[科普中国]-微型直升机

应用

微型直升机体积只有一个香烟盒大小，可以装进口袋中，可持续飞行时间约25分钟，只需要短短数秒钟就可以起飞，并且很快就能在遥控装置的控制下抵达设定的位置。它可以可用于未来的间谍活动或者战场侦察，很方便地接近敌对位置，或者，进入遭受污染的建筑物内进行探测。

侦察和监视微型直升机携带能全天候工作的图像传感器后，非常适宜在50m高的空中执行侦察任务。它可以贴近目标实时侦察，尤其是对侦察卫星和军用侦察机监视不到的死角或人员无法达到的地势险要地区进行侦察，还可以部署到适当位置，充当固定的，不被注意的地面传感器，并能实时准确地把侦察到的信息传送回来。1

突袭微型直升机虽然尺寸小、有效载荷量有限，但如果装上一些高效能弹药或者一些非致命性武器，就能趁敌不备实施各种突袭和打击任务。1

通信中继微型直升机装上摄像机和传送机后，能拍摄有用镜头或画面，并能实时传输给作战指挥中心或前线士兵手中的微型计算机。它不必担心人员伤亡，若被击落，则可及时再发送新机继续执行任务。1

电子干扰任务微型直升机可充分发挥隐身性能好的长处，携带微型电子干扰机，飞抵距敌雷达、通信设施工作区足够近的地方，实施有效的干扰。如果干扰效果不理想，可增加飞行器的数量，实行“集群干扰”的战术。1

生化探测在遭敌核、生物、化学武器袭击后，携带特殊设备的微型直升机可以飞入污染区的上空，进行仔细周密的探测，而不必考虑人员伤亡问题。

此外，微型直升机还可以执行目标指示，为被击落的飞行员提供信息或给搜索救援人员发射求救信号等多种任务。

在民用方面，微型直升机可用于生物和化学物质检测，交通监视和城市情报搜集，大气探测和行星探测。微型直升机在行星探测方面具有很大的优势，因为把每一克重量送上行星的费用都很高，而它的重量却很轻。1

研制难点微型无人飞行器与有人驾驶飞机一样有各种构型,有固定翼的、也有直升机型的,内部结构仍然复杂,同时,研制过程中又遇到一些研制大型飞机所没有遇到的难题。

低雷诺数空气动力学在空气动力学里,有个很重要的参数叫作雷诺数,它表示的是物体的惯性力与粘性力的比例。同时它与物体尺寸也有很大关系,尺寸大了雷诺数也就大了。现在研制的飞行器,雷诺数都较大,一般为几百万到几千万,相应的升阻比可达到15~20。而尺度很小的微型无人飞行器,雷诺数只有几千到几万,升阻比约在3~5左右,这样许多流动现象都发生了变化。雷诺数小时,空气流动情况是较有规律的层流,而雷诺数大时,就变成湍流,它的速度等方面都变得非常凌乱,阻力也相应的变大了。所以要研究这种低雷诺数的飞行器,不能照搬大飞机的技术。

由于雷诺数大都在几千到几万之间,空气动力学主要研究的是粘性问题,而对这方面的分析和设计工具极少,经典翼型和机翼的有限元分析和设计方法在很大程度上能否在低雷诺数气流区适用还不清楚;流场的高粘性特性、附面层厚度大大增加了产生大范围分流层的可能性,可能导致微型无人飞行器的性能和以较高雷诺数试验为基础所预测的性能有很大差异;此外,人们对这个尺寸范围内的一些空气动力特点了解得很少,对提高性能的方法也一直未进行研究;由于气流是粘性的,因此原来用于设计螺旋桨和旋翼的一些简单工具已不适用,基本的设计原则也不适用了,为此针对研制微型无人飞行器的需要,应当建立低雷诺数空气动力学。2

微型制造技术为了达到所要求的升限比,必须制造光滑的三维面机翼、螺旋桨。传统的微型制造技术能制造出所要求的尺寸部件,但是其产品的光滑度不够。为了得到所要求的光滑三维面,就必须重新考虑所用的一般工艺流程,而且传统的机械加工方法一般不适用于制造50m厚度的部件。

自从纳米技术得到较大发展以来,人们在制造这些微型元件的能力方面又上了一个台阶,但是纳米技术毕竟还是一门新生的高新技术,有很多东西还停留在理论研究和实验室阶段,还需要进一步加强研究和推进科技成果产业化进程。2

动力和控制系统虽然可以使用的高能量电池越来越多,但要找到适合微型无人飞行器使用的高能量、大电流、大功率的超小电池仍是不容易;同时对微小部件的控制问题也很突出,因为元件、飞行器的尺寸小,持续稳定工作的时间很短,电机与飞行控制传感器的质量和尺寸以及制造工艺受到限制。2

发展前景参与研制工作的科学家们设想，这种微型直升机可以配备给在前线作战的士兵，这样他们就可以对整个战场环境随时进行侦察和了解，提前获知周边存在危险。微型直升机携带有微型相机，它们可以适时传回各种图像。美国军方也正在培育体内植有电脑芯片的“半机械昆虫”，它们背上安放有侦察装置，可被遥控按照人的想法四处飞行。报道说，美国政府和私营实体的一些人承认，他们正在研制这种侦察器。“半机械昆虫”可以跟踪嫌疑人、引导导弹命中目标或在倒塌建筑的各个角落搜寻幸存者。

型号举例黑寡妇无人机黑寡妇(BlackWidow)是航空环境公司为美国国防高级研究计划局的原创微型无人飞行器技术计划研制的第一种微型无人飞行器。航空环境公司介绍:黑寡妇微型无人飞行器达到或超过该研究计划规定的所有目标,其中最大尺寸15cm、飞行距离1.5km、续航时间30min、飞行高度244m。它可由下行链路传输彩色视频信息,并可从质量不超过1kg(包括飞行器)的手持盒中自主发射。黑寡妇最终型的螺旋桨效率达到82%,最大速度约64km/h。具有的特点包括保持高度、空速和航向的自动驾驶仪,并带有偏航阻尼。黑寡妇能够装载质量不超过2g的彩色摄像机,连续摄像。它还能容纳质量不超过2g的视频下行链路发射机,加上质量5g的全比例无线电遥控系统和0.5g的制动器。2

微星无人机微星(MicroSTAR)是桑德斯公司根据美国国防高级研究计划局1998年4月与该公司所签订合同正在研制的微型无人飞行器。微星无人机的发射质量是85g,总的电能功耗是15W。它的机身质量为7g,处理/存储电子元件质量为6g(比预先估计的2.5g有所增加),照相机/透镜总质量为4g,电动机及其螺旋桨的质量为20g,功耗为9W,而原先分配值分别为13g和7W,最大的一个质量配额是它的锂电池。

该微型无人飞行器执行飞行任务的时间在20min至60min,飞行距离大约为5km(或者在视距控制下增加一倍)。它的巡航速度一般为56km/h,高度为15m至90m。视景(vision)W5404感应装置可以提供足以识别一般人大小的目标图像,它将通过哈里斯公司的PRISM无线电通信链路把信息传送到由两块PC卡构成的地面控制板。2

PD-100黑黄蜂美国特种部队追随英国脚步，对“PD-100黑黄蜂”进行检验测试，而英国早已于2013年就投入军用。与大疆幻影(DJI Phantom)和大疆Inspire这类商业无人机不同，PD-100黑黄蜂为一款微型高科技“直升机”，设计非常之隐蔽，手掌大小，重量仅为18克，相当于3-4张打印纸。其微小轻便，长距离飞行能够真正实现隐身。然而，就这样一个小家伙的造价竟高达4万美元(约合人民币25万元)。据悉，PD-100黑黄蜂由挪威Prox Dynamics公司研制，在启动飞行之后，它就像真的昆虫一样嗡嗡作响。持续飞行时长约25分钟，航程达2英里(约合3.2千米)，携带普通相机和红外摄像头，用以拍摄静态图片、捕捉动态影像。PD-100黑黄蜂“直升机”通过地面遥控和实时取景器操作飞行，也可通过GPS自动驾驶仪设置成自动飞行模式。闲置时，2架小无人机可以轻松藏在士兵身上，置于口袋。3