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U.S.军用微型无人驾驶飞机,微型无人驾驶飞机军事应用

2020-05-02 15:30栏目:帮助中心
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NAL飞行力学和控制部负责人,资深科学家Shyam Chetty告诉《航空周刊》,MAV发展将采取两个方向的战略。他表示:“首先,我们需要利用额外的处理能力、内存和适应特殊特征和功能的接口升级现有工业标准的自动驾驶仪设计体系结构。然后我们需要研制当前水平的模块化开放体系结构自动驾驶仪,主要利用数字信号处理和现场可编程门阵列以及弹性接口。”NAL将启动微型无人机国家项目,该项目资金额度为10亿卢比,来源是国防研究和发展组织和科学技术部。这一雄心勃勃的项目将包括82个不同的课题,其中一部分来自NAL。当谈及研制MAV自动驾驶仪的挑战时,Shyam表示该气动模型开发和评估阶段需要一个低雷诺数空气动力学和非传统布局。

Military Application and Development and Key Technologies of MAV海军航空工程学院曲东才摘要:对微型无人机的定义、主要军事用途、最新研究进展进行了简要介绍,分析了研制微型无人机的主要关键技术。关键词:微型无人机关键技术军事应用二战至今所发生的历次战争大都有无人机的参入并取得相应战果,尤其在20世纪80年代后爆发的几次典型的、较大规模的高技术局部战争中,都使用了大量各种型号的无人机来完成战场侦察、监视、诱惑、骚扰、目标搜索和定位、火力与战果评估、反辐射、攻击等各种作战使命,并取得令人瞩目的战果。目前研制的这些无人机系统大都由无人飞行器、地面控制站和发射器组成,在地面指挥小组的控制下来完成作战使命,主要定位在排~师级作战部队使用。研究表明,21世纪的军事斗争具有多样化形式,在非常规作战环境下,由排、班一级的小分队直至单个士兵来执行作战任务的几率增加,因此,对可由排、班直至单个士兵使用的微型无人机系统提出了作战需求。与传统大型无人机相比,MAV具有自身独特优势及军事应用价值。因此,在未来战场上,传统大型无人机和MAV可同时存在,协同作战,作用互补。一、有关MAV的基本定义及军事应用分析随着20世纪80年代末纳米技术的研究以及各种先进的微型制造技术、微电机系统、微电子和先进的一体化技术的飞速发展,为研制MAV奠定了一定的技术基础,出现了"纳米"或"微纳米"的新型武器。在这些武器中,发展最快、应用最多的是纳米或微纳米飞行器,这将使单兵使用无人机系统成为可能。为了使人们能更直观地了解纳米飞行器的功能和发展,一些专家把10cm左右的飞行器笼统地称为纳米飞行器。美国通过对MAV所需的特殊空气动力要求以及技术可行性研究后,一般把MAV的有关参数定义为:长、宽、高在15cm以下,重量在10~500g,最佳使用高度在45~60m,最高可达150m,飞行速度在10~20m/s,最大航程10km左右,最大续航时间在2h以上。有人把翼展或机体直径不超过60cm的无人机也归为MAV之列。由于MAV可局部部署,通过小范围侦察,可向单兵或小规模战斗部队提供所需要的信息,因此,可使部队在侦察过程中的伤亡率大大减小,同时大幅提高作战效率。MAV的主要军事价值可归纳为如下几点。1.在复杂城市环境中作战由于MAV体积小、速度慢、机动灵活,可以由分散单兵、班、排一级的小分队操作控制,因此,非常适合在建筑物林立众多、地面极其复杂的城市环境中作战,除此之外的其他大型飞行器就难以在这样的复杂环境中完成相应作战任务。2.低空侦察和通讯MAV携带成像传感器可进行全天候监视侦察,甚至可飞到大型建筑物周围、敌方窗台上进行秘密侦察,探测建筑物内部目标活动情况,窃听对方情报;当在大部队难以进入的偏远山区作战时,可用MAV完成侦察、监视和通信任务,并可将侦察信息实时传送回来。3.实施高效电子干扰和对地攻击MAV发出的干扰信号虽然很小,但它可以飞到离敌人雷达很近的区域,实施高效干扰,如果增加MAV数量,其干扰效果则更佳;MAV可携带高能炸药,被遥控定点飞行到敌方雷达或通讯中枢释放,则可发起有效攻击,取得事半功倍的作战效果。4.对生化武器进行探测、识别生化武器的危害尽人皆知,在对这类武器进行识别和探测时,需要极其小心谨慎,但也难免造成沾染甚至不必要的伤亡,而MAV可以"毫无顾忌"地飞入这类目标进行探测,不存在人员伤亡、沾染等问题。5.协助跳伞求生飞行员逃生MAV配置在大型作战飞机弹射座椅上,飞行员跳伞求生时,MAV可以协助飞行员侦察敌情、向己方营救部队发送求救信号,帮助飞行员逃生等。此外,还可用于通信中继、环境研究、对自然灾害监视和救援、边境巡逻与控制、毒品禁运、农业勘测等民用的诸多方面。二、MAV的研究进展最早研制MAV并取得一定进展的国家主要是美国,英、法、德、以色列、瑞典和加拿大等国对MAV也很感兴趣。在1995年之前,美国的一些大学、工业研究所对MAV进行了开创性初始研究,之后,美国国防部预研局组建了MAV可行性研究小组,1996年正式成立了由用户和研究人员共同组成的联合小组,1997年制定了为期4年的研制和验证计划,1998年美国国防部预研局拨专款3500万美元进行MAV的开发研制,计划研制翼展为15cm 左右、航程5~10km、配有自动驾驶系统和电视摄像机并能昼夜传送高质量地面图像,能够执行军用任务的MAV。目前,美国洛克希德和航空环境等公司已开发研制出多种型号的MAV,一部分已进入飞行试验阶段。此外,有关公司还对直升翼和扑翼型MAV开展研究。表1列出了几种进入飞行试验阶段的MAV。美国在研究MAV如何飞行的同时,对其机载设备,如微型惯导系统、微型GPS 系统、微型飞控系统、微型动力装置等多种系统也进行了同步研究。其中MAV发动机目前已研究了多种型号:氢燃料微型涡喷发动机,它由硅制作,动力装置重1g,可产生10~30W推力;柴油发动机,只有2cm长,可产生80W推力;轻型热电发动机,直接把热能转化为电能,可从1cm3内燃机的废热中产生20W电能。美国海军、海军陆战队和陆军有关部门对MAV也进行了研究。美国海军在2001年展示的MAV主要用于近距雷达干扰和支援陆战小分队作战行动,其长15cm,一次飞行20~30min;海军的备选机型还有双发MAV,其发动机外型像铅笔,包括控制器和所有齿轮装置的发动机全重仅为6g,当效率为80%时,发动机输出功率为2W,在旋转速度为5000rpm时,最大连续输出功率可达4W。除此之外,海军与美国国防部预研局共同制定了研制微型机械飞行昆虫项目,这是一种遥控型且可空中稳定悬停的MAV,主要用于远距离武器投放。美国海军陆战队与桑德斯公司合作研制了翼展48cm、重200g左右、配有完整传感器的MAV,并已试飞。预计在2005年投入使用。美国陆军与有关公司正在发展手射型和管射型MAV,手射型MAV在不影响载体作战的同时可从轻型卡车、布雷德利战车等载体上发射;管射型MAV可用120/155mm火炮、火箭发射,射程可达50km左右,该种MAV可重复使用,空中飞行时间可达1h,配有全天候图像传感器,可发回高质量图像,价格为4000~8000美元/架。目前MAV的研制工作主要集中在如何飞行上,而且同样的技术可用在飞行器爬行、走动、滚动、跳跃和游泳等,如果MAV拥有这些能力,就可执行多种特殊任务,如悄悄溜进他人门内或通风系统等,然后秘密部署传感器或放置致命的或非致命的炸弹等武器。三、MAV关键技术简析MAV是一个全新的研究课题,许多在有人飞行器或大型无人机上成熟的通用关键技术在MAV领域不再适用,对MAV的研制和发展,将面临着许多关键技术的进一步研究、论证和实验。1.低雷诺数空气动力学、全三维空气动力学因为MAV有尺寸微小、飞行速度低等特点,因此现行常规飞机的翼型设计技术在MAV上难以产生足够的升力。如维持100g的MAV的正常飞行需要有8~9的升力系数,但是采用现有的翼型设计技术,当MAV以40m/s飞行时,其升力系数只有1.0~1.5。因此,要使MAV正常飞行,必须深入研究和解决低雷诺数空气动力学问题。MAV整个飞行包线都处在20000~100000的低雷诺数范围内,此时机翼上的气流具有难以模拟的效应,如由层流分离引起的迟滞失速等问题,而在MAV低速飞行时层流起主导作用,它能产生想象不到的相当大的力和力矩,因此,不能采用传统的对二维机翼的分析方法,而必须采用全三维空气动力学分析方法。但对飞行器采用全三维分析缺少可用数据,将遇到很大困难。2.机载设备微型化技术由于MAV体积很小,其上的各种机载系统如微型光电传感器、通信链路、导航等系统比传统飞机机载系统要大幅度减小,这将给这些系统的设计和研制带来很多实际困难,同时这些系统涉及到的许多技术之间有很强的关联性,因此,要对系统开发综合考虑,这更增加了研制难度。例如,许多需要选用的探测器孔径尺寸是根据某些物理定律决定的,同时它所达到的能量密度又与它的电源体积有关,因此,必须通盘考虑探测器和电源的研制,亦可研制多功能系统,如可以让天线同时兼作配平安定面,支架充当多种任务角色等。3.微机电技术微机电系统是微电路和微机械按功能要求在芯片上集成的一个独立的智能系统,主要包括传感器、制动器、电源、信号处理和控制电路等系统,其尺寸为μm ~ nm级,整个系统体积为1mm3或更小,并且要具有响应快、低能耗、可靠性高、易于更换、制造成本低、机械特性及电气特性好等特点,这将给研制系统带来很大难度。4.微型推进技术微型动力装置是MAV性能好坏的关键因素之一,该系统的研制难度更大。目前采用的技术方案包括蓄电池、锂电池的电动机,微型柴油发动机等,为进一步提高微型驱动设备的效率,美国麻省理工学院正在实验室环境下开发微型涡轮喷气发动机,据称,该类微型装置可采用生产计算机芯片相同的技术和设备,实现批生产,其尺寸可缩小到米粒大小,前景非常可观。5.一体化技术对于MAV来说,更需要将诸如动力装置和机体结构等系统进行一体化设计,但是采用常规的硬件一体化技术对MAV来说难以奏效,必须另辟蹊径。目前飞速发展的微电子、微电机技术为其发展奠定了技术基础。6.飞行控制技术对于低速飞行的MAV,如何有效地控制其在阵风以及紊流的气象条件下正常飞行,并完成作战任务是很困难的。因为在常规飞机上采用的可操纵翼面和小型作动器技术套用在MAV上根本行不通,必须研究其他可行技术来实现对MAV的飞行控制。目前正研究采用环量控制技术来控制MAV的飞行,该技术的工作原理是让吹过圆形机翼后缘表面的一层高速空气吸附在其表面上,使驻点后移,从而在减小阻力的同时增加环量和升力。环量控制技术曾在20世纪70年代末的A-6飞机上进行过增升飞行试验,可使飞机在没有可操纵翼面的情况下,升力系数达到5.5以上,如有较小的可操纵襟翼,可使升力系数达到8~9。该技术不仅可提高升力,还能实现空气动力控制。实验表明,采用环量控制技术实现MAV的飞行控制是可行的,但还有许多技术问题需要深入研究。

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"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"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里福尼亚大学和加州理工学院合作研制的飞翼。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"是 Lutronix公司与奥博恩大学合作研制的垂直起落微型无人机。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。 "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"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。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"是SRI国际公司与多伦多大学正在合作研制的一种扑翼机。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。(作者:中国航空工业发展研究中心技术所 孙滨生)

他称:“关键是设计弹性轻质的机体,具备较低的翼载荷和鲁棒对抗不确定环境的扰动能力。它应该配置少量机载低性能传感器和处理器硬件。”关于DSP-FPGA体系结构,他表示航电传感器套件将包括GPS、陀螺仪、加速度计、压力传感器和视觉与防撞系统,上述系统将通过嵌入式微机电系统和嵌入式处理技术实现,并综合至一个制导、导航和飞行控制装置。他表示:“我们需要…一个体系结构可能支持更多先进的功能,包括自动决策、障碍规避、目标捕获、目标跟踪和人工视觉。与基础轨迹生成装置耦合的基础飞行控制装置和导航系统将能够实现自动起飞、着陆和攻击性机动。除了控制飞行器之外,设想中的系统还将支持载荷控制、图像处理、通信接口和其他高等级算法。”NAL希望在今年启动该项目,第二阶段将与第一阶段同时进行。

印度国家航空实验室是科学和工业研究委员会下属的重要机构,该实验室准备开始一项为期5年的微型无人机研制计划。

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