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无人机从战场飞向民用

发布日期 2020-04-10

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罗上尉设计制造的世界首架无人机。

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飞行鱼雷。

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二战期间英国使用的无人靶机。

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城市上空的航拍无人机。

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罗上尉设计制造的世界首架无人机。

      飞行鱼雷。

      二战期间英国使用的无人靶机。

      城市上空的航拍无人机。

      李会超

      在最近一段时间的新冠肺炎疫情防控工作中,无人机发挥了许多作用,受到人们的广泛关注。

      无人机是无人驾驶飞机的简称(英语简称UAV),个头可大可小。从最初的雏形诞生至今,无人机已经走过了一个世纪的发展历程,但无人机真正走进我们的生活,在娱乐、环保、交通等领域大展身手,不过是最近十年的事。

      1.百年前先驱探索

      19世纪,无线电的发现和运用给人们远距离控制机器的运行创造了可能。1898年,物理学家特斯拉向人们展示了通过无线电遥控一条模型船的航行,从而首次实现了遥控技术的应用。当飞机被人们发明出来并在第一次世界大战中得到应用后,发明家们开始尝试将遥控技术与飞机结合,制成一种无须飞行员亲自驾驶的飞机。

      早在1909年,美国工程师就发明了一种名叫“陀螺仪”的装置,可以测定飞机的飞行方向及机身正以什么样的姿势在空中飞行。这种装置是现代飞机自动控制和惯性导航系统的核心组成部分。这种装置出现后,美国海军对此很感兴趣,希望以此为基础研究一种不需要飞行员驾驶的飞行器。当时,美国海军将其称之为“飞行鱼雷”。为了提高飞行鱼雷的导航精度,美国西部电器公司还为它开发了专用的无线电导航系统。飞行鱼雷是无人机最早的雏形之一,而惯性导航与无线电控制技术,至今仍然是遥控无人机的核心技术。

      1917年,英国皇家飞行队的罗上尉制造了一架遥控飞机。这是一架木制结构的飞机,通过安装在卡车上的弹射装置起飞。罗上尉本希望可以通过遥控的方式,让飞机平稳飞行一段时间,但在实际的飞行表演中,飞机刚刚起飞就失控了,仅仅飞行了一小段距离便坠落到了地上。虽然试验遭遇失败,但由于飞机在飞行过程中的确响应了罗上尉通过无线电发出的控制信号,因此这次试飞仍然被视为是无人机技术的发端。

       2.战场上初露锋芒

       飞行员在进入战场作战前,需要像使用枪支的射手射击靶子一样,在训练中实际攻击天空中的靶机,来提升自己的作战技能。地面的高炮防空部队也需要用靶机进行训练。在两次世界大战期间,美国、英国和德国都开始了将无人机作为靶机的尝试。美国军方还发现,无人机有可能方便快捷地在战场上传递信息,代替当时还广泛使用的传令兵,并在之前飞行鱼雷的基础上研发了“信使”无人机。

      1941年,美国海军萌生了使用无人机攻击敌人空中和地上目标的想法,研发了TDN-1和TDR-1型无人攻击机。1944年9月至10月间,这两种无人机在太平洋(601099,股吧)战争中小试牛刀,攻击了日军的堡垒和火炮阵地等目标,取得了一定战果。

      二战结束后,无人机开始投入战场侦察工作。世界上第一种实用型的无人侦察机是无线电控制的美国AN/USD-1战场无人监视机。这种飞机装备有一台可以在白天工作的光学照相机和一台在夜间工作的红外照相机,通过火箭助推器起飞,完成任务后释放降落伞降落。但它拍来的照片还需要复杂耗时的处理和分析工作。

      在冷战和越南战争期间,美军发现无人机除了照相外,还可以执行另一种形式的搜索任务。无人机飞临敌人控制的空域后,可以诱骗敌人的防空雷达开机,获得防空雷达的信号特征。敌人的高炮、防空导弹、战斗机在拦截无人机的过程中,也会将自身的部署情况暴露。一旦无人机被击落,因为没有飞行员驾驶,不会引起一系列的后续问题。在无人机第一次大规模实战应用的越南战争期间,美军在战场上大量使用“火蜂”型无人侦察机执行这方面的工作。在此期间,还催生出了直升机在半空回收无人机的技术。

      3.新科技助力指令控制

      进入上世纪80年代后,电子工业和航空工业的发展为无人机发展带来了新的契机。此时,军用无人机的飞行控制技术出现了两大分支,自动飞行控制系统和指令控制系统。

       自动飞行控制系统需要在无人机起飞前将本次飞行的路径、高度和侦察目标等信息设定好,无人机依靠这些信息自己完成飞行任务。这种模式虽然看起来比较简单,但一旦目标位置出现了变化,提前设定的飞行路线就得不到需要的信息了。而指令控制模式,将飞行员的位置由飞机上搬到了地面站的控制室中。得益于视频图像技术的发展,无人机可以通过无线电信号实时将侦察图像信息传回控制室,而控制员可以根据画面实时操控无人机飞行,根据瞬息万变的战场形势控制无人机飞行。上世纪80年代以后,指令控制技术逐渐成为军用无人机飞行控制系统的主流。

      此外,卫星通信技术和GPS导航技术也给指令控制技术的应用带来了帮助。在应用卫星通信前,无人机的飞行距离受到控制信号传输和山川阻挡等因素的限制。应用卫星通信技术后,地面控制站可以将控制信号上传至太空中的通信卫星,由卫星中继放大后发送到无人机接收天线上,从而突破了地面障碍物和地平线的限制。GPS导航技术,可以让控制人员更准确地获取无人机的位置,同时,在控制信号因为干扰中断时,无人机可以使用GPS导航自主返航回收。

       4.现代战争中代替侦察兵

       在上世纪90年代初的海湾战争和21世纪初的伊拉克战争中,无人机得到全方位的应用。两种美军现役的“明星无人机”——“捕食者”和“全球鹰”也在此期间开始应用。

     “捕食者”无人机源自于之前研发的“蚊”-750II型远程无人机,正式型号为RQ-1,该机是一种长航时无人机,采用涡轮增压的螺旋桨发动机作为动力。最大续航时间60小时,可在目标上空飞行24小时。侦察型的“捕食者”配有光电/红外侦察设备,在白天和夜间均能执行侦察任务。在“捕食者”上,还装备有一种被称作“合成孔径雷达”的新装备。这种装备可以通过发射无线电信号并接收大地或目标反射信号的方式,绘制出目标的高分辨率图像。即便在有云层或雾气遮挡的情况下,这种雷达依旧可以返回与相机照片类似的图像。从2000年起,美军开始对“捕食者”进行改进,使它具备了使用武器对敌人进行攻击的能力。通过在无人机头部安装用于指引导弹打击目标的激光指示器,“捕食者”可以发射用来打击坦克、装甲车等目标的“地狱火”导弹。2006年,攻击型“捕食者”的升级版MQ-9“死神”无人攻击机问世,这种无人机体积更大、性能更强,还能发射激光制导炸弹等武器。

     “全球鹰”是一种无人侦察机。和“捕食者”一样,“全球鹰”也具备使用合成孔径雷达等多个频段的侦察设备获取战场信息的能力,可以执行对陆地目标和海上目标的侦察任务。由于使用了喷气式发动机作为动力,“全球鹰”有着比“捕食者”更高的飞行速度。美军本来也打算将“全球鹰”无人侦察机改装成攻击型无人机,但由于“全球鹰”的飞行高度较高,用来执行对地攻击任务并不十分合适,因此放弃了这一想法。

      除了“全球鹰”和“捕食者”这类大型无人机外,美军还研发了小型化的无人机,如RQ-11“大乌鸦”和“龙眼”无人机。由于这些无人机体积轻巧、便于携带,基层部队可以在日常巡逻中将无人机随身携带,一旦遇到战斗情况,可以就地将无人机放飞,提供侦察支援,灵活性大大提高,特别适合反恐作战。

      5.民用无人机迅猛发展

      虽然无人机技术的发展源于军事需求,但目前大家最熟悉的无人机,还是那种有着多个旋翼,可以灵活地在空中运动或悬停,进行航拍活动的多旋翼无人机。这种无人机是自21世纪以来迅猛发展的民用无人机的典型代表。

      在多旋翼无人机中,四旋翼无人机是最常见的一种无人机类型。它和直升飞机一样,是通过与机身平行的螺旋桨桨叶产生的升力垂直起飞,既无需机翼,又不用设置跑道来起飞降落,因而体积小巧、使用方便。而和直升机这样的单旋翼飞行器相比,多旋翼飞行器的螺旋桨无需设置复杂的机械传动装置,也不需要尾桨来抵消主螺旋桨带来的旋转,因此多旋翼无人机不但具备理想的可靠性,还可以将制造成本控制得比较低,能够以一般消费者能承受的价格销售。更重要的是,在内部控制程序的配合下,多旋翼无人机的操控相当简单,非专业飞行人员短时间内就能掌握基本的操作方法,像玩电子游戏一样操控无人机的飞行,为无人机的普及扫除了障碍。

      多旋翼民用无人机能够迅速兴起的另外一个关键设备,是以GoPro为代表的运动相机。运动相机可以获得比一般相机更加宽广的视野,拍摄高清晰度的照片或视频,体积重量还十分小巧,特别适合安装在无人机上,获得从天空或高处向下的视角。无人机操控手们不但可以在飞行过程中实时享受无人机带来的视觉体验,拍摄的高清照片、视频等还可以进行丰富的后期处理,得到更炫酷的视觉效果。在无人机出现之前,进行航拍需要租用有飞行员驾驶的飞机,不但过程相当繁杂,飞机租用价格也绝非一般人可以承担。而在无人机出现之后,个人就可以进行日常的业余航拍活动。在运动会等大型活动现场,无人机也已经成了必备的拍摄工具。

      进入21世纪后,由于基础技术的发展,民用无人机的各个组成部分性能越来越强、重量越来越轻,成本也越来越低,给无人机的普及创造了条件。目前,无人机搭载的高性能FPGA芯片,可以实现双CPU的功能,处理各种传感器传来的无人机状态信息,控制无人机的高效飞行。Wifi技术的发展让手机上网更方便,也给民用无人机的信号传输提供了一种简单有效的实现方式,可以在一定距离内传输控制和影像信号。在续航方面,由于锂电池技术的发展,用一块重量不大的电池就可以让无人机在天空中飞行一段时间。

      除了四旋翼无人机外,固定翼无人机也在民用领域得到了广泛的应用。与四旋翼无人机或多旋翼无人机相比,固定翼无人机的续航时间更长,飞行高度更高、活动范围更大,采用更加可靠的控制系统和信号传输系统,因此比四旋翼无人机更适合专业生产领域的应用。

      6.无人机越来越“万能”

      除了娱乐航拍的功能外,民用无人机还有多种多样的本领。大城市道路大多拥堵严重,在发生交通事故时,无人机可快速低空飞抵事故现场,第一时间进行执法拍摄取证。它传回的图像还能让交通部门更好地疏导拥堵的交通,从而更快到达现场进行事故救援工作。

      遇到犯罪分子驾车逃窜时,无人机可以在空中跟踪罪犯的踪迹,引导警察实施抓捕。

      在高层建筑发生火灾时,消防员可以释放无人机航拍,快速获取火灾蔓延情况和被困人员位置,准确部署灭火力量。

      当洪水发生时,无人机可携带救生绳或救生圈,并将其投送到需要者身边。

      对位于偏远地区的输电线路和石油管道,可以让无人机进行线路巡检的工作。无人机出动一次就可以巡检几十甚至上百公里的线路,减轻了工人的工作负担。

      未来,在网购之后,人们还可能收到无人机送来的快递包裹。快递企业计划用四旋翼或八旋翼无人机,在10公里的范围内派送重量不超过10公斤的包裹。无人机不会取代快递小哥们的工作,而是会专注于紧急快件和偏远地区快件的派送,提高配送效率,减少人力、运力成本。目前,国外的亚马逊、DHL和国内的顺丰、京东等快递物流企业,都在开展无人机配送快递的尝试。德国DHL公司已经开始使用无人机,为居住在偏远海岛上的人们送去药品等必需物资。亚马逊推出的Prime Air服务,可以将包裹在30分钟内送交客户。美国邮政还研制出了一种电动邮政汽车和无人机结合的派送模式,由司机驾驶电动邮车到达社区,再由无人机从邮车上自动取走包裹、送交住户。2017年,中科院工热所还成功研制了世界上第一种大型货运无人机。这种无人机可以在极短的跑道上起飞降落,一次可以运输重达1.5吨的货物,特别适合将一批快递包裹集中运到偏远的乡镇和村庄,使那里的人们也能享受网购带来的便利。2018年,中国邮政在浙江安吉山村地区开通了第一条无人机配送航线,试点偏远地区配送服务。

      本版部分图片/视觉中国

      炫彩世界    

      无人机集群不仅是“表演”

      这些年,我们经常能够看到无人机编队表演的新闻报道。成百上千架无人机,在夜色中通过自身携带的彩色灯光设备,组成各种各样的美丽图案,甚至还能随着音乐节奏的变化翩翩起舞。这种奇观的出现,得益于无人机集群技术的发展。

      实际上,早在这种表演为人所知之前,无人机集群技术在军事领域就已经得到了发展与应用。2000年,美国国防部的高级计划局就启动了有关研究项目,通过借鉴蚂蚁的群体组织方法,研究多架无人机在空中协同发现目标的技术。经过近二十年的发展,无人机集群技术已经日臻成熟。在执行任务的过程中,集群中的无人机要组织好自己的队形,在完成任务的同时避免发生碰撞。同时,无人机之间还要分享所处位置态势的感知,一架无人机所观察到的情况可以被所有无人机掌握。这样,大量无人机可以在单一操作员的指挥下,完成一架无人机所不可能完成的各种任务。

     奇闻轶事

     无人机的“奇葩”用途

      无人机多样的功能给了用户无限的灵感,除了常见的应用外,也有使用者大开脑洞,给无人机找到了一些奇葩用途。

无人机点名:我国一所高校的老师在课堂上利用无人机点名,增加教学的趣味和参与度。小型的多旋翼无人机可以飞到教室的每个角落,通过人脸识别统计学生的出勤情况,还能发现上课不专心的同学。

      无人机拔牙:换牙是每位小朋友都会经历的事情。美国俄勒冈州的一位父亲,想到了用无人机将女儿即将脱落的乳牙拔掉的点子。他将女儿摇摇晃晃的乳牙用细绳绑在无人机上,成功地拔掉了这颗乳牙,还用无人机上的摄像机记录下了这一过程。如此“高科技”的换牙,让女儿也兴奋不已。

      无人机涂鸦:涂鸦是城市艺术创作的一种形式。有国外艺术家将喷漆罐装到了无人机上,从而能够在一些人不容易到达的建筑外墙上进行涂鸦创作。

      需要提醒各位读者的是,无论您的无人机创意有多么新奇,都要在符合有关法律法规和社会公序良俗的前提下,才能付诸实施。


(责任编辑:王治强 HF013)

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简介:产品内置天线阵列,主要配合潜盾、前哨系列产品使用,为其指示目标无人机的方向。产品测向精度高,操作简便,绿色无源

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