無人機的前世與今生

——— 無人機的前世與今生

    無人機在中文里無歧義,且唯一。在英文里,有兩個詞,同義。一是UAV(Unmanned Aerial Vehicle),直譯為無人空中載具;二是RPA(Remotely Piloted Aircraft),直譯為遙控駕駛飛機。都是老詞,都用,過去軍用領域主要用UAV。但美國朋友告訴我,僅僅是近一年來,RPA在美國被更廣泛使用,不管是軍用還是民用。緣由在于,RPA在技術概念上更確切,更鮮明,因而更普遍適用。

    本文基于RPA概念,加之我在《無人機與航空模型的異同》那篇文章中表明的觀點,依任務載荷和遙控駕駛為無人機的兩個基本特征,去闡釋有關無人機發(fā)展的前生、今世與未來。全文較長,分為(上)、(中)、(下)三篇。此為(上)篇。

無人機的前生

    無人機的發(fā)展已近百年。有記載的最早的軍用無人機的研發(fā),發(fā)生在一戰(zhàn)時期。1914年,英國軍方提出研發(fā)一款可執(zhí)行轟炸任務的無人機。歷經(jīng)三年,制成一種小型上單翼機,雖在2017年飛上天,但未能實現(xiàn)穩(wěn)定飛行,更不要說投彈,不能算成功。這期間,也有類似研發(fā),如空投魚雷之類。都不能算作成功的無人機。究其原因,控制技術拖了后腿。20 到40 年代,將退役或過量有人機改作靶機,曾時興一時。這種靶機將空氣動力學、輕型發(fā)動機和無線電技術相結合,多有成功;最著名的案例有兩件。一是,英國人采用無線電控制技術的“仙后”靶機首飛成功(1933年),隨后在 1934年至 1943 年間將 420 套“虎蛾”雙翼教練機改裝成 DH 82B 型“蜂后”靶機。二是,基于無線電控制和慣性導航系統(tǒng)的進步,雷吉納德.丹尼和他的無線電飛機公司制造出一款遙控模型機RP-1 ;從 1939 年到二戰(zhàn)結束,美軍共采購15,000 多架這種遙控飛機,改制成靶機,型號由RP-4 型發(fā)展到RP-18 型。(1946年,經(jīng)再次改進的RP-19/OQ-19 型研制成功,至 1984 年共生產(chǎn)48,000 多架。1952年,無線電飛機公司被諾斯羅普公司兼并,后者也因此成為當今世界最成功的軍用無人機研制廠商。)

無人機的前世與今生-工博士

英軍士兵在遙控H82B“峰后”靶機丹尼和他的RP-1遙控模型飛機

無人機的前世與今生-工博士

丹尼和他的RP-1遙控模型飛機

    1939 年 10 月,德國研發(fā)了一款無線電遙控無人轟炸機,能攜帶一噸重的炸彈,在向目標投彈后,可返回基地;成為現(xiàn)代無人攻擊機的鼻祖。(后在此基礎上催生著名的 V-1 導彈)。1941 年,美國海軍開展“無人攻擊機”計劃,目標任務是可攜帶制導導彈攻擊敵空中目標,也可對敵地面目標進行投彈轟炸。從1942年 3 月始,美國海軍開始批量采購無人攻擊機,并用于實戰(zhàn)。但戰(zhàn)效很差。

    50 年代中期,美國陸軍將RP-71 型靶機改制成無線電控制的AN/USD-1 戰(zhàn)場監(jiān)視機;可認為是世界上第一種實用型無人偵察機。直到80 年代,在越南等多個戰(zhàn)場,無人機最重要的用途,還是執(zhí)行戰(zhàn)場監(jiān)視任務。1991 年沙漠風暴作戰(zhàn)中,美軍首次使用欺騙敵方雷達系統(tǒng)的小型誘餌無人機。

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AN/USD-1無人偵察機

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波音的“禿鷹”

無人機的今世

    20 世紀90 年代,海灣戰(zhàn)爭后,軍用無人機加快發(fā)展。1996 年,美國NASA研制出X-36 試驗型無尾無人戰(zhàn)斗機,賦予該機壓制敵防空、遮斷、戰(zhàn)斗損失評估、戰(zhàn)區(qū)導彈防御以及超高空攻擊等任務。至上世紀末,軍用無人機呈現(xiàn)全面而旺盛的需求。

無人機的前世與今生-工博士

以色列飛機公司對無人機技術狀況的評估示意(到達六邊形頂端越遠技術差距越大)

    進入21 世紀后,軍用無人機進入發(fā)展新階段,成為空中預警系統(tǒng)的重要組成和執(zhí)行攻擊及空中格斗的新戰(zhàn)機品種。前者可稱信息類無人機,監(jiān)視、監(jiān)測或作為信息中繼傳輸?shù)?,已?jīng)成為基本成熟的品種。后者統(tǒng)稱作戰(zhàn)無人機,其中的攻擊無人機技術亦較成熟,但空戰(zhàn)無人機的實用化尚待時日。

    民用無人機隨軍用無人機技術的外溢效應而發(fā)展。民用無人機強烈地依賴機上任務載荷(設備)的發(fā)展。就全球而言,民用無人機在上世紀 80 年代開始嘗試應用,至今的擴展應用僅十數(shù)年時間。日本的民用無人機開發(fā)較早,用于噴灑農(nóng)藥、森林防火、災害評估等。美國自本世紀以來,開始較大范圍地應用,主要是高分辨率傳感與氣象數(shù)據(jù)獲取、森林火災評估、環(huán)境污染監(jiān)測和處理等。以色列組建了民用無人機及其工作模式的試驗委員會,給部分具備條件的軍用無人機發(fā)放非軍事任務執(zhí)行證書,并與有關部門合作展開多種民用任務的試驗飛行。歐洲在 2006 年制定并實施“民用無人機發(fā)展路線圖”,并通過泛歐民用無人機協(xié)調(diào)組織的建立,為解決無人機使用的空中安全和適航問題提供幫助。

    我國民用無人機應用的起步較早,上世紀 80 年代,就將基于軍用技術開發(fā)的無人機用于地圖測繪和地質(zhì)勘探,逐步擴展到農(nóng)業(yè)噴灑、電力巡檢、防災應急、航拍測繪、中繼通信等方面應用。

    近年來,受益于無人機技術的成熟和成本的大幅下降,消費類無人機呈井噴式發(fā)展,在航拍、娛樂等市場上,獲得大規(guī)模應用,并出現(xiàn)了如深圳大疆(2006年成立)為代表的一批民用無人機企業(yè)。支持民用無人機發(fā)展的主要技術條件是,移動終端的興起,和芯片、電池、導航與定位器件、通訊芯片等硬件的成熟。

    以芯片為例,目前一個高性能FPGA芯片就可以在無人機上實現(xiàn)雙CPU的功能,以滿足導航傳感器的信息融合,實現(xiàn)對無人機的控制。Wifi等通信芯片用于控制和傳輸圖像信息,傳輸速度和質(zhì)量已可滿足視距內(nèi)傳輸需求。在導航與定位方面,MEMS慣性傳感器從2011年開始大規(guī)模應用,6軸、9軸的慣性傳感器逐漸取代單個傳感器,成本僅幾美元;而GPS芯片僅重0.3克,價格不到5美元。電池能量密度不斷增加,使得無人機在保持較輕的重量下,續(xù)航時間可達半小時,可以滿足一些基本應用的航時要求;此外,太陽能電池技術使得高海拔無人機可持續(xù)飛行一周甚至更長時間。

    自2010年來,飛控系統(tǒng)開源化的趨勢使更多的商業(yè)企業(yè)和發(fā)燒友加入無人機系統(tǒng)設計,成為引爆民用和消費無人機市場的“爆點”。德國 MK 公司是多旋翼無人機系統(tǒng)開源的鼻祖。其后 2011 年美國 APM 公司開放無人機設計平臺,徹底點燃了市場對無人機系統(tǒng)開發(fā)的熱情;2012 年以后民用和消費無人機進入了加速上行的通道。至今,國際無人機行業(yè)已經(jīng)形成了 APM(用戶最多)、德國 MK(最早的開源系統(tǒng))、Paparazzi(穩(wěn)定性高、擴展性強)、PX4 和 MWC(兼容性強)等五大無人機開源平臺。強大的開源飛控系統(tǒng)已經(jīng)使得無人機全面進入“用戶友好”時代。現(xiàn)正進行的多平臺合作項目,將進一步推動系統(tǒng)開發(fā)的可視化和友好化。

    現(xiàn)代無人機的應用日益廣泛,概括起來有三大應用領域:軍用、民用和科學驗證用。支持其應用的是林林總總的各式無人機,包括無人固定翼機、無人直升機、無人多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機等。


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