作者:沈海军 来源: 发布时间:2023-3-9 20:7:0
无人机的发展与应用

 

   从2022年2月起,俄罗斯和乌克兰两国之间的冲突便愈演愈烈。抛开冲突的对与错,一个不争的事实摆在了世人面前:无人机在现代战争中正扮演着越来越重要的角色。

   无人机(UAV)在一些外国文献中也被称作“drone”。drone原意为雄蜂,被用来代指马达嗡嗡、小巧灵活的无人机非常恰当。无人机的全称为“无人驾驶飞机”,从广义上讲,有翼的导弹、航模等都属于无人机。

 

无人机的发展史

 

   作为高科技产品,无人机起步于20世纪初。1903年,西班牙工程师莱昂纳多•克维多设计了一款无线电飞行控制系统,用于飞艇测试。

   1914年,英国人将这种无线电遥控装置用于无人驾驶飞机。两年后,无线电控制系统经英国人改进后,安装在一架名为“空中目标”的无动力无人驾驶单翼飞机上。次年3月,该无人机在英国皇家空军阿帕文空军基地成功发射,成为世界上第一架在无线电控制下飞行的动力无人机。

   尽管最初的三架“空中目标”原型机在试飞中相继坠毁,但“无线控制、携带高爆炸药”的无人机理念却得到了英国皇家空军的认可。第一次世界大战末期,改进的“空中目标”无人机被英军用来攻击敌方的航线和港口设施。

   战争是科技发展的引擎。伴随着20世纪前半叶的两场世界大战,无人机的发展驶入了快车道,各国纷纷加大投入,各种军用无人机层出不穷。

   无人机早期的军事用途之一是用作靶机。早期的靶机是在有人驾驶的飞机后方带一个拖靶(小旗或布袋),用于高炮或航炮打靶试验,但这样很不安全。为此,1933年,英国研制出了第一架可复用无人驾驶靶机——“蜂王”,这使英国成为首个拥有无人靶机的国家。

   第二次世界大战期间,通过改装有人驾驶轰炸机,德国、美国等研制出了无人轰炸机。这些无人机安装了自动控制系统,拆卸了多余的自卫武器和设备,可搭载更多炸弹。

   譬如,德国空军战时曾使用容克–88轰炸机进行远距离轰炸。先由驾驶员驾机飞行一段时间,进入攻击区前驾驶员跳伞离开,随后改由伴航飞机远程遥控容克–88对敌方地面目标进行轰炸。再比如,1944年,美国海军使用由B–17轰炸机改装的遥控舰载机,对德国潜艇基地进行打击。

   第二次世界大战时的德国在航空武器装备方面全球领先,大名鼎鼎的V–1飞弹便是无人飞行器中的翘楚。V–1是一款自杀攻击无人机,也被认为是最早的巡航导弹。它的外形与普通飞机相似,但没有驾驶舱,通过无线电控制系统进行遥控操作,配置自动驾驶仪来调节飞行高度和速度。V–1飞行时发动机会发出震耳欲聋的嗡嗡声,但到达预定空域准备下降时,发动机会骤然停机,紧接着急剧下降直到命中目标。

   第二次世界大战结束以后,以美苏为代表的两大阵营在无人机研发领域开展了激烈的较量。

   美国特瑞公司生产的“火蜂”系列无人机是当时产量最大的无人机。该无人机在数十年后派生出各种改型,包括无人靶机、无人侦察机、无人电子对抗机、无人攻击机、多用途无人机等。“火蜂”无人机可以从地面起飞,也可以从空中载机上发射,甚至可以从航母上起飞。

   在朝鲜战争和越南战争中,美国军方曾频繁出动“火蜂”无人机,对敌方目标进行空中侦察。据统计,越南战争中美国出动的无人机多达3500余架次,用于空中侦察、信号转发、无线电电子战、施放假目标等,战损率仅为4%。

   1957年,苏联图波列夫设计局受命研制巡航导弹。该研究计划半途而废,却成功衍生出了一款“鹞”式超音速无人机。此后,图波列夫设计局又先后研制了“鸢”式无人攻击机和“雨燕”“航程”无人侦察机,两款无人机都批量生产并装备了苏联空军。

   值得一提的是,1991年苏联解体后,俄罗斯国力迅速衰退,无人机发展停滞不前,以至于今天的俄乌冲突中,俄罗斯军方竟沦落到不得不采购伊朗无人机的地步。

   20世纪70年代至90年代,以色列无人机发展异常迅猛。迫于战争压力,1969年,以色列国防军尝试在商业无线电航模上安装照相机,空中拍摄了约旦和埃及的阵地。1970年至1973年,以方先后从美国购买了“火蜂”系列的无人侦察机、无人靶机以及“鹌鹑”诱饵无人机。外购无人机的同时,以色列也快马加鞭,迅速建立了自己的无人机设计与生产基地。

   随着电子技术、材料技术及空气动力学等技术的发展,从20世纪90年代起,无人机逐渐向小型化、信息化和轻量化发展,军事用途也越来越广泛,不再局限于高空侦察。

   在1991年的海湾战争中,美军大量使用了MQ–1“捕食者”无人机,该无人机携带空对地导弹等精确制导武器,在实战中对伊拉克军队造成了大量伤害。而在最近的俄乌冲突中,俄军方的“见证者”–136自杀式攻击无人机价格低廉,但可携带50公斤的高爆弹药,威力十分强大。

   值得一提的是,近年来,无人机已经开始从军事领域向科研和民用领域转移,消费级无人机和民用无人机的应用越来越普及,甚至成为老百姓所熟知的“玩具”。其中,四轴飞行器无人机已成为民用领域使用最为广泛的无人机。

   中国的无人机发展起步较晚,但在近20年内却弯道超车,取得了飞速的进展,并走在了世界前列。军机方面,我国相继研发出了“彩虹”系列、“翼龙”系列、ASN系列等诸多性能出色的无人机型;民机方面,诞生了大疆等享誉全世界的民用无人机生产制造企业。

 

无人机的用途

 

   无人机用途十分广泛,不论是在军事领域还是民用领域,都发挥了重要作用。仅以民用领域为例,无人机就有航拍摄影、环境监测、通信中继、灾难救援、农业植保、电力巡检、森林防火、应急通信以及无人机物流等多方面的应用。以下为无人机的几个主要用途。

   空中侦察和靶机。飞行员是国家的宝贵财富,有人驾驶侦察机一旦被击落,非常容易造成飞行员损失,于是无人侦察机应运而生。无人侦察机大多体积小、活动灵活,敌方不易发现,机上装备先进的摄影、摄像、雷达等设备,可完成各种高空侦察任务。

   美国军用无人侦察机RQ–4“全球鹰”性能优异,是世界各国争相购买的“爆品”。它的滞空飞行能力极强,巡航高度可达18000公里,可实现32小时飞行22780公里的航程。该机装备有先进的高分辨率合成孔径雷达、电子光学和红外传感器等侦察设备,一次性侦察范围可达数百万平方公里,能够同时对多个目标进行监测,并迅速向指挥中心提供情报信息。

   为了训练歼击机驾驶员、高射炮兵、雷达操纵员、导弹操纵员以及鉴定各种导弹的性能,常需要一个模拟某些性能的靶机。无人靶机无疑是一种廉价、安全的选择。世界上知名的靶机当数美国的“火蜂”系列,而中国的“长空”系列靶机也颇具名望。

   电子对抗。现代战争中,电子对抗是一种重要的作战手段。无人机利用其体积小、隐蔽好的优势,可实施各种电子对抗。这些对抗具体包括装载主动式电子干扰机,对敌方雷达实施主动式电子干扰;在空中抛撒金属箔条等干扰物,为己方作战飞机铺设安全空中走廊;向敌方阵地投放电声窃听器,收集电子情报或音响情报;作小型伴飞无人机,吸引敌方火力,辅助作战飞机突防;作诱饵机,诱使敌方发射地空导弹,诱骗消耗敌防空力量等。

   察打一体无人机。随着技术的发展,无人机的应用逐步由单一向多样化、复杂化发展。察打一体无人机属于集侦察和打击为一体的无人机,其可外挂炸弹甚至导弹,由人遥控发射,发射后立即返航,既可执行高度危险的攻击任务又可减少人员伤亡。

   察打一体无人机军用功能强大,目前只有少数几个国家能够研制,我国就是其中之一。就目前而言,察打一体无人机的操作方式主要有两类,第一类是全自动搜寻,对标定的坐标进行自动打击;第二类则是远程遥控,使用类似有人攻击的操纵方式近距离打击目标。

   近年来,我国的军用无人机产品已经走出国门,包括“彩虹”系列无人机和“翼龙”无人机在内的国产察打一体无人机物美价廉,具有其他国家同类产品无法比拟的优势。

   取样/观测与新技术验证。一些科学实验对人体有害或有危险,如核爆炸、化学战和火山爆发等。为分析研究实验效果、进行空气取样或现场观测,可使用取样/观测无人机。2020年,德国GFZ研究中心的研究人员在无人机上安装摄像头,遥控无人机飞越火山口上空,根据立体摄影技术测量熔岩运动。该项工作后来发表于《科学报告》。

   无人机在新技术验证方面具有特殊的优越性。当设计出一架新型飞机后,一般先把飞机按比例缩小制成模型,放到风洞进行空气动力特性试验,但这只是静态特性。如果把缩比模型制作成遥控无人机,并进行飞行验证,便可进一步掌握所设计机型的动态飞行特性,同时还很安全。为了验证国产大飞机C919的飞行性能,2016年6月,同济大学师生团队便设计、制作并试飞了一款1:25的缩比C919飞机验证机。

   地质勘探与航拍测绘。目前的航空地质勘探仪器灵敏度较高,在2000米高空进行光学摄影,可以发现地面上1厘米宽的线状物和直径30~50厘米的岩石碎片。随着技术的进步,利用无人机遥感遥测技术可以使勘测工作更加迅速、准确,并更具经济性。

   无人机航拍是以无人驾驶飞机作为空中平台,以机载遥感设备如高分辨率数码相机、轻型光学相机、红外扫描仪、激光扫描仪、磁测仪等获取信息,用计算机对图像信息进行处理,并按照一定精度要求制作成图像。为获得高清画面,现在的无人机航拍一般以低速无人驾驶飞机为空中遥感平台,全系统上集成了遥感、遥控、遥测与计算机等诸多新型应用技术。■

(作者系同济大学航空航天与力学学院教授)

 

《科学新闻》 (科学新闻2023年2月刊 航天)
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