在经过多方面的反复论证之
后，国防部高级研究计划局（DARPA）决定研究微型无人机，并从基础研究抓起。1997财
政年度它为微型无人机拨款3500万美元，要求在4年内研制出并演示微型无人机。
DARPA对微型机的要求是：最大尺寸为15厘米，重124克，航程10公里，航速64～80公里
/小时。它还应有实时成像、导航及通信能力，可用手、弹药或飞机部署它们。一次性使
用的微型机的价格应在1000美元以下。
1998财年，DARPA的战术技术处从第一阶段“小项目创新研究”(SBIR)合同的9个项目中
，选出了4项进行第二阶段的研究，合同期为24个月，每项合同的经费为75万美元。这4
项合同是：
1.Aero Vironment公司的合同，要求研制出一种电驱动的固定翼微型无人侦察机，它的
名字叫黑蜘蛛。
名字叫黑蜘蛛。
2.Aerodyne公司的合同，要求研制出一种名叫Hyperav的悬停式微型无人机，它能用来试
验M-Dot公司研制的小型发动机。飞机的重量约为300克。
3.M-Dot公司的合同，要求继续研制0.63公斤推力的燃气轮发动机，发动机长约7.6厘米
，直径4.3厘米，重85克。它可用在Hyperav微型无人机中。
4.IGR公司的合同，将研制微型无人机用的固体氧化物燃料电池。它将装在Aero Vironm
ent公司的固定翼微型无人机上。
除第二阶段的小项目创新研究合同外，1998财年，DARPA还选择了另外几家合同单位进行
微型无人机技术的研究，为此它批准了1200万美元的经费。这些项目有：
1.桑德斯公司将研制的名叫“微星”(MicroSTAR)的固定翼微型无人机,合同期42个月，
初步的合同经费为69万美元，最终可能达到1000万美元。
2.Lutronix公司研制的城市侦察用的10厘米大的旋翼式微型无人机，启动经费为20万美
元。
3.SRI国际公司研制的一种约15厘米长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的一种扑翼式飞行的机器人昆虫，它用多个压电驱动器驱动很细
5.加利福尼亚工学院等几家单位共同研制的一种10克重的扑翼式“微型蝙蝠”。它将携
带能利用声音导航的扩音器阵列，计划经费为180万美元。
6.麻省理工学院将研制的钮扣大小的涡轮喷气式发动机/发电机组，它可产生13克的推力
，可推进50克的微型无人机，自身重量仅为1克。发动机用硅制成，转速每分钟100万转
以上。合同的最终经费可达200万美元。
7.D-STAR工程公司研制的一种轻型高效动力系统，可驱动50克的微型无人机及其负载，
其总经费为65万美元。
8.布赖克斯堡技术公司将研制利用小型发动机没有充分燃烧所产生的废热的温差电池。
启动经费为15万美元，选中后将提高到95万美元。
DARPA 1999财年用于微型无人机的研究经费为1291.2万美元；2000财年为1140万美元；
2001财年为587.7万美元。
此外，DARPA还有一项微型自适应流量控制(MAFC)计划，目的是研制新的小型发动机系统
，例如钮扣大小的燃气涡轮发动机，微型火箭发动机，5厘米级的燃气轮机及脉冲爆震发
动机等。它们的直径为0.5～5厘米，推力10克～10公斤。1999财年的研制经费为568.9万
美元；2000财年为1170.5万美元。
除DARPA外，美国海军也有自己的微型无人机研究计划。它的第一代微型无人机的翼展为
15～20厘米，采用电动机，预计重量为50～100克，负载15克，在32～64公里/小时的速
度下可飞行20分钟。
海军研究实验室准备集中力量研制雷达干扰负载。在作战中，可由士兵或无人机将微型
无人机送到距目标几公里的地方，然后发射它，发射后，它可自主飞行。由于它体积小
，安静，不易引人注意，它可将14克重的雷达干扰机负载直接投到敌人的雷达上，尽管
功率低，但在如此近的距离上，仍能发挥很好的干扰作用。海军的微型无人机将于2001
年演示。
微型无人机的关键技术
要想研制出如此小的无人机，有许多极其重要的工程技术问题需要解决。例如，需要研
制出体积很小、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，它应有足够的带宽用于实时成像；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，如火箭发动机、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，其中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
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
涡轮发电机，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
型动力系统已可以运行20～30分钟。
微型无人机的空气动力学问题有待深入研究
另一个问题是微型无人机的空气动力学问题。人们不可能把一架波音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，微型无人机要比普通飞机在
更低的雷诺数下飞行，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，就象小昆虫在蜂蜜中游泳似的。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。
微型无人机螺旋桨的效率有限。在无人机15厘米长时，螺旋桨还可以有效地工作，但7.
6厘米是下限，在这以下，就需要采用扑翼技术，但这是第二代技术，还需要做许多基础
研究工作。
飞行控制与通信
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，至少应增加其受外部自然条件影响时的稳定性。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。
微型无人机需要保持与控制人员的通信联系。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。当飞机飞出视线或视线被挡住时，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。
为使微型机自主飞行，可以利用地图导航，也可利用全球定位系统(GPS)来确定它的位置
。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。
天线尺寸小，无线电的频率就受到限制，传输的距离也有限，这些都是大问题。而且，
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。
数据发射机的功率也有问题。传输一定带宽视频图像的发射机的功率是一定的，不会因
数据发射机的功率也有问题。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。在微型无人机15厘米长时，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，问题就会更加严重，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无人机、采用可控天线等。
侦察传感器的微型化问题
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米高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
战剂探测器现在还比较落后，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，还需要做许多工作。
微型无人机研究的初步成果
目前DARPA的微型无人机计划已初见成效，现在有4种微型无人机正在进行飞行试验。其
中的两种是固定翼的，一种是旋翼式的，另一种是扑翼式的。
两种固定翼微型无人机的研制路线也不相同，桑德斯公司是首先研制出所有的子系统，
然后看到底能把它们做多小；而Aero Vironment公司则是先研制出一架微型无人机，再
把各种系统放到里面去。
桑德斯公司的合同是1998年4月签订的，合同期3年，目标是研制名叫“微星”的固定翼
微型无人机。微星无人机的尺寸为15厘米，重85克，最大负载15克。它携带的昼夜摄像
机及发射机可向士兵传送信息，目前士兵用2.7公斤重的笔记本电脑作为地面站，最终目
标是把地面站装在一个手持式的装置中。该机的批生产目标单价为3000美元以下，它既
可重复使用，也可一次性使用。微星的飞行距离为4.8公里，飞行时间20分钟，巡航速度
48公里/小时，它的最佳飞行高度在46～61米，尽管它可以飞到152米高，但在此高度上
，它既看不见也听不见。对士兵操作的培训时间不超过6个月。
微星的研制分为3个阶段。第一阶段在实验室对所有的子系统进行了试验，1998年8月进
行了首次飞行试验。迄今已对24英寸（60.96厘米），19英寸（48.26厘米），12英寸（
30.48厘米）及6英寸（15.24厘米）的微型无人机进行了飞行试验。1999年4月的试飞中
，12英寸的微型无人机采用了第一代的自动驾驶仪，飞行了15分钟，用的是锂电池；24
英寸的无人机飞行了1小时。1999年12月将用8英寸（20.32厘米）的无人机试飞，它将装
备全套设备。
第二阶段将从2000年3月开始，届时它的数据链路的距离将增加到5公里。还将对自动驾
驶仪及导航和成像技术加以改进。
第三阶段于2000年9月开始，将采用一种长寿命电池，以及更好的成像仪。
以上每个阶段至少有两个月的用户飞行试验，以获得反馈信息。整个微星计划将于2001
年完成。
Aero Vironment公司对15厘米的固定翼微型无人机进行了飞行试验，该机带有摄像机，
它以48公里/小时的速度飞行了22分钟，采用的是锂电池。
微型无人机系统包括控制器、电视监视器、天线及一个气动发射装置，它们都装在一个
文件箱中。它的数据链路的距离为1.5公里。DARPA要求提供4架微型机，两个地面站以及
专用电视接收机。其目标续航时间为15分钟，控制及视频距离1公里，采用增稳的航路推
算导航。
为了参加城市地形军事作战演习，该机安装了横滚、俯仰稳定、空速、航向保持及返航
月。该机重300克，负载重量100克，可携带热像仪。要求采用三轴稳定，GPS导航，续航
时间2小时。
它的结构是，在一个垂直的圆柱顶端带有旋翼，摄像机装在底部。它用舵控制俯仰、横
滚及偏航，由一个50～100赫兹带宽的压电石英驱动器移动舵面。动力装置是一台电动机
或者D-STAR公司正在研制的0.1马力的柴油发动机。
加利福尼亚工学院与Aero Vironment公司等单位一起研制了扑翼式微型无人机，其目的
是了解扑翼方式是否比小型螺旋桨更有效，像鸟一样的微型机的隐蔽性如何，是否可以
将它做成像蜂鸟一样垂直飞行的飞机。
Aero Vironment公司制造的扑翼式微型无人机翼展15厘米、重10克，扑翼频率为20赫兹
。在试飞中，无控制地飞行了18分钟，46米远，后因镍镉电池用完而坠地。虽然锂电池
比镍镉电池的能量高出几倍，但它不能产生高功率。
微型无人机的应用前景
微型无人机具有广泛的应用前景。它可用于侦察、监视、情报搜集，传感器的投掷，目
标指示，精密弹药的投放，战果评估，探测生化战剂，进行通信中继及窃听，还可对敌
人的雷达进行干扰。
微型无人机适合在城市内的有限空间（如室内）、复杂的环境及人口稠密区作战。尤其
适合小部队使用，特别是当他们在不熟悉的地区或没有地图又没有其它情报来源的情况
下作战时使用。
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信言不美,美言不信;善者不辩,辩者不善
知者不博,博者不知;圣人不积,既以为人
己愈有,既以与人,己愈多
天之道,利而不害;圣人之道,为而不争
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