進入新世紀(jì)，似乎沒有無人機就無法作戰(zhàn)，它已成長為沖突中必備的作戰(zhàn)手段。而在人們對無人機需求越來越大的同時，無人機技術(shù)也在發(fā)生根本性的變化。隨著無人機小型化技術(shù)的發(fā)展，一支由微型無人機組成的戰(zhàn)場“蟲蟲特工隊”正逐漸成軍。
“蟲蟲”掀起新熱潮——發(fā)展現(xiàn)狀
微型無人機一般只有數(shù)千克，甚至數(shù)百克重，其外形也相對小巧。從目前發(fā)展情況來看，它并不是中小型無人機的微縮版，而是具有獨特空氣動力學(xué)原理和電子技術(shù)的一種高度集成的袖珍型飛行器。美國從上世紀(jì)八十年代就開始計劃研制，但是該技術(shù)直到最近才開始趨于實用化。
美以俄走在前列第一批微型無人機的發(fā)展始于上世紀(jì)九十年代中期，可飛行的原型機出現(xiàn)于九十年代末。當(dāng)時美國國防高級研究計劃局（DARPA）于1996年和航空環(huán)境（Aero Environment）公司簽署了最早開始探討制造和使用微型無人機的可行性的合作合同。按照合同，航空環(huán)境公司研制了一種輕質(zhì)木材制的直徑152毫米的“黑寡婦”型無人機。1997年底，該機在使用鋰電池、不帶有效載荷的情況下飛行了16分鐘。1999年，航空環(huán)境公司對“黑寡婦”進行了改進，完成了微型無人機的理論試驗。
在此基礎(chǔ)上，航空環(huán)境公司在2000年再度與DARPA攜手，開發(fā)了固定翼“黃蜂”（Wasp）微型無人機。該機翼展33厘米,總重17克,在2002年8月的試驗飛行中，完成了100多分鐘持續(xù)飛行。之后該公司又開發(fā)了固定翼的“大黃蜂”微型無人機，用氫燃料電池代替了鋰電池。2005年4月，DARPA順利完成了“大黃蜂”的系列測試。該機裝有兩部攝像機，能夠?qū)崟r監(jiān)控戰(zhàn)場形勢，主要配屬給分散作戰(zhàn)的士兵，可通過手擲發(fā)射。目前，美海軍對“大黃蜂”表現(xiàn)出濃厚興趣，希望利用該機對在美國近岸行駛的船只進行監(jiān)視與偵察。“大黃蜂”還可用于電子戰(zhàn)，與高空的EA-6B“徘徊者”電子干擾機協(xié)同，抵近敵人實施干擾破壞。
除此之外，美國DARPA為提高微型無人機的研制成功率，還于1998年委托洛馬公司的“臭鼬”工廠開發(fā)一種名為“微星”的152毫米微型無人機，后移交給BAE系統(tǒng)公司進一步開發(fā)。美國軍事技術(shù)公司還開發(fā)出了“小鬼”（Buster）無人機,航空環(huán)境公司開發(fā)了2.2千克重的“烏鴉”（Raven）無人機。“小鬼”無人機已賣給美國陸軍，并向英國提供一架用于試驗和評估。可以說，美國是微型無人機技術(shù)的領(lǐng)頭羊，但是由于實行嚴格的技術(shù)封鎖政策，其它國家在微型無人機的國際市場上后來居上。
由于以色列具備開放的科研機制和強大的工業(yè)科研基礎(chǔ)，從而成為世界無人機技術(shù)最先進的國家之一。目前，除高空、長續(xù)航型無人機領(lǐng)域仍被美國占領(lǐng)外，以色列已在無人機其它領(lǐng)域突破美國封鎖，占據(jù)世界領(lǐng)先地位。它的飛機工業(yè)公司(IAI)與銀箭、拉斐爾等公司一同活躍在世界無人機市場。
在微型無人機領(lǐng)域，以色列飛機工業(yè)公司的“蚊蚋”無人機獨占鰲頭。“蚊蚋”的開發(fā)工作始于2001年，2003年1月1日首飛。該機翼展30厘米，重250克，續(xù)航時間40分鐘，由地面無線電控制。為了實現(xiàn)自主飛行，安裝有飛行控制儀器和gps。隨后，以色列又發(fā)展了重量增加一倍的“蚊蚋”1.5型，2004年完成首飛。
俄羅斯雖然近年來經(jīng)濟實力不濟，但始終沒有放棄對新技術(shù)的跟蹤，開發(fā)了大批無人機型，并逐步挺進國際市場。2003年5月，俄羅斯在國際市場上推出了首批“兄弟”系列微型無人機。該機為“近程空氣動力電視偵察機”，有干擾型和偵察型兩種型號，采用了包括復(fù)合材料在內(nèi)的最新材料，重量3千克，機長1米，翼展1.9米，巡航速度80~100千米/小時，飛行高度達3千米。
微型軍用無人機成為新寵在美國和以色列等國家的帶動下，世界發(fā)達國家掀起了新一輪微型軍用無人機的發(fā)展熱潮。EADS公司在英國和法國的支持下，開發(fā)了“德密爾多”微型無人機（Domier Do），重量不到0.5千克,翼展42厘米,續(xù)航時間超過30分鐘。機械強國德國也不甘落后，其EMT公司為德國國防軍研制了垂直起降旋翼型的“直升槳葉”（FanCopter）無人機和固定翼的手持發(fā)射型“天王”（Mikado）無人機。“直升槳葉”的任務(wù)半徑超過500米，續(xù)航時間15分鐘，起飛重量大約0.75千克。“天王”性能指標(biāo)與其類似，只是起飛重量輕，大約0.5千克。
隨著眾多微型無人機的出現(xiàn)，許多軍事專家和科學(xué)家都認為，首批真正的微型無人機將于2008年前部署在小型部隊中，最可能的是供單兵使用。
“蟲蟲”們的苦惱——發(fā)展瓶頸
微型無人機不僅體積小、重量輕，更重要的是其使用的航空動力技術(shù)和指揮、作戰(zhàn)方式與大中型無人機截然不同，因此其發(fā)展中面臨著與以往無人機發(fā)展所不同的困難。
背不動——載荷小載荷有限一直是困擾無人機設(shè)計的一大難題，而這一問題對于微型無人機而言更為突出。為了滿足微型無人機載荷和尺寸的要求，設(shè)計人員必須專門為其設(shè)計特有的微型攝像機等傳感器，不但導(dǎo)致研制成本持續(xù)攀升，而且傳感器性能也難以提高。例如在現(xiàn)代偵察手段中至關(guān)重要的機載合成孔徑雷達，至今仍無法微型化裝入微型無人機。
而為了解決小型無人機在復(fù)雜地形和遠距離情況下的數(shù)據(jù)傳輸問題，就必須增大發(fā)射和接收機的功率，而這又相應(yīng)提高了載荷和電源的重量，因此目前微型無人機的地面可控制距離比較短，實現(xiàn)視距外飛行還有困難。而微型無人機的作戰(zhàn)環(huán)境（例如城市角落、山地或建筑物內(nèi)部）常常是非視距（NLOS）的，進一步加劇了對無人機大小的限制。以上種種引起軍方一些人對微型無人機的實際價值的懷疑。這些問題已對現(xiàn)代微型無人機的設(shè)計產(chǎn)生了較大影響。例如，“蚊蚋”1.5的設(shè)計人員就指出：“‘蚊蚋>也面臨著穩(wěn)定性和重量與性能之間的問題，有效載荷和續(xù)航力之間相互制約的問題一時難以解決。在設(shè)計中我們不得不犧牲電池重量，增加有限的有效載荷，為了提供1個小時的續(xù)航時間，不得不使用性能不好的10~20克的微型攝像機。”
發(fā)不出——帶寬窄無人機系統(tǒng)在作戰(zhàn)中需要傳輸大量的數(shù)據(jù)已不是什么秘密，但在阿富汗戰(zhàn)爭和伊拉克戰(zhàn)爭中都暴露出了帶寬不足的問題。目前，無人機使用的直接圖像能力需要占用大量的帶寬來傳輸高質(zhì)量圖像，這導(dǎo)致每架飛機占用的數(shù)據(jù)鏈帶寬是驚人的。近兩次的局部戰(zhàn)爭中，美軍雖然有大量“捕食者”和“全球鷹”無人機，但也只能同時放飛數(shù)架，因為每放飛一架，就要關(guān)閉一些其它通信信道，如何更有效地利用可獲得的帶寬資源已引起各國軍方的濃厚興趣。微型無人機的出現(xiàn)無疑使這一問題更加突出。
因為微型無人機將成為戰(zhàn)場ISR系統(tǒng)的終端傳感器，所以其所得數(shù)據(jù)不僅要占用衛(wèi)星、中繼機等戰(zhàn)略和戰(zhàn)區(qū)通信線路，而且可能是大規(guī)模“蜂群式”使用，因此在小范圍對戰(zhàn)術(shù)通信頻段也有較大需求。加之其體積太小，數(shù)據(jù)鏈路終端不完善，因此其使用的數(shù)據(jù)傳輸帶寬相對較小，引起了美國和以色列軍方的注意。在國際無人機系統(tǒng)協(xié)會舉辦的無人機系統(tǒng)會議上，美國國防部的領(lǐng)導(dǎo)稱，并不希望無人機的應(yīng)用受到帶寬的限制。
航時短——飛不長無人機的飛行時間無疑與其載荷的大小有關(guān)，在燃料或電力一定的情況下，載荷越大，其飛行距離越短，為此設(shè)計者不得不在載荷與航時之間進行權(quán)衡取舍。目前，大多數(shù)微型無人機都選擇了鋰電池作動力，飛行10~20分鐘后就必須再充電，戰(zhàn)術(shù)使用受到一定限制。雖然美國“大黃蜂”等機型采用了燃料電池，飛行時間達到1小時以上，但由于這一技術(shù)尚不成熟，因此航時短仍是制約微型無人機發(fā)展和使用的一大障礙。
“蟲蟲特工隊”飛向未來
——發(fā)展趨勢
目前，許多國家已經(jīng)針對無人機發(fā)展中面臨的問題制訂了多種解決方案，并陸續(xù)推出一些原型機，從中可以看出世界微型軍用無人機發(fā)展的一些趨勢。
任務(wù)自主化科研人員發(fā)現(xiàn)解決微型無人機問題的一個重要途徑就是提高自主化程度，即微型無人機在不和操作員取得聯(lián)系的情況下，超越預(yù)先設(shè)定的路線飛行和作戰(zhàn)，也就是賦予微型無人機更大的自主性。目前，GPS制導(dǎo)系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)微型化，這使微型無人機能實現(xiàn)自主飛行。但是軍方要求的自主化是讓無人機能夠完全獨立地作戰(zhàn)，這一標(biāo)準(zhǔn)目前技術(shù)尚無法實現(xiàn)。
從美國DARPA或者海軍及歐洲相關(guān)機構(gòu)的無人機發(fā)展技術(shù)路線可以看出，各科研機構(gòu)均制訂了提高、開發(fā)無人機自主性的路線?；陬A(yù)編程的簡單自主性和GPS制導(dǎo)的自主性，以及允許平臺獨立作戰(zhàn)的更高級的自主性，在技術(shù)實現(xiàn)途徑上完全不同。由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)越多，需要的功率就越大，無線電頻譜也越多，因此自主性的增加將會減少對帶寬和功率的要求，估計無人機的自主性能力將會在2008年有所突破。
飛行靈活化目前大多數(shù)微型無人機的空氣動力設(shè)計均采用大型固定翼飛機原理，只是將尺寸縮小。而試驗證明，這種設(shè)計更適合于較大飛行器的較高速飛行，不完全適合需要高度靈活飛行的微型飛行器。為此科研人員開發(fā)了有較高靈活性的直升機型微型無人機，但是外形無法實現(xiàn)小型化。為此，英國和美國已經(jīng)開始利用仿生學(xué)原理。美國專家認為，昆蟲撲翼能夠在低速飛行時提供相當(dāng)?shù)撵`活性，但它對飛行的控制能力是當(dāng)前他們擁有的平臺所無法超越的。目前正對昆蟲撲翼飛行原理進行研究，世界工程與物理科學(xué)研究學(xué)會（EPSRC）、英國國防部、美國空軍、DARPA/NASA以及美國陸軍均對微型撲翼飛行器方案進行了投資，研制工作始于1998年，2003年開始試驗。目前試驗主要是進行航空力學(xué)研究。一是利用精密工程技術(shù)探索仿昆蟲撲翼的力學(xué)方案的可行性，二是做空氣動力學(xué)研究，從而大大提高微型無人機的飛行效率和飛行靈活性。雖然該技術(shù)尚處于基礎(chǔ)研究階段，但有可能成為微型無人機飛行動力和靈活性問題的一個較佳解決方案，這無疑將使現(xiàn)有微型無人機技術(shù)發(fā)生革命性變化。
外形小巧化由于軍方要求的微型無人機作戰(zhàn)環(huán)境是城市甚至是室內(nèi)這樣的狹小空間，對微型無人機飛行的靈活性有較高要求，而最佳途徑就是縮小無人機尺寸?？蒲腥藛T經(jīng)過論證認為適合室內(nèi)使用的微型無人機的平均大小是15毫米，而現(xiàn)在論證的無人機一般為150毫米，超出了要求的10倍，這樣就必須解決空氣動力和飛行慣性力之間的關(guān)系。而且某些典型飛行動力學(xué)原理是否適合于小型飛行器尚待驗證。例如，科研人員在小昆蟲上發(fā)現(xiàn)了旋渦力，而在150毫米大小的微型飛行器上就很難產(chǎn)生這種對靈活性有重大影響的飛行力。為了解決這一問題，研制人員已經(jīng)開始嘗試超微型化無人機和微型直升機。例如，西科>愛普生公司研制的微型飛行機器人（Micro Flying Robot）樣機僅重9克,高2.8厘米?；裟犴f爾公司在DARPA資助下于2005年1月開始進行一種涵道風(fēng)扇式微型無人機的飛行試驗，該機高56厘米,寬35.5厘米,重2.2千克。
此外，美空軍正在進行一種可放在125毫米圓筒內(nèi)的微型無人機研究。它有像蝙蝠一樣的機翼，并安裝了兩架機載相機，一架是前視型，一架是側(cè)視型，有GPS單元、自動駕駛儀和靈活的、可折疊機翼。該機由無滑動觸點的電子發(fā)動機驅(qū)動，結(jié)構(gòu)材料為碳纖維，翼展約0.6米，機翼表面涂抹橡膠或一些類似的彈性材料。研究表明，當(dāng)處于湍流狀態(tài)時，微型無人機可通過靈活的機翼獲得更大的穩(wěn)定性?；顒訖C翼在大風(fēng)天氣要比固定翼在無風(fēng)天氣更容易飛行。可見，為了增加飛機的使用靈活性，微型無人機已開始向小巧化方向發(fā)展。
使用單兵化目前，無人機的使用仍難以擺脫復(fù)雜的地面控制。例如，美國“捕食者”無人機地面直接控制及保障人員就達到55人，因此，目前發(fā)展的大多數(shù)無人機系統(tǒng)均向單兵背負式方向發(fā)展。但是包括微型無人機在內(nèi)，仍需要多名人員共同操縱，為此科研人員已著手從控制網(wǎng)絡(luò)化和飛行自主化方面解決這一問題，估計將在未來兩年內(nèi)得到突破。
運行長時化 解決微型無人機飛行長航時的問題，除了加工工藝、使用材料等方面外，更重要的是適應(yīng)于微型無人機的飛行動力源問題。目前各國科研機構(gòu)幾乎均將目光瞄準(zhǔn)了燃料電池。例如，以色列Arotech公司的燃料電池分公司在2004年4月與以色列安全局簽訂合同，研制微型無人機使用的鋅-空氣電池。使用這種電池比使用高性能鋰離子聚合體電池飛行的距離更遠。美國國防部最近也與波音公司簽訂了無人機燃料電池動力系統(tǒng)開發(fā)合同，按設(shè)計要求，以新型燃料電池為動力的無人機將大大延長空中連續(xù)飛行時間。從目前來看，效率更高、容量更大的燃料電池將成為未來微型無人機的可靠動力來源。
控制遠程化由于微型無人機攜帶載荷的限制，其發(fā)射和接收功率受到限制，因此控制距離只有數(shù)千米，甚至數(shù)百米，無法實現(xiàn)視距外控制，為此，科研人員正在開發(fā)新型數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)解決這一問題。例如，以色列塔蒂安公司最近將緊湊型“星鏈”和“戰(zhàn)術(shù)視頻鏈路”II(TVL II)兩種數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)用于無人機，以增強微型無人機的信息搜集能力。該鏈路是為小型、微型無人機所搜集的視頻及其它類型信息實現(xiàn)傳輸、通信和顯示而特別設(shè)計的，重量只有226>302克左右。其下傳數(shù)據(jù)可顯示在掌上電腦或單兵數(shù)據(jù)助理上，控制單元則可以放置在士兵的背包中。該系統(tǒng)非常適合營及營以下作戰(zhàn)單位進行偵察和戰(zhàn)場損傷評估。該系統(tǒng)作用范圍14.4千米，如果使用中繼節(jié)點可使控制距離更遠。
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