微型無(wú)人機(jī)應(yīng)用及其發(fā)展

張圣君

摘 要 隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以及現(xiàn)今各國(guó)在不同方面的應(yīng)用需求，微型無(wú)人機(jī)正逐步快速發(fā)展起來(lái)。本文基于當(dāng)今世界微型無(wú)人機(jī)的應(yīng)用以及發(fā)展的現(xiàn)狀，進(jìn)行研究和分析。

【關(guān)鍵詞】微型無(wú)人機(jī) 應(yīng)用與發(fā)展

1 前言

微型無(wú)人機(jī)有著體積微小、質(zhì)量較輕等優(yōu)點(diǎn)，在軍事領(lǐng)域和民間都具有十分廣闊的發(fā)展前景，這種無(wú)人機(jī)憑借其微型的機(jī)身，有著一般飛行器難以企及的隱蔽性、靈活性和便攜性。并且在某些領(lǐng)域，微型無(wú)人機(jī)一旦投入實(shí)際應(yīng)用，往往有著非同一般的作用。微型無(wú)人機(jī)誘人的應(yīng)用前景，使其逐漸正成為世界上熱門(mén)的高新技術(shù)之一。

2 微型無(wú)人機(jī)的應(yīng)用

2.1 微型無(wú)人機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

微型無(wú)人機(jī)（WAV），顧名思義，“微型”二字，很好地闡釋了這種無(wú)人機(jī)的尺寸，一般微型無(wú)人機(jī)只有手掌大小，但也有特殊類(lèi)型的微型無(wú)人機(jī)只有拇指大小甚至是更小。現(xiàn)如今，微型無(wú)人機(jī)主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。微型無(wú)人機(jī)最早由美國(guó)蘭德公司和國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局于1992年舉辦的一場(chǎng)未來(lái)軍事技術(shù)的研討會(huì)上提出。由此可以看出，微型無(wú)人機(jī)在被提出之初，就被預(yù)算著要運(yùn)用于軍事領(lǐng)域。軍事領(lǐng)域微型無(wú)人機(jī)應(yīng)用，截止到目前為止可謂是最為廣泛，發(fā)展時(shí)間最長(zhǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域。軍用方面，微型無(wú)人機(jī)不但可以在野外作戰(zhàn)的復(fù)雜地形情況下進(jìn)行偵察及監(jiān)視，還可以用作通信中繼、檢測(cè)核污染或進(jìn)行特殊環(huán)境下的檢測(cè)、偵察建筑物內(nèi)部情況、監(jiān)視、監(jiān)聽(tīng)、解救人質(zhì)以及反恐怖行動(dòng)等。軍用微型無(wú)人機(jī)憑借其先進(jìn)的飛控系統(tǒng)平臺(tái)，以及GPS衛(wèi)星精準(zhǔn)定位的運(yùn)用，可以在各類(lèi)復(fù)雜的戰(zhàn)爭(zhēng)以及反恐環(huán)境中靈活地實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤與偵察，甚至是打擊，完成各類(lèi)非常規(guī)的軍事機(jī)動(dòng)任務(wù)。

2.2 微型無(wú)人機(jī)的其他應(yīng)用領(lǐng)域

微型無(wú)人機(jī)的其他應(yīng)用領(lǐng)域主要指民用方面，這種特殊機(jī)型可用于搜索災(zāi)難幸存者、監(jiān)測(cè)有毒氣體或化學(xué)污染擴(kuò)散狀況、以及民用航空拍攝、娛樂(lè)拍攝等。在相應(yīng)的科研領(lǐng)域，微型無(wú)人機(jī)應(yīng)用涉及面較廣，如地質(zhì)勘探、植物物種識(shí)別、偵察救災(zāi)、科研取樣、土地測(cè)繪等。根據(jù)不同的應(yīng)用功能需求，以及各個(gè)研發(fā)機(jī)構(gòu)的研制水平的長(zhǎng)短不一，民用微型無(wú)人機(jī)在外觀、動(dòng)力配置、操控方式以及續(xù)航能力等各個(gè)方面會(huì)有不同程度的差異。

3 微型無(wú)人機(jī)的發(fā)展分析

3.1 微型無(wú)人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，美國(guó)、以色列、日本、中國(guó)等多個(gè)國(guó)家在軍用以及民用微型無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的研究都有著不同程度的進(jìn)展。

今年年初，英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院推出的一款稱(chēng)作AquaMAV的微型無(wú)人機(jī)的原型機(jī)，它在飛達(dá)目的地后能像海鳥(niǎo)捕食一樣扎入水中采集水樣，之后能模仿飛魚(yú)出水一樣沖出水面，然后像固定翼飛機(jī)一樣靈活地機(jī)動(dòng)飛行直至返航收回。此外英國(guó)的Animal Dynamics公司根據(jù)仿生學(xué)原理研制出仿蜻蜓微型無(wú)人機(jī)Skeeter。雖然Skeeter現(xiàn)如今正處于研發(fā)階段，但它已經(jīng)初具原形。Skeeter長(zhǎng)約120mm，重約20g，飛行時(shí)速達(dá)45km/h。未來(lái)如果研發(fā)成功，它可以像蜻蜒一樣實(shí)現(xiàn)懸停及迎風(fēng)飛行，并且可以根據(jù)實(shí)際需要，搭載各類(lèi)專(zhuān)用儀器。仿生學(xué)原理在微型無(wú)人機(jī)開(kāi)始提出之際，就被設(shè)想大量運(yùn)用，其中關(guān)鍵的一點(diǎn)就是改傳統(tǒng)的旋翼為撲翼，但就目前撲翼應(yīng)用的實(shí)際效率來(lái)看，這種提供動(dòng)力的方式，還有待發(fā)展完善，直至達(dá)到相對(duì)理想的狀態(tài)。近年來(lái)，美國(guó)越來(lái)越重視微型無(wú)人機(jī)在國(guó)內(nèi)警用領(lǐng)域的應(yīng)用。2017年1月，美國(guó)軍方宣布計(jì)劃將為在役士兵配備微型無(wú)人機(jī)，這些微型無(wú)人機(jī)計(jì)劃被應(yīng)用于情報(bào)、監(jiān)視、ISR等軍事任務(wù)中。美國(guó)現(xiàn)如今正為此大力尋求行業(yè)最前沿的技術(shù)，以致來(lái)完成這種相對(duì)普適的軍用微型無(wú)人機(jī)。國(guó)內(nèi)微型無(wú)人機(jī)領(lǐng)域現(xiàn)也發(fā)展的蒸蒸日上，今年上半年國(guó)內(nèi)一家國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)技術(shù)公司發(fā)布了一臺(tái)與手機(jī)尺寸十分接近的自拍微型無(wú)人機(jī)，由于使用鋁制結(jié)構(gòu)，因此這臺(tái)微型無(wú)人機(jī)相當(dāng)輕便，并能通過(guò)手機(jī)來(lái)完成一系列的操控，完成航拍任務(wù)。數(shù)據(jù)方面，其自拍像素500萬(wàn)，與人最大間隔20米，可保持飛行姿態(tài)3分鐘。已經(jīng)達(dá)到消費(fèi)級(jí)微型無(wú)人機(jī)較高的水平。另外今年三月份，我國(guó)國(guó)土資源部利用微型無(wú)人機(jī)成功完成了土地整治項(xiàng)目監(jiān)管的任務(wù)，利用其搭載的遙感監(jiān)測(cè)科學(xué)儀器，在技術(shù)人員的操控下，成功的完成了航空攝影測(cè)量的作業(yè)過(guò)程。可以看出，各國(guó)微型無(wú)人機(jī)的研制，都有了不同程度的卓越成效。微型無(wú)人機(jī)在民用方向的優(yōu)異表現(xiàn)，也從另一方面展現(xiàn)了如今微型無(wú)人機(jī)正在慢慢地從不成熟向成熟階段邁進(jìn)。但即使如此，微型無(wú)人機(jī)仍有著許多亟待解決的問(wèn)題。

3.2 微型無(wú)人機(jī)的發(fā)展困境

各國(guó)研究機(jī)構(gòu)雖然在微型無(wú)人機(jī)方面大都已取得了不同程度研究收獲，但由于質(zhì)量、續(xù)航、尺寸大小、機(jī)動(dòng)性能等方面的嚴(yán)格限制，微型無(wú)人機(jī)的發(fā)展仍面臨著很大的挑戰(zhàn)。

一個(gè)大的難題就是微型無(wú)人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)。隨著機(jī)身幾何尺寸的減小，結(jié)構(gòu)質(zhì)量占總飛行器質(zhì)量的百分比減少，而動(dòng)力系統(tǒng)要占到很大的百分比。國(guó)外有專(zhuān)家最初提出微型無(wú)人機(jī)的設(shè)想中飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)質(zhì)量占到幾乎3/4，大約是飛行器質(zhì)量的6倍，以此來(lái)看，除了盡可能地減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量外，還要減少微型無(wú)人機(jī)的載荷質(zhì)量、提高效率、增加飛行時(shí)間，其關(guān)鍵在于提高推進(jìn)效率。微型無(wú)人機(jī)對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)的主要要求是：質(zhì)量輕、體積小；能量密度和功率密度高，可以為微型無(wú)人機(jī)提供足夠的飛行動(dòng)力；震動(dòng)小，不干擾任務(wù)設(shè)備正常工作（如拍攝圖像）；噪音小以保證微型無(wú)人機(jī)的隱蔽性；此外，微型無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)還應(yīng)易于啟動(dòng)，可靠性高。任何飛行器的飛行首先要解決的問(wèn)題是動(dòng)力問(wèn)題，沒(méi)有動(dòng)力，飛行無(wú)從說(shuō)起。目前人們提出的微型無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)方案包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳、內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳、微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、人造肌肉、激光推進(jìn)、核能推動(dòng)電動(dòng)機(jī)等方案。但后三種方案現(xiàn)如今技術(shù)成熟度并不高，還需更深層次的研究試驗(yàn)。

與動(dòng)力關(guān)聯(lián)密切的續(xù)航方面，也是一大難題。動(dòng)力系統(tǒng)的能量來(lái)源與其驅(qū)動(dòng)方式密不可分，但目前占據(jù)主流的仍是技術(shù)相對(duì)成熟的鋰電池供電儲(chǔ)能技術(shù)。化學(xué)礦物燃料是一個(gè)被寄予厚望的能量來(lái)源，因?yàn)樵谙嗤|(zhì)量的前提下，化學(xué)礦物燃料釋放的能量要比一般的電池放出的能量多，但化學(xué)燃料供能的穩(wěn)定性和可靠性依靠現(xiàn)今技術(shù)遠(yuǎn)不及鋰電池供能，這使得微型無(wú)人機(jī)在惡劣及特殊的環(huán)境中作業(yè)時(shí)，不得不拋棄這種供能方式。更先進(jìn)的，像激光推進(jìn)，核能推進(jìn)，技術(shù)還都未成熟，都處于正在發(fā)展階段，無(wú)法快速滿足微型無(wú)人機(jī)現(xiàn)如今的技術(shù)需求。

當(dāng)然，低雷諾數(shù)下空氣動(dòng)力學(xué)特性的研究、飛行中穩(wěn)定性能和抗干擾性能的提高、零部件小型化、材料與飛行器結(jié)構(gòu)、導(dǎo)航系統(tǒng)和任務(wù)設(shè)備等關(guān)鍵技術(shù)難題也都是現(xiàn)如今微型無(wú)人機(jī)領(lǐng)域亟待解決的難題。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，微型無(wú)人機(jī)有著非常廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，但其技術(shù)領(lǐng)域也的確存在著諸多問(wèn)題，世界微型無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展，需要不斷地將這些問(wèn)題逐個(gè)解決，以此推動(dòng)微型無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷向前發(fā)展。

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作者單位

鄭州市宇華實(shí)驗(yàn)學(xué)校 河南省鄭州市 450000