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无人机

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无人机介绍
无人机关键技术
无人机的应用
民用无人机方面的一些最新进展
中国无人机的研究
我国无人机管理将有法可依

无人机介绍

  无人机(unmanned aerial vehicle,简称UAV)是一种由无线遥控设备或由程序控制操纵的无人驾驶飞行器。它不需要飞行员在机舱内进行驾驶,飞行过程由电子设备控制自动进行。飞机上不用安装任何与飞行员有关的设备,这样就有效地节省和利用空间装载应用设备以完成赋予它的各种任务。无人机与有人驾驶飞机的最大区别是,单纯依靠无人机本身是不能完成任何任务的,它需要一套严密的控制系统和根据任务需要搭载的应用设各,所以无人机也称为无人机系统。

  无人机最早诞生于1917年,由英国人制造出第一架无人机,至今已有近百年的历史了。但是无人机的应用则始于20世纪50年代。早期的角色是作为靶机使用,后来逐步用于空中侦察、电子对抗、目标指示等领域。在60年代的越南战争和70年代的中东战争中,无人机都有重要表现。无人机的快速发展和广泛运用是在海湾战争以后。以美国为首的西方国家充分认识到无人机在战争中的作用,竞相把高新技术应用到无人机的研制与发展上。轻型材料的使用和新的设计大大增加了无人机的续航时间;先进的信号处理与通信技术提高了无人机的图像传递速度;自动驾驶仪能使无人机自动改变高度和航向飞往目标,地面操纵员可以通过计算机根据需要改变无人机的飞行数据。

  无人机经过了近百年的发展,其产品种类繁多,外形千奇百怪,很难用简单的语言将其一下子介绍清楚。如果以飞行距离的长短进行分类,有短程无人机、近程无人机、中程无人机和长航时无人机;如果以飞机的外形分类,有微型无人机、小型无人机、中型无人机和大型无人机;如果从军事用途上进行分类,有靶机、侦察机、干扰机和攻击机:如果从飞行原理上分类,则有固定翼无人机和旋翼无人机(即无人直升机)等。小型无人机(Mini-UAV)的最大起飞重量只有几千克乃至几十千克。由于其携带方便,操作简易,成本低廉,因而具有广泛的应用前景。比如以色列的“云雀”,重约6千克,直径12厘米,通过助推器或小型火箭发动机肩扛发射。发射后其机翼(翼展1.5米)在电动机动力作用下迅速打开进入飞行位置。该机装有一台摄像机,可提供空中即时影像。最大飞行距离10千米,可在目标区域上空飞行60多分钟。“云雀”无人机可从屋顶、窗口或狭窄小巷发射,即使对恶劣环境也有较强的适应性,应用一台笔记本电脑就可以对其进行操控。

无人机关键技术

   无人机主要有五项目关键技术,分别是机体结构设计技术、机体材料技术、飞行控制技术、无线通信遥控技术、无线图像回传技术,这五项目技术支撑这现代化智能型无人机的发展与改进。

  机体结构设计技术:飞机结构强度研究与全尺寸飞机结构强度地面验证试验。在飞机结构强度技术研究方面,包括飞机结构抗疲劳断裂及可靠性设计技术,飞机结构动强度、复合材料结构强度、航空噪声、飞机结构综合环境强度、飞机结构试验技术以及计算结构技术等。

  机体材料技术:机体材料(包括结构材料和非结构材料)、发动机材料和涂料,其中最主要的是机体结构材料和发动机材料,结构材料应具有高的比强度和比刚度,以减轻飞机的结构重量,改善飞行性能或增加经济效益,还应具有良好的可加工性,便于制成所需要的零件。非结构材料量少而品种多,有:玻璃、塑料、纺织品、橡胶、铝合金、镁合金、铜合金和不锈钢等。

  飞行控制技术:提供无人机三维位置及时间数据的GPS差分定位系统、实时提供无人机状态数据的状态传感器、从无人机地面监控系统接收遥控指令并发送遥测数据的机载微波通讯数据链、控制无人机完成自动导航和任务计划的飞行控制计算机,所述飞行控制计算机分别与所述航姿传感器、GPS差分系统、状态传感器和机载微波通讯数据链连接。本实用新型采用一体化全数字总线控制技术、微波数据链和GPS导航定位技术,可使无人机平台满足多种陆地及海上低空快速监测要求。

  无线通信遥控技术:无人机通信一般采用微波通信,微波是一种无线电波,它传送的距离一般可达几十公里。频段一般是902-928MHZ,常见有MDSEL805, 一般都选用可靠的跳频数字电台来实现无线遥控,北京节点通有成熟的应用。

  无线图像回传技术:采用COFDM调制方式,频段一般为300MHZ,实现视频高清图像实时回传到地面,比如NV301等,节点通有多种应用。

无人机的应用

  民用领域对无人机的要求飞行速度通常在100公里每小时以下,飞行高度在3000米以下,某些特殊应用在4000~5000米。由于无人机的经济性、安全性、易操作性,在很多民用领域对无人机都有着旺盛的需求,小型无人机可广泛应用于防灾减灾、搜索营救、核辐射探测、交通监管、资源勘探、国土资源监测、边防巡逻、森林防火、气象探测、农作物估产、管道巡检等领域。由于小型无人机的航空特性和大面积巡查的特点,在洪水、旱情、地震、森林 大火等自然灾害实时监测和评估方面特别具备优势。

  以无人机为飞行平台,利用高分辨CCD相机系统获取遥感影像,利用空中和地面控制系统实现影像的自动拍摄和获取,同时实现航迹的规划和监控、信息数据的压缩和自动传输、影像预处理等功能,可广泛应用于国家生态环境保护、航空摄影、测绘、矿产资源勘探、灾情监视、交通巡逻、电力巡线、治安监控、应急减灾、应急指挥、人工降雨、国防安全、国土资源勘探、城镇规划、地震调查、环境监测、森林防火、农作物估产、保护区野生动物监测、大气取样、海事侦察、边境巡视、禁毒侦察、消防侦察、生态环境保护、海洋环境监测、土地利用调查、水资源开发、农作物长势监测与估产、农业作业、自然灾害监测与评估、城市规划与市政管理、森林病虫害防护与监测、数字城市等领域。

  空中通信中继是无人机的一个重要用途。当自然灾害(如地震、洪水、泥石流、海啸等)发生时,在一定地域内地面原有的有线、无线通信系统均遭到破坏,此时此地,在最需要通信联络的时候信息传递就成为一个大问题。而无人机则可以作为一个便捷的通信中继机,在指挥中心与现场之间搭建一条无形的信息“桥梁”,快速构成一个应急局域无线通信网以解燃眉之急,为救灾赢得宝贵时间。

 

民用无人机方面的一些最新进展

  各国特别是美国民用无人机的应用正在迅速升温。目前用于民用任务的无人机除少量专门发展的型号外,大多都由军用无人机修改而成。一些大中型长航时军用无人机,如“捕食者”和“全球鹰”在修改后,也将广泛应用于民用领域。

  要进一步扩大民用无人机的应用,最重要的一点是,必须装备探测与回避系统,以便它在民用空域中飞行时,不会同有人飞机或其他无人机相撞。

  无人机用于灭火和全球变暖研究

  NASA德莱顿飞行研究中心正在研究将伊克纳(Ikhana)无人机用于森林灭火,而美国海洋与大气局(NOAA)已着手采用无人机进行天气预报和全球变暖的研究。

  伊克纳无人机是“捕食者”B的一种民用型,能在6900米的上空缓慢飞行,如果能及时获得FAA在美国空域中飞行的授权证书(COA),该无人机就可以在易发生森林大火的秋季进入正在美国西部一些州进行森林火情监视。

  德莱顿飞行研究中心去年曾采用租赁的“牵牛星”无人机探测森林火灾,并用艾姆斯研究中心提供的红外扫描器获取它们的图像。该扫描器将再次用在伊克纳无人机上。

  德莱顿中心去年与FAA的COA谈判拖了一段时间,导致无人机森林火灾研究小组错过了大部分火灾季节。今年,德莱顿中心通过谈判已获得了在美国西部各州大块面积上空进行飞行的COA证书,提出的三条任务航路的每一条的覆盖范围都不超过三个不同的空中交通管制区域,从而减轻了FAA的空管工作。

  伊克纳无人机上获得的火灾红外图像将被中继到艾姆斯中心,通过谷歌地球公司的一种工具进行集成,将伊克纳无人机得到的图像、气象数据和从卫星得到的火灾图像重叠成单个图像提供给美国跨部门防火中心的防火指挥员们。这种“战略”工具将有助于防火指挥员们决定如何部署防火资源。

  除防火任务外,研究小组正在考虑在伊克纳无人机上进行机翼形状敏感系统的试飞,这种系统将采用胶接或嵌入在伊克纳机翼中的光纤,实时计算机翼的形状,如果机翼的变形太大,机上控制系统就可采用襟翼减轻机翼的载荷,防止其断裂,希望能避免再次发生2003年6月一架“太阳神”无人机因机翼弯曲过度断裂而坠毁的事故。

  与此同时,NOAA也将参加到NASA对无人机的试飞中来,正在申请2008财年用330万美元来研究无人机如何能在气象和气候预测方面发挥作用。

  这笔资金将启动无人机在以下三个区域中的科研试飞:美国的墨西哥湾和大西洋沿岸;影响美国大部分气象情况的太平洋区域;北冰洋区域,无人机在那里收集的数据有助于改进对全球变暖的预测。

  一些科学家声称,北冰洋变暖的速度要比地球上其他地方快一倍,某些模型甚至预测,只要再过30年,北冰洋中的夏冰将完全消失。因为无人机可在地理上的同一点反复地收集数据,所以NOAA希望用无人机能确认或反驳这种模型的预测。

  NOAA计划采用一架长航时无人机用于北冰洋科考任务,例如从阿拉斯加飞到北极再返回,沿途释放下投式传感器在不同高度进行测量,通过一段时间的反复测量,就可计算出融冰的能量有多大。

  NOAA希望无人机科研经费在2010年到2014年每年将上升到几千万美元,就可与NASA的伊克纳或“全球鹰”进行联合飞行研究。

  与此同时,NOAA计划今年继续用爱罗松德公司制造的2.9米翼展的“飓风”无人机继续进行风暴探测的研究。2005年9月NOAA的这种“飓风”研究无人机曾飞入热带风暴奥菲莉亚进行探测。由于用有人驾驶飞机在飓风中飞行的风险太大,而且它们只能保持在3000米上空飞行,而爱罗松德无人机可在海面上空90?150米测量,这样的高度很适合了解风暴从海洋中如何汲取热能,在2005年探测中,由于无人机一度飞行得如此低,以至于它们在返回时,机翼上沾满了盐水。

  北冰洋的无人机气候研究项目可作为一项更大计划的探路者,这项计划是得到国际上支持的高空无人机气候研究计划可形成在世界海洋上空连续飞行的全球网络,所提供的数据是轨道卫星难以匹敌的。

  NOAA已在研究用40架“全球鹰”量级的无人机从12个前沿基地出发飞24小时的探测任务。这项计划将耗资巨大,估计每年需要6亿美元。

  如果要改进全球气候,就要减少二氧化碳的排放量,要想强制减少二氧化碳的排放量需要有关二氧化碳正在何处排放,以及是谁在排放的确切资料,而通过无人机网就能很有效的收集到这些数据,因此,相对于10万亿美元来说,6亿美元可以说是微不足道。

  美国国土安全部扩大无人机应用

  美国国土安全部下属的海关和边境防护局(CBP)计划于明年初在墨西哥湾沿岸和加勒比地区试验用陆基无人机进行宽扫描幅度海上巡逻的可行性。CBP将与美国海岸警卫队、NOAA及其他机构一起在2008年初的飓风季节到来之前进行为期3?4星期的试验。美国海岸警 卫队本来希望从舰船发射的垂直起飞无人机以延长远程海上巡逻范围,但因面临预算超支和进度拖后,原计划的贝尔“鹰眼”无人机的发展工作已经搁置,希望再找一家合作伙伴发展一种新的垂直起飞无人机。

  CBP现在美墨边境用两架“捕食者”B无人机进行巡逻,同时将用一架装备以色列的海上雷达系统的“牵牛星”来进行今后开发新的无人机的试飞,计划从廷达尔空军基地出发,在完成几次试飞后,CBP将召开一个有海岸警卫队和NOAA参加,可能还有美国国防部参加的会议,来制定对新无人机的需求、功能和优先性能要求。

  与此同时,CBP继续扩展其“捕食者”B在美国与加拿大边境的巡逻。该局的第三架无人机预计在9月份交付,将于2008年春部署在北方边境。其第四架“捕食者”B预计将于2007年晚些时候部署在西南边境,它也可能成为其海上型的样机。所有的“捕食者”B都将装备光电/红外摄像机系统,多功能“山猫”合成孔径雷达和地面运动目标指示雷达。

  CBP已设想美国最终将有20架无人机将在陆地边境和海岸巡逻,但他们目前最关心的问题是培训操纵“捕食者”B的人员,现在CBP还没有人获得操纵无人机起飞和着陆证书。

  也许最大手笔的无人机项目是美国国土安全部科技局提出的采用高空无人机作为机场空域的监视平台,以保护在机场起降的飞机不受肩扛式地空导弹攻击。这个项目是要试验部署能在19500米高空巡逻的无人机,可探测小型肩扛式地空导弹的热特征,并诱使它们飞出它们的最大升限而成为无害的东西。

  这个项目还在考虑的其他任务包括:用作通信中继平台,用于减灾救灾,支持其他部门的边境和海岸保安工作,以及监视关键基础设施,如输油管路等。

  一种注重实效的探测与回避系统

  如果最近在荷兰试飞的一种注重实效的探测与回避系统得到采纳的话,中等尺寸和大尺寸无人机集成在非隔离空域中运行将有可能在2010年以前实现。这种系统组合了基于应答机的TCAS(交通警戒和防撞系统)和敏感与回避系统,可以探测非合作目标。荷兰2007年4月试飞的这种系统不用另外再安装一组专用传感器,而采用大多数长航时监视无人机现在都在使用的光电/红外(EO/IR)传感器任务载荷。

  作为270万欧元(370万美元)的“流浪者”(Outcast)技术项目的一部分,位于阿姆斯特丹的荷兰航空航天实验室(NLR)的工程师们用一架头部装有以色列拉菲尔公司的“顶光”II (Toplite)传感器转台的“奖状”飞机进行了一次低空漫游飞行,以鉴定无人机的探测与回避系统。

 

中国无人机的研究

  国内无人机近几年来发展比较快,民企也多,国内现在发展无人机的趋势越来越好而除军事用途外,由于无人机成本相对较低、无人员伤亡风险、生存能力强、机动性能好、使用方便等的优势,使得无人机在航空拍照、地质测量、高压输电线路巡视、油田管路检查、高速公路管理、森林防火巡查、毒气勘察、缉毒和应急救援、救护等民用领域应用前景极为广阔。正是因为看到未来无人机的民用市场潜力巨大,除一些科研院所外,民营企业也开始介入无人机市场。目前粗略估计全国约有170多家单位在生产无人机。“就低端产品而言,一套无人机系统的生产成本有可能不超过几十万元,这也是中国有众多厂家看重无人机市场前景的一个原因。

  中国无人机的研究始于50年代后期,1959年已基本摸索出安一2和伊尔-28两种飞机的自驾起降规律。60年代中后期投入无人机研制,形成了长空l号靶机、无侦5高空照相侦察机和D4小型遥控飞机等系列,并以高等学校为依托建立了无人机设计研究机构,具有自行设计与小批生产能力。其中无侦5的研制在中国无人机发展史上具有重要意义。

  为了国防建设和科学研究的需要,1969年国家下达研制高空无人驾驶照相侦察机的任务,研制工作由北京航空学院承担。主要用于军事侦察、高空摄影、靶机或地质勘测、大气采样等科学研究。无侦5是一种在高空、高亚音速条件下飞行,执行昼间高空摄影侦察任务的无人机。它使用的可见光照相机能绕其纵轴左右摇摆,从5个窗口进行拍摄。飞机上装有一台小型、短寿命的涡喷-II发动机;一整套自动控制系统和无线电遥控遥测系统。飞机本身无起落架等起飞着陆装置,由大型飞机带飞到4000—5000米的高度投放。空中投放后自动爬升到工作高度。在飞行中,按预编程序控制高度、航速、飞行时间和航程。完成任务后,自动返航,飞到回收区上空,可在程控或遥控状态下进行伞降回收。

  北京航空学院承担研制飞机机体、发动机和地面无线电控制站的任务,并负责飞机的总装、总调和飞行试验。为此,他们迅速组成工作班子,集中全院的技术力量投入研制工作。1972年制造出两架原型机并首飞成功:1973年的第二次试飞;1975年进行的大高度中航程科研试飞,达到了预定目的;1976年又制造的两架全部使用了国产材料的样机,同年北京航空学院正式成立无人机设计研究所,下设总体、结构、发动机、自动控制、无线电等研究室率和部装、总装车间及环境模拟试验室。无侦5于1978年完成定型。1980年国家批准无侦5设计定型。1981年起开始装备部队,在部队训练和战术侦察中发挥了作用,是中国在无人机技术领域里的一次飞跃。   20世纪末,中国无人机发展提速,除了北京航空学院外,西安爱生技术集团公司(西安无人机研究发展中心)成为国内一家主要的无人机研制生产厂商。它是航空工业总公司设在西北工业大学集科、工、贸一体化的现代化高科技企业,主要研制和生产系列化小型无人机系统,被国务院发展研究中心确认并入选“中华之最(1949—1995)”,是我国最大的无人飞机科研生产基地。40年来,公司研制出B-1、B-2、D-4、ASN-104、ASN-105、ASN-206、ASN-7、ASN-9、ASN-12、ASN-15、鸭式布局验证机等十多种型号的军用和民用无人机,已累计生产4000余架。其中,ASN-206获同家科技进步奖一等奖,ASN-105获国家科技进步奖二等奖,D-4多用途无人机获国家科技进步奖一等奖。ASN系列无人机人量装备全国各大军区,并已批量出口国外。中国生产的各种型别的无人机,基本上满足了国内军需民用,并且逐步走向国际市场。2006年珠海航展上首次出现的“暗剑”是国内开发的高机动无人战斗机。具备隐身能力和高机动性能的“暗剑”是未来空中作战平台的概念机,同时参展的还有类似气动布局的有人战斗机,这种有、无人机通用平台的设计思想与美国下一代战斗机的发展方向基本相同。“暗剑”是一种在战术目标和技术思想上与“战鹰”完全不同的机型——“暗剑” 没有“战鹰”那样重视突防能力和隐蔽性,而是通过气动布局上的考虑提高机动性能。“暗剑”虽然也具备低信号特征和挂载对地武器的内部弹舱,但是明显的气动特征却表现出其重视空战性能的设计目标。“暗剑”是中国航空科研系统唯一公开的无人战斗机技术发展的项目。无侦-5型(又称WZ-5)无人机是仍在中国人民解放军空军服役的一种无人侦察机。早在20世纪60年代,中国人民解放军空军就曾击落过几架隶属于美国战略空军司令部的“火蜂”式无人侦察机,当时它们正在执行对中国大陆的侦察任务。至少有一架被相当完好地缴获,并被送往研究机构进行分析和仿制。北京航空航天大学修复了一架“火蜂”式无人机,并成功地使它重返蓝天。20世纪70年代后期,中国开始仿制“火蜂”式无人机,并将其命名为WZ-5型无人机,其出口型号命名为CH-1型(“长虹”-1)。WZ-5型无人机由一架母机运载和发射,母机最初是经过特殊改进的图-4“公牛”式轰炸机,后来又改为西安飞机公司生产的运-8E型运输机。这种无人机由降落伞进行回收。无侦-5型无人机曾在1979年的中越自卫反击战中使用过,目前仍作为惟一的一种远程无人侦察机在中国人民解放军空军服役。 据最新报导显示,一种改进型WZ-5/CH-1型无人机已经进入现役。这种新型无人侦察机据称安装有全球定位系统和惯性导航系统。这种无人机采用一台WP-11型涡轮喷气发动机,推力达8.33千牛。该机可携带光学、电视、红外摄像机等装备。 WZ-5的性能数据如下:翼展9.76米;机长8.97米;机高2.18米;空重1060公斤;最大起飞重量1700公斤;任务装备65公斤;燃油重量620公斤;最大时速800公里(在17500米高度);航程2500公里;续航时间3个小时,飞行高度17500米在2008年的珠海航展上,蓝灰色涂装的“彩虹”-3无人机模型,该机具有如下特点:

  一,体型较大,其翼展8米,机长5.5米,起飞重量达640公斤;
  二,有效载荷60公斤,最大载荷100公斤,可携带光电侦察设备甚至AR-1型空地导弹(下文将重点介绍);
  三,巡航高度3000至5000米,最大升限6000米,较普通无人机更优秀;
  四,配备3点式起落架,可以从跑道起飞,而其他无人机通常只能弹射起飞;
  五,采用活塞式发动机,滞空时间长达12小时,最大航程2400公里,许多载人战机都难以企及。

 

我国无人机管理将有法可依

  在标准方面,无人机领域目前有44项国家军用标准,而民用领域的国标和行标仍为空白。这一现象有望改变。中航工业集团下属的中国航空综合技术研究所相关负责人透露,工信部正在制定无人机市场准入要求,交通运输部在制定无人机频谱要求,民航总局关于无人机的安全性适航标准也在酝酿中。

相关附件:民用无人机空中交通管理办法(MD-TM-2009-002)



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