剖析无人机

李洪兴

美国《航空周刊》网站2016年4月25日发表了一篇论述无人机结构的文章，以下是本文的内容。

各种无人机都由基本相同的分系统组成。从大到14500千克的“全球鹰”到一次性的无人机再到仅仅14克重的“黑色大黄蜂”微型无人机，每个无人机系统都是由多个分系统构成的组合体，而这些分系统则确定了无人机的功能、应用领域和成本。由于大小和功能的多样性，在过去的十几年里涌现出各种各样性能和成本差异巨大的无人机。想要了解无人机的过去和未来，关键是要了解相关的技术突破。

无人机的机身大小和布局确定了它的载荷、飞行速度、飞行高度和续航能力。飞行高度决定了传感器的作用距离，特别在山区更是如此，增加飞行高度也有助于提升生存能力；尽可能提高续航能力往往是用户所希望的；而飞行速度的提高则可以增加单个基地的覆盖范围。然而，机身也决定着无人机的特征信号大小及发射和回收方式，减小特征信号是美国海军对各型MQ无人机提出的核心要求之一。在发射和回收方式方面，多数用户都拒绝使用车载弹射器、降落伞、气囊和回收网，特别是舰上使用的无人机，还在追求垂直起降。大多数无人机机身也是传感器载体，因此结构设计要保证能够搭载比较大的载荷和传感器视场无障碍。

在无人机的推进系统方面，无人机设计人员都希望发动机效率更高，重量更轻，更可靠，并且经济实惠。在众多无人机发动机中，Rotax 914发动机——用于以色列飞机工业公司（IAI）的“苍鹭”无人机和埃尔比特系统公司的“赫耳墨斯900”无人机和霍尼韦尔公司制造的TPE331发动机——用于通用原子公司的“捕食者”和“死神”无人机，是优秀代表。

随着用于商用飞机的涡轮风扇发动机的开发，较大型的无人机随之出现，不过要为起飞重量达450～4500千克的无人机提供效率更高的发动机，且同时避免使用汽油仍然相当困难。IAI与意大利的Diesel Jet公司合作开发了用于“超级苍鹭HF”无人机的发动机，Textron Lycoming公司也改进了Diesel Jet发动机，用于美国陆军的MQ-1C“灰鹰”无人机。美国极光科学飞行公司的“雷击”新概念无人机赢得了DARPA的垂直起降无人机VTOL X-Plane计划的合同，可能表明未来的无人机会采用涡轮电力推进和不同的配置。混合系统会提供比现在更高的冗余。

在过去的10年中，随着微小型化技术、光电技术以及工程技术的发展，光电和红外传感器转塔取得了迅速的进步，已经成为大多数无人机的主要固定载荷。手动发射的无人机携带了包括激光测距仪在内的稳定载荷，高端多波段系统能够穿透雾霾，将情报传送数千米的距离，自动目标搜索算法为无人机提供了宽视场雷达能力。即使小型无人机也可能安装合成孔径雷达和电子监视装置。另外，由于存在安全方面的挑战，为无人机加装杀伤性载荷具有潜在限制。

灵敏度更高的多波段传感器系统对于除数据链设计者之外的所有人员来说都是好消息。多数大中型无人机的首选是卫星通信，但是无人机上的卫星通信天线只是系统的一部分。去年夏天，波音公司有人提出，诸如“全球鹰”和“死神”之类的无人机对于宽带全球卫星通信星群的要求比其他方面用户的要求更高，該星群只有10颗卫星，2015年7月发射了其中的第7颗。同时，英国和美国的情报机构最近对以色列无人机的黑客攻击将使人们更加关注数据链安全。随着无人机和相关学科的发展，类似于空客制造的“微风”无人机那样的长航时无人机今后有可能携带机上中继装置，再往后还可能采用激光通信装置。机上处理将来能够为IAI的M-19HD传感器转塔之类提供帮助，能够向地面发送静止图像及视频图像，还能够通过自动目标探测和变化探测处理产生告警信号，向地面发送。采用实际上没有限制的机上记录也会减轻对于数据链的压力。

复杂的传感器系统和数据链使得军用无人机的成本居高不下，但也推动了更为坚固和故障容限更高的导航和飞行管理系统的开发，其中特别令人关注的是融合惯性导航与自动天体跟踪或目视场地匹配的非GPS导航技术的发展。然而，最为重要的目标是在今后开发出可靠的最终能够防止与其它交通工具发生碰撞的感测和避让系统。

无人机的地面控制站，无论是苹果手机，还是可以容纳多人的可移动掩蔽所，其功能都同样是管理操作人员和无人机之间的通信联络以及显示、处理和记录图像信息和其它数据资料。不过，地面控制站的设计却可能大不一样，美国空军的地面控制站就像一个飞机驾驶舱或飞行模拟器，而IAI最近推出的地面控制站就只有键盘和鼠标输入装置。