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无人机的发展历史、用途与起降(原创.科普) 精选

已有 6702 次阅读 2022-11-4 09:03 |系统分类:科普集锦

沈海军

从2022年2月开始,俄罗斯和乌克兰两国之间的战争便打得如火如荼。4月14日,乌克兰方面出动一架TB-2无人机吸引俄罗斯舰队注意,并使用“海王星”导弹重创了黑海舰队旗舰“莫斯科”号。10月10日,俄军向乌克兰首都基辅等地发射了83枚导弹和24架自杀式无人机,打击了乌克兰的电厂、油库等能源设施。10月29日乌克兰派出了16架无人机,对位于俄军黑海舰队发起突袭,造成后者至少三艘军舰的严重受损……抛开战争的对与错,一个不争的事实摆在了世人面前:无人机在现代战争中正扮演着越来越重要的角色。

无人机,英文名为unmanned aerial vehicle,简写UAV;在一些国外文献中,也被称作drone。“drone”原意为雄蜂,用来代指马达嗡嗡、小巧灵活的无人机非常恰当。无人机的全称为“无人驾驶飞机”。从广义上讲,有翼的导弹、航模等都算无人机。

                        一、发展历史

作为高科技产品,无人机于二十世纪初起步。1903年,西班牙工程师莱昂纳多·克维多设计了一款无线电飞行控制系统,用于飞艇测试。1914年,英国人将这种无线电遥控装置用于无人驾驶飞机。两年后,无线电控制系统经英国人改进后,安装在了一架名为“空中目标”的无动力无人驾驶单翼飞机上。次年3月,该无人机在英国皇家空军阿帕文空军基地被成功发射,成为世界上第一架在无线电控制下飞行的动力无人机。尽管最初的三架“空中目标”原型机在试飞中相继坠毁,但“无线控制、携带高爆炸药无人机”的理念却得到了英国皇家空军的认可。第一次世界大战末期,改进的“空中目标”无人机随即被英军用来攻击敌方的航线和港口设施。

战争是科技发展的引擎,伴随着二十世纪前半叶的两场世界大战,无人机的发展迅速进入了快车道,各国纷纷加大投入,各种军用无人机层出不穷。

无人机早期的军事用途之一为靶机。早期的靶机是有人驾驶飞机后方带一个拖靶--小旗或布袋,用于高炮或航炮打靶试验,这样很不安全。为此,1933年,英国研制出了第一架可复用无人驾驶靶机--“蜂王”。这款无人机从船上对其进行无线电遥控并获得成功,使英国成为首个拥有无人靶机的国家。

二战期间,通过改装有人驾驶轰炸机,德国、美国等研制了无人轰炸机。这些无人机安装上自动控制系统,拆卸了多余的自卫武器和设备,可搭载更多的炸弹。譬如,德国空军战时曾使用容克-88轰炸机进行远距轰炸;先由驾驶员驾机飞行一段时间,进入攻击区前驾驶员跳伞离开,随后改由伴航飞机远程遥控容克-88对敌方地面目标进行轰炸。再譬如,1944年,美国海军使用由B-17轰炸机改装的遥控舰载机,对德国潜艇基地进行打击。

二战时的德国在航空武器装备方面全球领先,大名鼎鼎的V-1飞行飞弹便是无人飞行器中的翘楚。V-1是一款自杀攻击无人机,也被认为是最早的巡航导弹。V-1的外形与普通飞机相似,但没有驾驶舱,通过无线电控制系统进行遥控操作;战斗部配置有自动驾驶仪来调节飞行高度和速度。V-1飞行时发动机会发出震耳欲聋的嗡嗡声,但到达预定空域准备下降时,发动机会骤然停机,紧接着急剧下降直到命中目标。

二战结束以后,以美、苏为代表的东西两大阵营在无人机研发领域开展了激烈的较量。美国特瑞公司生产的“火蜂”系列无人机是当时产量最大的无人机。该无人机在数十年后派生了各种该型,包括无人靶机、无人侦察机、无人电子对抗机、无人攻击机、多用途无人机等。在朝鲜战争和越南战争中,美国军方曾频繁出动“火蜂”无人机,对敌方目标进行空中侦察。“火蜂”无人机可以从地面起飞,也可以从空中载机上发射,甚至从航母上起飞。据统计,越南战争中,美国出动的无人机累计多达3500余架次,用于空中侦察,信号转发,实施无线电电子战,施放假目标等,战损率仅为4%。至今美国军方仍在使用多款“火蜂”无人机的改进型。

1957年,苏联图波列夫设计局受命研制巡航导弹。该研究计划半途而废,但却成功衍生出了一款“鹞”式超音速无人机。此后,图波列夫设计局又先后研制了“鸢”式无人攻击机和“雨燕”、“航程”无人侦察机,两款无人机都批量生产并装备了苏联空军。上世纪70至80年代,“航程”无人机成功出口伊拉克和一些非洲国家;“雨燕”改进型BP-2和“航程”改进型BP-3型无人机则相继装备了俄罗斯空军,其中BP-2还装备了乌克兰空军。值得一提的是,1991年苏联解体后,俄罗斯国力快速衰退,无人机发展停滞不前;以至于今天的俄乌战争中,俄罗斯军方竟沦落到不得不采购伊朗无人机的地步。

上世纪70-90年代,以色列无人机发展也异常迅猛。迫于战争压力,1969年,以色列国防军尝试性在商业无线电航模上安装照相机,空中拍摄了约旦和埃及的阵地。1970至1973年间,以方先后从美国购买了“火蜂”系列的无人侦察机、无人靶机,以及“鹌鹑”诱饵无人机。外购无人机的同时,以色列也快马加鞭,迅速建立起了自己的无人机设计与生产基地。以色列第一个国产无人机型号是“獒”式无人机,公开亮相时间为1978年。紧随其后的另一款是“侦察兵”无人机。在“赎罪日战争”和第五次阿以战争中,上述两款无人机被以色列军方多次投入实战,用于观察、侦察地面目标和施放空中假目标,协助以军取得了非凡的战果。

随着电子技术、材料技术及空气动力学等科学技术的发展,无人机从二十世纪九十年代开始,逐渐向小型化、信息化和轻量化发展,军事用途也越来越广泛,不再局限于高空侦察。譬如,在1991年的海湾战争中,美军大量使用了MQ-1捕食者等无人机,该无人机携带有空对地导弹等精确制导武器,实战中对伊拉克军队造成了大量杀伤。而在最近的俄乌冲突中,俄军方的自杀式攻击无人机“见证者”-136,价格低廉,仅有5万美金,但可携带50公斤的高爆弹药,威力强大,令敌方胆颤心寒。

值得一提的是,近些年来,无人机已经开始从军事领域向科研和民用转移,消费级无人机和民用无人机的应用也越来越普及,甚至成为老百姓所熟知的“玩具”。其中,四轴飞行器无人机已成为民用领域最为广泛的无人机。

中国的无人机起步较晚,但在近20年内却弯道超车,取得了飞速的进展,并走在了世界前列。军机方面,相继研发出了“彩虹”系列、“翼龙”系列、ASN系列等诸多性能出色的无人机型;民机方面,更是诞生了大疆等享誉全世界的民用无人机生产制造企业。2017年11月,中国电子科技集团研制安装在卡车底盘上的四十八联装无人机发射平台,单台一次可向空中密集齐射四十八架无人机,精确编队、阵型转换、地面检查、精确打击,一气呵成。而这款无人机系统一次可发射两百架无人机,形成庞大的“蜂群”,使打击效果倍增。该事件令人振奋,惊艳四方,标志着中国无人机“蜂群”作战技术已经取得重大的突破。

二、用途

无人机用途十分广泛的,不论是在军事领域还是民用领域,都发挥了重要的作用。仅以民用领域为例,无人机就有航拍摄影、环境监测、通信中继、灾难救援、农业植保、电力巡检、森林防火、应急通讯、以及无人机物流等多方面的应用。以下为无人机的主要用途。

1)空中侦察和靶机

飞行员是国家的宝贵财富。有人驾驶侦察机一旦被击落后,非常容易造成飞行员损失,于是,无人侦察机便应运而生。无人侦察机大多体积小,活动灵活,不易敌方发现,机上装备先进的摄影、摄像、雷达等设备,便可完成各种高空侦察任务。

美国军用无人侦察机RQ-4全球鹰无人机性能优异,全球领先,是世界各国争相购买的“爆品”。RQ-4B滞空飞行能力超强,巡航高度可达18000公里,可实现32小时飞行22780公里的航程。该机装备有先进的高分辨率合成孔径雷达、电子光学和红外传感器等侦察设备,一次性侦察范围可达数百万平方公里,能够同时对多个目标进行监测,并迅速向指挥中心提供情报信息。

为了训练歼击机驾驶员、高射炮兵、雷达操纵员、导弹操纵员以及鉴定各种导弹的性能,常需要有一个模拟某些性能的靶机,无人靶机无疑是一种廉价、安全的绝佳选择。世界上知名的靶机当属美国瑞安航空公司生产的“火蜂”系列,而中国的“长空”系列靶机也颇具名望,经军方使用,具备低空、中高空和大机动3种飞行能力,稳定可靠,满足靶试的使用要求。

2)电子对抗

现代战争中,电子对抗是一种重要的作战手段。无人机利用其自身体积小,隐蔽好的优势可进行实施各种电子对抗。这些对抗具体包括:装载主动式电子干扰机,对敌方雷达实施主动式电子干扰;在空中抛撒金属箔条等干扰物,为己方作战飞机铺设安全空中走廊;向敌方阵地投放电声窃听器,收集电子情报或音响情报;作小型伴飞无人机,吸引敌方火力,辅助作战飞机突防;作诱饵机,诱使敌方发射地空导弹,诱骗消耗敌防空力量等。资料显示,目前俄罗斯至少已经研发了三种用于电子对抗无人机,分别为便携式“火绳枪”、固定式“撞锤”和移动式“游隼”等。

3)察打一体无人机

随着技术的发展,无人机的应用逐步由单一向多样化、复杂化发展。察打一体无人机属于集侦察和打击为一体的无人机。这种无人机可外挂炸弹甚至导弹,由人遥控发射,发射后立即返航。这样既可执行高度危险的攻击任务又可减少人员伤亡。

察打一体无人机军用功能强大,目前只有少数几个国家才能够研制,而我国就是其中之一。就目前而言,察打一体无人机的操作方式主要有两类,第一类就是全自动搜寻的,对标定的坐标进行自动打击,第二类则是远程遥控,使用类似有人攻击的操纵方式对目标近距离打击。

近年来,我国的军用无人机产品已经走出国门,成为很多国家追捧的武器,包括“彩虹”系列人机和“翼龙”无人机在内的国产“察打一体”无人机物美价廉,具有其他国家同类产品无法比拟的优势。

4)取样/观测与新技术验证

一些科学实验是对人体有害、危险,或者对空域有污染的,如核爆炸、化学战和火山爆发等。为分析研究实验效果,进行空气取样或对现场观测,可使用取样/观测无人机。2020年,德国GFZ研究中心的研究人员在无人机上装上摄像头,遥控无人机飞跃火山口上空,根据立体摄影技术测量熔岩运动。该项工作后来在《科学报告》(Scientific Reports)杂志上发表。活火山的爆发原本是极其危险的,然而取样/观测无人机却能够胜任这一火挑战型任务,让人不禁感叹现代科技的神奇。

无人机在新技术验证方面具有特殊的优越性。当设计一架新型飞机后,一般是先把飞机按比例缩小制成模型,放到风洞利进行空气动力特性实验。但这只是静态特性,如果把缩比模型作成遥控无人机,并进行飞行验证,便可进一步掌握所设计机型的动态飞行特性,同时还很安全。为了验证国产大客飞机C919的飞行性能,2016年6月,即C919客机首飞的前一年,同济大学师生团队便设计、制作并试飞了一款1:25的缩比C919飞机验证机。

5)地质勘探与航拍测绘

目前的航空地质勘探仪器灵敏度较高,在两千米高空进行光学摄影,可以发现地面上一厘米宽的线状物和直径30-50厘米的岩石碎片。随着近代技术物理的进步,利用无人机遥感遥测技术,使勘测工作进行得更加迅速、准确,并更具经济性。

无人机航拍是以无人驾驶飞机作为空中平台,以机载遥感设备,如高分辨率数码相机、轻型光学相机、红外扫描仪,激光扫描仪、磁测仪等获取信息,用计算机对图像信息进行处理,并按照一定精度要求制作成图像。为获得高清画面,现在的无人机航拍一般以低速无人驾驶飞机为空中遥感平台,全系统上集成了遥感、遥控、遥测技术与计算机等诸多新型应用技术。

国内在航测、航拍、遥感等方面已取得了长足得进步。譬如昆明得“劲鹰”无人机,是国内顶尖航测航拍遥感无人机航飞服务及生产商,其生产的“劲鹰”650四旋翼专用航拍器已在业界取得了广泛的应用和良好得口碑。

三、起飞与着陆

起飞与着陆是有人驾驶飞机的两大“难关”。据统计,航空事故中60%以上发生在飞机的起飞与着陆过程中。对无人机来说,同样存在以上两大“难关”。为降低成本,提高效率和重复使用率,无人机设计者在传统的跑道起降方式之外,另辟捷径,发明了各种适合无人机的起飞和着陆技术。常见的起飞方式包括弹射助推、空中投放和拖车起飞等。

1)弹射助推

借助火箭助推器或弹射器,助力无人机从发射架上起飞。现代战场上,固体火箭助推是大多无人机使用的发射起飞方法,也有一些小型无人机采用压缩空气弹射器弹射起飞。

无人机弹射助推装置一般由装有导轨的发射架、发射控制器和车体组成。发射时,火箭助推器点火,同时启动无人机发动机,无人机从导轨后端,沿导轨加速滑动至发射架前端。无人机离开导轨时,时速只有40-130公里。所以离轨后,火箭助推器继续帮助无人机加速,直至无人机翼面上产生足以的空气动力维持其稳定飞行和操控,火箭助推器的任务就完成了,并自动脱离。此后,无人机便可靠自己的发动机动力维持飞行。

火箭助推发射起飞装置可以装车或装船,具有展开、撤收和发射迅速快捷的优点,加上所需的发射场地很小,非常适合前沿阵地、山区或船上使用。

2)空中投放

空中投放是指通过大型有人驾驶飞机,把无人机带上天,并在合适空域投放的起飞方式。方法。这种方法简易灵活,成功率高,可显著增加无人机的航程。

挂载无人机的有人飞机通常被称作“母机”。母机翼下或者机身下方需要做适当的改装,增加无人机挂架,相应的机内需增设通往无人机的油路、气路或电路,以方便实施无人机的投放。实际使用时,母机可将无人机空运至合适的地区上空,这些地区往往不具备使用其他起飞方式的可能性。如果投放前的一瞬间,任务有所变化,母机可携带带无人机原路返航。

3)拖车起飞

把无人机安置在拖车上,驱动拖车在跑道上滑跑,当速度增大时,作用到无人机的升力也增大,当升力足够大时,无人机便可腾空而起,同时抛弃它的拖车伙伴。

拖车起飞的优点是:可借用现成的机场条件起飞,无人机无需复杂而笨重的起落架装置,起飞拖车结构比较简单,比其他起飞方法更经济。不过,只有装涡轮喷气发动机或活塞式发动机的无人机才可用这种起飞方式。

除自杀式无人机之外,多数无人机是可以多次使用的。为了提高重复使用率,无人机的回收技术不断升级,回收也出现了多种方式。

1)伞降回收

降落伞回收是常见的一种无人机回收方式。无人机用的回收伞与伞兵用伞结构相似,开伞的流程也大致相同。无人机主伞张开时,开伞程序控制设备必须操纵伞带,使无人机由头朝下转为水平位置下降,这样可以保护无人机的要害部位在着陆触地时不至损坏。

地面着陆时,无人机虽乘着大伞,但在触地前的一瞬间,其垂直下降速度仍达7米每秒左右。由于冲击过载较大,无人机触地时常常会损坏。为此,一些伞降无人机上还安装充气囊(垫)等减震装置。触地前,这种装置放出,并由发动机供气,起到缓冲作用。

无人机回收伞的面积由回收重量决定。无人机回收重量越大,伞面积就越大。譬如上世纪60年代的美国瑞安-147型无人侦察机,其重量超过一吨以上,就需要配备面积高达700多平方米的回收伞。伞降回收一般只适合中小型无人机使用。美军在60年代使用的无人侦察机大多采用空中投放和降落伞回收。

2)网捕回收

像张网捕捉麻雀那样,用网回收返航的无人机是近年来小型无人机常见的回收方法之一。网式回收系统大多由回收网、能量吸收装置和自动引导设备组成。能量吸收装置与回收网相连,其作用是把无人机撞网的能量吸收掉,免得无人机触网后跳动,以致损坏。自动引导设备通常是一部置于网后方的电视摄像机,由它们及时向指挥站报告无人机返航路线的偏差。

当无人机返航时,地面指挥站命令它以小角度减速下滑。操纵人员通过电视监视器监视无人机的飞行,并根据地面电摄像机拍摄的图像确定返航路线的偏差,然后半自动地控制无人机机动,对准地面摄像机的瞄准线,飞向回收网。

3)迫降方式

有人驾驶飞机遇到起落等故障时,为保全飞机常采用迫降的办法。所谓迫降,就是找一块比较平坦、开阔的地方,用飞机腹部接地的一种迫不得已的着陆方法。迫降后的飞机不同程度地受到损伤,需要进厂修理。

许多无人靶机也采用上述迫降方式着陆。采用这种“擦肚皮”的着陆方法,靶机上无需安装起落架,大大降低了成本。此外,无人靶机上最有价值、需要回收的往往是机载自动控制设备和无线电电子设备,并不在乎机壳或发动机的损伤。不过,靶机迫降还是要尽量减小损伤的,试飞时要尽量选择晴朗的天气,以及开阔、平整的降落场地。

无人机的起降方法是多种多样,如何搭配,需要视无人机的用途、体量及技术水平而定。一般来说,军用无人机的起飞以空中投放和和弹射助推居多,回收以伞降居多;小型无人机则更多采用火箭助推起飞和回收网回收的组合方式。



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