微型无人机的现状与发展趋势

微型无人机的现状与发展趋势

1、微型无人机的来由

微型无人机(MA V)是指尺寸只有手掌大小(约15 cm)的飞行器。它将作为士兵可携带的一种战场侦察设备,其潜在的作用包括空中监视、生物战剂探测、目标识别、通信中继,它甚至能探测到大型建筑物和大型设施的内部情况,因此,为士兵增添了“空中之眼”。

微型无人机是在1992年提出来的,在美国兰德公司和国防高级研究计划局(DARPA)举办了一个关于未来军事技术的研讨会,资深科学家奥根斯坦主持了有关微型无人机的讨论。会后,兰德公司对微型机的原理进行了研究,认为带有微小传感器的极小的侦察机是可以实现的,可以说,兰德公司是最早提出研制微型无人机主张的。鉴于微型传感器和微机电系统正在日趋成熟,专家们提出了3年内可以实现的微型无人机的主要参数,它们是:长6~20cm,质量10~100 g,负载1~18g,在30~60 km/h的巡航速度下,续航时间为20~60 min,最大航程为1~10 km。

20世纪90年代以来,微型无人机引起了各国的关注。它的迅速发展和大量使用,将对未来信息化战场的军事行动产生重大影响。美国已将无人飞行器列为五大空中威胁平台中最具破坏力的空中威胁之一,而且无人飞行器将对作战全过程构成威胁,在未来的信息化战场上发挥更重要的作用。

2微型无人机的现状

2.1微型无人机目前情况

与常规飞行器相比,人们对微型无人机的空气动力学机理知之甚少,0.076 m 以下的飞行器的空气动力学特性对人们来说还是个谜。美国是对微型无人机领域进行研究的最早的国家,并已取得了重大成果,其所研制的MicroStar固定翼微型无人机已经在阿富汗战争中试用。美国加利福尼亚理工学院微机械加工实验室在2000年研制了一个基于MEMS的微电机驱动、电池供电、质量仅约10 g左右的扑翼微型无人机,由于微型电池动力有限,最多仅持续飞行了18 s。美国最新研制的扑翼微型无人机已经能够在微型无线电控制器的遥控下飞行约6min,这是目前公开报道的、有技术细节的、可以持续飞行且飞行时间最长的扑翼微型无人机。美国通用原子航空系统公司宣布,曾经参加过作战行动的RQ-1“捕食者”无人驾驶飞机(UA V)最近在飞行中成功地发射了一架微型无人机,这是历史上第1次飞行中的无人机自携带并发射另一架微型无人机。

我国也对微型无人机展开了系统的研究,航天科技集团公司北京空气动力研究所研制的微型无人机目前已经进入了自主飞行样机研制试验阶段。它的动力装

置为卫星活塞式发动机,具有微型电视摄像机、数据传输设备、电子干扰装置及特种装备等机载设备,由微型陀螺、微处理芯片机、微型GPS、舵机对它进行制导与控制。它的翼展为220~600mm;最大起飞质量0.12~1.5 kg;性能数据:最大平飞速度>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,最大续航时间10~30 min。

2.2存在的困难

要想研制出如此小的无人机,有许多极其重要的工程问题需要解决,存在许多困难。发动

机是关键问题,它必须在极小的体积内产生足够的能量,并把它转换为推力。微型无人机的动力可以有好多种,如火箭、脉冲式喷气发动机、转子发动机及内燃机等,内燃发动机具有良好的前景。微型内燃发动机的热效率可能只有5%左右,功率密度一般为1 W/g,发动机使用高能燃料。到目前为止,尚未制成真正可用的内燃发动机,而且还必须克服噪声和可靠性问题。电动装置也是很有前途的。微型无人机的电动机可以利用电化学电池、燃料电池、微型涡轮发电机、热光电发电机、太阳能电池或电子束能量系统作为能源。前三者被认为是最适用的,但目前还没有被应用。

由于尺寸小速度低,微型机要比普通飞机在较低的雷诺数下飞行。这时空气的粘滞力很大,与大飞机相比,微型机按比例所受的阻力更大。研究高效的气动外形成为研究微型无人机的重要核心内容。通常情况下,这方面研究还缺乏有效的理论和实践,“仿生”仍是最有效的捷径方法。并且,微型无人机螺旋桨的效率有限。在飞机长15 cm时,螺旋

桨还可以有效地工作,但7.6 cm是它的下限,在这以下,就需要采用扑翼技术,这种技术还需要许多基础研究工作。

微型无人机必须实现垂直起降、悬停和爬行等特殊飞行要求,单靠已有的发动机装置和配置结构都难于实现这一目标,怎样控制微型无人机飞行是一个难点,至少要有一个飞行控制系统来控制它,并可执行控制人员的机动命令。一旦飞到空中,微型无人机需要保持它与控制人员的通信联系,由于体积的限制,目前微型无人机只能采用微波通信方式,尽管微波可以传播大量的数据,但它不能穿透墙壁,因而只能在视距内使用。当飞机飞出视线或视线以下时,可以利用全球定位系统(GPS)来确定它的位置,但目前最小的GPS装置的功率至少需要0.5W,天线质量达20~40 g,并且天线尺寸又大,因而目前无法采用,需要进一步的改进。

要想在战场上实际应用,微型无人机还需要携带各种侦察传感器,如电视摄像机、红外、音响及生化探测器等。这些都必须是超轻质量的微型传感器,因而部件小型化是传感器技术发展的关键问题。

3微型无人机的发展趋势

3.1各国微型无人机的计划

美国海军计划到2005年底研制出一种将有昼/夜视频成像能力的微型无人机,它还可以飞越小山执行侦察任务,并且携带有非杀伤性压制敌防空的有效载荷,这种有效载荷目前正在研制之中。而美国国防部高级研究计划局计划的微型无人机可执行较多的任务,其中包括在条件受约束的地区隐身成像、生化战剂探测和特性鉴定、布放遥控精密地雷、增强战场通信等。

目前,法国将对微型无人机领域进行开发,他们对翼展为20 cm的微型无人机概念进行研究。从2000年底开始,法国武器装备部将可放在步兵背包中的无人侦察机进行招标。其战技指标为:固定翼飞行器,机长为30~40 cm,安装简便快捷,装备光学传感器。从2005年开始,它将在狭窄空间内进行巡逻,即可在城市街道上空机动飞行,但不会进入房间。室内观测任务将留给直接采取昆虫飞行方式的微型扑翼无人机,这种无尾翼构型独特的无人机能平稳寂静地在室内进行机动飞行,并能悬停。总之,这种微型无人机的研制要求在设备的小型化、推进技术和包括昆虫飞行方面的技术作出巨大努力。如果研制进展顺利,预计到2010年底该机可投入使用。

我国目前也在开展对扑翼微型无人机的研究,主要研究其流动机理与空气动力学特性、扑翼传动机构的设计以及微动力与能源系统的实现。

3.2微型无人机关键技术研究

虽然国内外对微型无人机的研究取得了一定成果,并且有些国家已经有微型无人机问世了。但是微型无人机距离实用化仍有一定的差距,还需要进行系统的、深入的研究。

3.2.1流动机理与空气动力学研究

目前,低雷诺数下飞行时空气粘滞力很大,研究高效的气动外形成为研究微型无人机的重要核心内容。特别是微型扑翼,它同时产生升力和推力,其空气动力学机理与固定翼相比更为复杂。但这些问题又是微型无人机的基础与条件,因此,需要开展该方面的攻关研究,主要研究内容有:

a)研究能描述微型无人机气动力性质的数学模型和求解方法;

b)用数值模拟方法研究低雷诺数下翼型(特别是扑翼)的气动力特点;

c)用实验手段研究低雷诺数下翼型(特别是扑翼)的流动机理与气动特性

3.2.2微动力、能源系统研究

研制微型无人机首先要解决的障碍就是动力和能源问题。适用于微型无人机