微型飞行器的发展浅谈

微型飞行器的发展浅谈
作者：叶洋郭晓庆朱丽萍
来源：《农家科技下旬刊》2015年第12期
摘要：随着微型飞行器布局与结构设计技术、动力和能源技术、微型飞行器飞行和控制技术等的日益发展成熟，微型飞行器开始在新世纪的舞台上大放光彩。

今天，凭借其自身独特的优势，微型飞行器已经在军事行业及一些民用行业中得到了广泛应用。

本文简要介绍了微型飞行器的发展过程、发展现状及发展方向，以使读者对微型飞行器有一个初步的认识。

关键词：微型飞行器；微型飞行器系统；发展
1992年，美国国防高级计划研究局在兰德公司召开的一次未来军事技术研讨会上，由兰德公司的研究小组提交了一份关于军用微系统的调查报告——《未来军事行动中的技术驱动力革命》，这份报告中首次提出了微型飞行器的概念，从此，这种新的飞行器开始正式登上历史舞台。

那么，究竟什么是微型飞行器？
微型飞行器是对目前尺寸最小的一类飞行器的称呼，它既与有人飞行器不同，也与常规的无人机不同，目前为止，国际上对微型飞行器还没有一个准确的定义，但根据美国国防高级研究计划局最初提出的一些数据规定，我们可对微型飞行器做如下表述：
特征尺寸不大于15cm；时速为30～60km/h；重量仅50～100g；可携带20g的有效载荷；飞行20～60min；可实时传输图像；能自主控制飞行。

最一开始，微型飞行器是为了满足“单兵作战”的要求而生的，为了能达到“单兵就能携带”的目的，使单兵装备更加多样化、数字化和智能化，科学家研究制造了最早的无人机，如美国佛罗里达大学研制的15cm固定翼微型飞行器，Aerovironment公司先期研制的“黑寡妇”15cm 固定翼飞行器。

与一般的飞行器不同，微型飞行器不光在尺寸上小了很多，其气动特性与常规飞行器相比也有很大的不同，一般飞行器的气流雷诺数通常在107以上，而微型飞行器的雷诺数竟小到103～104，这直接导致了微型飞行器在飞行原理、构造类型、布局和内部的控制等诸多方面都大异于常规飞行器。

所以，从一开始，微型飞行器就宣告了一个全新存在的诞生。

微型飞行器具体都有哪些特点呢？早在真正的微型飞行器诞生之前，美国国防高级研究计划局就提出，微型飞行器及其系统应具有如下特点：
（1）适合军用
（2）能携带全天候的近距离成像系统，分辨率应足以使操作人员分辨出发送区内的重要细节。

（3）应具有准确确定地理位置的能力。

（4）重量轻、坚固耐用，以便能放在士兵的背包里携带。

（5）价格低廉，甚至可以一次性使用。

（6）隐蔽性好，飞行器难被发现，使用人员的位置不容易暴露。

当时，专家们主要是根据微型飞行器适应“单兵作战”的需求，提出了这些要求。

但很明显，微型飞行器的这些特点在军事和民用方面，还有着潜在的更为广泛的应用。

事实上，微型飞行器一经问世，就引起了世界各国的广泛关注，一些工业先进的国家更是投入了大量的人力物力，试制各种微型飞行器，这使得微型飞行器在短短的十几年间飞速发展，如今，它主要有如下用途：
军事上：战场前沿地带近距离侦查与监视；对于卫星和侦察机难以发现的、隐蔽的军事目标，进行准确定位；便于单兵或小分队携带，能用来保证单兵之间的信息传递；用于敌后侦查和贴近目标侦查；生化环境探测，可借助气体、测试等传感器，探测特殊环境的生物或生化武器的危害程度，及时为作战部队提供生化防护信息；作为一种特殊的攻击武器，近距离攻击目标等等
民用方面：用于特殊生化环境探测，如气体污染等；复杂地形的探测；森林防火；机场附近驱鸟；城市交通监管；电力巡线；空中监视与攻击；空中航拍等等。

那么一个普通的微型飞行器是靠什么装置完成复杂的任务的呢？这要从微型飞行器的结构说起。

一般而言，微型飞行器不会自己单独地去执行任务，而是要有一个包括其自身在内的微型飞行器系统协同工作。

这个系统通常由飞行器平台分系统、信息传输分系统、地面测控分系统、任务载荷分系统四部分组成。

飞行器平台分系统包括微型飞行器的机体（包括机身、机翼、尾翼），动力装置（包括微型无刷电机、电子调速器和螺旋桨等），能源装置（包括电池、电源分配器），飞行控制和导航控制系统，伺服机构（包括伺服电机、连杆、摇臂或扑翼驱动机构）；信息传输分系统包括机载信息传输装置和地面信息传输装置，主要构成包括天线、机载或地面无线信号收发机等；地面测控分系统则主要包括手持监控平台（包括显示器、遥控操纵杆等），数据处理系统（包括微型计算机处理系统），地面能源装置，简易地面设备挂包；任务载荷分系统是根据不同任务使命的微型飞行器而设计的不同机载设备，如侦查设
备、电子干扰器、气体采集器等。

除了这四个硬件系统外，微型飞行器还必须有一套与自己相适应的软件系统，才能保证它的正常工作。

有了这么一套硬件和软件系统，微型飞行器就能在工作中大展身手了。

时值今日，微型飞行器已经在许多行业扮演起了重要角色，这也成就了各种不同类别的微型飞行器。

现在的微型飞行器，按其飞行原理和构造方式划分，主要可分为三大类：固定翼微型飞行器，扑翼微型飞行器，旋翼微型飞行器。

固定翼微型飞行器是指其机翼构型相对于机身或机体纵轴“固定”不动的微型飞行器。

其气动原理类似于现在飞机的气动原理，依靠“固定翼”的上下气动“压力差”获取升力。

固定翼微型飞行器是目前几种微型飞行器中飞行速度最快的一种，它前进阻力小，获得升力的动力耗能小，但不能在空气中悬停。

扑翼微型飞行器是指其机翼构型相对于机身或机体纵轴有主动驱动的大幅度上下周期扑动的微型飞行器。

它的飞行类似于鸟类的飞行模式，飞行器的升力和前进的推力都是由扑翼产生。

这种飞行器目前还不成熟，能耗较大，它的优点是可以调节前进加速度到很小或短暂的悬停，转弯半径小，从使用角度看隐蔽性好。

旋翼微型飞行器是指以旋翼为主要获得升力和前进力的微型飞行器。

从气动原理上来说，这种微型飞行器旋翼的拉力矢量主要向上，以旋翼的拉力提供飞行器的升力，飞行器前进的拉力来源于尾翼拉力矢量的小角度偏转所产生的水平分量。

旋翼微型飞行器的特点是具有垂直起降和空中悬停的功能，并具有在比较狭小的区域中飞行的能力，不过其噪声相对其它微型飞行器也较大。

科技每一天都在进步，事物每一天都在发展，作为一项高科技产品微型飞行器也概莫能外，那么未来它又将向哪个方向发展，以更好的满足我们的生产生活需要呢？经过一段时间的探索与研究，科学家们提出了以下观点。

首先便是系统部件的超微型化，随着集成化技术的发展，微型飞行器的尺寸将进一步减小，其质量也将进一步减轻，眼下其重量还依然受制于动力装置和能源系统。

微型飞行器也将从单纯的侦查功能向多用途化方向发展，未来的微型飞行器除了单纯的侦查与监视外，还能用于采集气体样本、对环境录音、获取红外特征目标等等。

三是微型飞行器将能穿越城市楼间执行任务，目前微型飞行器尚不具备实用的自主避障功能。

四、群峰式组网作战，受蜜蜂的启发，未来微型飞行器将可能组成微型飞行器群，进行组网作战，这种新的“群蜂战术”将大大加强对目标的打击力度。

五、新型智能化仿生微型飞行器，随着仿生学的进步，越来越多的微型飞行器将被赋予飞鸟昆虫的外形，更加灵活也更易于伪装。

六、室内自主识别环境微型飞行器，室内飞行除了要有高超的避障能力外，还必须面对卫星导航易失效的挑战，未来，这些难题将被解决。

总之，随着科技的进步，相信微型飞行器会有一个更加辉煌的明天。

参考文献：
[1]昂海松微型飞行器系统技术科学出版社 2014（01）.
作者简介：叶洋（1993-2-8），现就读于郑州大学机械工程学院。