美军重点发展的微纳型无人机
本文转载自现代军事（ID：xiandaijunshi），来源：《现代军事》杂志，作者：李 浩
近年来,美军对微型无人机的兴趣越来越浓,开始大量使用微型无人机进行战场侦察活动,使军队的作战方式发生了很大变化。微型无人机成本低,携带与操作方便,能为连、排及单兵提供即时战场情报。这些无人机还能以“蜂群”形式出动,以干扰敌方雷达系统,由于目标过多,敌方很难对它们进行拦截。美军正是看中了微型无人机的一系列优点,因此,先后发展出多款精巧的军用级微型无人机。
PD-100“黑黄蜂-2”无人机是美国特种部队使用的一种微型无人机,主要用于执行侦察、目标指示、火力校射和损失评估等任务。PD-100的设计非常精巧,仅有手掌大小,重18克,质量相当于3~4张打印纸。该无人机由硬质塑料制成,士兵可在一分钟内做好使用准备。PD-100最高飞行速度为35千米/小时,续航时间约25分钟,航程达3.2千米。该无人机主要依靠电池供电,遥控有效距离为1000米。该无人机的控制设备包括平板电脑和手柄。
PD-100“黑黄蜂”2无人机装有3台视角为130度的微型摄像机
PD-100“黑黄蜂-2”无人机装有3台视角为130°的微型摄像机,3个摄像头一个朝向前方,一个朝向飞机下方,最后一个摄像头方向和地面呈45°。PD-100可根据设定好的程序自动执行任务,能够将收集的情报实时发回操作员平台。PD-100无人机本身不存储数据,坠毁或被人截获并不会泄露战术秘密。PD-100双叶螺旋桨能够使PD-100静音飞行。PD-100还携带全球定位系统、温度计、罗盘和高度传感器。而机身设计能很好地抵抗大风,飞行相当稳定。
PD-100“黑黄蜂-2”微型无人机既能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。它非常适合在城市地区或森林地区使用。尤其是在茂密的丛林、建筑物内部、人员密集的村庄等受限环境中。不过这架无人机的售价不菲,单价达到了4万美元。通常情况下,一名士兵会配备2架PD-100微型无人机。其中一架用于执行任务,另一架则处于充电状态。
PD-100“黑黄蜂-2”无人机
美军特种部队已经获得多套PD-100微型无人机系统。2011年,挪威普罗克斯动力公司(Prox Dynamics)公司获得了美国陆军纳提克士兵研究、发展与工程中心的小型系统测试与评价奖。
据美国《国防系统》2016年8月份报道,美国海军陆战队进行了2016年航空地面任务综合实验,对多种新型装备进行了测试,其中最令人瞩目的是PD-100微型无人直升机。PD-100携带方便,整套系统装在一个袋子里就行,只要有电,便可在1分钟内升空;其体积小,静音性较好,隐蔽性较强;容易操作,基本上不需要培训和操作经验;安全可靠,对人没有危险。
PD-100“黑黄蜂-2”微型无人机的主要用途包括:战术级分队的决策辅助;密闭空间的侦察与搜救;对作战区域实施持续监控;为班排级战斗开辟“上帝视角”;对目标进行识别;检查危险区域的设施。
美国陆军现在的想法是,要把无人侦察机的概念落实到每一支队伍,最终落实到每个士兵。这款微型无人机仍在进一步改进,例如将重新配置更强大的军事数据传输器,增加夜视功能,提高导航能力,以及增强在室内或其他拥挤环境中的可控性。目前为止,至少有包括美国等19个北约国家已购买了PD-100微型无人机。
近战隐蔽自主无人一次性飞机(CICADA)
美国海军官员2015年透露,美国海军研究实验室(NRL)正在测试一种仅为光盘大小的微型无人机,这种无人机装有特殊的声学、气象和化学检测传感器,可批量飞行至危险地区执行监测任务。
该无人机被称为“近战隐蔽自主无人一次性飞机”(CICADA),可携带多种探测设备并批量飞行到偏远地区或人员难以接近的地区。美海军官员表示,该项目已经持续数年时间,但仍处于实验室开发阶段,正等待投入更多资金来推向实际部署应用。该项目由海军研究实验室自筹经费进行开发,接下来还将在阿伯丁试验场开展更多的测试飞行。
CICADA微型无人机被称为“飞行电路板”
CICADA无人机全重65克,仅有巴掌大小,这是美海军能够携带传感器的最小、最简单、成本最低的飞行器。CICADA的机身由可充当升力面机翼的印刷电路板和自动驾驶控制器组成,因此CICADA微型无人机被称为“飞行电路板”。它由飞机、气球甚至大型无人机投放,自身并不携带动力设备,属于滑翔机性质,可从8840米高空滑翔下降。CICADA自带的压力、温度和湿度传感器能够准确估算风力和风向,然后生成预期的滑翔路径。在自动驾驶仪、双轴陀螺仪和GPS导航的控制下,CICADA的着陆精度达到4.5米以内。该微型无人机没有摄像头或光电传感器,但装有天气传感器、声学探测技术或生化探测设备。
这种无人机的飞行距离正比于其释放高度:其滑翔距离约为其释放高度的3倍。落地后的CICADA可以通过较为简单的算法和较少的数据关联将各无人机组成集群。由于数量多、尺寸小、价格便宜,这些无人机为一次性使用。它们可以用所携带的特殊传感器检查目标区域是否存在化学或生物污染,或者测量暴风雨区域的相关气象参数,使人员避免过于接近危险区域。
此外CICADA内置的锂电池不仅能为控制系统和传感器提供电力,还可对机身的电子设备进行加热。其能在9100米的高度释放,并能在-57℃和40节风速下正常飞行和工作。由于其尺寸较小且滑翔时不会发出声音,因此可以悄无声息地降落或滑行至离目标非常近的地方进行监听或侦测工作。
NRL设想,CICADA作为微型无人机平台搭载麦克风和振动传感器降落至敌人附近,获取敌人对话。或在路边着陆,检测是否有车辆通过。还可携带生化探测设备进入放射性沾染区进行检测。目前CICADA还无法安装光学成像设备和网络传感器,但NRL正在努力中。NRL的最终目标是能让CICADA形成蜂群式传感器网络,对目标区域进行大范围探测。尽管原型机单价以达1000美元,但NRL表示,进入流水线生产环节的CICADA的成本可降至250美元。
“灰山鹑”(perdix)微型集群式无人机
据美国《国防》杂志网站报道,美国国防部战略能力办公室(SCO)主任威廉﹒罗珀2017年7月在空军协会大会上表示,潜在敌人正在研发能够令美军平台及人员日益陷入更大风险的新军事技术。因此,未来美军将在符合伦理道德的情况下,将作战中的所有危险工作尽可能转移给机器。沿着这样的方向,SCO正围绕许多项目与国防部研究实验室进行合作。其中未来作战中,无需回收的一次性低成本无人系统将发挥至关重要的作用。“灰山鹑”项目就是美军在研的无人系统编队项目。“灰山鹑”项目验证了战斗机发射可执行情报、监视、侦察(ISR)任务的自主无人机蜂群能力。
无人机集群是指借鉴自然界的自组织机制,使具备有限自主能力的多架无人机在没有集中指挥控制的情况下,通过相互间通信产生整体效应,实现较高程度的自主协作,从而能在尽量少的人员干预下完成预期的任务目标。据无人系统技术网站2017年7月10日报道,Kratos防务与安全解决方案公司所属的微系统公司宣布已经开发出一种被称为“狼群”的集群技术,可使多个自主飞行器独立地跟随同1架长机形成蜂群效应。集群中的每架飞机可以相互识别和定位,相互间保持预先定义的距离,整个集群可以随时调整和重组,无需中央控制系统。
“灰山鹑”无人机可以由高速飞行的F-16或F／A-18战机释放
“灰山鹑”无人机采用3D打印技术制造,机身主体长16.5厘米,翼展30厘米,全重290克,续航时间大于20分钟,时速74~111千米/小时。Perdix的气动布局特殊,有前后两副机翼,而且上下高度错开。“灰山鹑”无人机由SCO与美国麻省理工学院的林肯实验室联合发展,是一种一次性的无人机,可从战斗机的干扰弹发射装置投放,飞往低空并摄像。在被发射出去之前,该无人机的前部和后部机翼都折叠起来以装入干扰弹发射筒,飞行时依靠尾部一个螺旋桨推进。
“灰山鹑”无人机可以由高速飞行的F-16或F/A-18战机释放。每架F/A-18战斗机携带有2具圆柱形容器,当战机以接近声速通过任务点时,圆柱形容器开始抛洒微小的黑色包装箱。小黑点密密麻麻,每个包装箱尾部闪烁着点点亮光,是白色的减速伞。当包装箱下落到一定高度后通过减速伞稳定姿态,然后包装箱打开,预先折叠的集群无人机“破筒而出”.无人机的尾推发动机自启动,前后机翼自动张开并锁定,进入稳定飞行状态。虽然“灰山鹑”无人机目前还属于载荷能力较弱的微型无人机,但属于技术难度较高的变体式无人机。
2015年,美国太平洋司令部在阿拉斯加举行的“北方利刃”演习中进行了90次无人机行动。这次演习中第一次见证了20架“灰山鹑”无人机成功完成蜂群测试。2016年10月26日,美国军方在美国海军航空系统司令部位于加利福尼亚州的中国湖试验场,成功完成了一次大规模的的微型无人机“蜂群”演示。在演示中,美国海军3架F/A-18E/F“超级大黄蜂”战斗机一共投放了103架“灰山鹑”无人机。这群小型无人及演示了集体决策、自修正和自适应编队飞行。在测试中,这些快速飞行的无人机以很高的精度通过一系列航路点,顺利到达控制者所设定的目标位置。整个集群里的每一个体都非常自由,像鸟群一样忽聚忽散,上下翻飞,而且相互之间能有效避撞。当第一项任务目标出现时,所有无人机从自由飞行状态全都齐刷刷调转机头向目标飞去。
SCO迄今仅提及了“灰山鹑”飞往低空执行情监侦任务的能力,实际上该无人机可以有很多用途:
首先,它能够作为诱饵来迷惑敌人的防空系统或配备电子发射机去干扰雷达。当进入敌方战区时,可以大量发射这种载有电子发射机的无人机,形成干扰云,致盲敌方雷达。而如果遇到导弹袭击,这种无人机也可以作为雷达诱饵发射出去,将敌方导弹引向他处,保证战机的安全。
其次,这种微型无人机还带有高质量摄像头,可以成群地在目标区域上空活动,以追捕恐怖分子。而其微小的体型,使其不可能成为防空导弹打击的目标,而其飞行高度和快速飞行能力,也可以避开一般的高射机枪、狙击步枪的打击。而如果这种微型无人机的任务舱中换装微型战斗部,则可以变身成为一种小型巡飞弹,打击人员和轻型车辆等恐怖分子目标。
目前威廉﹒罗珀表示SCO对无人机的自主和蜂群软件非常认可,该机已经获得美军订单,从2013年该项目开始正式转为军用无人机,并在这个时间过程中不断试验,不断分析数据并找到解决方法。该机将于2017年投入使用,并将被部署到敏感地区执行巡逻任务,而且美军的最终目标是1000架微无人机组成集群。
具备视觉感知能力的新型“飞鼠”无人机
据简氏网站2017年7月20日报道,美国陆军研究实验室日前测试了名为“飞鼠”的无人机,开发者希望这款无人机能根据特定情况需要,承担一些侦察任务。
“飞鼠”无人机是一款双轴无人机,外形看起来像一只飞鼠。它的体型很小,重量大概只有300克左右,由于自身的转轴可以自由倾斜,这就给无人机带来很强的灵活性。“飞鼠”无人机可像直升机一样起飞和悬停,亦可向固定翼飞机一样加速飞行。该机将只配备机载照相机作为任务载荷,设计用于低空ISR任务,以便为地面士兵提供周边战场态势和敌方兵力情况。为实现自主飞行,该机最终将会集成计算机视觉技术进行环境感知,探测墙壁、规避障碍等,并可在收集态势数据时根据任务环境自行寻找合适的落脚点停留。
设计这款无人机的意义在于与现场士兵进行配合,对战场前方情况进行侦察。至于这款无人机的其他能力,研制者希望这款无人机可以在各种地形上着陆,让它会自行感应周边环境并快速进行整合。为此,开发人员需要在无人机上整合人工智能设备、快速感应的传感器和摄像头,而又要估计到无人机的重量,这对研发者来说还是非常具有挑战的。
“狙击手”微型无人侦察机
英国《每日邮报》2017年5月9日报道,美无人机制造商航空环境公司当天公布了新开发的四旋翼“狙击手”微型无人机。该机只有手掌大小,方便携带,优秀的隐蔽性使其更适合军事操作。“狙击手”微型无人机重130克,采用静音设计,展开后的尺寸为15×15厘米,每个士兵可以携带2架。“狙击手”无人机可由操作者随身携带,可在1分钟之内展开。整套系统包含1台四旋翼微型无人机、1台手机大小的控制监视器以及1个无人机储存盒。无人机通过触屏屏控制器来控制,飞行速度可达32千米/小时,任务距离超过1000米。无人能持续飞行15分钟,可抵御20千米/小时的强风。
“狙击手”无人机功能十分强大，拥有完备的调频机制，配备了EO传感系统、长波红外线检测器(LWIR)、超高频无线通信设备
“狙击手”无人机拥有完备的调频机制,配备了光电传感系统、长波红外线传感器(LWIR)、超高频无线通信设备。其主要进行情报与侦察工作,可在任何时间传回高分辨率图像和视频。另一个重要的功能就是可以在没有信号时也可以自动返回操作者身边。
“狙击手”的成功得益于“纳米蜂鸟”无人机发展过程中取得的技术进步。“纳米蜂鸟”是世界第一台可以用两翼推进和控制的无人机。正是“纳米蜂鸟”的革新促使“狙击手”无人机拥有更强大的能力。据《航空周刊》报道,美国航空环境公司正在为美国军方制作样机,首批20架无人机已经交付美军。
无人机小型化新发展
目前,除了主控整体操作的计算机芯片以外,无人机的其他部件已经实现小型化。美国麻省理工学院(MIT)的工程师已开始设计一款微型计算机芯片,这种芯片专为瓶盖大小的无人机量身定做,其功耗显著减低。MIT团队的主要贡献是采用新方法设计芯片的结构和算法。新型芯片可以每秒20帧的速度处理图像,并自动执行指令调整无人机飞行方向。这种新型芯片全速运转的功耗低至2瓦以下,效率比现有的嵌入式芯片提高了一个数量级。研究团队计划在今夏把芯片安装到无人机上,在飞行中测试其性能。MIT团队还计划将优化的算法应用于专用集成电路(ASIC)。团队预计可将芯片的功耗降低到几百毫瓦的水平。
此外,人工智能技术对微型无人机的发展有着核心性引领。从人工智能的角度来看,无人机将向单机智能飞行、多机智能协同、任务自主智能的方向发展。
值得重视的是,武器化已经成为微型无人机侦察打击一体化发展的一个重要方向。据《美国新科学家》网站2017年1月18日报道,美国陆军提出“导弹部署集群无人机智能弹药”方案,拟由导弹而非飞机上投放武器化的集群无人机。导弹飞抵目标上空后,可释放多个智能四旋翼无人机。散布的每架无人机均携带1枚“爆炸成型弹丸”(EFP)战斗部,能有效打击装甲车、坦克、火炮等。
开放式系统架构将使无人机的升级更加快速,执行任务更加丰富。随着技术的不断进步,微型无人机的升级换代速度将缩短至6个月左右,这已类似于智能手机。未来,世界各国军队可采用小批量购买的方式,逐次购买不断升级的产品。
一网打尽系列文章，请回复以下关键词查看： |
创新发展：习近平 | 创新中国 | 创新创业 | 科技体制改革 | 科技创新政策 | 协同创新 | 成果转化 | 新科技革命 | 基础研究 | 产学研 | 供给侧 |
热点专题：军民融合 | 民参军 | 工业4.0 | 商业航天 | 智库 | 国家重点研发计划 | 基金 | 装备采办 | 博士 | 摩尔定律 | 诺贝尔奖 | 国家实验室 | 国防工业 | 十三五 | 创新教育 | 军工百强 | 试验鉴定 | 影响因子 | 双一流 | 净评估 |
预见未来：预见2016 | 预见2020 | 预见2025 | 预见2030 | 预见2035 | 预见2045 | 预见2050 | |
前沿科技：颠覆性技术 | 生物 | 仿生 | 脑科学 | 精准医学 | 基因 | 基因编辑 | 虚拟现实 | 增强现实 | 纳米 | 人工智能 | 机器人 | 3D打印 | 4D打印 | 太赫兹 | 云计算 | 物联网 | 互联网+ | 大数据 | 石墨烯 | 能源 | 电池 | 量子 | 超材料 | 超级计算机 | 卫星 | 北斗 | 智能制造 | 不依赖GPS导航 | 通信 | MIT技术评论 | 航空发动机 | 可穿戴 | 氮化镓 | 隐身 | 半导体 | 脑机接口 |
先进武器：中国武器 | 无人机 | 轰炸机 | 预警机 | 运输机 | 战斗机 | 六代机 | 网络武器 | 激光武器 | 电磁炮 | 高超声速武器 | 反无人机 | 防空反导 | 潜航器 | |
未来战争：未来战争 | 抵消战略 | 水下战 | 网络空间战 | 分布式杀伤 | 无人机蜂群 | 太空站 |反卫星 |
领先国家：俄罗斯 | 英国 | 日本 | 以色列 | 印度 |
前沿机构：战略能力办公室 | DARPA | Gartner | 硅谷 | 谷歌 | 华为 | 俄先期研究基金会 | 军工百强 |
前沿人物：钱学森 | 马斯克 | 凯文凯利 | 任正非 | 马云 | 奥巴马 | 特朗普 |
专家专栏：黄志澄 | 许得君 | 施一公 | 王喜文 | 贺飞 | 李萍 | 刘锋 | 王煜全 | 易本胜 | 李德毅 | 游光荣 | 刘亚威 | 赵文银 | 廖孟豪 | 谭铁牛 | 于川信 | 邬贺铨 | |
全文收录：2016文章全收录 | 2015文章全收录 | 2014文章全收录 |
其他主题系列陆续整理中，敬请期待…… |