微型無人機

微型無人機(MAV)是指尺寸只有手掌大小(約15cm)的飛行器。它將作為士兵可攜帶的一種戰場偵察設備，其潛在的作用包括空中監視、生物戰劑探測、目標識別、通信中繼，它甚至能探測到大型建築物和大型設施的內部情況，因此，為士兵增添了“空中之眼” 。

目前研製的這些無人機系統大都由無人飛行器、地面控制站和發射器組成。在地面指揮小組的控制下來完成作戰使命，主要定位在排"師級作戰部隊使用。

基本介紹

• 中文名：微型無人機
• 外文名：Miniature unmanned aerial vehicle
• 始於：1990年代中期
• 研製者：美國國防高級研究計畫局
• 地位：衝突作戰中必不可少的重要角色
• 作用：空中監視、生物戰劑探測等

簡要介紹

微型無人機是在1992年提出來的，在美國蘭德公司和國防高級研究計畫局(DARPA)舉辦了一個關於未來軍事技術的研討會，資深科學家奧根斯坦主持了有關微型無人機的討論。會後，蘭德公司對微型機的原理進行了研究，認為帶有微小感測器的極小的偵察機是可以實現的，可以說，蘭德公司是最早提出研製微型無人機主張的。鑒於微型感測器和微機電系統正在日趨成熟，專家們提出了3 年內可以實現的微型無人機的主要參數，它們是：長6-20cm，質量10-100g，負載1-18g , 在30-60 km/h的巡航速度下, 續航時間為20-60min，最大航程為1 -10km 。

有關專家認為，MAV 應該歸於納米飛行器一類，但納米飛行器一般是指尺寸在1 μm-1 nm之間或小於1 nm的飛行器，一些專家也把10 cm左右的飛行器籠統的稱為納米飛行器。美國通過對MAV 所需的特殊空氣動力要求及技術可行性研究後, 一般把MAV 的有關參數定義為長、寬、高在15 cm 以下、質量在10 g-500 g、最佳使用高度在45-60m範圍、最高150 m、飛行速度10-20m /s、最大航程10 km左右、最大續航時間2h以上。有人把翼展或機體直徑不超過60 cm 的無人機也歸為MAV 之列。

20世紀90年代以來，微型無人機引起了各國的關注。它的迅速發展和大量使用，將對未來信息化戰場的軍事行動產生重大影響。美國已將無人飛行器列為五大空中威脅平台中最具破壞力的空中威脅之一，而且無人飛行器將對作戰全過程構成威脅，在未來的信息化戰場上發揮更重要的作用。

優點

與有人機比較，無人機的主要優點是採購費用低和無飛行員傷亡危險，其特點是體積小、質量輕、機動性好、隱蔽性好、續航時間長，特別適於執行危險大的任務，主要用作靶機和偵察。在無人機中，微型無人機費用低、無傷亡、輕、小、靈活、機動更突出，特別適於小部隊行動和巷戰偵察。

技術攻關

動力問題

要想研製出如此小的無人機面臨著許多技術及工程問題。最大的困難是動力問題。在微型無人機的開發中，近期最大的困難是發動機系統及其相關的空氣動力學問題，而發動機又是關鍵，它必須在極小的體積內產生足夠的能量，並把它轉變為推力，而又不增加過多的重量。

不同的空氣動力學原理

由於尺寸小速度低，微型無人機的工作環境更像是小鳥及較大昆蟲的生活環境，而人們對於這種環境中的空氣動力學還知之甚少，其中的許多問題，都難以用普通空氣動力學理論加以解釋。由於微型無人機只能低速飛行，層流占主導地位，它引起較大的力及力矩，這可能要求用三維方法解釋它的空氣動力學。微型無人機的機翼載荷很小，幾乎不存在慣性，很容易受到不穩定氣流、如城市樓群中的陣風以及風雨的影響。

飛行控制

怎樣控制微型無人機的飛行是另一個難點。首先要有一個飛行控制系統來穩定微型無人機，至少增加其自然的穩定性。這樣在面臨湍流或突發的陣風時可以保持其航線，並可執行操作人員的機動命令。若微型機需要對目標成像的話，還需要穩定瞄準線。為使微型無人機自主飛行，要採用重量輕、功率低的GPS接收機，低漂移量的微型陀螺儀和加速度計，也可以利用地理信息系統提供地形圖導航。GPS可以大大提高微型機的能力，但目前它在功率、天線尺寸、重量及處理能力等方面均存在不少問題，需要加以解決。而且，系統還要不受電磁波及無線電頻率的干擾，要求通信電子元件的質量/功率效率極高。

通信系統

一旦飛到空中，微型無人機需要保持它與操作人員之間的通信聯繫。由於體積重量的限制，目前只能採用微波通信方式。儘管微波可以傳播大量的數據，足夠進行電視實況轉播，但它卻無法穿透牆壁，因而只能在視距內使用它，微型無人機的尺寸小限制了無線電的頻率及通信距離。當微型機飛出視距或視線被擋住時，就需要一個空中的通信中繼站，中繼站可以是另一架飛機或者衛星。

偵察感測器

要想在戰場上實際套用，微型無人機還需要攜帶各種偵察感測器，如電視攝像機、紅外、音響及生化探測器等。這些都必須是超輕重量的微型感測器，因而部件小型化是感測器技術發展的關鍵。

研製成功

美國空軍已經成功研發了一種可精確打擊目標的微型無人機。2008年美國空軍研究實驗室開始研發一種體型微小的武裝無人機，準備配備給美國特種部隊，執行對“具有較高價值的目標”的殺傷任務。軍方不會透露這項名為“阿努比斯（Anubis）”的計畫的具體執行情況，但據軍方預算檔案記錄，美國空軍工程師已經在“裝備新型導引/追蹤感測器算法、能夠對較高價值目標發起攻擊的微型飛行器（Mirco-Air Vehicle, MAV）”方面取得了成功。近幾年來，美國軍方越來越多地使用“捕食者”和“收割者”這類無人機，利用它們裝備的“地獄火”（Hellfire）飛彈在阿富汗和巴基斯坦對恐怖分子頭目發動定點攻擊。但這些體型相對較大的無人機有三大缺點：

美國空軍2008年度預算計畫中，“阿努比斯計畫”被描述為“一種小型無人機，配備感測器、數據鏈，裝備可在複雜環境下對時間敏感、可迅速移動的目標發起攻擊的武器。”預算計畫中還稱，美國空軍研究實驗室完成開發後，該機型將用於空軍特戰司令部。截至目前為止，軍方對此沒有發表官方聲明，對於媒體提出的詢問，空軍也沒有做出任何評論。但最新的空軍研究與發展預算中簡短地提及了這項計畫。最新檔案稱“阿努比斯計畫”已經完成，共耗資175萬美元。 “阿努比斯計畫”的現狀不得而知，有可能在研髮結束後無疾而終，也有可能已經交到了空軍特戰司令部手中。如果是第二種情況，那么它將解決“捕食者加地獄火”組合帶來了兩大問題：它能夠跟蹤並追捕最難捕捉的目標，在接近目標時，它裝備的視頻感測器可以讓其明確辨別目標，以便操作者決定是否採取行動。在埃及神話中，阿努比斯神負責稱量死者的心臟，決定他們是否能得到永生。而“阿努比斯”無人機同樣要執行這種精確判斷的任務。此外與重達20磅的“捕食者”相比，這種只有不足一磅重的無人機帶來的附帶損傷無疑可以降到最低。

發展現狀

與常規飛行器相比，人們對微型無人機的空氣動力學機理知之甚少，0.076 m 以下的飛行器的空氣動力學特性對人們來說還是個謎。美國是對微型無人機領域進行研究的最早的國家，並已取得了重大成果，其所研製的MicroStar 固定翼微型無人機已經在阿富汗戰爭中試用。美國加利福尼亞理工學院微機械加工實驗室在2000 年研製了一個基於MEMS 的微電機驅動、電池供電、質量僅約10 g 左右的撲翼微型無人機，由於微型電池動力有限，最多僅持續飛行了18 s。美國最新研製的撲翼微型無人機已經能夠在微型無線電控制器的遙控下飛行約6min，這是目前公開報導的、有技術細節的、可以持續飛行且飛行時間最長的撲翼微型無人機。美國通用原子航空系統公司宣布，曾經參加過作戰行動的RQ -1“捕食者” 無人駕駛飛機(UAV)最近在飛行中成功地發射了一架微型無人機，這是歷史上第1次飛行中的無人機自攜帶並發射另一架微型無人機。

國外正積極開發微型無人機

我國也對微型無人機展開了系統的研究，航天科技集團公司北京空氣動力研究所研製的微型無人機目前已經進入了自主飛行樣機研製試驗階段。它的動力裝置為衛星活塞式發動機，具有微型電視攝像機、數據傳輸設備、電子干擾裝置及特種裝備等機載設備，由微型陀螺、微處理晶片機、微型GPS 、舵機對它進行制導與控制。它的翼展為220-600mm；最大起飛質量0.12-1.5 kg；性能數據：最大平飛速度>100 km/h，巡航速度60 -72 km/h，巡航高度100-300 m ，最大航程10-36 km，最大續航時間10-30 min 。

存在的困難

要想研製出如此小的無人機，有許多極其重要的工程問題需要解決，存在許多困難。發動機是關鍵問題，它必須在極小的體積內產生足夠的能量，並把它轉換為推力。微型無人機的動力可以有好多種，如火箭、脈衝式噴氣發動機、轉子發動機及內燃機等，內燃發動機具有良好的前景。微型內燃發動機的熱效率可能只有5%左右，功率密度一般為1 W/g，發動機使用高能燃料。到目前為止，尚未製成真正可用的內燃發動機，而且還必須克服噪聲和可靠性問題。電動裝置也是很有前途的。微型無人機的電動機可以利用電化學電池、燃料電池、微型渦輪發電機、熱光電發電機、太陽能電池或電子束能量系統作為能源。前三者被認為是最適用的，但目前還沒有被套用。

微型無人機3D模型

由於尺寸小速度低，微型機要比普通飛機在較低的雷諾數下飛行。這時空氣的粘滯力很大，與大飛機相比，微型機按比例所受的阻力更大。研究高效的氣動外形成為研究微型無人機的重要核心內容。通常情況下，這方面研究還缺乏有效的理論和實踐，“仿生”仍是最有效的捷徑方法。並且，微型無人機螺旋槳的效率有限。在飛機長15cm 時，螺旋槳還可以有效地工作，但7.6 cm 是它的下限，在這以下，就需要採用撲翼技術，這種技術還需要許多基礎研究工作。

微型無人機必須實現垂直起降、懸停和爬行等特殊飛行要求，單靠已有的發動機裝置和配置結構都難於實現這一目標，怎樣控制微型無人機飛行是一個難點，至少要有一個飛行控制系統來控制它，並可執行控制人員的機動命令。一旦飛到空中，微型無人機需要保持它與控制人員的通信聯繫，由於體積的限制，目前微型無人機只能採用微波通信方式，儘管微波可以傳播大量的數據，但它不能穿透牆壁，因而只能在視距內使用。當飛機飛出視線或視線以下時，可以利用全球定位系統(GPS)來確定它的位置，但目前最小的GPS 裝置的功率至少需要0.5W，天線質量達20-40g，並且天線尺寸又大，因而目前無法採用，需要進一步的改進。

要想在戰場上實際套用，微型無人機還需要攜帶各種偵察感測器，如電視攝像機、紅外、音響及生化探測器等。這些都必須是超輕質量的微型感測器，因而部件小型化是感測器技術發展的關鍵問題。

研製進程

美國

美國大力發展微型無人機技術，並研製出各種微型無人機平台，有固定翼、旋翼及撲翼式3種。微型無人機的研製始於1990年代中期，第一個飛行樣機出現於1990年代末期。1996年，美國國防高級研究計畫局授予航境公司一項研製契約，進行製造微型無人機的可行性研究。該公司製造出了“黑寡婦”固定翼微型無人機。該機為直徑152mm的圓盤形，採用輕木結構，螺旋槳驅動。 1997年底，使用鋰電池不帶載荷進行了16分鐘的飛行。另一架“黑寡婦”在1999年年中進行了重新設計，最大起飛質量60g，最大載荷量7g，翼展15cm，續航時間22分鐘，航程2km。 隨後，航境公司開發出了“蝗蟲”固定翼微型無人機，翼展33cm，總質量17g。2002年8月，一架試驗型“蝗蟲”飛行時間超過了100分鐘。此外該公司還開發出了“大黃蜂”固定翼微型無人機，動力系統採用氫燃料電池，而不是大多數微型無人機所採用的鋰電池。“大黃蜂”質量為170g，翼展38cm。2005年1月，美國霍尼韋爾公司開始了涵道風扇小型無人機的飛行試驗。該無人機高56cm、寬35.5cm、質量2.2kg，樣機還將交付美國陸軍進一步試驗。霍尼韋爾公司在該項目的主要合作夥伴是常規無人機製造商AAI公司，該公司將製造其機身。儘管目前的動力系統採用汽油發動機，但霍尼韋爾公司希望在2006年前研製出重質燃料型發動機。美國軍事技術公司的“背包式無人監視瞄準與增強偵察”無人機系統已經出售給美國陸軍和英國國防部用於測試和評估。

（1）美國空軍完成精確打擊微型無人機研發

美國《連線》雜誌網站2008年1月5日報導，美國空軍已經成功研發了一種可精確打擊目標的微型無人機。2008年，美國空軍研究實驗室開始研發一種體型微小的武裝無人機，準備配備給美國特種部隊，執行對“具有較高價值的目標”的殺傷任務。軍方不會透露這項名為“阿努比斯（Anubis）”的計畫的具體執行情況，但據軍方預算檔案記錄，美國空軍工程師已經在“裝備新型導引/追蹤感測器算法、能夠對較高價值目標發起攻擊的微型飛行器（Mirco-Air Vehicle, MAV）”方面取得了成功。

近幾年來，美國軍方越來越多地使用“捕食者”和“收割者”這類無人機，利用它們裝備的“地獄火”（Hellfire）飛彈在阿富汗和巴基斯坦對恐怖分子頭目發動定點攻擊。但這些體型相對較大的無人機有三大缺點：

首先，無法精確確定具體擊中的目標。在2002年那起著名的無人機誤殺事件中，中央情報局特工在阿富汗帕克蒂亞省向一位平民發射了“地獄火”飛彈。這位平民因為身材異乎尋常的高大，被無人機操縱者認定是身高6英尺5英寸（約合1.96米）的本·拉丹。然而實際上，受害者只是一位無辜的阿富汗農民。

第二，“地獄火”飛彈並不是執行這類任務的最佳武器。這種型號的飛彈最初是為反坦克任務設計的，因此靈敏度並不特別高，也不適合像汽車、機車這樣可以在最後一秒鐘轉向、躲避襲擊的目標。

第三，這類襲擊通常會在殺傷目標的同時波及其他人，因此常有誤傷無辜的危險。

由於上述缺點的存在，“阿努比斯計畫”應運而生。美國特種部隊已經開始廣泛使用“航境”（AeroVironment）公司開發的“黃蜂”（Wasp）無人機，這是現役體型最小的無人機，不足一英鎊重，持續航行能力在45分鐘左右，視距控制最大為3英里。

相對於較大型的飛行器，這些性能數據似乎很有限。但“黃蜂”的特長在於近距離偵察。它使用較為安靜的電動發動機，因此可以不被發現的情況下接近目標。

美國空軍2008年度預算計畫中，“阿努比斯計畫”被描述為“一種小型無人機，配備感測器、數據鏈，裝備可在複雜環境下對時間敏感、可迅速移動的目標發起攻擊的武器。”預算計畫中還稱，美國空軍研究實驗室完成開發後，該機型將用於空軍特戰司令部。

截至目前為止，軍方對此沒有發表官方聲明，對於媒體提出的詢問，空軍也沒有做出任何評論。但最新的空軍研究與發展預算中簡短地提及了這項計畫。最新檔案稱“阿努比斯計畫”已經完成，共耗資175萬美元。

“阿努比斯計畫”的現狀不得而知，有可能在研髮結束後無疾而終，也有可能已經交到了空軍特戰司令部手中。如果是第二種情況，那么它將解決“捕食者加地獄火”組合帶來了兩大問題：它能夠跟蹤並追捕最難捕捉的目標，在接近目標時，它裝備的視頻感測器可以讓其明確辨別目標，以便操作者決定是否採取行動。在埃及神話中，阿努比斯神負責稱量死者的心臟，決定他們是否能得到永生。而“阿努比斯”無人機同樣要執行這種精確判斷的任務。

此外，與重達20磅的“捕食者”相比，這種只有不足一磅重的無人機帶來的附帶損傷無疑可以降到最低。

（2）洛馬公司的超微型無人機

美國防部所屬專門負責美軍新概念武器研發的美國國防高級研究計畫局與洛馬公司簽訂了一項1 700 萬美元的契約，由洛馬公司負責設計出一種新型超級微型無人機，這種無人機將能夠在敵方毫無知覺的情況下飛進室內執行偵察任務，這就是世界上最小的無人機，能有多小? 僅有楓樹籽那樣大小。

這種新型無人機僅2.5cm長，最大起飛質量只有10g。根據美軍劃分，這種無人機的形狀和大小僅和一枚楓樹籽相當，可謂是一種名副其實的超級微型無人機。洛馬公司將設計出這種無人機的總體框架，並研製出無人機的發動機、機體和飛行控制系統。

這種史無前例的超級微型無人機，體形雖小，但將會是“五臟俱全”。除了所有的無人機都裝備有的動力系統外，這種無人機還將配備遙感勘測儀、導航系統、成像感測器和數據傳輸系統等。美軍規劃，這種無人機在研製成功後，將首先用於反恐戰場上。無人機操作員最遠可以在距離所要偵察地區約800 m 外的地方放飛，無人機的機身下安裝有攝像頭，可通過數據鏈將前進路線狀況實時傳輸給操作員，便於操作員的飛行操縱。在飛進室內或到達指定區域後，操作員遙控啟動無人機上的偵察裝備，開始執行偵察任務。這種超級微型無人機的最大作戰特點是機動靈活、隱蔽性好，機身上所攜帶的成像感測器可使其晝夜執行偵察和監視任務。此外，超級微型無人機由於體積小，還可偵察一些大型偵察兵器無法進入的區域。

以色列

以色列飛機工業公司的“蚊1”式無人機的研製始於2001年，2003 年1月1日首次飛行。該機翼展30cm，質量250g，續航時間40分鐘。“蚊1.5”式無人機質量為首架樣機的兩倍，翼展34cm。“蚊1.5”式無人機於2004年試飛成功。 二者主要區別在於“蚊1.5”式無人機可以自主飛行，能按全球定位系統指示的航路點飛行，而“蚊1”式無人機不具備這種能力，因為其體積太小，不能集成飛行控制系統和全球定位系統。“蚊1”式無人機只能無線電操縱，但配備飛行計算機和提供航路點後具有自主飛行能力。自主飛行是微型無人機的關鍵，沒有這種能力其工作能力就受限制。為了獲得飛行控制、穩定性和航路點的所有參數，以色列飛機工業公司對“蚊1.5”式無人機進行了大約100小時的試飛。“蚊1.5”式無人機的穩定性、質量與其性能之間也同樣存在折衷選擇的問題，比如進行載荷與電池質量之間的折衷選擇，使用10～20g的攝像機可以提供一個小時的續航時間。低速飛行時的可控性和機動性也是一個急待解決的問題。由於這種飛行器的速度限制，它不能用於所有的軍事行動，僅適於與其速度和攝像機要求相適應的作戰環境。以色列飛機工業公司目前致力於微型無人機推進裝置、電池以及技術模型的研究，旨在提高“蚊”式無人機系統的性能。近期內還要利用現行飛機的空氣動力特性解決低速度條件下的機動性能問題。以色列飛機工業公司的I-See無人機質量不到1kg，翼展為2.9m，能攜載光電感測器（電視）或者紅外感測器，具備自動起飛和自動傳輸數據能力。

日本

小型化直升機目前已經出現，其中包括日本精工愛普生公司研製的 “微型飛行機器人” 樣機，是世界最小的無人駕駛直升機，質量只有9g，高度僅為 2.8cm。

歐洲

歐洲航空航天防務多尼爾公司生產的Do-MAV無人機質量約510g，翼展42cm，續航時間超過30分鐘，法國和英國已對該機進行演示論證。英國航空航天系統公司對“微星”微型無人機進行了進一步的研製。“微星” 微型無人機為三角翼平台，續航時間超過20分鐘。 德國的EMT公司已研製出2種微型無人機，即“扇風機”垂直起降旋翼無人機和“天皇”固定翼手持發射無人機。“扇風機”無人機執行任務半徑超過500m，續航時間超過15分鐘，起飛質量約750g。“天皇”無人機具有類似的特性，但起飛質量約為500g。

中國

據美國媒體報導，中國剛剛公布了其CH-901管射巡飛彈的詳細信息，一款攜帶型殺手無人機，士兵可以隨身攜帶，然後現場發射，追蹤並攻擊對手。中國人在這領域並非是第一家，美國於2011年推出了“彈簧刀”無人機並在阿富汗使用了它。但是，這是中國軍隊的一大舉措。
中國軍隊飛行五花八門的無人機，從小型手推系統的巨型“神鷹”，雙機身飛機旨在遠程探測隱形飛機。有些是西方模式仿製品：在20世紀60年代，中國在其領土上空擊落美國“火蜂”無人機之後，中國仿製它們，於1972年建造了“長虹”1無人機，此外，中國的無人機商業有許多民間企業。最著名的是大疆，其在消費無人機市場占有70%的份額。
雖然CH-901在亞洲防務展展示過，但是它是中國第一款戰術攻擊無人機。它有兩種配置，搭載不是爆彈頭就是額外的攝像機和回收降落傘。顯然，這是仿製以色列像“英雄”-30神風微型無人機。這款CH-901的起飛重量為20磅，相比之下，美國的“彈簧刀”無人機到6磅。
大小規模的原因是有效載荷，它可以超過6磅。雖然“彈簧刀”不足一磅彈頭是針對打擊人員和輕型車輛，但是CH-901將能夠清除更廣泛的各種目標。在這方面，它類似於波蘭“戰友”巡飛彈，其採用碎片裝藥或形裝藥彈頭武裝，能夠穿透4英寸裝甲，摧毀坦克和輕型裝甲車。不過，中國的無人機幾乎是“戰友”無人機的兩倍大小。一枚6磅重的彈頭可能無法穿透像M1“艾布拉姆斯”主戰坦克的前裝甲，但在攻擊中，它可以從上方突破頂部薄裝甲。像M2“布雷德利”輕型車輛便是易如反掌。
標準的CH-901的配置是一組3架無人機，1根發射管和1台控制器，具有100英鎊的總重量。中國稱之為“單兵攜帶”（大概是負載可在兩個或更多的士兵之間拆分），或者可以安裝在像一輛越野車的輕型汽車。據製造商，無人機巡航速度每小時為40至75英里，偵察配置的續航力為2小時，作為攻擊無人機續航力為1小時，其航程約10英里。偵察版本的估計壽命為20次任務。
這款CH-901是由中國保利集團防務公司負責銷售，其聲稱是中國頂級3家防務公司之一。2013年2月，中國保利技術公司（保利防務公司的一部分），因違反制裁“伊朗，朝鮮和敘利亞不擴散法，而受到美國國務院的制裁”。但是該公司否認發生任何違約行為。這架CH的標記表明無人機是由中國航天科技集團打造，其負責軍用無人機生產2000年從CH-1到近期的CH-803。