[科普中國(guó)]-微型直升機(jī)

應(yīng)用

微型直升機(jī)體積只有一個(gè)香煙盒大小，可以裝進(jìn)口袋中，可持續(xù)飛行時(shí)間約25分鐘，只需要短短數(shù)秒鐘就可以起飛，并且很快就能在遙控裝置的控制下抵達(dá)設(shè)定的位置。它可以可用于未來的間諜活動(dòng)或者戰(zhàn)場(chǎng)偵察，很方便地接近敵對(duì)位置，或者，進(jìn)入遭受污染的建筑物內(nèi)進(jìn)行探測(cè)。

偵察和監(jiān)視微型直升機(jī)攜帶能全天候工作的圖像傳感器后，非常適宜在50m高的空中執(zhí)行偵察任務(wù)。它可以貼近目標(biāo)實(shí)時(shí)偵察，尤其是對(duì)偵察衛(wèi)星和軍用偵察機(jī)監(jiān)視不到的死角或人員無(wú)法達(dá)到的地勢(shì)險(xiǎn)要地區(qū)進(jìn)行偵察，還可以部署到適當(dāng)位置，充當(dāng)固定的，不被注意的地面?zhèn)鞲衅鳎⒛軐?shí)時(shí)準(zhǔn)確地把偵察到的信息傳送回來。1

突襲微型直升機(jī)雖然尺寸小、有效載荷量有限，但如果裝上一些高效能彈藥或者一些非致命性武器，就能趁敵不備實(shí)施各種突襲和打擊任務(wù)。1

通信中繼微型直升機(jī)裝上攝像機(jī)和傳送機(jī)后，能拍攝有用鏡頭或畫面，并能實(shí)時(shí)傳輸給作戰(zhàn)指揮中心或前線士兵手中的微型計(jì)算機(jī)。它不必?fù)?dān)心人員傷亡，若被擊落，則可及時(shí)再發(fā)送新機(jī)繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。1

電子干擾任務(wù)微型直升機(jī)可充分發(fā)揮隱身性能好的長(zhǎng)處，攜帶微型電子干擾機(jī)，飛抵距敵雷達(dá)、通信設(shè)施工作區(qū)足夠近的地方，實(shí)施有效的干擾。如果干擾效果不理想，可增加飛行器的數(shù)量，實(shí)行“集群干擾”的戰(zhàn)術(shù)。1

生化探測(cè)在遭敵核、生物、化學(xué)武器襲擊后，攜帶特殊設(shè)備的微型直升機(jī)可以飛入污染區(qū)的上空，進(jìn)行仔細(xì)周密的探測(cè)，而不必考慮人員傷亡問題。

此外，微型直升機(jī)還可以執(zhí)行目標(biāo)指示，為被擊落的飛行員提供信息或給搜索救援人員發(fā)射求救信號(hào)等多種任務(wù)。

在民用方面，微型直升機(jī)可用于生物和化學(xué)物質(zhì)檢測(cè)，交通監(jiān)視和城市情報(bào)搜集，大氣探測(cè)和行星探測(cè)。微型直升機(jī)在行星探測(cè)方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榘衙恳豢酥亓克蜕闲行堑馁M(fèi)用都很高，而它的重量卻很輕。1

研制難點(diǎn)微型無(wú)人飛行器與有人駕駛飛機(jī)一樣有各種構(gòu)型,有固定翼的、也有直升機(jī)型的,內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍然復(fù)雜,同時(shí),研制過程中又遇到一些研制大型飛機(jī)所沒有遇到的難題。

低雷諾數(shù)空氣動(dòng)力學(xué)在空氣動(dòng)力學(xué)里,有個(gè)很重要的參數(shù)叫作雷諾數(shù),它表示的是物體的慣性力與粘性力的比例。同時(shí)它與物體尺寸也有很大關(guān)系,尺寸大了雷諾數(shù)也就大了?，F(xiàn)在研制的飛行器,雷諾數(shù)都較大,一般為幾百萬(wàn)到幾千萬(wàn),相應(yīng)的升阻比可達(dá)到15~20。而尺度很小的微型無(wú)人飛行器,雷諾數(shù)只有幾千到幾萬(wàn),升阻比約在3~5左右,這樣許多流動(dòng)現(xiàn)象都發(fā)生了變化。雷諾數(shù)小時(shí),空氣流動(dòng)情況是較有規(guī)律的層流,而雷諾數(shù)大時(shí),就變成湍流,它的速度等方面都變得非常凌亂,阻力也相應(yīng)的變大了。所以要研究這種低雷諾數(shù)的飛行器,不能照搬大飛機(jī)的技術(shù)。

由于雷諾數(shù)大都在幾千到幾萬(wàn)之間,空氣動(dòng)力學(xué)主要研究的是粘性問題,而對(duì)這方面的分析和設(shè)計(jì)工具極少,經(jīng)典翼型和機(jī)翼的有限元分析和設(shè)計(jì)方法在很大程度上能否在低雷諾數(shù)氣流區(qū)適用還不清楚;流場(chǎng)的高粘性特性、附面層厚度大大增加了產(chǎn)生大范圍分流層的可能性,可能導(dǎo)致微型無(wú)人飛行器的性能和以較高雷諾數(shù)試驗(yàn)為基礎(chǔ)所預(yù)測(cè)的性能有很大差異;此外,人們對(duì)這個(gè)尺寸范圍內(nèi)的一些空氣動(dòng)力特點(diǎn)了解得很少,對(duì)提高性能的方法也一直未進(jìn)行研究;由于氣流是粘性的,因此原來用于設(shè)計(jì)螺旋槳和旋翼的一些簡(jiǎn)單工具已不適用,基本的設(shè)計(jì)原則也不適用了,為此針對(duì)研制微型無(wú)人飛行器的需要,應(yīng)當(dāng)建立低雷諾數(shù)空氣動(dòng)力學(xué)。2

微型制造技術(shù)為了達(dá)到所要求的升限比,必須制造光滑的三維面機(jī)翼、螺旋槳。傳統(tǒng)的微型制造技術(shù)能制造出所要求的尺寸部件,但是其產(chǎn)品的光滑度不夠。為了得到所要求的光滑三維面,就必須重新考慮所用的一般工藝流程,而且傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法一般不適用于制造50m厚度的部件。

自從納米技術(shù)得到較大發(fā)展以來,人們?cè)谥圃爝@些微型元件的能力方面又上了一個(gè)臺(tái)階,但是納米技術(shù)畢竟還是一門新生的高新技術(shù),有很多東西還停留在理論研究和實(shí)驗(yàn)室階段,還需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究和推進(jìn)科技成果產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。2

動(dòng)力和控制系統(tǒng)雖然可以使用的高能量電池越來越多,但要找到適合微型無(wú)人飛行器使用的高能量、大電流、大功率的超小電池仍是不容易;同時(shí)對(duì)微小部件的控制問題也很突出,因?yàn)樵w行器的尺寸小,持續(xù)穩(wěn)定工作的時(shí)間很短,電機(jī)與飛行控制傳感器的質(zhì)量和尺寸以及制造工藝受到限制。2

發(fā)展前景參與研制工作的科學(xué)家們?cè)O(shè)想，這種微型直升機(jī)可以配備給在前線作戰(zhàn)的士兵，這樣他們就可以對(duì)整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境隨時(shí)進(jìn)行偵察和了解，提前獲知周邊存在危險(xiǎn)。微型直升機(jī)攜帶有微型相機(jī)，它們可以適時(shí)傳回各種圖像。美國(guó)軍方也正在培育體內(nèi)植有電腦芯片的“半機(jī)械昆蟲”，它們背上安放有偵察裝置，可被遙控按照人的想法四處飛行。報(bào)道說，美國(guó)政府和私營(yíng)實(shí)體的一些人承認(rèn)，他們正在研制這種偵察器?！鞍霗C(jī)械昆蟲”可以跟蹤嫌疑人、引導(dǎo)導(dǎo)彈命中目標(biāo)或在倒塌建筑的各個(gè)角落搜尋幸存者。

型號(hào)舉例黑寡婦無(wú)人機(jī)黑寡婦(BlackWidow)是航空環(huán)境公司為美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的原創(chuàng)微型無(wú)人飛行器技術(shù)計(jì)劃研制的第一種微型無(wú)人飛行器。航空環(huán)境公司介紹:黑寡婦微型無(wú)人飛行器達(dá)到或超過該研究計(jì)劃規(guī)定的所有目標(biāo),其中最大尺寸15cm、飛行距離1.5km、續(xù)航時(shí)間30min、飛行高度244m。它可由下行鏈路傳輸彩色視頻信息,并可從質(zhì)量不超過1kg(包括飛行器)的手持盒中自主發(fā)射。黑寡婦最終型的螺旋槳效率達(dá)到82%,最大速度約64km/h。具有的特點(diǎn)包括保持高度、空速和航向的自動(dòng)駕駛儀,并帶有偏航阻尼。黑寡婦能夠裝載質(zhì)量不超過2g的彩色攝像機(jī),連續(xù)攝像。它還能容納質(zhì)量不超過2g的視頻下行鏈路發(fā)射機(jī),加上質(zhì)量5g的全比例無(wú)線電遙控系統(tǒng)和0.5g的制動(dòng)器。2

微星無(wú)人機(jī)微星(MicroSTAR)是桑德斯公司根據(jù)美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局1998年4月與該公司所簽訂合同正在研制的微型無(wú)人飛行器。微星無(wú)人機(jī)的發(fā)射質(zhì)量是85g,總的電能功耗是15W。它的機(jī)身質(zhì)量為7g,處理/存儲(chǔ)電子元件質(zhì)量為6g(比預(yù)先估計(jì)的2.5g有所增加),照相機(jī)/透鏡總質(zhì)量為4g,電動(dòng)機(jī)及其螺旋槳的質(zhì)量為20g,功耗為9W,而原先分配值分別為13g和7W,最大的一個(gè)質(zhì)量配額是它的鋰電池。

該微型無(wú)人飛行器執(zhí)行飛行任務(wù)的時(shí)間在20min至60min,飛行距離大約為5km(或者在視距控制下增加一倍)。它的巡航速度一般為56km/h,高度為15m至90m。視景(vision)W5404感應(yīng)裝置可以提供足以識(shí)別一般人大小的目標(biāo)圖像,它將通過哈里斯公司的PRISM無(wú)線電通信鏈路把信息傳送到由兩塊PC卡構(gòu)成的地面控制板。2

PD-100黑黃蜂美國(guó)特種部隊(duì)追隨英國(guó)腳步，對(duì)“PD-100黑黃蜂”進(jìn)行檢驗(yàn)測(cè)試，而英國(guó)早已于2013年就投入軍用。與大疆幻影(DJI Phantom)和大疆Inspire這類商業(yè)無(wú)人機(jī)不同，PD-100黑黃蜂為一款微型高科技“直升機(jī)”，設(shè)計(jì)非常之隱蔽，手掌大小，重量?jī)H為18克，相當(dāng)于3-4張打印紙。其微小輕便，長(zhǎng)距離飛行能夠真正實(shí)現(xiàn)隱身。然而，就這樣一個(gè)小家伙的造價(jià)竟高達(dá)4萬(wàn)美元(約合人民幣25萬(wàn)元)。據(jù)悉，PD-100黑黃蜂由挪威Prox Dynamics公司研制，在啟動(dòng)飛行之后，它就像真的昆蟲一樣嗡嗡作響。持續(xù)飛行時(shí)長(zhǎng)約25分鐘，航程達(dá)2英里(約合3.2千米)，攜帶普通相機(jī)和紅外攝像頭，用以拍攝靜態(tài)圖片、捕捉動(dòng)態(tài)影像。PD-100黑黃蜂“直升機(jī)”通過地面遙控和實(shí)時(shí)取景器操作飛行，也可通過GPS自動(dòng)駕駛儀設(shè)置成自動(dòng)飛行模式。閑置時(shí)，2架小無(wú)人機(jī)可以輕松藏在士兵身上，置于口袋。3