美國(guó)軍用微型無(wú)人機(jī)
研制的途徑
強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)工程
美國(guó)國(guó)防預(yù)研計(jì)劃局和承包商從一開(kāi)始就把微型無(wú)人機(jī)作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程來(lái)研制。他們都特別強(qiáng)調(diào)
，微型無(wú)人機(jī)必須從一開(kāi)始就作為一個(gè)完整的系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)，并斷言，試圖把可獨(dú)立應(yīng)用的分系統(tǒng)綜合成
一個(gè)協(xié)調(diào)一致的整體（即傳統(tǒng)的"添殼"式辦法）將絕對(duì)不能工作。
分階段漸進(jìn)
在研制"微星"微型無(wú)人機(jī)時(shí)，桑德斯公司采用分階段方法，首先使無(wú)人機(jī)基本布局保持相同，逐漸
增加能力，利用這種能力很快研制出新無(wú)人機(jī)機(jī)體?？諝鈩?dòng)力學(xué)隨時(shí)間變化不太大，但大多數(shù)其他相關(guān)
領(lǐng)域發(fā)展很快，因此該公司打算隨時(shí)采用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈路和成像傳感器等現(xiàn)有商用設(shè)備。這種分階段漸進(jìn)
的辦法，值得借鑒。
以小帶微
研制無(wú)人機(jī)，微難，小易。因此桑德斯公司采用了一個(gè)與"微星"計(jì)劃并行的小型無(wú)人機(jī)計(jì)劃，使用
不同翼展的 "小星"（MiniSTAR）改型作為一個(gè)代用平臺(tái)來(lái)試驗(yàn)各主要分系統(tǒng)。隨著時(shí)間的推移，各個(gè)主
要分系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展和成熟，必然推動(dòng)小型無(wú)人機(jī)向微型無(wú)人機(jī)發(fā)展。這種以小帶大的辦法，有
一定代表性。
重點(diǎn)投資推進(jìn)系統(tǒng)
動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)微型無(wú)人機(jī)影響重大和深遠(yuǎn)，因此美國(guó)國(guó)防預(yù)研計(jì)劃局大部分用于"賦能技術(shù)"（使微型
無(wú)人機(jī)"能飛"的技術(shù)）的投資都集中于提高推進(jìn)效率。其中包括：
氫燃料微型硅基渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，由麻省理工學(xué)院研制，由硅制成，重量1克，僅有兩個(gè)零件，產(chǎn)生
10~30瓦推力。其種種挑戰(zhàn)包括設(shè)計(jì)火焰穩(wěn)定器和提供空氣軸承，使轉(zhuǎn)子能在每秒百萬(wàn)轉(zhuǎn)速度下旋轉(zhuǎn)。
"微中子"狄塞爾發(fā)動(dòng)機(jī)/半導(dǎo)體薄摸溫差電池，由D-STAR工程公司/布萊克斯堡技術(shù)公司研制，發(fā)動(dòng)
機(jī)功率80瓦，組件直徑2厘米。溫差電池采用先進(jìn)量子阱技術(shù)，附在發(fā)動(dòng)機(jī)壁上直接把熱能變?yōu)殡娫?，?
1立方厘米內(nèi)燃機(jī)廢熱產(chǎn)生20瓦功率。
甚輕固體氧化物燃料電池/微型渦扇，由IGR公司/研制M-DOT公司，甚輕型燃料電池滿(mǎn)足微型無(wú)人機(jī)
電源要求，渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推力為600克。
"往復(fù)化學(xué)肌肉"（RCM）推進(jìn)裝置，由喬治亞理工研究院與英國(guó)劍橋大學(xué)和ETS實(shí)驗(yàn)室合作研制。這
種再生推進(jìn)裝置通過(guò)非燃燒反應(yīng)把化學(xué)能直接變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)，用于驅(qū)動(dòng)喬治亞理工研究院研制的"昆蟲(chóng)機(jī)"撲
翼或奔跑足。"往復(fù)化學(xué)肌肉"推進(jìn)的昆蟲(chóng)機(jī)見(jiàn)圖2。
微型航空電子
航空電子是機(jī)載"神經(jīng)系統(tǒng)"，同樣是實(shí)現(xiàn)微型無(wú)人機(jī)不可忽視的先進(jìn)技術(shù)，其中包括自動(dòng)駕駛儀。
美國(guó)國(guó)防預(yù)研計(jì)劃局1999財(cái)年完成重量為50克的自動(dòng)駕駛儀/制導(dǎo)組件的制造和試驗(yàn)，它包括慣性導(dǎo)航系
統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)接收機(jī)。Fibersense公司已經(jīng)研制出微型速率陀螺。桑地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的"微型導(dǎo)航儀
"把陀螺、三軸加速度計(jì)、全球定位系統(tǒng)接收機(jī)以及相應(yīng)的電子線(xiàn)路全部封裝在一個(gè)硅片上。
喬治亞理工研究院研究基于其集成光學(xué)干涉波導(dǎo)傳感器的自動(dòng)導(dǎo)航方案。初創(chuàng)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(guò)下水道。
任務(wù)有效載荷
美國(guó)一些機(jī)構(gòu)都在投資研究微型無(wú)人機(jī)傳感器的相關(guān)技術(shù)。加州理工學(xué)院的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室正在研
制小型固態(tài)成像傳感器。它的超小功率有源像素傳感器技術(shù)使用現(xiàn)有商用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體器件制
造工藝，使很多不同功能的元件集成在芯片自身上。其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)功耗成百倍降低，成本也節(jié)約。
Indigo系統(tǒng)公司研制的"阿爾法"像增強(qiáng)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體攝像機(jī)工作在長(zhǎng)波紅外頻段，使用波
音公司160×128元非致冷輻射熱探測(cè)器焦平面陣列。其初始型可能應(yīng)用于微型無(wú)人機(jī)上。
多頻譜解決方案公司正在為研制微型無(wú)人機(jī)用的超帶寬高度表和障礙物回避傳感器。這種傳感器的
重量為40克，功耗很小，將能夠分辨小于30厘米的距離。
最近在美國(guó)陸軍的小企業(yè)革新研究（SBIR）計(jì)劃下的申請(qǐng)的項(xiàng)目包括研制無(wú)人機(jī)用的廉價(jià)微型聲學(xué)
傳感器，用于探測(cè)和辨認(rèn)地面車(chē)輛和對(duì)其定位。
發(fā)射與投放
手持發(fā)射型將小到足以裝進(jìn)諸如高機(jī)動(dòng)多用途輪式車(chē)輛和不影響執(zhí)行任務(wù)。封裝容器可考慮密封管
，類(lèi)似裝網(wǎng)球的容器，最大長(zhǎng)度75厘米，直徑10厘米。這可能適合翼展為10~50厘米的折疊翼無(wú)人機(jī)。
微型無(wú)人機(jī)發(fā)射和回收由單人操作，將不需要專(zhuān)用起飛或著陸場(chǎng)地。1997年微型無(wú)人機(jī)應(yīng)用本土瞄
準(zhǔn)導(dǎo)彈和機(jī)關(guān)炮發(fā)射平臺(tái)的專(zhuān)題討論會(huì)推薦120毫米為首選發(fā)射管組件尺寸，包括用120毫米迫擊炮管等
發(fā)射。這些投放方法的優(yōu)點(diǎn)是不暴露偵察員的位置并增加航時(shí)。
除了管道發(fā)射以外，它們可以"馱背"在空中發(fā)射精確制導(dǎo)彈藥上或從常規(guī)無(wú)人機(jī)上投放。微型無(wú)人
機(jī)一旦完成空中任務(wù)，可以作為無(wú)人看管的地面?zhèn)鞲衅鞴だ^續(xù)作。
典型微型無(wú)人機(jī)
美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局三大原型微型無(wú)人機(jī)
美國(guó)國(guó)防預(yù)研計(jì)劃局一直在投資制造代表各種途徑并支撐"能飛"技術(shù)的原型微型無(wú)人機(jī)包括 "黑寡
婦"和"微星"固定翼無(wú)人機(jī)以及"科里布里"旋翼無(wú)人機(jī)。該局注意到攜帶晝夜飛行使用的成像傳感器，極
適于執(zhí)行偵察和監(jiān)視任務(wù)，支持市區(qū)行動(dòng)；也關(guān)心能飛行5千米距離，更適合越過(guò)小山丘進(jìn)行"隔山"偵察
。
"黑寡婦"
"黑寡婦"（Black Widow）是航空環(huán)境公司與加里福尼亞大學(xué)和加州理工學(xué)院合作研制的飛翼（見(jiàn)
圖3）。為滿(mǎn)足飛行器尺寸限制在15厘米的要求，該公司選擇盤(pán)形布局，使機(jī)翼面積最大。飛翼重50克，
頭部裝著螺旋槳，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電源來(lái)自一對(duì)鋰電池，后面裝有操縱面。推進(jìn)系統(tǒng)重110毫克，效率
82%，最大速度20米/秒。飛行控制系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)、無(wú)線(xiàn)電接收機(jī)和3個(gè)基于微電機(jī)作動(dòng)器）重量?jī)H2克。"
黑寡婦"由肩扛式容器氣動(dòng)發(fā)射，容器內(nèi)裝有控制板以及使操作員能夠觀(guān)察到來(lái)自攝像機(jī)活錄象的目鏡。
"黑寡婦"上的攝像機(jī)重2克。該微型無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間超過(guò)20分，有效距離1千米，預(yù)計(jì)航時(shí)最終可達(dá)到1
小時(shí)。1999年航空環(huán)境公司及其"黑寡婦"微型無(wú)人機(jī)獲得《無(wú)人機(jī)》雜志第一個(gè)"無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)發(fā)明獎(jiǎng)"，
創(chuàng)造了獎(jiǎng)牌重于無(wú)人機(jī)本身的記錄。當(dāng)時(shí)"黑寡婦"重量只有60克，能夠裝進(jìn)公文包內(nèi)，打破航時(shí)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(xué)合作研制的垂直起落微型無(wú)人機(jī)（見(jiàn)圖4）。
其續(xù)航時(shí)間至少30分?？梢圆捎脝涡砗蛯?duì)轉(zhuǎn)雙旋翼的不同類(lèi)型?；拘褪?0厘米直徑，重316克，其中
37克重的動(dòng)力裝置和132克重的燃油占了總重量的一半以上。動(dòng)力裝置可能采用由D-STAR公司研制的微型
狄塞爾發(fā)動(dòng)機(jī)。輸出功率35瓦的微型狄塞爾發(fā)動(dòng)機(jī)用20克的燃油一般可提供飛行30分鐘的動(dòng)力，所用燃
油僅為常規(guī)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)驗(yàn)室研制的
全球定位系統(tǒng)/加速度計(jì)/陀螺組合系統(tǒng)，多頻譜方案公司已研制出超寬帶視頻下行鏈路。
"微星"
"微星"（MicroSTAR）是桑德斯公司由研制。經(jīng)論證，"微星"最后選擇更常規(guī)的設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖5）。
"微星"設(shè)計(jì)重量100克，總電功耗15瓦。機(jī)身重7克，處理/存儲(chǔ)電子組件重6克，照相機(jī)/透鏡總重4
克。電動(dòng)機(jī)及其螺旋槳重20克，功耗為9瓦。最大一個(gè)配額44.5克分配給了鋰電池。 "微星"典型飛行任
務(wù)航時(shí)20~60分，飛行距離大于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(shí)，高度為
15~90米。"視景"VV5404傳感器是要提供質(zhì)量足以能夠識(shí)別一班人大小目標(biāo)的圖像。它將通過(guò)哈里斯公司
的PRISM無(wú)線(xiàn)電通信鏈路把信息傳送到由兩塊個(gè)人計(jì)算機(jī)卡構(gòu)成的地面站，它可在任何"奔騰"基處理平臺(tái)
以300MHz或更高時(shí)鐘速率工作并采用Windows NT操作系統(tǒng)。這可以是筆記本計(jì)算機(jī)或者小到"掌上駕駛員
"尺寸的終端。正在研制用于代替現(xiàn)用模擬鏈路的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈路將把傳送距離從1~2千米擴(kuò)大到4~5千米，
并能夠以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(xù)兩幀之間85%疊加
，加上囊嵌入數(shù)據(jù)流中的遙測(cè)信息。慣性系統(tǒng)提供自主運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，再加上處理器，大約使有效載荷重
量增加了20克。進(jìn)一步可能的改進(jìn)升級(jí)包括采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體成像傳感器、差分全球定位系統(tǒng)
，重量剛好超過(guò)5克，增加到基本推測(cè)導(dǎo)航系統(tǒng)。
仿生型撲翼機(jī)和昆蟲(chóng)機(jī)
仿生學(xué)可以說(shuō)是航空之母，擬態(tài)飛行的"昆蟲(chóng)機(jī)"正是基于仿生學(xué)一種微型無(wú)人機(jī)。它不僅能夠飛行
而且能夠爬行，這是大型航空器難以實(shí)現(xiàn)的。
"微型蝙蝠"
"微型蝙蝠"（Microbat）是加州理工學(xué)院與航空環(huán)境公司合作研制的一種電池為動(dòng)力的微型撲翼機(jī)
（見(jiàn)圖6）。其重量?jī)H10克，由微機(jī)電系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)類(lèi)似蜻蜓的機(jī)翼。電容器一次充電產(chǎn)生的功率能夠已經(jīng)達(dá)
到20秒航時(shí)，加州理工學(xué)院預(yù)測(cè)最終航時(shí)可達(dá)3分。"微型蝙蝠"可攜帶微型攝像機(jī)及其下行數(shù)據(jù)鏈路或聲
學(xué)傳感器。加州理工學(xué)院根據(jù)美國(guó)國(guó)防預(yù)研計(jì)劃局的倡議正在研制"微型蝙蝠"微型無(wú)人機(jī)用的微型機(jī)電
系統(tǒng)。加州理工學(xué)院已經(jīng)制造出鈦合金骨架蒙以聚合物薄膜構(gòu)成的機(jī)翼，同時(shí)還有包括電池、直流支流
變流器、減速器和撲動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在內(nèi)的輕型動(dòng)力傳輸系統(tǒng)。
"昆蟲(chóng)式爬行和飛行機(jī)器人"
"昆蟲(chóng)式爬行和飛行機(jī)器人"是范德比爾特大學(xué)研制的一次性使用微型無(wú)人機(jī)。它采用類(lèi)似手表中使
用的小型鋰電池向壓電致動(dòng)器提供電功率。這些陶瓷涂層金屬薄片當(dāng)施加電壓時(shí)彎曲，當(dāng)去掉電壓時(shí)就
迅速?gòu)?fù)原，即產(chǎn)生振動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)是重量輕，效率超過(guò)90%。致動(dòng)器在機(jī)器人的金屬"骨架"和機(jī)翼產(chǎn)生振動(dòng)
，使它能夠爬行和飛行。它采用仿生原理，飛翔的昆蟲(chóng)翅膀一般拍打速度有它腦子可能發(fā)出的指令5倍快
。一旦這種運(yùn)動(dòng)確立，骨架振動(dòng)就把它維持下去了。
"導(dǎo)師"
"導(dǎo)師"（Mentor）是SRI國(guó)際公司（前斯坦福研究所）與多倫多大學(xué)正在合作研制的一種撲翼機(jī)（
見(jiàn)圖7）。其重量為50克，使用"往復(fù)人造肌肉"驅(qū)動(dòng)昆蟲(chóng)剛性撲翼。它的致動(dòng)器是由電致伸縮的聚合物制
成的。
結(jié)論
在當(dāng)前傳感器技術(shù)水平下，微型無(wú)人機(jī)的體能限制了有效載荷因而也就限制了執(zhí)行任務(wù)的能力。近
期，微型無(wú)人機(jī)只能裝載電視攝像機(jī)執(zhí)行近距、低空、短時(shí)成像偵查任務(wù)。小型無(wú)人機(jī)（Mini-UAV，
Small UAV）雖然比微型無(wú)人機(jī)大，但是與大多數(shù)現(xiàn)用無(wú)人機(jī)相比仍然很小。小型無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)是：用現(xiàn)
有技術(shù)水平已能制造，適于單兵攜帶、發(fā)射，操作容易，成本低廉，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。美國(guó)陸軍、海軍、國(guó)防
預(yù)研計(jì)劃局以及航空工業(yè)界正是看到微型無(wú)人機(jī)尺寸太小，限制了有效載荷和性能，因而開(kāi)始搞能夠供
單兵用的便攜式小型監(jiān)視無(wú)人機(jī)。例如，美國(guó)海軍倡導(dǎo)應(yīng)用MITE微型無(wú)人機(jī)引出了美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的"龍
眼"（DragonEye）計(jì)劃。這恐怕是一種具有代表性的現(xiàn)實(shí)研制思想。
綜上所述，微型無(wú)人機(jī)目前仍處于研制階段，而近期應(yīng)用有一定局限。由于體能的限制，微型無(wú)人
機(jī)在軍事上也難以有較大作為。反觀(guān)小型無(wú)人機(jī)的技術(shù)難度相對(duì)較小，也在一定程度上克服了"微型"帶
來(lái)的缺點(diǎn)，因而更現(xiàn)實(shí)、更適用。
