進(jìn)入新世紀(jì)，似乎沒有無人機(jī)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(jī)需求越來越大的同時(shí)，無人機(jī)技術(shù)也在發(fā)生根本性的變化。隨著無人機(jī)小型化技術(shù)的發(fā)展，一支由微型無人機(jī)組成的戰(zhàn)場“蟲蟲特工隊(duì)”正逐漸成軍。
“蟲蟲”掀起新熱潮——發(fā)展現(xiàn)狀
微型無人機(jī)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(jī)的微縮版，而是具有獨(dú)特空氣動(dòng)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(jì)劃研制，但是該技術(shù)直到最近才開始趨于實(shí)用化。
美以俄走在前列第一批微型無人機(jī)的發(fā)展始于上世紀(jì)九十年代中期，可飛行的原型機(jī)出現(xiàn)于九十年代末。當(dāng)時(shí)美國國防高級研究計(jì)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(jī)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(jī)。1997年底，該機(jī)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(jìn)行了改進(jìn)，完成了微型無人機(jī)的理論試驗(yàn)。
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(jī)。該機(jī)翼展33厘米,總重17克,在2002年8月的試驗(yàn)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(jī)，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(jī)裝有兩部攝像機(jī)，能夠?qū)崟r(shí)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?jǐn)S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(jī)對在美國近岸行駛的船只進(jìn)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(jī)協(xié)同，抵近敵人實(shí)施干擾破壞。
除此之外，美國DARPA為提高微型無人機(jī)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(jī)，后移交給BAE系統(tǒng)公司進(jìn)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(jī),航空環(huán)境公司開發(fā)了2.2千克重的“烏鴉”（Raven）無人機(jī)。“小鬼”無人機(jī)已賣給美國陸軍，并向英國提供一架用于試驗(yàn)和評估?？梢哉f，美國是微型無人機(jī)技術(shù)的領(lǐng)頭羊，但是由于實(shí)行嚴(yán)格的技術(shù)封鎖政策，其它國家在微型無人機(jī)的國際市場上后來居上。
由于以色列具備開放的科研機(jī)制和強(qiáng)大的工業(yè)科研基礎(chǔ)，從而成為世界無人機(jī)技術(shù)最先進(jìn)的國家之一。目前，除高空、長續(xù)航型無人機(jī)領(lǐng)域仍被美國占領(lǐng)外，以色列已在無人機(jī)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(jī)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(jī)市場。
在微型無人機(jī)領(lǐng)域，以色列飛機(jī)工業(yè)公司的“蚊蚋”無人機(jī)獨(dú)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(jī)翼展30厘米，重250克，續(xù)航時(shí)間40分鐘，由地面無線電控制。為了實(shí)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(jì)實(shí)力不濟(jì)，但始終沒有放棄對新技術(shù)的跟蹤，開發(fā)了大批無人機(jī)型，并逐步挺進(jìn)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(jī)。該機(jī)為“近程空氣動(dòng)力電視偵察機(jī)”，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(jī)長1米，翼展1.9米，巡航速度80~100千米/小時(shí)，飛行高度達(dá)3千米。
微型軍用無人機(jī)成為新寵在美國和以色列等國家的帶動(dòng)下，世界發(fā)達(dá)國家掀起了新一輪微型軍用無人機(jī)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(jī)（Domier Do），重量不到0.5千克,翼展42厘米,續(xù)航時(shí)間超過30分鐘。機(jī)械強(qiáng)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(jī)和固定翼的手持發(fā)射型“天王”（Mikado）無人機(jī)。“直升槳葉”的任務(wù)半徑超過500米，續(xù)航時(shí)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(jī)的出現(xiàn)，許多軍事專家和科學(xué)家都認(rèn)為，首批真正的微型無人機(jī)將于2008年前部署在小型部隊(duì)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(jī)不僅體積小、重量輕，更重要的是其使用的航空動(dòng)力技術(shù)和指揮、作戰(zhàn)方式與大中型無人機(jī)截然不同，因此其發(fā)展中面臨著與以往無人機(jī)發(fā)展所不同的困難。
背不動(dòng)——載荷小載荷有限一直是困擾無人機(jī)設(shè)計(jì)的一大難題，而這一問題對于微型無人機(jī)而言更為突出。為了滿足微型無人機(jī)載荷和尺寸的要求，設(shè)計(jì)人員必須專門為其設(shè)計(jì)特有的微型攝像機(jī)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(jī)載合成孔徑雷達(dá)，至今仍無法微型化裝入微型無人機(jī)。
而為了解決小型無人機(jī)在復(fù)雜地形和遠(yuǎn)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(jī)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(jī)的地面可控制距離比較短，實(shí)現(xiàn)視距外飛行還有困難。而微型無人機(jī)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(jìn)一步加劇了對無人機(jī)大小的限制。以上種種引起軍方一些人對微型無人機(jī)的實(shí)際價(jià)值的懷疑。這些問題已對現(xiàn)代微型無人機(jī)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了較大影響。例如，“蚊蚋”1.5的設(shè)計(jì)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(shí)難以解決。在設(shè)計(jì)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(gè)小時(shí)的續(xù)航時(shí)間，不得不使用性能不好的10~20克的微型攝像機(jī)。”
發(fā)不出——帶寬窄無人機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)，但也只能同時(shí)放飛數(shù)架，因?yàn)槊糠棚w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(jī)的出現(xiàn)無疑使這一問題更加突出。
因?yàn)槲⑿蜔o人機(jī)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(jī)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(jī)系統(tǒng)協(xié)會(huì)舉辦的無人機(jī)系統(tǒng)會(huì)議上，美國國防部的領(lǐng)導(dǎo)稱，并不希望無人機(jī)的應(yīng)用受到帶寬的限制。
航時(shí)短——飛不長無人機(jī)的飛行時(shí)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(jì)者不得不在載荷與航時(shí)之間進(jìn)行權(quán)衡取舍。目前，大多數(shù)微型無人機(jī)都選擇了鋰電池作動(dòng)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(jī)型采用了燃料電池，飛行時(shí)間達(dá)到1小時(shí)以上，但由于這一技術(shù)尚不成熟，因此航時(shí)短仍是制約微型無人機(jī)發(fā)展和使用的一大障礙。
“蟲蟲特工隊(duì)”飛向未來
——發(fā)展趨勢
目前，許多國家已經(jīng)針對無人機(jī)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(jī)，從中可以看出世界微型軍用無人機(jī)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(jī)問題的一個(gè)重要途徑就是提高自主化程度，即微型無人機(jī)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(jī)更大的自主性。目前，GPS制導(dǎo)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)微型化，這使微型無人機(jī)能實(shí)現(xiàn)自主飛行。但是軍方要求的自主化是讓無人機(jī)能夠完全獨(dú)立地作戰(zhàn)，這一標(biāo)準(zhǔn)目前技術(shù)尚無法實(shí)現(xiàn)。
從美國DARPA或者海軍及歐洲相關(guān)機(jī)構(gòu)的無人機(jī)發(fā)展技術(shù)路線可以看出，各科研機(jī)構(gòu)均制訂了提高、開發(fā)無人機(jī)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(tái)獨(dú)立作戰(zhàn)的更高級的自主性，在技術(shù)實(shí)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(huì)減少對帶寬和功率的要求，估計(jì)無人機(jī)的自主性能力將會(huì)在2008年有所突破。
飛行靈活化目前大多數(shù)微型無人機(jī)的空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)均采用大型固定翼飛機(jī)原理，只是將尺寸縮小。而試驗(yàn)證明，這種設(shè)計(jì)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(jī)型微型無人機(jī)，但是外形無法實(shí)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(rèn)為，昆蟲撲翼能夠在低速飛行時(shí)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(tái)所無法超越的。目前正對昆蟲撲翼飛行原理進(jìn)行研究，世界工程與物理科學(xué)研究學(xué)會(huì)（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(jìn)行了投資，研制工作始于1998年，2003年開始試驗(yàn)。目前試驗(yàn)主要是進(jìn)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(dòng)力學(xué)研究，從而大大提高微型無人機(jī)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(jī)飛行動(dòng)力和靈活性問題的一個(gè)較佳解決方案，這無疑將使現(xiàn)有微型無人機(jī)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(jī)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(jī)飛行的靈活性有較高要求，而最佳途徑就是縮小無人機(jī)尺寸?？蒲腥藛T經(jīng)過論證認(rèn)為適合室內(nèi)使用的微型無人機(jī)的平均大小是15毫米，而現(xiàn)在論證的無人機(jī)一般為150毫米，超出了要求的10倍，這樣就必須解決空氣動(dòng)力和飛行慣性力之間的關(guān)系。而且某些典型飛行動(dòng)力學(xué)原理是否適合于小型飛行器尚待驗(yàn)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(jī)和微型直升機(jī)。例如，西科>愛普生公司研制的微型飛行機(jī)器人（Micro Flying Robot）樣機(jī)僅重9克,高2.8厘米。霍尼韋爾公司在DARPA資助下于2005年1月開始進(jìn)行一種涵道風(fēng)扇式微型無人機(jī)的飛行試驗(yàn)，該機(jī)高56厘米,寬35.5厘米,重2.2千克。
此外，美空軍正在進(jìn)行一種可放在125毫米圓筒內(nèi)的微型無人機(jī)研究。它有像蝙蝠一樣的機(jī)翼，并安裝了兩架機(jī)載相機(jī)，一架是前視型，一架是側(cè)視型，有GPS單元、自動(dòng)駕駛儀和靈活的、可折疊機(jī)翼。該機(jī)由無滑動(dòng)觸點(diǎn)的電子發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)材料為碳纖維，翼展約0.6米，機(jī)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(shí)，微型無人機(jī)可通過靈活的機(jī)翼獲得更大的穩(wěn)定性?；顒?dòng)機(jī)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(jī)的使用靈活性，微型無人機(jī)已開始向小巧化方向發(fā)展。
使用單兵化目前，無人機(jī)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(jī)地面直接控制及保障人員就達(dá)到55人，因此，目前發(fā)展的大多數(shù)無人機(jī)系統(tǒng)均向單兵背負(fù)式方向發(fā)展。但是包括微型無人機(jī)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(jì)將在未來兩年內(nèi)得到突破。
運(yùn)行長時(shí)化 解決微型無人機(jī)飛行長航時(shí)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(jī)的飛行動(dòng)力源問題。目前各國科研機(jī)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(jī)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(yuǎn)。美國國防部最近也與波音公司簽訂了無人機(jī)燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)合同，按設(shè)計(jì)要求，以新型燃料電池為動(dòng)力的無人機(jī)將大大延長空中連續(xù)飛行時(shí)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(jī)的可靠動(dòng)力來源。
控制遠(yuǎn)程化由于微型無人機(jī)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(shí)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(jī)，以增強(qiáng)微型無人機(jī)的信息搜集能力。該鏈路是為小型、微型無人機(jī)所搜集的視頻及其它類型信息實(shí)現(xiàn)傳輸、通信和顯示而特別設(shè)計(jì)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?jiǎng)t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(jìn)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(diǎn)可使控制距離更遠(yuǎn)。
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