小型飛行器基礎

1、12級電氣4班 方楚彬201231200404課程：小型飛行器基礎微型無人飛行器微型無人飛行器是一種新概念武器，用微小型武器對付傳統(tǒng)武器, 將導致未來戰(zhàn)場出現(xiàn)尺度不均衡戰(zhàn)爭，由此對未來軍事作戰(zhàn)產生深遠 影響。隨著各種先進的微型制造技術、微電機技術、微電子和一體化技 術的發(fā)展,尤其是納米技術的快速發(fā)展，微型無人飛行器的研制已成為 可能。微型無人飛行器(MAV)的概念是由美國于20世紀90年代最先 提出的，并進行了可行性論證。研制出的微型無人飛行器特征是:最大 尺寸為15cm，質量小于100g，航程大于10km，最高時速達80km/h,最高 飛行高度可達150m。它還應有導航及通信能力，可用手擲或

2、飛機部署, 具有偵察成像、電磁干擾等作戰(zhàn)效能，一次性使用的微型無人飛行器 的價格預計在1000美元以下。目前,美國有十余項微型無人飛行器研 究計劃在進行，包括固定翼、旋翼和撲翼微型無人飛行器。一、微型無人飛行器的優(yōu)勢與有人駕駛飛機相比，選擇微型無人飛行器有以下的優(yōu)勢：1.偵察和監(jiān)視。現(xiàn)在擔負偵察和監(jiān)視任務的飛機中比較有代表性 的是美制的E3、俄羅斯制的A50有人駕駛偵察機等，但它們的體積龐 大，造價高昂，而且需要派專用的戰(zhàn)斗機護航，運行成本高、易被發(fā)現(xiàn)和 摧毀,這是有人駕駛飛機不可彌補的缺憾。而微型無人飛行器卻能夠 攜帶全天候的傳感器，適應在地面上方約50m高度執(zhí)行偵察和監(jiān)視任 務。它可以貼近

3、目標進行偵察，尤其是偵察衛(wèi)星和軍用預警機看不到 的死角或人員無法達到的險要地區(qū)進行偵察，還可以作為固定式、不 引人注意的地面?zhèn)鞲衅?，實時而準確地將偵察到的信息傳送到指揮中 心。由于有人駕駛的大型電子戰(zhàn)飛機具有其自身不可替代的優(yōu)勢，比 如探測距離遠、留空時間長等等，同時又具有上述缺點,所以在不久的 將來，用于戰(zhàn)場偵察和監(jiān)視領域，一定是有人駕駛飛機和微型無人飛行 器并存，同時發(fā)揮其不可替代的作用。2.實施突襲和其它秘密任務?，F(xiàn)有的執(zhí)行此類任務的飛機大多是 戰(zhàn)斗機、對地攻擊機比較著名的有:美國的AH64阿帕奇、F18A/F大 黃蜂、俄羅斯的蘇25等;但是由于戰(zhàn)場環(huán)境的日益復雜和防空武器的 日益發(fā)展,

4、飛行員執(zhí)行任務的危險度增大，任務的完成難度亦隨之增 大。當有人飛機執(zhí)行此類任務時，往往需要低空對地攻擊，不可避免地 會造成飛行員的傷亡，這時采用微型無人飛行器往往有意想不到的優(yōu) 勢。由于微型無人飛行器的尺寸小、雷達反射面積小、紅外特征不明 顯，人的肉眼和高科技偵察設備都難以發(fā)現(xiàn)，所以被發(fā)現(xiàn)的概率小，戰(zhàn) 場生存率高。再者，即使被發(fā)現(xiàn)，也不會造成重大人員傷亡，而且微型無 人飛行器造價相對較低，若被擊毀，所造成的經濟損失也比有人駕駛飛 機要小。有人認為微型無人飛行器有效載荷小，懷疑其能否擔當起突襲的 任務;而另有人以為將來火力打擊的發(fā)展方向是精確有效，而不在于武 器的載彈量的大小。如果微型無人飛行器

5、裝上一定量的高效能精確彈 藥，完全可以執(zhí)行此項任務。3.通信中繼。微型無人飛行器裝上攝像機和通訊設備后，能拍下 有用的圖像和畫面，并實時地傳輸給作戰(zhàn)指揮中心或前線士兵的掌上 電腦，可以起到戰(zhàn)場火力倍增器的作用。而現(xiàn)階段執(zhí)行戰(zhàn)場通信中繼 任務的飛行器主要是一些專用的預警機。專用預警機的作用固然是非 常重要，性能先進，但是它也有缺點。首先由于其昂貴的造價，使它的裝 備數(shù)量十分有限,又由于它的運行成本高，自身的易損性大，所以很多 情況下，尤其是激烈的空戰(zhàn)前提下，微型無人飛行器將是預警機的有效 補充。同時，微型無人飛行器的飛行高度低，甚至可以定點停留于地面。 雖然微型無人飛行器的造價低，相對于預警機來

6、說功能也不完善，但是 它具有其它有人駕駛飛機所不可替代的作用。4.實施電子干擾。眾所周知，現(xiàn)代戰(zhàn)爭條件下，制電磁權和制空權 一樣重要，而且現(xiàn)階段的歷次空戰(zhàn)證明，如果不掌握制電磁權,那么制 空權也無從談起?，F(xiàn)在我們執(zhí)行電子干擾的飛機大多由現(xiàn)役的戰(zhàn)斗機 改裝而來，比較著名的有:美國EF111和EA6B,但是這些電子戰(zhàn)飛機體 積大，不具備隱身性能，同時由于電子戰(zhàn)飛機只具備較弱的自衛(wèi)能力 （一般攜帶兩枚近距空空導彈）,又常常打頭陣，因此戰(zhàn)時電子戰(zhàn)飛機的 被擊毀概率大，飛行員傷亡概率較大。微型無人飛行器就不同了，由于 其尺寸小、雷達反射截面小、紅外特征不明顯,所以具有較高的隱身 性能，甚至依靠肉眼的光學

7、器材都難以發(fā)現(xiàn)這種飛行器。這樣微型無 人飛行器可以充分發(fā)揮自身的隱身特性，攜帶微型電子干擾機,抵近敵 雷達、通信設施工作區(qū)實施有效的電子干擾。如果干擾效果不理想， 則可以增加飛行器的數(shù)量，實施機群干擾戰(zhàn)術，從而大大提高電子干擾的效果。二、微型無人飛行器的研制難點及現(xiàn)狀1.微型無人飛行器的研制難點。微型無人飛行器與有人駕駛飛 機一樣有各種構型，有固定翼的、也有直升機型的,內部結構仍然復雜, 同時，研制過程中又遇到一些研制大型飛機所沒有遇到的難題。1）低雷諾數(shù)空氣動力學在空氣動力學里，有個很重要的參數(shù)叫作雷諾數(shù),它表示的是物 體的慣性力與粘性力的比例。同時它與物體尺寸也有很大關系，尺寸 大了雷諾數(shù)

8、也就大了。現(xiàn)在研制的飛行器，雷諾數(shù)都較大，一般為幾百 萬到幾千萬，相應的升阻比可達到1520。而尺度很小的微型無人飛行 器，雷諾數(shù)只有幾千到幾萬，升阻比約在35左右，這樣許多流動現(xiàn)象都 發(fā)生了變化。雷諾數(shù)小時，空氣流動情況是較有規(guī)律的層流，而雷諾數(shù) 大時，就變成湍流，它的速度等方面都變得非常凌亂，阻力也相應的變 大了。所以要研究這種低雷諾數(shù)的飛行器，不能照搬大飛機的技術。 由于雷諾數(shù)大都在幾千到幾萬之間，空氣動力學主要研究的是粘性問 題,而對這方面的分析和設計工具極少，經典翼型和機翼的有限元分析 和設計方法在很大程度上能否在低雷諾數(shù)氣流區(qū)適用目前還不清楚; 流場的高粘性特性、附面層厚度大大增加

9、了產生大范圍分流層的可能 性，可能導致微型無人飛行器的性能和以較高雷諾數(shù)試驗為基礎所預 測的性能有很大差異;此外，人們對這個尺寸范圍內的一些空氣動力特 點了解得很少，對提高性能的方法也一直未進行研究;由于氣流是粘性 的，因此原來用于設計螺旋槳和旋翼的一些簡單工具已不適用,基本的 設計原則也不適用了，為此針對研制微型無人飛行器的需要，應當建立 低雷諾數(shù)空氣動力學。2）微型制造技術為了達到所要求的升限比，必須制造光滑的三維面機翼、螺旋 槳。傳統(tǒng)的微型制造技術能制造出所要求的尺寸部件，但是其產品的 光滑度不夠。為了得到所要求的光滑三維面，就必須重新考慮所用的 一般工藝流程，而且傳統(tǒng)的機械加工方法一般

10、不適用于制造50m厚度 的部件。自從納米技術得到較大發(fā)展以來，人們在制造這些微型元件 的能力方面又上了一個臺階，但是納米技術畢竟還是一門新生的高新 技術，有很多東西還停留在理論研究和實驗室階段，還需要進一步加強 研究和推進科技成果產業(yè)化進程。3）動力和控制系統(tǒng)雖然可以使用的高能量電池越來越多，但要找到適合微型無人 飛行器使用的高能量、大電流、大功率的超小電池仍是不容易；同時 對微小部件的控制問題也很突出，因為元件、飛行器的尺寸小,持續(xù)穩(wěn) 定工作的時間很短,電機與飛行控制傳感器的質量和尺寸以及制造工 藝受到限制。2 .微型飛行器研究現(xiàn)狀。從已有的研究情況來看,大致可以將微 型飛行器分為兩類,一類

11、是15厘米左右的微型飛行器;另一類是尺寸 更加微小的只有幾個厘米或毫米大小的微型飛行器或微飛行機器人。 2.1約15厘米大小的微型飛行器除在尺寸上規(guī)定微型飛行器不應超 過15cm外，還從最終實際應用角度考慮對它的重量，有效負載,留空時 間，飛行速度，制造成本以及其它諸多特性提出了相應要求。例如要求 微型飛行器的重量為10100克左右，有效負載20克以上，飛行時速 3060公里 小時，留空時間2060分鐘等等。按照上述DARPA定 義研制的微型飛行器樣機目前主要有以下幾種：1）黑寡婦微型無人飛行器。黑寡婦（BlackWidow）是航空環(huán)境公 司為美國國防高級研究計劃局的原創(chuàng)微型無人飛行器技術計劃

12、研制 的第一種微型無人飛行器。航空環(huán)境公司介紹:黑寡婦微型無人飛行 器達到或超過該研究計劃規(guī)定的所有目標，其中最大尺寸15cm、飛行 距離15km、續(xù)航時間30min、飛行高度244m。它可由下行鏈路傳輸 彩色視頻信息，并可從質量不超過1kg（包括飛行器）的手持盒中自主發(fā) 射。黑寡婦最終型的螺旋槳效率達到82%,最大速度約64km/h。具有 的特點包括保持高度、空速和航向的自動駕駛儀，并帶有偏航阻尼。 黑寡婦能夠裝載質量不超過2g的彩色攝像機，連續(xù)攝像。它還能容納 質量不超過2g的視頻下行鏈路發(fā)射機，加上質量5g的全比例無線電 遙控系統(tǒng)和05g的制動器。2）微星無人機。微星（MicroSTAR

13、）是桑德斯公司根據(jù)美國國防高 級研究計劃局1998年4月與該公司所簽訂合同正在研制的微型無人 飛行器。微星無人機的發(fā)射質量是85g，總的電能功耗是15W。它的 機身質量為7g,處理/存儲電子元件質量為6g（比預先估計的25g有所 增加），照相機/透鏡總質量為4g,電動機及其螺旋槳的質量為20g，功耗 為9W,而原先分配值分別為13g和7W最大的一個質量配額是它的鋰 電池。該微型無人飛行器執(zhí)行飛行任務的時間在20min至60min，飛行 距離大約為5km(或者在視距控制下增加一倍)。它的巡航速度一般為 56km/h，高度為15m至90m。視景W5404感應裝置可以提供足以識別 一般人大小的目標圖

14、像，它將通過哈里斯公司的PRISM無線電通信鏈 路把信息傳送到由兩塊PC卡構成的地面控制板。懸停飛無人機。懸停飛(Hoverfly)是航空環(huán)境公司研制的另一 種垂直起降的微型無人飛行器,其續(xù)航時間為懸停73min，前飛 132min。它采用一個質量不超過32g的電動機，由三個鋰電池供電，驅 動兩個直徑為18cm的固定距的懸翼/螺旋槳。懸停飛垂直起降微型無人飛行器的翼展為25cm，巡航速度達到 32km/h，已經展示了垂直起降、前飛及過渡飛行，其有效載荷可以包括 小型彩色攝像機?？芾锊祭?。寇里布利(Kolibri)無人機是Lutronix公司與奧博恩 大學合作開發(fā)的，根據(jù)美國國防高級研究計劃局的

15、倡議研制的垂直起 降微型無人飛行器。其續(xù)航時間至少30min，可以采用單旋翼和對轉雙 旋翼的不同類型?；拘褪?0cm直徑，質量316g，其中37g質量的動 力裝置和132g的燃油占總質量的一半以上，動力裝置可能采用了 DSTAR公司研制的微型迪塞爾發(fā)動機。輸出功率35W的微型迪塞爾發(fā)動機，一般可提供飛行30min的動力，使用的燃油量僅為常規(guī)飛機發(fā)動機用油量的四分之一?？芾锊?利微型無人機裝有美國空軍實驗室研制的全球定位系統(tǒng)/加速度計/陀 螺組合系統(tǒng)，多頻譜方案公司已為其研制出超寬帶視頻下行鏈路。5)往復式化學肌肉撲翼機。往復式化學肌肉撲翼機 (RCMOrnithopter)是喬治亞技術研究院在美國國防高級研究計劃局和 美國空軍研究實驗室的創(chuàng)新技術計劃資助下，在不斷精細化往復式化 學肌肉(ReciprocatingChemicalMuscle,RCM)設計而研制的一種仿生學 微型無人飛行器。這種飛行器是利用化學能源的驅動力來拍打機翼并供給機載系 統(tǒng)所需要的能源。喬治亞技術研究院的化學肌肉撲翼機質量約50g, 能夠裝載10g有效載荷。結束語：未來的戰(zhàn)爭是信息化戰(zhàn)爭，是一種全新的戰(zhàn)爭形態(tài)，微小 型無人系統(tǒng)(微小型飛行器、微小型水下無人航行器、微小型衛(wèi)星、 微小型機器人等)與傳統(tǒng)裝備相比在信息戰(zhàn)中有更神奇的特殊作用，可 以在信息化戰(zhàn)爭