小型飞行器基础

1、12级电气4班 方楚彬201231200404课程：小型飞行器基础微型无人飞行器微型无人飞行器是一种新概念武器，用微小型武器对付传统武器, 将导致未来战场出现尺度不均衡战争，由此对未来军事作战产生深远 影响。随着各种先进的微型制造技术、微电机技术、微电子和一体化技 术的发展,尤其是纳米技术的快速发展，微型无人飞行器的研制已成为 可能。微型无人飞行器(MAV)的概念是由美国于20世纪90年代最先 提出的，并进行了可行性论证。研制出的微型无人飞行器特征是:最大 尺寸为15cm，质量小于100g，航程大于10km，最高时速达80km/h,最高 飞行高度可达150m。它还应有导航及通信能力，可用手掷或

2、飞机部署, 具有侦察成像、电磁干扰等作战效能，一次性使用的微型无人飞行器 的价格预计在1000美元以下。目前,美国有十余项微型无人飞行器研 究计划在进行，包括固定翼、旋翼和扑翼微型无人飞行器。一、微型无人飞行器的优势与有人驾驶飞机相比，选择微型无人飞行器有以下的优势：1.侦察和监视。现在担负侦察和监视任务的飞机中比较有代表性 的是美制的E3、俄罗斯制的A50有人驾驶侦察机等，但它们的体积庞 大，造价高昂，而且需要派专用的战斗机护航，运行成本高、易被发现和 摧毁,这是有人驾驶飞机不可弥补的缺憾。而微型无人飞行器却能够 携带全天候的传感器，适应在地面上方约50m高度执行侦察和监视任 务。它可以贴近

3、目标进行侦察，尤其是侦察卫星和军用预警机看不到 的死角或人员无法达到的险要地区进行侦察，还可以作为固定式、不 引人注意的地面传感器，实时而准确地将侦察到的信息传送到指挥中 心。由于有人驾驶的大型电子战飞机具有其自身不可替代的优势，比 如探测距离远、留空时间长等等，同时又具有上述缺点,所以在不久的 将来，用于战场侦察和监视领域，一定是有人驾驶飞机和微型无人飞行 器并存，同时发挥其不可替代的作用。2.实施突袭和其它秘密任务。现有的执行此类任务的飞机大多是 战斗机、对地攻击机比较著名的有:美国的AH64阿帕奇、F18A/F大 黄蜂、俄罗斯的苏25等;但是由于战场环境的日益复杂和防空武器的 日益发展,

4、飞行员执行任务的危险度增大，任务的完成难度亦随之增 大。当有人飞机执行此类任务时，往往需要低空对地攻击，不可避免地 会造成飞行员的伤亡，这时采用微型无人飞行器往往有意想不到的优 势。由于微型无人飞行器的尺寸小、雷达反射面积小、红外特征不明 显，人的肉眼和高科技侦察设备都难以发现，所以被发现的概率小，战 场生存率高。再者，即使被发现，也不会造成重大人员伤亡，而且微型无 人飞行器造价相对较低，若被击毁，所造成的经济损失也比有人驾驶飞 机要小。有人认为微型无人飞行器有效载荷小，怀疑其能否担当起突袭的 任务;而另有人以为将来火力打击的发展方向是精确有效，而不在于武 器的载弹量的大小。如果微型无人飞行器

5、装上一定量的高效能精确弹 药，完全可以执行此项任务。3.通信中继。微型无人飞行器装上摄像机和通讯设备后，能拍下 有用的图像和画面，并实时地传输给作战指挥中心或前线士兵的掌上 电脑，可以起到战场火力倍增器的作用。而现阶段执行战场通信中继 任务的飞行器主要是一些专用的预警机。专用预警机的作用固然是非 常重要，性能先进，但是它也有缺点。首先由于其昂贵的造价，使它的装 备数量十分有限,又由于它的运行成本高，自身的易损性大，所以很多 情况下，尤其是激烈的空战前提下，微型无人飞行器将是预警机的有效 补充。同时，微型无人飞行器的飞行高度低，甚至可以定点停留于地面。 虽然微型无人飞行器的造价低，相对于预警机来

6、说功能也不完善，但是 它具有其它有人驾驶飞机所不可替代的作用。4.实施电子干扰。众所周知，现代战争条件下，制电磁权和制空权 一样重要，而且现阶段的历次空战证明，如果不掌握制电磁权,那么制 空权也无从谈起。现在我们执行电子干扰的飞机大多由现役的战斗机 改装而来，比较著名的有:美国EF111和EA6B,但是这些电子战飞机体 积大，不具备隐身性能，同时由于电子战飞机只具备较弱的自卫能力 （一般携带两枚近距空空导弹）,又常常打头阵，因此战时电子战飞机的 被击毁概率大，飞行员伤亡概率较大。微型无人飞行器就不同了，由于 其尺寸小、雷达反射截面小、红外特征不明显,所以具有较高的隐身 性能，甚至依靠肉眼的光学

7、器材都难以发现这种飞行器。这样微型无 人飞行器可以充分发挥自身的隐身特性，携带微型电子干扰机,抵近敌 雷达、通信设施工作区实施有效的电子干扰。如果干扰效果不理想， 则可以增加飞行器的数量，实施机群干扰战术，从而大大提高电子干扰的效果。二、微型无人飞行器的研制难点及现状1.微型无人飞行器的研制难点。微型无人飞行器与有人驾驶飞 机一样有各种构型，有固定翼的、也有直升机型的,内部结构仍然复杂, 同时，研制过程中又遇到一些研制大型飞机所没有遇到的难题。1）低雷诺数空气动力学在空气动力学里，有个很重要的参数叫作雷诺数,它表示的是物 体的惯性力与粘性力的比例。同时它与物体尺寸也有很大关系，尺寸 大了雷诺数

8、也就大了。现在研制的飞行器，雷诺数都较大，一般为几百 万到几千万，相应的升阻比可达到1520。而尺度很小的微型无人飞行 器，雷诺数只有几千到几万，升阻比约在35左右，这样许多流动现象都 发生了变化。雷诺数小时，空气流动情况是较有规律的层流，而雷诺数 大时，就变成湍流，它的速度等方面都变得非常凌乱，阻力也相应的变 大了。所以要研究这种低雷诺数的飞行器，不能照搬大飞机的技术。 由于雷诺数大都在几千到几万之间，空气动力学主要研究的是粘性问 题,而对这方面的分析和设计工具极少，经典翼型和机翼的有限元分析 和设计方法在很大程度上能否在低雷诺数气流区适用目前还不清楚; 流场的高粘性特性、附面层厚度大大增加

9、了产生大范围分流层的可能 性，可能导致微型无人飞行器的性能和以较高雷诺数试验为基础所预 测的性能有很大差异;此外，人们对这个尺寸范围内的一些空气动力特 点了解得很少，对提高性能的方法也一直未进行研究;由于气流是粘性 的，因此原来用于设计螺旋桨和旋翼的一些简单工具已不适用,基本的 设计原则也不适用了，为此针对研制微型无人飞行器的需要，应当建立 低雷诺数空气动力学。2）微型制造技术为了达到所要求的升限比，必须制造光滑的三维面机翼、螺旋 桨。传统的微型制造技术能制造出所要求的尺寸部件，但是其产品的 光滑度不够。为了得到所要求的光滑三维面，就必须重新考虑所用的 一般工艺流程，而且传统的机械加工方法一般

10、不适用于制造50m厚度 的部件。自从纳米技术得到较大发展以来，人们在制造这些微型元件 的能力方面又上了一个台阶，但是纳米技术毕竟还是一门新生的高新 技术，有很多东西还停留在理论研究和实验室阶段，还需要进一步加强 研究和推进科技成果产业化进程。3）动力和控制系统虽然可以使用的高能量电池越来越多，但要找到适合微型无人 飞行器使用的高能量、大电流、大功率的超小电池仍是不容易；同时 对微小部件的控制问题也很突出，因为元件、飞行器的尺寸小,持续稳 定工作的时间很短,电机与飞行控制传感器的质量和尺寸以及制造工 艺受到限制。2 .微型飞行器研究现状。从已有的研究情况来看,大致可以将微 型飞行器分为两类,一类

11、是15厘米左右的微型飞行器;另一类是尺寸 更加微小的只有几个厘米或毫米大小的微型飞行器或微飞行机器人。 2.1约15厘米大小的微型飞行器除在尺寸上规定微型飞行器不应超 过15cm外，还从最终实际应用角度考虑对它的重量，有效负载,留空时 间，飞行速度，制造成本以及其它诸多特性提出了相应要求。例如要求 微型飞行器的重量为10100克左右，有效负载20克以上，飞行时速 3060公里 小时，留空时间2060分钟等等。按照上述DARPA定 义研制的微型飞行器样机目前主要有以下几种：1）黑寡妇微型无人飞行器。黑寡妇（BlackWidow）是航空环境公 司为美国国防高级研究计划局的原创微型无人飞行器技术计划

12、研制 的第一种微型无人飞行器。航空环境公司介绍:黑寡妇微型无人飞行 器达到或超过该研究计划规定的所有目标，其中最大尺寸15cm、飞行 距离15km、续航时间30min、飞行高度244m。它可由下行链路传输 彩色视频信息，并可从质量不超过1kg（包括飞行器）的手持盒中自主发 射。黑寡妇最终型的螺旋桨效率达到82%,最大速度约64km/h。具有 的特点包括保持高度、空速和航向的自动驾驶仪，并带有偏航阻尼。 黑寡妇能够装载质量不超过2g的彩色摄像机，连续摄像。它还能容纳 质量不超过2g的视频下行链路发射机，加上质量5g的全比例无线电 遥控系统和05g的制动器。2）微星无人机。微星（MicroSTAR

13、）是桑德斯公司根据美国国防高 级研究计划局1998年4月与该公司所签订合同正在研制的微型无人 飞行器。微星无人机的发射质量是85g，总的电能功耗是15W。它的 机身质量为7g,处理/存储电子元件质量为6g（比预先估计的25g有所 增加），照相机/透镜总质量为4g,电动机及其螺旋桨的质量为20g，功耗 为9W,而原先分配值分别为13g和7W最大的一个质量配额是它的锂 电池。该微型无人飞行器执行飞行任务的时间在20min至60min，飞行 距离大约为5km(或者在视距控制下增加一倍)。它的巡航速度一般为 56km/h，高度为15m至90m。视景W5404感应装置可以提供足以识别 一般人大小的目标图

14、像，它将通过哈里斯公司的PRISM无线电通信链 路把信息传送到由两块PC卡构成的地面控制板。悬停飞无人机。悬停飞(Hoverfly)是航空环境公司研制的另一 种垂直起降的微型无人飞行器,其续航时间为悬停73min，前飞 132min。它采用一个质量不超过32g的电动机，由三个锂电池供电，驱 动两个直径为18cm的固定距的悬翼/螺旋桨。悬停飞垂直起降微型无人飞行器的翼展为25cm，巡航速度达到 32km/h，已经展示了垂直起降、前飞及过渡飞行，其有效载荷可以包括 小型彩色摄像机。寇里布利。寇里布利(Kolibri)无人机是Lutronix公司与奥博恩 大学合作开发的，根据美国国防高级研究计划局的

15、倡议研制的垂直起 降微型无人飞行器。其续航时间至少30min，可以采用单旋翼和对转双 旋翼的不同类型。基本型是10cm直径，质量316g，其中37g质量的动 力装置和132g的燃油占总质量的一半以上，动力装置可能采用了 DSTAR公司研制的微型迪塞尔发动机。输出功率35W的微型迪塞尔发动机，一般可提供飞行30min的动力，使用的燃油量仅为常规飞机发动机用油量的四分之一。寇里布 利微型无人机装有美国空军实验室研制的全球定位系统/加速度计/陀 螺组合系统，多频谱方案公司已为其研制出超宽带视频下行链路。5)往复式化学肌肉扑翼机。往复式化学肌肉扑翼机 (RCMOrnithopter)是乔治亚技术研究院在美国国防高级研究计划局和 美国空军研究实验室的创新技术计划资助下，在不断精细化往复式化 学肌肉(ReciprocatingChemicalMuscle,RCM)设计而研制的一种仿生学 微型无人飞行器。这种飞行器是利用化学能源的驱动力来拍打机翼并供给机载系 统所需要的能源。乔治亚技术研究院的化学肌肉扑翼机质量约50g, 能够装载10g有效载荷。结束语：未来的战争是信息化战争，是一种全新的战争形态，微小 型无人系统(微小型飞行器、微小型水下无人航行器、微小型卫星、 微小型机器人等)与传统装备相比在信息战中有更神奇的特殊作用，可 以在信息化战争