美國軍用微型無人機

20世紀末西方掀起一股微型無人機熱。其實微型無人機並非新型航空器，與航模運動的微型無線電遙控模型飛機和直升機相比，在原理甚至性能上沒有根本差別，主要差別在於用途。微型無人機攜帶有效載荷執行軍事任務，而模型飛機攜帶有效載荷進行航模表演。 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，微型無人機作戰環境主要在峽谷和城市建築物之間。

基本介紹

• 中文名：美國軍用微型無人機
• 外文名：MAV--Micro Air Vehicle
• 性質：主要差別在於用途
• 屬性 ：作戰環境主要在峽谷和城市

引言

微型無人機熱在軍用

今天鼓吹、投資研製和套用微型無人機的大都是軍界，其中最主要的美國國防部及其下屬。他們的著眼點和落腳點顯然都在於軍事套用。特別是在近來的反恐行動聲浪中，對無人機的軍事需求日益提高。確切地說，目前出現的是軍用微型無人機熱，表明對微型無人機的軍事需求熱。美軍意在使微型無人機成為連、排級部隊的軍用裝備，祈望在常規軍事裝備施展不開的市區軍事行動（MOUT）或者說"巷戰"能夠發揮作用。

微型無人機定義

微型無人機（MAV--Micro Air Vehicle， Micro-UAV ）是微型無人航空器的簡稱。按照美國國防部長下屬國防空中偵察處1996財年無人機報告的定義，"微型無人機是一種任何幾何尺寸都小於15厘米（6英寸）並裝載小型有效載荷、簡單航空電子和通信鏈路足以完成所需戰鬥飛行任務的無人機"。可見，微型無人機從一開始就作為軍用無人機定義的，旨在執行軍事飛行任務。微型無人機既有固定翼的，也有旋翼的，甚至撲翼和振翼的。

但是美國國防部這種定義對尺寸的規定有點兒武斷，並非公認。2003年，國際無人機系統協會（AUVSI）即前歐洲無人機系統（EURO UVS）協會出版《無人機：未來展望》年鑑第一版，提出對無人機及其參數的全面定義。其中微型無人機規定為航程小於10千米、高度250米、航時1小時、起飛質量小於5千克。對微型無人機的定義，前者強調尺寸，後者突出質量（重量）。例如，"龍眼"（Dragon Eye）無人機的翼展114厘米、機長91厘米、起飛質量2.49千克，被《舍菲爾德無人機手冊》列入微型無人機類，而《詹氏無人機和靶機》則把它列為小型無人機（mini-UAV）類。可見微型無人機於小型無人機的界限並無定論。

微型無人機既然是無人機的一種，那么什麼是無人機呢？美國國防部定義："無人機（UAV）是無人航空器（Unmanned Aerial Vehicle）的簡稱，是一種不載操作人員、用空氣動力產生運載工具升力、能夠自主或遙控飛行、能夠一次使用或回收並且載有殺傷或非殺傷有效載荷的有動力航空器（航空運載工具--大氣層飛行器）。彈道或半彈道航空器、巡航飛彈和炮彈不被認為是無人機。在很多情況下遙控航空器、靶機、機器人飛機和無人駕駛航空器也被歸入無人機。"

無人機通常僅僅指單純無人機本身，但實際上應包括由3至6架無人機、1個地面控制站以及發射起飛和回收等支援設備組成的完整無人機系統。除了沒有飛行員所需座艙設備以外，無人機與有人機大致相同，包括飛行和動力控制系統、動力系統、計算機和程式控制、導航和數據鏈等航空電子、任務有效載荷以及起飛和著陸設備。圖一可見"黑寡婦"微型無人機由操作員手持"地面站"控制飛行，構成一個完整的無人機系統。

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、重量輕、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無人機。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。

美國軍用微型無人機計畫

技術上已具有可行性

20世紀90年代初的研究指出，微型無人機在技術上已具有可行性。現在很多微型無人機設計師都斷言，微型無人機的必要技術正在迅速變為切實可行。

國防預先研究計畫局4年計畫

美國的微型無人機研製工作主要由國防部下屬的國防預先研究計畫局負責。1997年該局啟動微型無人機4年計畫。該計畫包括無人機機體及其主要分系統（動力裝置、飛行控制/制導和感測器）的一批相關研究項目。該局還倡議研究高性能計算、微機電系統和先進電子封裝等技術。

基本要求

美國國防預研計畫局認為選擇15厘米作為微型無人機的最大幾何尺寸既完全符合預定的任務要求，又能夠推動相關技術的發展。國防科學局關於"21世紀戰爭的戰術和技術"的研究報告強調，要向下至排級部隊提供空前水平的態勢信息。而這種"直接溝通"要付出的很大代價是使用者不得不攜帶所有相關裝備。如果微型無人機太重，士兵將丟棄它而帶上必需品例如水、食品、彈藥以及越來越多的現代電子設備所需的電池。該系統還必須後勤簡單：它或者是一次性使用，或者是戰場易於維修。

美國國防預先研究計畫局預想，排、連或旅級部隊單兵能夠使用這種微型無人機進行偵察和監視、戰果評估、瞄準、安置感測器、通信中繼或者探測核、生、化物質。微型無人機要能夠實時成像，執行航時長達20分~2小時的任務，飛行距離達到10千米，速度達到48千米/小時。 該局微型無人機計畫主管官員解釋說："這些微型無人機系統至少小於目前正在飛的無人機系統的十分之一。它們將特別適於挑戰小部隊作戰和市區地形作戰。它們將首次給單兵和海軍陸戰隊員擁有和控制並能夠提供實時態勢和偵察信息的裝備。"

成本價位

微型無人機最初的設計大概應在類似"掌上駕駛員"個人備忘記事本式的手持"地面站"（控制盒）控制下飛行。微型無人機本身將有高度智慧型而最終能夠完全自主飛行。原型機一般造價每架2~5萬美元，但美國國防預先研究計畫局強調經濟上可承受性，預期生產型降到5000美元，希望低到1000美元。

潛在優點

體積小、重量輕的微型無人機演義出很多潛在優點。除了成本低和天生隱身飛行（噪聲以及雷達和視覺特徵方面）以外，微型無人機優點還有完成超常規任務的能力，其中很多與市區軍事行動有關。例如，微型無人機可以停在窗台上觀察房間內或下面街道上發生的事情。

兩類任務

微型無人機的任務主要分為兩大類。第一類是遠距（防區外）探測，一般要求固定翼設計來達到所需的飛行距離。第二類是近距行動，無人機具有高機動性能夠在樹冠下、市內樓房間或建築物內飛行。後者可能最好由旋翼機完成。

預期套用

微型無人機第一種套用大概是作為排級監視/偵察裝備，裝載著能夠晝夜使用的成像感測器。此外，微型無人機可以重新部署到適當有利地點並且像固定無人照管的地面感測器那樣使用。其他可能的任務包括生化劑探測和辨認、通信中繼、懸掛射頻或其他信標、布設小型地雷之類輕型武器。攜帶干擾機的微型無人機能夠足夠近地飛近其目標雷達，儘管有效載荷很小也能起作用。它們也可以裝進彈射座椅，從中彈出給跳傘駕駛員提供偵查信息或發射信號給搜尋和援救部隊。

有些技術不僅能夠使微型無人機飛行，往往還能夠使它們爬行、慢飛、傾轉、跳躍和游泳，變成多棲機器人，從而執行近距行動任務。這些能力在建築物之類狹窄空間內特別有利。這種組合將使多工作狀態機器人越過走廊，在門下溜進，或在通風系統飛過。它們可以配置感測器，並且偷偷摸摸放置致命或非致命的有效載荷。

面臨的挑戰

錯綜複雜的挑戰

微型無人機的設計師們面臨很多挑戰，包括低雷諾數下的空氣動力學、高效推進/能量存儲系統、超輕型感測器和通信鏈路以及導航等，而且它們往往彼此相關和矛盾。

空氣動力學的挑戰

微型無人機小而速度低，飛行更像小鳥和大昆蟲，但對其相關的空氣動力學了解很有限。微型無人機一般在其整個飛行包線範圍內以20000~100000雷諾數（翼剖面尺寸乘以它的前進速度）飛行。在這一範圍內流經機翼的氣流難以建模，更不用說解決了。不穩定氣流對微型無人機的影響相當顯著，可能最終不得不採用鳥類撲翼既產生升力又產生推力同樣的做法。

推進系統的挑戰

微型無人機的小型推進系統將不得不產生高能量和功率密度，也潛伏著雷諾數問題。小於8厘米直徑左右螺旋槳的效率只有大飛機的一半兒。電池將是第一代能源，正在開發燃料電池等下一代，也可能利用機身天線接收地面傳送的微波能量。動力系統一般占微型無人機總重量100克的60%，而耗能卻占90%，因此這一領域的任何進步都可能對微型無人機具有深遠影響。

航空電子的挑戰

微型無人機的航空電子同樣面臨巨大挑戰。微型無人機的導航將需要輕型、低功耗的全球定位系統接收機，加之低漂移率微型陀螺和加速度計。通信挑戰主要在於天線要能夠裝進尺寸小的機體裡，在於支持圖像傳輸所需頻寬（2~4Mbits/s）的可用功率有限。圖像壓縮幫助降低頻寬要求，但是這卻增加了機上處理因而也就是增加對功率的要求。預算功率有限意味著全向信號將相當弱，要求地面天線跟蹤無人機。在市區軍事行動中，視線通信嚴重受限制，因此不得不另闢蹊徑。一種辦法是採用單元分區通信結構。

研製的途徑

強調系統工程

美國國防預研計畫局和承包商從一開始就把微型無人機作為一項系統工程來研製。他們都特彆強調，微型無人機必須從一開始就作為一個完整的系統來設計，並斷言，試圖把可獨立套用的分系統綜合成一個協調一致的整體（即傳統的"添殼"式辦法）將絕對不能工作。

分階段漸進

在研製"微星"微型無人機時，桑德斯公司採用分階段方法，首先使無人機基本布局保持相同，逐漸增加能力，利用這種能力很快研製出新無人機機體。空氣動力學隨時間變化不太大，但大多數其他相關領域發展很快，因此該公司打算隨時採用數字數據鏈路和成像感測器等現有商用設備。這種分階段漸進的辦法，值得借鑑。

以小帶微

研製無人機，微難，小易。因此桑德斯公司採用了一個與"微星"計畫並行的小型無人機計畫，使用不同翼展的 "小星"（MiniSTAR）改型作為一個代用平台來試驗各主要分系統。隨著時間的推移，各個主要分系統相關技術不斷發展和成熟，必然推動小型無人機向微型無人機發展。這種以小帶大的辦法，有一定代表性。

重點投資推進系統

動力系統對微型無人機影響重大和深遠，因此美國國防預研計畫局大部分用於"賦能技術"（使微型無人機"能飛"的技術）的投資都集中於提高推進效率。其中包括：

氫燃料微型矽基渦輪噴氣發動機，由麻省理工學院研製，由矽製成，重量1克，僅有兩個零件，產生10~30瓦推力。其種種挑戰包括設計火焰穩定器和提供空氣軸承，使轉子能在每秒百萬轉速度下旋轉。

"微中子"狄塞爾發動機/半導體薄摸溫差電池，由D-STAR工程公司/布萊克斯堡技術公司研製，發動機功率80瓦，組件直徑2厘米。溫差電池採用先進量子阱技術，附在發動機壁上直接把熱能變為電源，使1立方厘米內燃機廢熱產生20瓦功率。

甚輕固體氧化物燃料電池/微型渦扇，由IGR公司/研製M-DOT公司，甚輕型燃料電池滿足微型無人機電源要求，渦輪風扇發動機的推力為600克。

"往復化學肌肉"（RCM）推進裝置，由喬治亞理工研究院與英國劍橋大學和ETS實驗室合作研製。這種再生推進裝置通過非燃燒反應把化學能直接變為運動，用於驅動喬治亞理工研究院研製的"昆蟲機"撲翼或奔跑足。"往復化學肌肉"推進的昆蟲機見圖2。

微型航空電子

航空電子是機載"神經系統"，同樣是實現微型無人機不可忽視的先進技術，其中包括自動駕駛儀。美國國防預研計畫局1999財年完成重量為50克的自動駕駛儀/制導組件的製造和試驗，它包括慣性導航系統和全球定位系統接收機。Fibersense公司已經研製出微型速率陀螺。桑地亞國家實驗室的"微型導航儀"把陀螺、三軸加速度計、全球定位系統接收機以及相應的電子線路全部封裝在一個矽片上。

喬治亞理工研究院研究基於其集成光學干涉波導感測器的自動導航方案。初創研究工作集中在定向爬行行為上，其他可能方案是游泳穿過下水道。

任務有效載荷

美國一些機構都在投資研究微型無人機感測器的相關技術。加州理工學院的噴氣推進實驗室正在研製小型固態成像感測器。它的超小功率有源像素感測器技術使用現有商用互補金屬氧化物半導體器件製造工藝，使很多不同功能的元件集成在晶片自身上。其優點是系統功耗成百倍降低，成本也節約。

Indigo系統公司研製的"阿爾法"像增強互補金屬氧化物半導體攝像機工作在長波紅外頻段，使用波音公司160×128元非致冷輻射熱探測器焦平面陣列。其初始型可能套用於微型無人機上。

多頻譜解決方案公司正在為研製微型無人機用的超頻寬高度表和障礙物迴避感測器。這種感測器的重量為40克，功耗很小，將能夠分辨小於30厘米的距離。

最近在美國陸軍的小企業革新研究（SBIR）計畫下的申請的項目包括研製無人機用的廉價微型聲學感測器，用於探測和辨認地面

車輛和對其定位。

發射與投放

手持發射型將小到足以裝進諸如高機動多用途輪式車輛和不影響執行任務。封裝容器可考慮密封管，類似裝網球的容器，最大長度75厘米，直徑10厘米。這可能適合翼展為10~50厘米的摺疊翼無人機。

微型無人機發射和回收由單人操作，將不需要專用起飛或著陸場地。1997年微型無人機套用本土瞄準飛彈和機關炮發射平台的專題討論會推薦120毫米為首選發射管組件尺寸，包括用120毫米迫擊炮管等發射。這些投放方法的優點是不暴露偵察員的位置並增加航時。

除了管道發射以外，它們可以"馱背"在空中發射精確制導彈藥上或從常規無人機上投放。微型無人機一旦完成空中任務，可以作為無人看管的地面感測器工繼續作。

典型微型無人機

美國國防預先研究計畫局三大原型微型無人機

美國國防預研計畫局一直在投資製造代表各種途徑並支撐"能飛"技術的原型微型無人機包括 "黑寡婦"和"微星"固定翼無人機以及"科里布里"旋翼無人機。該局注意到攜帶晝夜飛行使用的成像感測器，極適於執行偵察和監視任務，支持市區行動；也關心能飛行5千米距離，更適合越過小山丘進行"隔山"偵察。

黑寡婦

"黑寡婦"（Black Widow）是航空環境公司與加利福尼亞大學和加州理工學院合作研製的飛翼（見圖3）。為滿足飛行器尺寸限制在15厘米的要求，該公司選擇盤形布局，使機翼面積最大。飛翼重50克，頭部裝著螺旋槳，由電動機驅動，電源來自一對鋰電池，後面裝有操縱面。推進系統重110毫克，效率82%，最大速度20米/秒。飛行控制系統（計算機、無線電接收機和3個基於微電機作動器）重量僅2克。"黑寡婦"由肩扛式容器氣動發射，容器內裝有控制板以及使操作員能夠觀察到來自攝像機活錄象的目鏡。"黑寡婦"上的攝像機重2克。該微型無人機的續航時間超過20分，有效距離1千米，預計航時最終可達到1小時。1999年航空環境公司及其"黑寡婦"微型無人機獲得《無人機》雜誌第一個"無人機設計發明獎"，創造了獎牌重於無人機本身的記錄。當時"黑寡婦"重量只有60克，能夠裝進公文包內，打破航時22分飛越距離16千米的記錄。

科里布里

"科里布里"(Kolibri)是 Lutronix公司與奧博恩大學合作研製的垂直起落微型無人機（見圖4）。其續航時間至少30分。可以採用單旋翼和對轉雙旋翼的不同類型。基本型是10厘米直徑，重316克，其中37克重的動力裝置和132克重的燃油占了總重量的一半以上。動力裝置可能採用由D-STAR公司研製的微型狄塞爾發動機。輸出功率35瓦的微型狄塞爾發動機用20克的燃油一般可提供飛行30分鐘的動力，所用燃油僅為常規飛機發動機用油的四分之一。可用有效載荷大約100克。"科里布里"裝有Draper實驗室研製的全球定位系統/加速度計/陀螺組合系統，多頻譜方案公司已研製出超寬頻視頻下行鏈路。

微星

"微星"（MicroSTAR）是桑德斯公司由研製。經論證，"微星"最後選擇更常規的設計（見圖5）。

"微星"設計重量100克，總電功耗15瓦。機身重7克，處理/存儲電子組件重6克，照相機/透鏡總重4克。電動機及其螺旋槳重20克，功耗為9瓦。最大一個配額44.5克分配給了鋰電池。 "微星"典型飛行任務航時20~60分，飛行距離大於5千米（在視距控制下增加一倍），巡航速度一般為56千米/小時，高度為15~90米。"視景"VV5404感測器是要提供質量足以能夠識別一班人大小目標的圖像。它將通過哈里斯公司的PRISM無線電通信鏈路把信息傳送到由兩塊個人計算機卡構成的地面站，它可在任何"奔騰"基處理平台以300MHz或更高時鐘速率工作並採用Windows NT作業系統。這可以是筆記本計算機或者小到"掌上駕駛員"尺寸的終端。正在研製用於代替現用模擬鏈路的數字數據鏈路將把傳送距離從1~2千米擴大到4~5千米，並能夠以200豪瓦功率處理1Mbit/s信息。這足以在處理每秒1幀未壓縮的圖像，在連續兩幀之間85%疊加，加上囊嵌入數據流中的遙測信息。慣性系統提供自主運動穩定性，再加上處理器，大約使有效載荷重量增加了20克。進一步可能的改進升級包括採用互補金屬氧化物半導體成像感測器、差分全球定位系統，重量剛好超過5克，增加到基本推測導航系統。

仿生型撲翼機和昆蟲機

仿生學可以說是航空之母，擬態飛行的"昆蟲機"正是基於仿生學一種微型無人機。它不僅能夠飛行而且能夠爬行，這是大型航空器難以實現的。

微型蝙蝠

"微型蝙蝠"（Microbat）是加州理工學院與航空環境公司合作研製的一種電池為動力的微型撲翼機（見圖6）。其重量僅10克，由微機電系統驅動類似蜻蜓的機翼。電容器一次充電產生的功率能夠已經達到20秒航時，加州理工學院預測最終航時可達3分。"微型蝙蝠"可攜帶微型攝像機及其下行數據鏈路或聲學感測器。加州理工學院根據美國國防預研計畫局的倡議正在研製"微型蝙蝠"微型無人機用的微型機電系統。加州理工學院已經製造出鈦合金骨架蒙以聚合物薄膜構成的機翼，同時還有包括電池、直流支流變流器、減速器和撲動傳動機構在內的輕型動力傳輸系統。

"昆蟲式爬行和飛行機器人"

"昆蟲式爬行和飛行機器人"是范德比爾特大學研製的一次性使用微型無人機。它採用類似手錶中使用的小型鋰電池向壓電致動器提供電功率。這些陶瓷塗層金屬薄片當施加電壓時彎曲，當去掉電壓時就迅速復原，即產生振動。其優點是重量輕，效率超過90%。致動器在機器人的金屬"骨架"和機翼產生振動，使它能夠爬行和飛行。它採用仿生原理，飛翔的昆蟲翅膀一般拍打速度有它腦子可能發出的指令5倍快。一旦這種運動確立，骨架振動就把它維持下去了。

導師

"導師"（Mentor）是SRI國際公司（前斯坦福研究所）與多倫多大學正在合作研製的一種撲翼機（見圖7）。其重量為50克，使用"往復人造肌肉"驅動昆蟲剛性撲翼。它的致動器是由電致伸縮的聚合物製成的。

結論

在當前感測器技術水平下，微型無人機的體能限制了有效載荷因而也就限制了執行任務的能力。近期，微型無人機只能裝載電視攝像機執行近距、低空、短時成像偵查任務。小型無人機（Mini-UAV，Small UAV）雖然比微型無人機大，但是與大多數現用無人機相比仍然很小。小型無人機的特點是：用現有技術水平已能製造，適於單兵攜帶、發射，操作容易，成本低廉，經濟實惠。美國陸軍、海軍、國防預研計畫局以及航空工業界正是看到微型無人機尺寸太小，限制了有效載荷和性能，因而開始搞能夠供單兵用的攜帶型小型監視無人機。例如，美國海軍倡導套用MITE微型無人機引出了美國海軍陸戰隊的"龍眼"（DragonEye）計畫。這恐怕是一種具有代表性的現實研製思想。

綜上所述，微型無人機目前仍處於研製階段，而近期套用有一定局限。由於體能的限制，微型無人機在軍事上也難以有較大作為。反觀小型無人機的技術難度相對較小，也在一定程度上克服了"微型"帶來的缺點，因而更現實、更適用。

（作者：中國航空工業發展研究中心技術所 孫濱生）