微型飞行器的发展及其应用前景

微型飞行器（MAV）是于20世纪90年代发展起来的一种新型飞行器。其应用
技术基本上已超出传统的飞机设计和空气动力技术的研究范畴，是对传统航空技
术的一种挑战，同时它的出现也开拓了纳米技术和微机电系统技术在航空领域的
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应用．．。微型飞行器的发展和应用，必将推动国防科技工业的发展，并且具有广阔

的民用前景。
微型飞行器（Micro Air Vehicle，简称MAV）是新技术发展的必然产物，
是目前国内外研究的一个前沿和热点问题。微型飞行器的概念源于20世纪90
年代。1995年，美国国防高级研究计划局（DARPA）认为，微型飞行器是一种尺
寸为15厘米大小并能靠其自身能力飞行和完成各种探测任务的飞行器。微型飞
行器的特点是，其尺寸在15厘米以下，重量从10克到100克，有效载荷18克
左右，外形有固定式机翼、旋翼式和扑翼式三种，有的很像各种昆虫，使用高度
从几十米至几百米，飞行速度从10米/秒～20米/秒（35千米/小时～70千米/
小时），任务半径几千米（用炮弹发射可达20千米以上），滞空时间为20～60
分钟。
微型飞行器的应用
在军事方面，MAV可以装备到排一级士兵，进行低空军事侦察、监视、战场
损伤评估等；当作反辐射和微型攻击武器，摧毁敌方雷达等电子设施以及携带微
型战斗部进行攻击；用于目标搜索和通信中继；进行生化探测，并标定危险区域
等。在民用方面，MAV可以用于交通监控、边境巡逻、森林及野生动植物勘测、
航空摄影、输电线路检查、环境监测、气象监测、森林防火监测等。正是由于微
型飞行器在军事和民用方面极其广阔的应用前景，使其得到了世界许多国家的极
大关注，很快成为国际上新的研究热点。
微型飞行器是单个士兵就可配置和使用的新式武器，通过它可以起到延长
眼睛和耳朵的作用，以支持战术决策，因此成像任务是其最为优先的任务。根据
美国陆军训练和基本原则，微型飞行器的任务大致有以下几项： ·航路侦察 为
了查明航路状况是否具有障碍物、埋伏以及其它敌情，小部队易于部署MAV进行
航路侦察，以供友军使用。这种任务可以在露天或城区的各种地形情况下完
成。 ·点目标观察 小部队部署MAV来观察点目标，例如在桥梁和建筑物上进行
情报收集或目标支援。另外还可在目标后面进行预警/掩护部队执行任务。被观
察的位置距发射点可为5～10公里，因此当风险太大而不宜部署人或没有足够的
时间来获得人所要求的位置时，则使用MAV。 ·城市作战 在城区的军事作战中，
MAV对掩护友军将是非常重要的。一般来说，MAV在城市作战中将沿着道路、小
巷、城市水路以及建筑物之间、建筑物后面和建筑物顶部悬停侦察，并完成成像
任务。 ·特殊任务 特殊任务包括信号侦察、电子干扰、通信中继、核、生化感
应，或微型传感器的定位，MAV也可以执行异常任务，例如： ·在限定的机动
环境中进行目标搜索，如在小巷里巡逻，在天篷或空的洞穴下搜索目标； ·精
确的机动目标监视，即可在窗户里监视； ·保持在某一站点上延长时间巡逻/
监视； ·扩大作战距离，把MAV发射到靠近行巳さ奈恢貌⒃?0公里或更远一些
的位置进行监视； · 精确投放，包括用指示器标记目标，例如红外（IR）反射
涂料或一种无线电频率标记，以使射入的军火能够"看到"目标，或者投放小的地
面传感器，例如用于远距离监视的声传感器。 总之，MAV可以在许多分散士兵
的敏感任务环境中使用。 3 国外微型飞行器的发展现状 随着微米/纳米技术的
飞速发展，一种体积如甲壳虫、苍蝇、蚂蚁乃至跳蚤的微型武器即将出现，微型
飞行器就是其中之一。美国是涉足微型飞行器研究最早的国家，并已取得了重大
进展。另外，英、法、德、以色列、瑞典和加拿大等国也对微型飞行器进行了积
极的研究与探索。 （1）美国 美国是研究微型飞行器最早的国家。早在1996
年，美国国防部就把微型飞行器列为21世纪美国排级士兵的随身装备，而在1997
年4月，美国DARPA正式立项，制订了一个为期4年、耗资3500万美元的微型
飞行器研究与验证计划，1998年4月DARPA与一些研究单位签订了研究合同，
其研究范围涉及飞行器及其主要子系统，如推进系统、飞行控制/引导系统和传
感器等相关技术的研究。美国在微型飞行器的研究方面已取得了重大进展，其技
术水平目前处于世界领先地位。近几年来，美国已研究出多种设计方案，其中"
微型星"是重点研究方案，最终方案预计2001年年底前试飞。 （2）法国 法国
也对该领域进行了开发与研究，他们首先对翼展为20cm的微型飞行器进行概念
性研究。法国武器装备部在2000年启动为期5年的联合计划，目的是对微型飞
行器及其系统技术和作战使用进行论证。法国研制的微型飞行器计划在2005年
前进行首次飞行（不带有效载荷）。最初两年的研究将在几所大学和工业部门的
科研实验室联合进行，并向法国武器装备部提供设计方案。 该联合计划来源于
30年远景规划。法国武器装备部对微型飞行器联合计划非常重视，因为武器装
备部只启动了几项这类规模的计划。武器装备部负责陆空联防系统的一位官员预
计，微型飞行器将用于陆军执行观测任务，即观测复杂战区，如城市和楼群；也
可扩大步兵作战视野（视觉屏蔽，如山丘、城墙等）。计划的第一阶段是审查和
探索如何满足微型飞行器提出的许多硬指标。据法国武器装备部的微型飞行器专
家介绍，现已有设计方案，尤其是在民用领域。 另外，英国、德国、以色列、
瑞典和加拿大等国也对微型飞行器产生了极大的兴趣⒔辛擞泄氐难芯抗ぷ
鳌?

微型飞行器的研究现状
国内外各大科研机构广泛开展了对微型飞行器本体及其子系统的研究和开
发，并研制了一系列原理性样机。按照飞行模式的不同可以将微型飞行器分为：
微型固定翼飞行器、微型旋翼飞行器、微型扑翼飞行器等三种类型。
微型固定翼飞行器 微型固定翼飞行器的典型代表是美国航空环境公司
（AeroVironment）研制的Black Widow和洛克希德桑德斯公司（Lockheed
Sanders）研制的MicroStar。Black Widow微型固定翼飞行器翼展15厘米，起
飞重量56克，使用锂电池、携带摄像头以40公里/小时的速度飞行了22分钟，
数据链范围15公里。包括气压发射架、地面控制系统和自动追踪天线在内的整
个系统可装在一个手提公文箱内，总重只有6.8公斤。MicroStar微型固定翼飞
行器翼展为15厘米，起飞重量85克，其中动力源44.5克，有效载荷18克，发
动机重13.5克，巡航速度48公里/小时，续航时间20分钟，飞行距离5.6公里。
具有自动驾驶系统和电视摄像机，采用手持式发射器或直接手掷发射。
微型旋翼飞行器 微型旋翼飞行器与微型固定翼飞行器相比其最大的优点是：
能够垂直起降和悬停，适宜于在比较狭小的空间或复杂地形环境中使用。微型旋
翼飞行器的典型代表是洛克尼克公司（Lutronix）研制的Kolibri和斯坦福大学
研制的Mesicopter。Kolibri微型旋翼飞行器的基本尺寸为10厘米，重316克，
采用重37克的微型柴油发动机为动力，燃油重132克。该飞行器上部装旋翼，
下部装照相机，采用GPS自动驾驶，可以垂直起降和旋停，留空时间至少30分
钟，可携带大约100克的设备。Ｍesicopter微型旋翼飞行器是一个厘米级大小
的飞行器，其机身为16×16毫米的方形框架，有四个螺旋桨，螺旋桨直径为15
毫米，厚度仅为0.08毫米。每个螺旋桨由直径为3毫米，重325毫克的微型电
机驱动。目前这一研究项目已经完成了试验样机在一竿臂上的离地起飞，进一步
的工作仍在继续，最终目标是实现自主飞行和多个飞行器协调完成具体任务。
微型扑翼飞行器 微型扑翼飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新型飞行器。
与微型固定翼和旋翼飞行器相比，其主要特点是将举升、旋停和推进功能集成于
一体，具有很强的机动性和灵活性。因此，更适于执行侦察任务。近年来，在
DARPA的资助下，微型扑翼飞行器的研究取得了一定的成果。较典型的微型扑翼
飞行器是加州技术学院研制的MicroBat和斯坦福研究中心（SRI）研制的Mentor。
MicroBat微型扑翼飞行器是最早的电动扑翼飞行器。其机翼是采用微型机电系
统MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)技术加工制作而成的。通过重量轻、
摩擦低的传动机构将微电机的转动变为机翼的扑动。该飞行器目前已经发展了四
种不同的原理样机。目前飞行性能最好的是第四代样机（图1.7.11），该机采
用锂离子电池为动力，总重11.5克，最大尺寸20.32厘米，飞行方式为无线电
遥控飞行，最大续航时间为6分17秒。
在DARPA资助下，美国斯坦福研究中心（SRI）研制的Mentor微型扑翼飞行器重
50克，有四片机翼，以电致伸缩聚合体人造肌肉EPAM（Electrostrictive Polymer
Actuated Muscle）为动力。目前正在进行该飞行器的气动力特性实验

微型飞行器的关键技术
从微型飞行器的研究现状来看，虽然已经取得了相当的技术成果，积累了一
定的经验，但是总的来说，微型飞行器还处于试验阶段，离实用化还有一定的差
距，其发展面临着来自诸多技术领域的严峻挑战。
低雷诺数下的空气动力学问题 微型飞行器与常规飞行器的空气动力学特性有
很大不同。常规飞行器的雷诺数约为106-108左右，空气的粘性效应可以忽略。
而微型飞行器的雷诺数大约在104左右，空气的粘性阻力相对较大，其影响无法
忽略。目前，微型飞行器在低雷诺数下的空气动力学问题还处在试验阶段，没有
具体的理论和经验公式可遵循。而常规飞行器设计中所采用的许多成熟技术，如
气动计算方法与软件系统，风洞实验技术不能使用，而必须发展新的理论和实验
技术。
微型动力装置和动力源问题 任何飞行器的飞行首先要解决的问题是动力问
题，没有动力飞行无从谈起。目前，微型飞行器可用的动力源有：内燃发动机、
燃料电池、微型涡轮发动机、电动机以及太阳能等。从能量转换效率来看，微型
内燃发动机具有良好的应用前景。但是内燃机的热效率只有5%左右，目前尚未
研制出真正可用的微型内燃发动机，而且内燃发动机还存在噪音大及可靠性差等
方面的问题，要解决这个瓶颈还需要作大量的相关工作。美国麻省理工学院在
DARPA资助下正在研制一种纽扣大小的微型涡轮发动机，该发动机采用MEMS技
术加工制作，工作原理与常规涡轮发动机相似，使用氢作燃料，直径为1毫米，
厚度3毫米，转速每分钟可达2.4×106转，重量仅1克，推力为0.05-0.1牛顿，
输出功率将达到10-30瓦。
此外，往复化学肌肉、电致伸缩人造肌肉、弹性动力、热电动力和太阳能等
新技术目前也在研究中。
飞行控制及导航技术 在飞行中，常规飞行器是依靠副翼、升降舵和方向舵来
操纵飞行器的滚转、俯仰和偏航的。对于微型飞行器而言，由于要减轻重量和低
雷诺数条件下的控制面效率低等原因，从而使常规的飞行控制方式遇到困难，一