剖析無人機

李洪興

美國《航空周刊》網站2016年4月25日發(fā)表了一篇論述無人機結構的文章，以下是本文的內容。

各種無人機都由基本相同的分系統(tǒng)組成。從大到14500千克的“全球鷹”到一次性的無人機再到僅僅14克重的“黑色大黃蜂”微型無人機，每個無人機系統(tǒng)都是由多個分系統(tǒng)構成的組合體，而這些分系統(tǒng)則確定了無人機的功能、應用領域和成本。由于大小和功能的多樣性，在過去的十幾年里涌現(xiàn)出各種各樣性能和成本差異巨大的無人機。想要了解無人機的過去和未來，關鍵是要了解相關的技術突破。

無人機的機身大小和布局確定了它的載荷、飛行速度、飛行高度和續(xù)航能力。飛行高度決定了傳感器的作用距離，特別在山區(qū)更是如此，增加飛行高度也有助于提升生存能力；盡可能提高續(xù)航能力往往是用戶所希望的；而飛行速度的提高則可以增加單個基地的覆蓋范圍。然而，機身也決定著無人機的特征信號大小及發(fā)射和回收方式，減小特征信號是美國海軍對各型MQ無人機提出的核心要求之一。在發(fā)射和回收方式方面，多數用戶都拒絕使用車載彈射器、降落傘、氣囊和回收網，特別是艦上使用的無人機，還在追求垂直起降。大多數無人機機身也是傳感器載體，因此結構設計要保證能夠搭載比較大的載荷和傳感器視場無障礙。

在無人機的推進系統(tǒng)方面，無人機設計人員都希望發(fā)動機效率更高，重量更輕，更可靠，并且經濟實惠。在眾多無人機發(fā)動機中，Rotax 914發(fā)動機——用于以色列飛機工業(yè)公司（IAI）的“蒼鷺”無人機和埃爾比特系統(tǒng)公司的“赫耳墨斯900”無人機和霍尼韋爾公司制造的TPE331發(fā)動機——用于通用原子公司的“捕食者”和“死神”無人機，是優(yōu)秀代表。

隨著用于商用飛機的渦輪風扇發(fā)動機的開發(fā)，較大型的無人機隨之出現(xiàn)，不過要為起飛重量達450～4500千克的無人機提供效率更高的發(fā)動機，且同時避免使用汽油仍然相當困難。IAI與意大利的Diesel Jet公司合作開發(fā)了用于“超級蒼鷺HF”無人機的發(fā)動機，Textron Lycoming公司也改進了Diesel Jet發(fā)動機，用于美國陸軍的MQ-1C“灰鷹”無人機。美國極光科學飛行公司的“雷擊”新概念無人機贏得了DARPA的垂直起降無人機VTOL X-Plane計劃的合同，可能表明未來的無人機會采用渦輪電力推進和不同的配置。混合系統(tǒng)會提供比現(xiàn)在更高的冗余。

在過去的10年中，隨著微小型化技術、光電技術以及工程技術的發(fā)展，光電和紅外傳感器轉塔取得了迅速的進步，已經成為大多數無人機的主要固定載荷。手動發(fā)射的無人機攜帶了包括激光測距儀在內的穩(wěn)定載荷，高端多波段系統(tǒng)能夠穿透霧霾，將情報傳送數千米的距離，自動目標搜索算法為無人機提供了寬視場雷達能力。即使小型無人機也可能安裝合成孔徑雷達和電子監(jiān)視裝置。另外，由于存在安全方面的挑戰(zhàn)，為無人機加裝殺傷性載荷具有潛在限制。

靈敏度更高的多波段傳感器系統(tǒng)對于除數據鏈設計者之外的所有人員來說都是好消息。多數大中型無人機的首選是衛(wèi)星通信，但是無人機上的衛(wèi)星通信天線只是系統(tǒng)的一部分。去年夏天，波音公司有人提出，諸如“全球鷹”和“死神”之類的無人機對于寬帶全球衛(wèi)星通信星群的要求比其他方面用戶的要求更高，該星群只有10顆衛(wèi)星，2015年7月發(fā)射了其中的第7顆。同時，英國和美國的情報機構最近對以色列無人機的黑客攻擊將使人們更加關注數據鏈安全。隨著無人機和相關學科的發(fā)展，類似于空客制造的“微風”無人機那樣的長航時無人機今后有可能攜帶機上中繼裝置，再往后還可能采用激光通信裝置。機上處理將來能夠為IAI的M-19HD傳感器轉塔之類提供幫助，能夠向地面發(fā)送靜止圖像及視頻圖像，還能夠通過自動目標探測和變化探測處理產生告警信號，向地面發(fā)送。采用實際上沒有限制的機上記錄也會減輕對于數據鏈的壓力。

復雜的傳感器系統(tǒng)和數據鏈使得軍用無人機的成本居高不下，但也推動了更為堅固和故障容限更高的導航和飛行管理系統(tǒng)的開發(fā)，其中特別令人關注的是融合慣性導航與自動天體跟蹤或目視場地匹配的非GPS導航技術的發(fā)展。然而，最為重要的目標是在今后開發(fā)出可靠的最終能夠防止與其它交通工具發(fā)生碰撞的感測和避讓系統(tǒng)。

無人機的地面控制站，無論是蘋果手機，還是可以容納多人的可移動掩蔽所，其功能都同樣是管理操作人員和無人機之間的通信聯(lián)絡以及顯示、處理和記錄圖像信息和其它數據資料。不過，地面控制站的設計卻可能大不一樣，美國空軍的地面控制站就像一個飛機駕駛艙或飛行模擬器，而IAI最近推出的地面控制站就只有鍵盤和鼠標輸入裝置。