微型無人飛行器

微型無人飛行器是一種比鳥還小的微型無人機,這種飛行器不象現在的無人機系統需要幾個人來操作,還要裝備配套的設備車輛,完全由士兵自己獨立操作,隱蔽性好。

微型無人飛行器是一種比鳥還小的微型無人機。它可以毫不引人注意的進行空中偵察活動,拍攝國家,並將其傳回地面。美國國防部正在大力資助和組織有關新技術的研製。這種飛行器價格便宜、重量又很輕,因而可以配備到每一個士兵,不會增加士兵的負荷,但卻可大大增加士兵的作戰靈活性,不僅可用這種飛行器進行偵察,還可用來加強人員之間的聯繫和信息共享。

簡介

這種飛行器不象現在的無人機系統需要幾個人來操作,還要裝備配套的設備車輛,完全由士兵自己獨立操作,隱蔽性好。由於飛行器尺寸一般在10~15厘米量級,在空中飛行,不僅肉眼很難發現,就是雷達探測器很難探測到,即使被“看”到也很可能被認為是一隻普通的小鳥而不會引起注意。研製人員估計,今後這種飛行器的尺寸將會進一步縮小成象一個“蒼蠅”那么大小,即使飛入房間、停在牆上也不會引起人勻的注意。

技術關鍵

關鍵之一是機載設備微型化,包括作動器、電機、攝像和其他有關部件。

關鍵之二是微型動力,既能裝在微型飛行器內,又要能儲備足夠的能量,除維持飛行器的飛行外,還能對機載設備提供能源。

關鍵之三是氣動設計。這種小飛行器對應的雷諾數約1×106,氣動研究人員幾乎沒有涉足過這么低雷諾數的飛行器空氣動力的研究,反而是昆蟲生物學家更感興趣。目前一些研究人員正在研製一種“撲翼”式微型無人機方案,充分利用非定常流機理,類用類似“肌肉”的作動器代替電機。

關鍵之四是自動控制系統。因為這種飛行器與無線電遙控飛機模型完全不同,需要能自主飛行。

關鍵之五是用於數據傳送的電源。因為飛機動力設備可以設法微型化,但作為傳送某一頻寬的攝影圖像的電源卻很難縮小。

研製計畫

美國國防部預研局從1992年就開始這種飛行器的論證工作,並把它們的尺寸定義在一個蜂鳥的大小到1厘米之間。1995年組建了可行性研究小組,1996年正成成立一個用戶和研製人員聯合小組,研製計畫走上軌道。並於1997財年撥款3500萬美元制訂一個為期4年的研製和驗證計畫。

當時國防部預研局提出這種飛行器尺寸不能超過15厘米,飛行距離要到10千米,飛行速度70千米/小時左右,飛行時間20分鐘到2小時。執行的任務包括偵察、目標指引、位置探測、通信中繼和危險物質探測。

研製工作由預研局戰術技術辦公室領導,初步分為二個研製階段。1997財年為第一階段,1998財年為第二階段。在第一階段辦公室與9個廠商簽訂了研製契約發展專用技術。

在第二階段辦公室挑選了4個契約商進行方案研究,一個是瓦伊倫門特航空公司,讓他們提出針對開闊地帶、城市和叢林地區三種不同環境下使用的飛行器方案。在後兩種環境下將需要可以懸停的飛行器,該公司已經進行了一些懸停飛行試驗台的研製,最近又集中於帶機翼的能在開闊地帶使用的方案研究。另一個是重航空公司。他們提出了一種稱之為“Hyperav”的懸停飛盤。重量約300克利用能量密度較高的液體燃料作動力。一般說來懸停飛機的功率/重量比是常規機翼飛機的二倍。

第三個公司是M-DOT公司,專門研製一種微型氣體渦輪發動機,推力為6牛,長8厘米,直徑4厘米,可以用在“Hyberav”上。

最後一個公司是IGR企業公司,專門研製一種固態氧化物燃料電池,產生的動力足以使一個50克的微型飛行器飛幾個小時,同時用作機載設備的電源。

在第二階段還有一些專項技術的契約。

1.由桑德斯和洛-馬公司的“臭鼬”研製組及通用電氣公司的研究發展中心共同發展驗證一個稱之為“微型星”固定翼飛行器,起飛重量約85克,可在山區和城市上空晝/夜拍攝圖像。

2.盧特羅尼克公司研究一種尺寸為10厘米的鏇翼方案。

3.SRI國際公司和多倫多大學共同研製一種尺寸為15厘米的撲翼方案,用電致伸縮聚
合物“人工肌肉”作動力。

4.范德比爾特大學,專門研究微型飛行機械。包括仿製昆蟲飛行動力。一種想法是通過壓電作動器驅動一個類似於翅膀的薄金屬片產生共振。

5.加利福尼亞技術學院與瓦伊倫門特航空公司及加利福尼亞洛杉磯大學共同研究一種重量僅為10克的撲翼機“微型蝙蝠”。機上帶有微型話筒陳列,用於通過聲音的尋的。

6.麻省技術學院,研製一種尺寸只有襯衫紐扣大小的渦噴發動機,可產生0.13牛的推力,可用於50克飛行器的動力。這種發動機將用矽製造,較速可達每分鐘1百萬較。

7.D-STAR希爾頓工程學院。正在製造一種煤油內燃發動機,重量約20克,可產生20瓦軸馬力,可用於50克飛行器動力。

8.布萊克斯伯格公司技術部,正在探索可以從低效率小發動機回收廢熱的熱電電機。

15厘米圓機翼方案

目前,在微型飛行器研製工作中取得最有實質性進展的是瓦伊倫門特航空公司,現在已經製造一種15厘米直徑的圓盤飛行器,可以飛行16分鐘。公司研究人員認為圓盤是最佳的布局,機翼面積最大,升阻比相對較高,採用的是2個高能量的鋰電池。公司還用鎳鎘電子作電源飛行器飛行了2.5分鐘。

這種飛行器的功力是直接從市場上購買的直流電制電機,直接驅動一個螺鏇槳。飛行器的巡航速度約70千米/小時,升阻比3~4,升力係數約0.16機翼機積0.018米,不包括攝像機等設備的飛行器重量為42克。

結構特徵
飛行器的主要結構是泡沫聚苯乙烯,局部用輕木料加強。
飛行器採用了通道飛行操縱系統,用來操縱油門、升降副翼或方向艙及升降舵,並裝有滾較陀螺增加滾較穩定性。
飛行器隱身性很好,空中飛行時幾乎看不到也聽不見,電機的噪聲比一隻鳥還低。根據美國國防部預研局第二階段的要求,伊倫門特航空公司的目標是,到1999年3月將使這種飛行器具有按紐式發射(彈射)功能,至少飛行10分鐘,航程1千米,並在這個航程內的開闊地帶具有高質量的通信能力,載有黑白電視攝像機可以發回高質量的黑白圖象,從而使士兵可以根據地面圖象操縱飛行活動。
到2000年,該飛行器將裝載彩色攝像機,使用航程將增加到3千米,飛行時間加長到20分鐘。藉助於空速和磁羅盤的領航方式可以自動飛行到中途航站。屆時要求機載設備,如磁羅盤、空速指示器和穩定陀螺等的尺寸和重量將進一步減少。例如磁羅盤重量約2克,微型風速計的重量0.5克,2個陀螺僅重1.8克,所有的導航組件重量將不到4.5克,而且電耗極小。同時,公司將用計算流體動力學、風洞試驗和滑翔試驗深入開展低雷諾數空氣動力學機理,以便為找到更有效的氣動外形。

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