美国军用微型无人机

　　美国军用微型无人机
　　编者按 本文分两部分对有代表性的美军微型无人机加以评述。这是第一部分，包括引言、美国军用微型无人机计划及其面临的挑战。第二部分包括研制的途径、典型微型无人机和结论
　　1．引言
　　微型无人机热在军用
　　20世纪末西方掀起一股微型无人机热。其实微型无人机并非新型航空器，与航模运动的微型无线电遥控模型飞机和直升机相比，在原理甚至性能上没有根本差别，主要差别在于用途。微型无人机携带有效载荷执行军事任务，而模型飞机携带有效载荷进行航模表演。
　　今天鼓吹、投资研制和应用微型无人机的大都是军界，其中最主要的美国国防部及其下属。他们的着眼点和落脚点显然都在于军事应用。特别是在近来的反恐行动声浪中，对无人机的军事需求日益提高。确切地说，目前出现的是军用微型无人机热，表明对微型无人机的军事需求热。美军意在使微型无人机成为连、排级部队的军用装备，祈望在常规军事装备施展不开的市区军事行动（MOUT）或者说"巷战"能够发挥作用。
　　微型无人机定义
　　微型无人机（MAV--Micro Air Vehicle， Micro-UAV ）是微型无人航空器的简称。按照美国国防部长下属国防空中侦察处1996财年无人机报告的定义，"微型无人机是一种任何几何尺寸都小于15厘米（6英寸）并装载小型有效载荷、简单航空电子和通信链路足以完成所需战斗飞行任务的无人机"。可见，微型无人机从一开始就作为军用无人机定义的，旨在执行军事飞行任务。微型无人机既有固定翼的，也有旋翼的，甚至扑翼和振翼的。
　　但是美国国防部这种定义对尺寸的规定有点儿武断，并非公认。2003年，国际无人机系统协会（AUVSI）即前欧洲无人机系统（EURO UVS）协会出版《无人机：未来展望》年鉴第一版，提出对无人机及其参数的全面定义。其中微型无人机规定为航程小于10千米、高度250米、航时1小时、起飞质量小于5千克。对微型无人机的定义，前者强调尺寸，后者突出质量（重量）。例如，"龙眼"（Dragon Eye）无人机的翼展114厘米、机长91厘米、起飞质量2.49千克，被《舍菲尔德无人机手册》列入微型无人机类，而《詹氏无人机和靶机》则把它列为小型无人机（mini-UAV）类。可见微型无人机于小型无人机的界限并无定论。
　　微型无人机既然是无人机的一种，那么什么是无人机呢？美国国防部定义："无人机（UAV）是无人航空器（Unmanned Aerial Vehicle）的简称，是一种不载操作人员、用空气动力产生运载工具升力、能够自主或遥控飞行、能够一次使用或回收并且载有杀伤或非杀伤有效载荷的有动力航空器（航空运载工具--大气层飞行器）。弹道或半弹道航空器、巡航导弹和炮弹不被认为是无人机。在很多情况下遥控航空器、靶机、机器人飞机和无人驾驶航空器也被归入无人机。"
　　无人机通常仅仅指单纯无人机本身，但实际上应包括由3至6架无人机、1个地面控制站以及发射起飞和回收等支援设备组成的完整无人机系统。除了没有飞行员所需座舱设备以外，无人机与有人机大致相同，包括飞行和动力控制系统、动力系统、计算机和程序控制、导航和数据链等航空电子、任务有效载荷以及起飞和着陆设备。图一可见"黑寡妇"微型无人机由操作员手持"地面站"控制飞行，构成一个完整的无人机系统。
　　与有人机比较，无人机的主要优点是采购费用低和无飞行员伤亡危险。其特点是体积小、重量轻、机动性好、隐蔽性好、续航时间长，特别适于执行危险大的任务，主要用作靶机和侦察无人机。在无人机中，微型无人机费用低、无伤亡、轻、小、灵活、机动更突出，特别适于小部队行动和巷战侦察。
　　2．美国军用微型无人机计划
　　技术上已具有可行性
　　20世纪90年代初的研究指出，微型无人机在技术上已具有可行性。现在很多微型无人机设计师都断言，微型无人机的必要技术正在迅速变为切实可行。
　　国防预先研究计划局4年计划
　　美国的微型无人机研制工作主要由国防部下属的国防预先研究计划局负责。1997年该局启动微型无人机4年计划。该计划包括无人机机体及其主要分系统（动力装置、飞行控制/制导和传感器）的一批相关研究项目。该局还倡议研究高性能计算、微机电系统和先进电子封装等技术。
　　基本要求
　　美国国防预研计划局认为选择15厘米作为微型无人机的最大几何尺寸既完全符合预定的任务要求，又能够推动相关技术的发展。国防科学局关于"21世纪战争的战术和技术"的研究报告强调，要向下至排级部队提供空前水平的态势信息。而这种"直接沟通"要付出的很大代价是使用者不得不携带所有相关装备。如果微型无人机太重，士兵将丢弃它而带上必需品例如水、食品、弹药以及越来越多的现代电子设备所需的电池。该系统还必须后勤简单：它或者是一次性使用，或者是战场易于维修。
　　美国国防预先研究计划局预想，排、连或旅级部队单兵能够使用这种微型无人机进行侦察和监视、战果评估、瞄准、安置传感器、通信中继或者探测核、生、化物质。微型无人机要能够实时成像，执行航时长达20分~2小时的任务，飞行距离达到10千米，速度达到48千米/小时。 该局微型无人机计划主管官员解释说："这些微型无人机系统至少小于目前正在飞的无人机系统的十分之一。它们将特别适于挑战小部队作战和市区地形作战。它们将首次给单兵和海军陆战队员拥有和控制并能够提供实时态势和侦察信息的装备。"
　　成本价位
　　微型无人机最初的设计大概应在类似"掌上驾驶员"个人备忘记事本式的手持"地面站"（控制盒）控制下飞行。微型无人机本身将有高度智能而最终能够完全自主飞行。原型机一般造价每架2~5万美元，但美国国防预先研究计划局强调经济上可承受性，预期生产型降到5000美元，希望低到1000美元。
　　潜在优点
　　体积小、重量轻的微型无人机演义出很多潜在优点。除了成本低和天生隐身飞行（噪声以及雷达和视觉特征方面）以外，微型无人机优点还有完成超常规任务的能力，其中很多与市区军事行动有关。例如，微型无人机可以停在窗台上观察房间内或下面街道上发生的事情。
　　两类任务
　　微型无人机的任务主要分为两大类。第一类是远距（防区外）探测，一般要求固定翼设计来达到所需的飞行距离。第二类是近距行动，无人机具有高机动性能够在树冠下、市内楼房间或建筑物内飞行。后者可能最好由旋翼机完成。
　　预期应用
　　微型无人机第一种应用大概是作为排级监视/侦察装备，装载着能够昼夜使用的成像传感器。此外，微型无人机可以重新部署到适当有利地点并且像固定无人照管的地面传感器那样使用。其他可能的任务包括生化剂探测和辨认、通信中继、悬挂射频或其他信标、布设小型地雷之类轻型武器。携带干扰机的微型无人机能够足够近地飞近其目标雷达，尽管有效载荷很小也能起作用。它们也可以装进弹射座椅，从中弹出给跳伞驾驶员提供侦查信息或发射信号给搜索和援救部队。
　　有些技术不仅能够使微型无人机飞行，往往还能够使它们爬行、慢飞、倾转、跳跃和游泳，变成多栖机器人，从而执行近距行动任务。这些能力在建筑物之类狭窄空间内特别有利。这种组合将使多工作状态机器人越过走廊，在门下溜进，或在通风系统飞过。它们可以配置传感器，并且偷偷摸摸放置致命或非致命的有效载荷。
　　3．面临的挑战
　　错综复杂的挑战
　　微型无人机的设计师们面临很多挑战，包括低雷诺数下的空气动力学、高效推进/能量存储系统、超轻型传感器和通信链路以及导航等，而且它们往往彼此相关和矛盾。
　　空气动力学的挑战
　　微型无人机小而速度低，飞行更像小鸟和大昆虫，但对其相关的空气动力学了解很有限。微型无人机一般在其整个飞行包线范围内以20000~100000雷诺数（翼剖面尺寸乘以它的前进速度）飞行。在这一范围内流经机翼的气流难以建模，更不用说解决了。不稳定气流对微型无人机的影响相当显著，可能最终不得不采用鸟类扑翼既产生升力又产生推力同样的做法。
　　推进系统的挑战
　　微型无人机的小型推进系统将不得不产生高能量和功率密度，也潜伏着雷诺数问题。小于8厘米直径左右螺旋桨的效率只有大飞机的一半儿。电池将是第一代能源，正在开发燃料电池等下一代，也可能利用机身天线接收地面传送的微波能量。动力系统一般占微型无人机总重量100克的60%，而耗能却占90%，因此这一领域的任何进步都可能对微型无人机具有深远影响。
　　航空电子的挑战
　　微型无人机的航空电子同样面临巨大挑战。微型无人机的导航将需要轻型、低功耗的全球定位系统接收机，加之低漂移率微型陀螺和加速度计。通信挑战主要在于天线要能够装进尺寸小的机体里，在于支持图像传输所需带宽（2~4Mbits/s）的可用功率有限。图像压缩帮助降低带宽要求，但是这却增加了机上处理因而也就是增加对功率的要求。预算功率有限意味着全向信号将相当弱，要求地面天线跟踪无人机。在市区军事行动中，视线通信严重受限制，因此不得不另辟蹊径。一种办法是采用单元分区通信结构。
　　4．研制的途径
　　强调系统工程
　　美国国防预研计划局和承包商从一开始就把微型无人机作为一项系统工程来研制。他们都特别强调，微型无人机必须从一开始就作为一个完整的系统来设计，并断言，试图把可独立应用的分系统综合成一个协调一致的整体（即传统的"添壳"式办法）将绝对不能工作。
　　分阶段渐进
　　在研制"微星"微型无人机时，桑德斯公司采用分阶段方法，首先使无人机基本布局保持相同，逐渐增加能力，利用这种能力很快研制出新无人机机体。空气动力学随时间变化不太大，但大多数其他相关领域发展很快，因此该公司打算随时采用数字数据链路和成像传感器等现有商用设备。这种分阶段渐进的办法，值得借鉴。
　　以小带微
　　研制无人机，微难，小易。因此桑德斯公司采用了一个与"微星"计划并行的小型无人机计划，使用不同翼展的 "小星"（MiniSTAR）改型作为一个代用平台来试验各主要分系统。随着时间的推移，各个主要分系统相关技术不断发展和成熟，必然推动小型无人机向微型无人机发展。这种以小带大的办法，有一定代表性。
　　重点投资推进系统
　　动力系统对微型无人机影响重大和深远，因此美国国防预研计划局大部分用于"赋能技术"（使微型无人机"能飞"的技术）的投资都集中于提高推进效率。其中包括：
　　氢燃料微型硅基涡轮喷气发动机，由麻省理工学院研制，由硅制成，重量1克，仅有两个零件，产生10~30瓦推力。其种种挑战包括设计火焰稳定器和提供空气轴承，使转子能在每秒百万转速度下旋转。
　　"微中子"狄塞尔发动机/半导体薄摸温差电池，由D-STAR工程公司/布莱克斯堡技术公司研制，发动机功率80瓦，组件直径2厘米。温差电池采用先进量子阱技术，附在发动机壁上直接把热能变为电源，使1立方厘米内燃机废热产生20瓦功率。
　　甚轻固体氧化物燃料电池/微型涡扇，由IGR公司/研制M-DOT公司，甚轻型燃料电池满足微型无人机电源要求，涡轮风扇发动机的推力为600克。
　　"往复化学肌肉"（RCM）推进装置，由乔治亚理工研究院与英国剑桥大学和ETS实验室合作研制。这种再生推进装置通过非燃烧反应把化学能直接变为运动，用于驱动乔治亚理工研究院研制的"昆虫机"扑翼或奔跑足。"往复化学肌肉"推进的昆虫机见图2。
　　微型航空电子
　　航空电子是机载"神经系统"，同样是实现微型无人机不可忽视的先进技术，其中包括自动驾驶仪。美国国防预研计划局1999财年完成重量为50克的自动驾驶仪/制导组件的制造和试验，它包括惯性导航系统和全球定位系统接收机。Fibersense公司已经研制出微型速率陀螺。桑地亚国家实验室的"微型导航仪"把陀螺、三轴加速度计、全球定位系统接收机以及相应的电子线路全部封装在一个硅片上。
　　乔治亚理工研究院研究基于其集成光学干涉波导传感器的自动导航方案。初创研究工作集中在定向爬行行为上，其他可能方案是游泳穿过下水道。
　　任务有效载荷
　　美国一些机构都在投资研究微型无人机传感器的相关技术。加州理工学院的喷气推进实验室正在研制小型固态成像传感器。它的超小功率有源像素传感器技术使用现有商用互补金属氧化物半导体器件制造工艺，使很多不同功能的元件集成在芯片自身上。其优点是系统功耗成百倍降低，成本也节约。
　　Indigo系统公司研制的"阿尔法"像增强互补金属氧化物半导体摄像机工作在长波红外频段，使用波音公司160×128元非致冷辐射热探测器焦平面阵列。其初始型可能应用于微型无人机上。
　　多频谱解决方案公司正在为研制微型无人机用的超带宽高度表和障碍物回避传感器。这种传感器的重量为40克，功耗很小，将能够分辨小于30厘米的距离。
　　最近在美国陆军的小企业革新研究（SBIR）计划下的申请的项目包括研制无人机用的廉价微型声学传感器，用于探测和辨认地面车辆和对其定位。
　　发射与投放
　　手持发射型将小到足以装进诸如高机动多用途轮式车辆和不影响执行任务。封装容器可考虑密封管，类似装网球的容器，最大长度75厘米，直径10厘米。这可能适合翼展为10~50厘米的折叠翼无人机。
　　微型无人机发射和回收由单人操作，将不需要专用起飞或着陆场地。1997年微型无人机应用本土瞄准导弹和机关炮发射平台的专题讨论会推荐120毫米为首选发射管组件尺寸，包括用120毫米迫击炮管等发射。这些投放方法的优点是不暴露侦察员的位置并增加航时。
　　除了管道发射以外，它们可以"驮背"在空中发射精确制导弹药上或从常规无人机上投放。微型无人机一旦完成空中任务，可以作为无人看管的地面传感器工继续作。
　　5．典型微型无人机
　　美国国防预先研究计划局三大原型微型无人机
　　美国国防预研计划局一直在投资制造代表各种途径并支撑"能飞"技术的原型微型无人机包括 "黑寡妇"和"微星"固定翼无人机以及"科里布里"旋翼无人机。该局注意到携带昼夜飞行使用的成像传感器，极适于执行侦察和监视任务，支持市区行动；也关心能飞行5千米距离，更适合越过小山丘进行"隔山"侦察。
　　"黑寡妇"
　　"黑寡妇"（Black Widow）是航空环境公司与加利福尼亚大学和加州理工学院合作研制的飞翼（见图3）。为满足飞行器尺寸限制在15厘米的要求，该公司选择盘形布局，使机翼面积最大。飞翼重50克，头部装着螺旋桨，由电动机驱动，电源来自一对锂电池，后面装有操纵面。推进系统重110毫克，效率82%，最大速度20米/秒。飞行控制系统（计算机、无线电接收机和3个基于微电机作动器）重量仅2克。"黑寡妇"由肩扛式容器气动发射，容器内装有控制板以及使操作员能够观察到来自摄像机活录象的目镜。"黑寡妇"上的摄像机重2克。该微型无人机的续航时间超过20分，有效距离1千米，预计航时最终可达到1小时。1999年航空环境公司及其"黑寡妇"微型无人机获得《无人机》杂志第一个"无人机设计发明奖"，创造了奖牌重于无人机本身的记录。当时"黑寡妇"重量只有60克，能够装进公文包内，打破航时22分飞越距离16千米的记录。
　　"科里布里"
　　"科里布里"(Kolibri)是 Lutronix公司与奥博恩大学合作研制的垂直起落微型无人机（见图4）。其续航时间至少30分。可以采用单旋翼和对转双旋翼的不同类型。基本型是10厘米直径，重316克，其中37克重的动力装置和132克重的燃油占了总重量的一半以上。动力装置可能采用由D-STAR公司研制的微型狄塞尔发动机。输出功率35瓦的微型狄塞尔发动机用20克的燃油一般可提供飞行30分钟的动力，所用燃油仅为常规飞机发动机用油的四分之一。可用有效载荷大约100克。"科里布里"装有Draper实验室研制的全球定位系统/加速度计/陀螺组合系统，多频谱方案公司已研制出超宽带视频下行链路。
　　"微星"
　　"微星"（MicroSTAR）是桑德斯公司由研制。经论证，"微星"最后选择更常规的设计（见图5）。
　　"微星"设计重量100克，总电功耗15瓦。机身重7克，处理/存储电子组件重6克，照相机/透镜总重4克。电动机及其螺旋桨重20克，功耗为9瓦。最大一个配额44.5克分配给了锂电池。 "微星"典型飞行任务航时20~60分，飞行距离大于5千米（在视距控制下增加一倍），巡航速度一般为56千米/小时，高度为15~90米。"视景"VV5404传感器是要提供质量足以能够识别一班人大小目标的图像。它将通过哈里斯公司的PRISM无线电通信链路把信息传送到由两块个人计算机卡构成的地面站，它可在任何"奔腾"基处理平台以300MHz或更高时钟速率工作并采用Windows NT操作系统。这可以是笔记本计算机或者小到"掌上驾驶员"尺寸的终端。正在研制用于代替现用模拟链路的数字数据链路将把传送距离从1~2千米扩大到4~5千米，并能够以200豪瓦功率处理1Mbit/s信息。这足以在处理每秒1帧未压缩的图像，在连续两帧之间85%叠加，加上囊嵌入数据流中的遥测信息。惯性系统提供自主运动稳定性，再加上处理器，大约使有效载荷重量增加了20克。进一步可能的改进升级包括采用互补金属氧化物半导体成像传感器、差分全球定位系统，重量刚好超过5克，增加到基本推测导航系统。
　　仿生型扑翼机和昆虫机
　　仿生学可以说是航空之母，拟态飞行的"昆虫机"正是基于仿生学一种微型无人机。它不仅能够飞行而且能够爬行，这是大型航空器难以实现的。
　　"微型蝙蝠"
　　"微型蝙蝠"（Microbat）是加州理工学院与航空环境公司合作研制的一种电池为动力的微型扑翼机（见图6）。其重量仅10克，由微机电系统驱动类似蜻蜓的机翼。电容器一次充电产生的功率能够已经达到20秒航时，加州理工学院预测最终航时可达3分。"微型蝙蝠"可携带微型摄像机及其下行数据链路或声学传感器。加州理工学院根据美国国防预研计划局的倡议正在研制"微型蝙蝠"微型无人机用的微型机电系统。加州理工学院已经制造出钛合金骨架蒙以聚合物薄膜构成的机翼，同时还有包括电池、直流支流变流器、减速器和扑动传动机构在内的轻型动力传输系统。
　　"昆虫式爬行和飞行机器人"
　　"昆虫式爬行和飞行机器人"是范德比尔特大学研制的一次性使用微型无人机。它采用类似手表中使用的小型锂电池向压电致动器提供电功率。这些陶瓷涂层金属薄片当施加电压时弯曲，当去掉电压时就迅速复原，即产生振动。其优点是重量轻，效率超过90%。致动器在机器人的金属"骨架"和机翼产生振动，使它能够爬行和飞行。它采用仿生原理，飞翔的昆虫翅膀一般拍打速度有它脑子可能发出的指令5倍快。一旦这种运动确立，骨架振动就把它维持下去了。
　　"导师"
　　"导师"（Mentor）是SRI国际公司（前斯坦福研究所）与多伦多大学正在合作研制的一种扑翼机（见图7）。其重量为50克，使用"往复人造肌肉"驱动昆虫刚性扑翼。它的致动器是由电致伸缩的聚合物制成的。
　　6．结论
　　在当前传感器技术水平下，微型无人机的体能限制了有效载荷因而也就限制了执行任务的能力。近期，微型无人机只能装载电视摄像机执行近距、低空、短时成像侦查任务。小型无人机（Mini-UAV，Small UAV）虽然比微型无人机大，但是与大多数现用无人机相比仍然很小。小型无人机的特点是：用现有技术水平已能制造，适于单兵携带、发射，操作容易，成本低廉，经济实惠。美国陆军、海军、国防预研计划局以及航空工业界正是看到微型无人机尺寸太小，限制了有效载荷和性能，因而开始搞能够供单兵用的便携式小型监视无人机。例如，美国海军倡导应用MITE微型无人机引出了美国海军陆战队的"龙眼"（DragonEye）计划。这恐怕是一种具有代表性的现实研制思想。
　　综上所述，微型无人机目前仍处于研制阶段，而近期应用有一定局限。由于体能的限制，微型无人机在军事上也难以有较大作为。反观小型无人机的技术难度相对较小，也在一定程度上克服了"微型"带来的缺点，因而更现实、更适用。