“航空技術(shù)不是工業(yè)，不是科學(xué)，而是奇跡！”
——伊戈?duì)枴の骺扑够?/p>
伊戈?duì)枴の骺扑够↖gor Sikorsky），俄裔美國發(fā)明家，著名飛機(jī)和直升機(jī)設(shè)計(jì)師，現(xiàn)代直升機(jī)技術(shù)的奠基人?！g者注
自航空技術(shù)誕生之初，軍方就對無人駕駛飛機(jī)的概念很感興趣，首先研制出飛行炸彈、靶機(jī)，然后又推出無人偵察機(jī)。無人機(jī)技術(shù)在 20 世紀(jì) 70 年代開始成熟。從 20 世紀(jì) 90 年代開始，衛(wèi)星地理定位技術(shù)和通信技術(shù)為無人偵察機(jī)開辟了新道路。隨后，這些技術(shù)逐漸走向民用領(lǐng)域，催生了民用無人機(jī)。
軍用無人機(jī)簡史
很多人以為無人機(jī)誕生于美國總統(tǒng)小布什執(zhí)政的第二次海灣戰(zhàn)爭期間。此后，美國軍方又利用無人機(jī)打擊巴基斯坦和也門地區(qū)。實(shí)際上，自航空技術(shù)萌芽之日起，各國軍方就開始研發(fā)不需要飛行員駕駛的飛機(jī)。隨著技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)逐漸演化成飛行炸彈、無人機(jī)靶機(jī)、無人偵察機(jī)、無人機(jī)誘餌、步兵無人機(jī)……
第一批原型機(jī)
19 世紀(jì)末，一些由膽大妄為的天才發(fā)明家創(chuàng)造和研發(fā)的航空技術(shù)很快吸引了軍方的注意。在第一次世界大戰(zhàn)期間，軍方就掌握了足夠的航空技術(shù)，將飛機(jī)應(yīng)用于空中偵察、打擊敵軍等方面。早期的空戰(zhàn)戰(zhàn)場充滿了視死如歸的騎士精神，天空變成了眾多王牌飛行員的墳?zāi)埂８鲊筷?duì)自然而然萌生了制造不需要飛行員操作的飛機(jī)的想法。但是，要達(dá)到這個目的必須擁有能夠遠(yuǎn)程指揮、控制飛行的技術(shù)。1898 年，塞爾維亞裔美國發(fā)明家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）在一艘被命名為“遠(yuǎn)程自動控制裝置”（Teleautomaton）的船上首次使用了無線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。1909 年，美國發(fā)明家埃爾默·安布羅斯·斯帕雷（Elmer Ambrose Sperry）成功研發(fā)出慣性測量儀的雛形——用于穩(wěn)定飛機(jī)的陀螺儀。萬事俱備，自動飛行器首航的一切準(zhǔn)備工作已經(jīng)就緒。
研究無人機(jī)最初的目的是轟炸敵軍。1918 年 10 月，美國發(fā)射了首枚飛行炸彈，那是一架翼展長 4 米、名為“凱特靈蟲”（Kettering Bug）的小型雙翼飛機(jī)，這種飛機(jī)被看成導(dǎo)彈的“簡易”始祖，但其飛行距離已有 120 公里，可承載 85 公斤炸藥。
圖 1-1 “凱特靈蟲”，真正的空中魚雷
為了確定飛行距離，技師們事先預(yù)設(shè)好引擎轉(zhuǎn)數(shù)，在飛行過程中，引擎達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)數(shù)后旋即停止運(yùn)行，機(jī)翼翻轉(zhuǎn)，飛機(jī)直線下落墜毀。當(dāng)時，一共生產(chǎn)了 45 架“凱特靈蟲”，卻從沒有在實(shí)戰(zhàn)中應(yīng)用過，因?yàn)閰⒅\部認(rèn)為這種飛機(jī)給己方部隊(duì)和盟友部隊(duì)都造成了威脅，其危險(xiǎn)不亞于敵軍轟炸。
另外，1918 年 9 月，法國成功遙控老式轟炸機(jī)“瓦贊八代”（Voisin Ⅷ）在封閉路線內(nèi)飛行 100 公里。
由于缺乏精確度，加之存在無線電干擾的危險(xiǎn)，大約又等了二十年，飛行炸彈才真正踏入實(shí)用階段。在兩次世界大戰(zhàn)之間，主流思想主張把無人機(jī)做成靶機(jī)，用來訓(xùn)練炮兵、防空部隊(duì)或飛行員——遙控靶機(jī)飛行，請其他部隊(duì)練習(xí)射擊，的確比讓靶機(jī)在自己身后追著跑要安全得多。而且，這也是一種回收利用第一次世界大戰(zhàn)大量庫存飛機(jī)的好辦法。于是，英國在 20 世紀(jì) 30 年代末把“虎蛾”（Tiger Moth）雙翼飛機(jī)改造成靶機(jī)，將其重新命名為“女王蜂”（Queenbee）。
圖 1-2 英國“女王蜂”靶機(jī)
第二次世界大戰(zhàn)期間
當(dāng)年，無人機(jī)產(chǎn)業(yè)盡管不及航空業(yè)繁榮昌盛，但也開始名聲鵲起。地處好萊塢附近的“無線電飛機(jī)公司”（Radioplane）曾經(jīng)是風(fēng)頭最勁的無人機(jī)靶機(jī)生產(chǎn)廠商。一位名叫諾爾瑪·簡·多爾蒂的小姑娘，也就是后來大名鼎鼎的瑪麗蓮·夢露，在投身演藝事業(yè)之前曾經(jīng)在這家企業(yè)工作過一段時間。
1944 年，肯尼迪家族的長子約瑟夫·肯尼迪參加了一項(xiàng)極度危險(xiǎn)的任務(wù)：讓裝滿炸藥的無線電遙控飛機(jī)墜落，轟炸位于法國北部的德軍 V3 導(dǎo)彈基地。約瑟夫必須登上飛機(jī)，操作飛機(jī)起飛，裝好雷管后跳傘離開。一架護(hù)衛(wèi)機(jī)通過無線電與電視保證無人機(jī)的遠(yuǎn)程導(dǎo)航。不幸的是，約瑟夫尚未來得及跳傘之前，飛機(jī)在空中爆炸，在此期間究竟發(fā)生了什么，也成為不解之謎。
圖 1-3 1944 年在無線電飛機(jī)公司工作的瑪麗蓮·夢露
除了把無人機(jī)做成靶機(jī)之外，德軍方面對無人機(jī)的發(fā)展方向卻另有打算。在第二次世界大戰(zhàn)的參戰(zhàn)各方中，德國是唯一能夠工業(yè)化批量生產(chǎn)并在實(shí)戰(zhàn)中應(yīng)用“飛行炸彈”的國家：首先出現(xiàn)的是翼展 6 米、長 8 米的 V1 飛彈，能夠攜帶大約一噸炸藥，可飛行 200 公里，在飛行速度達(dá)到 600 公里 / 小時的時候，精確度約 12 公里。V1 飛彈更主要的作用是侵蝕盟軍斗志，而非摧毀敵方設(shè)施。
后來，V1 飛彈被各方面性能更加卓越的 V2 飛彈所取代。V2 飛彈由火箭引擎推動，射程 320 公里，飛行速度 5000 公里 / 小時。V2 飛彈幾乎無堅(jiān)不摧，甚至可以飛入太空。
圖 1-4 德軍運(yùn)輸 V1 飛彈
圖 1-5 V2 飛彈
當(dāng)時，德軍已經(jīng)能夠利用自己的技術(shù)制造出其他型號的無人機(jī)。1943 年 9 月，盟軍繳獲的意大利裝甲船“羅馬號”（Roma）被一枚“魯赫斯塔赫”SD 1000 飛彈（Ruhrstahl）以前所未有的精確度擊中。這種飛彈發(fā)射以后，制導(dǎo)團(tuán)隊(duì)一直遠(yuǎn)程遙控飛彈直到擊中目標(biāo)。盟軍很多艦船同樣難逃厄運(yùn)，遭到更先進(jìn)的導(dǎo)彈——“亨舍爾”HS 293 飛彈（Henschel）襲擊。盟軍方面也針鋒相對，研發(fā)出成熟的應(yīng)對策略，比如無線電干擾、摧毀導(dǎo)航飛機(jī)等。
圖 1-6 亨舍爾 HS 293 飛彈
第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束、冷戰(zhàn)啟幕
德國自動飛行和遠(yuǎn)程遙控技術(shù)明顯遙遙領(lǐng)先，因此，盟軍各國攻入德國后爭相尋找科技裝備與科研人員，用“逆向工程”的方式，從拆解開始，學(xué)習(xí)仿造德國裝備，科研人員則被邀請移居到各方戰(zhàn)勝國。于是 V1、V2 飛彈之父——沃納·馮·布勞恩受邀前往美國，獲得更多的預(yù)算，繼續(xù)研究火箭技術(shù)。
和第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束后的情況類似，1945 年，各國擁有大量庫存飛機(jī)，應(yīng)該讓這些飛機(jī)發(fā)揮作用。因此，美國決定把“赫爾卡特幽靈機(jī)”（Hellcat Phantom）改裝成無人機(jī)，用于在太平洋原子彈試驗(yàn)后提取空氣樣本。
冷戰(zhàn)隨后爆發(fā)，推動了無人機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展。想象一下，倘若戰(zhàn)端開啟，大規(guī)模坦克部隊(duì)在歐洲洶涌襲來，炮兵部隊(duì)首先需要高效的偵查方式。這類任務(wù)對于由飛行員操縱的普通飛機(jī)來說非常危險(xiǎn)，所以，催生了戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)（也被稱為“無人偵察機(jī)”）。無人機(jī)以高速低空掠過戰(zhàn)場上空，給常規(guī)目標(biāo)或者核武器拍照。然后，無人機(jī)憑借降落傘著陸，軍隊(duì)立即回收，再洗印膠片。陸軍最接近戰(zhàn)場，他們可以不呼叫空軍協(xié)助，轉(zhuǎn)而使用無人機(jī)，這一戰(zhàn)術(shù)讓處理信息的時間縮短，實(shí)現(xiàn)迅速反擊。因此，法國在 20 世紀(jì) 50 年代根據(jù)德軍的 V1 飛彈研發(fā)出卡車運(yùn)載的小型戰(zhàn)術(shù)無人機(jī) CT-10、CT-20，然后是 R20。
圖 1-7 R20 戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)
與之一脈相承的最新一代產(chǎn)品是“臨時戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)系統(tǒng)”（SDTI）無人機(jī)：這種螺旋槳飛機(jī)翼展 4 米、依靠彈射器起飛，最大飛行時間 5 小時，借助降落傘著陸。這種無人機(jī)在科索沃和阿富汗地區(qū)曾經(jīng)得到大量應(yīng)用。
圖 1-8 SDTI 無人機(jī)
從戰(zhàn)略角度看，軍方希望無人機(jī)技術(shù)不要僅僅在臆想戰(zhàn)場的上空漫步。鐵幕兩側(cè)的陣營盡管名義上處于和平狀態(tài)，其實(shí)彼此迫切希望監(jiān)視對方。美方使用 U2 偵察機(jī)在蘇聯(lián)境內(nèi)實(shí)施高空偵查。1960 年 5 月，一架 U2 飛機(jī)被擊落，蘇聯(lián)播出了一名安然無恙的機(jī)組人員遭俘虜?shù)溺R頭。這一事件讓美國輿論一片嘩然，美國加速研制能夠深入敵后執(zhí)行任務(wù)的無人偵察機(jī)。
1962 年的古巴導(dǎo)彈危機(jī)使美方監(jiān)視敵人的需要更加緊迫，可當(dāng)時的無人機(jī)技術(shù)并不成熟?！叭鸢病?47 BQM-342 無人偵察機(jī)有另一個更為人所知的名字——“螢火蟲”無人偵察機(jī)，其翼展不到 5 米，可以由飛機(jī)投放，通過降落傘回收。1964 年，“螢火蟲”首飛，侵犯中國領(lǐng)空。該無人偵察機(jī)在越南、中國等地執(zhí)行任務(wù)，共飛行 3400 余次，其中幾架飛機(jī)被中國軍方擊落。
2無人機(jī)名稱中英文對照表請參見附錄 B。——編者按
圖 1-9 “螢火蟲”，冷戰(zhàn)時期的無人偵察機(jī)
盡管美國在冷戰(zhàn)時期使用的無人機(jī)技術(shù)獲得了無可爭議的巨大成功，但是，無人機(jī)在防空炮火和戰(zhàn)斗機(jī)面前仍顯得脆弱無力，極易遭到攻擊。鑒于無人機(jī)的缺陷和損失，加上遙控導(dǎo)航技術(shù)并沒有完全成熟，無人機(jī)在美軍眼中漸漸失去了價(jià)值。美軍從越南撤軍之后，無人機(jī)技術(shù)也被束之高閣。
反恐戰(zhàn)爭
1982 年，以色列接下了無人機(jī)技術(shù)研發(fā)的火炬，獲得舉世矚目的成就。在“加利利和平行動”中，以色列在進(jìn)攻貝魯特時，使用無人偵察機(jī)與由飛行員駕駛的飛機(jī)協(xié)同行動，同時，還使用小型無人機(jī)作為誘餌迷惑敵方的防御力量。很快，以色列取得制空權(quán)，為其展開地面部隊(duì)行動提供了很大便利。恐怖主義威脅對以色列來說如同芒刺在背，促使其在無人機(jī)領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位，與美國分庭抗禮，共同引領(lǐng)無人機(jī)技術(shù)的尖端科技，以色列無人機(jī)出口量占該市場總量的 70%，主要出口南非。
2001 年 9 月 11 日，紐約世貿(mào)大廈遭到恐怖襲擊。而后，以圍捕阿富汗境內(nèi)基地組織為共同目標(biāo)的反恐同盟在同一年誕生，并從 2003 年起在伊拉克繼續(xù)與基地組織作戰(zhàn)。在這場戰(zhàn)斗中，美軍有一條不成文的規(guī)定：依靠情報(bào)工作的長期性與準(zhǔn)確性，盡可能不讓部隊(duì)處于危險(xiǎn)境地，在遠(yuǎn)離美國本土的戰(zhàn)爭中實(shí)現(xiàn)“零陣亡”。因此，軍隊(duì)需要長期擁有可靠的偵查監(jiān)視技術(shù)。
美國通用原子公司將 MALE（Medium Altitude Long Endurance，意為“中海拔、長時程”）無人機(jī)系統(tǒng)安裝在“掠食者”無人機(jī)身上。這種無人機(jī)與當(dāng)時已生產(chǎn)的所有無人機(jī)都截然不同，專門為了長時間飛行和執(zhí)行偵查任務(wù)而設(shè)計(jì)，可以在數(shù)千公里之外遠(yuǎn)程導(dǎo)航，能滿足美軍所有需要。“掠食者”翼展 16 米，機(jī)翼很長，類似滑翔機(jī)機(jī)翼，由螺旋槳引擎推進(jìn)。機(jī)身背部有衛(wèi)星通信天線。尾翼呈 V 字形，比傳統(tǒng)的尾翼矮，更容易安置。這種無人機(jī)可以在 7000 米海拔高度連續(xù)飛行 40 小時，一些型號可以飛行 12 000 公里。MALE 無人機(jī)系統(tǒng)從 1995 年開始接受測試，在阿富汗戰(zhàn)場上成為聯(lián)軍情報(bào)機(jī)構(gòu)的主要工具。
圖 1-10 MALE 掠食者
在此之前，類似偵查工作都是由衛(wèi)星承擔(dān)的。無人機(jī)可以直接飛到想要偵查的地點(diǎn)，顯得更加靈活，而衛(wèi)星則必須按照固定軌道運(yùn)行，只能等到在軌道上經(jīng)過目標(biāo)地點(diǎn)時才可以工作。而且，無人機(jī)飛行高度較低，拍攝的照片更加清晰。不過，衛(wèi)星并不是無人機(jī)的競爭對手，恰恰相反，衛(wèi)星可以通過地理定位以及 20 世紀(jì) 90 年代研發(fā)成功的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）為無人機(jī)導(dǎo)航。衛(wèi)星還可以為控制無人機(jī)飛行和現(xiàn)場傳送圖像提供中轉(zhuǎn)服務(wù)。
“掠食者”無人機(jī)還被創(chuàng)造性地賦予了新身份——攻擊性無人機(jī)。此前，無人機(jī)的作用僅僅是發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，然后會被敵軍飛機(jī)或者高射炮擊毀?！奥邮痴摺睙o人機(jī)配備武器，徹底扭轉(zhuǎn)了這種劣勢。它可以在任務(wù)的后半程自動填彈，并探測攻擊造成的損失范圍，其處理數(shù)據(jù)的時間大大縮短，而精確度則大大增強(qiáng)?！奥邮痴摺睙o人機(jī)于 2001 年在伊拉克發(fā)射了第一枚導(dǎo)彈，之后在也門發(fā)動了第二次襲擊。
不過 MALE 無人機(jī)系統(tǒng)存在一個重大缺陷：速度慢，最高速度僅為 200 公里 / 小時。如果目標(biāo)距離遠(yuǎn)，無人機(jī)的航程需要花費(fèi)很長時間，也就是說，可以用在觀測目標(biāo)的時間就會相應(yīng)變短。而 HALE（High Altitude Long Term Endurance，意為“高海拔、長時程”）無人機(jī)系統(tǒng)則有效彌補(bǔ)了這一缺陷。相應(yīng)的飛機(jī)配備噴氣式引擎，速度是 MALE 無人機(jī)系統(tǒng)飛機(jī)的三倍。比如諾斯普諾·格魯門公司的 RQ-4“全球之鷹”無人機(jī)的最高飛行高度可達(dá) 18 000 米，其體積如同航班客機(jī)（翼展 40 米），續(xù)航能力約 40 小時。
圖 1-11 HALE 全球之鷹
無人機(jī)這種新型工具的成功主要依賴于軍方的肯定。在法國和美國，陸軍與空軍對無人機(jī)操作人員應(yīng)接受的訓(xùn)練內(nèi)容要求并不相同。操作空軍無人機(jī)的人員必須接受過飛行員培訓(xùn)，而陸軍對操作無人機(jī)人員并沒有這樣的要求。在美國，空軍與陸軍配備有各自的“掠食者”無人機(jī)，空軍愿意手動操作，而陸軍更信任自動駕駛。結(jié)果是，手動操控的無人機(jī)出現(xiàn)的事故更多。在伊拉克，曾共有超過 700 架各式各樣的無人機(jī)服役，美國軍方不得不對空中交通管制問題加以考慮。
在法國，比起無人機(jī)，空軍更加偏愛飛行員駕駛的飛機(jī)，比如“陣風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)和 A400M 運(yùn)輸機(jī)。法國軍方?jīng)]有研發(fā)自己的 MALE 無人機(jī)，而是與以色列合作，把以色列“蒼鷺”無人機(jī)法國化，改造成“雪鸮”無人機(jī)。自 2010 年起，已經(jīng)有四架“雪鸮”無人機(jī)在阿富汗、利比亞、馬里服役，后來被 MQ9“死神”無人機(jī)取代。
圖 1-12 MALE 雪鸮
開啟迷你時代
自 21 世紀(jì)初，微型化技術(shù)讓研制放入背包里的便攜式無人機(jī)成為可能。如果敵人布下陷阱、準(zhǔn)備伏擊，裝備這種無人機(jī)的步兵可以不必身犯險(xiǎn)地就能夠看到山丘或者建筑物背后的情況。無人機(jī)變成了一種帶著翅膀的望遠(yuǎn)鏡。美國天空環(huán)境公司研發(fā)了 RQ-11“渡鴉”迷你無人機(jī)，固定機(jī)翼翼展 1.3 米，質(zhì)量不足 2 公斤。該無人機(jī)配備攝像機(jī)和視頻接收器，活動范圍 10 公里。步兵手持投出這種無人機(jī)，起飛后可以通過視頻接收器在屏幕上看到圖像。在降落時，無人機(jī)尾翼轉(zhuǎn)向，無人機(jī)隨重力落下，撞擊地面時，機(jī)翼與機(jī)身分離成幾個部分，而分離的部分很容易重新組裝，便于下次飛行。這些特點(diǎn)為 RQ-11“渡鴉”迷你無人機(jī)贏得巨大成功，行銷 20 多個國家，銷量達(dá)到 20 000 架。
加拿大艾倫研發(fā)公司生產(chǎn)出不到 2 公斤重的四旋翼無人機(jī)——“艾倫偵察機(jī)”，用于在城市環(huán)境中收集信息。機(jī)上配載了穩(wěn)定的陀螺儀攝像機(jī)，持續(xù)飛行時間約 25 分鐘。這種無人機(jī)啟動時間很短，而且這種無人機(jī)堅(jiān)固耐用、易于操作。
[圖片上傳中。。。（13）]
圖 1-13 RQ-11“渡鴉”迷你無人機(jī)
圖 1-14 “艾倫偵察機(jī)”迷你無人機(jī)
軍用無人機(jī)的未來
無人機(jī)能夠代替戰(zhàn)斗機(jī)嗎？想實(shí)現(xiàn)這一愿望，無人機(jī)必須更敏捷、有隱形能力、續(xù)航能力更強(qiáng)。目前仍處于試驗(yàn)階段的 UCAV（Unmanned Combat Aerial Vehicle，意為“無人作戰(zhàn)飛機(jī)”）無人戰(zhàn)斗機(jī)能夠滿足這些需求。
達(dá)索“神經(jīng)元”無人機(jī)的模型在 2011 年布爾日航空展上亮相，該無人機(jī)于 2012 年 12 月首次飛上天空。
圖 1-15 1∶1 大小的“神經(jīng)元”無人機(jī)模型亮相 2011 年布爾日航空展
從美國到歐洲，包括伊朗和印度在內(nèi)的五十多個國家都在研發(fā)軍用無人機(jī)。無人機(jī)技術(shù)的廣泛傳播，讓擁有這項(xiàng)技術(shù)的國家不再占據(jù)明顯的優(yōu)勢。在沒有預(yù)先警告的前提下使用無人機(jī)清除恐怖組織，容易造成平民傷亡，這種做法遭到全體民眾的一致反對，同時引發(fā)了大眾對無人機(jī)使用問題的爭論。
表 1-1 部分正在服役的無人機(jī)
名稱
國家
類型
續(xù)航能力（小時）
活動半徑（公里）
最高速度（公里 / 小時）
最高飛行高度（米）
SDTI
法國
戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)
5
200
240
3800
掠食者
美國
MALE
部分型號可達(dá) 40
6780
222
7680
全球之鷹
美國
HALE
部分型號可達(dá) 40
22 780
635
18 300
神經(jīng)元
歐洲
UCAV
2
2280
980
14 000
隨著西方部隊(duì)從伊拉克和阿富汗撤軍，軍用無人機(jī)的市場陡然縮小。盡管有人嘗試向平民銷售迷你無人機(jī)，但結(jié)果往往不盡如人意：一方面，軍用無人機(jī)對普通人來說太過專業(yè)，普通民眾不需要獲取即時信息，也絲毫不介意多花上幾分鐘啟動無人機(jī)；另一方面，軍用無人機(jī)和軍民兩用無人機(jī)的使用受到商業(yè)法規(guī)的嚴(yán)格限制。最早的是美國《國際武器貿(mào)易條例》中的相關(guān)規(guī)定。不論銷售目的何在，在美國從事出口“防御器材”和“防御服務(wù)”的行為都受到該《條例》的制約。此外，美國還針對軍民兩用產(chǎn)品制定了《出口管理?xiàng)l例》（簡稱 EAR）。這些規(guī)章制度可能使銷售延遲，令銷售者受罰，甚至遭受刑事懲處。另外，由于軍方認(rèn)證的原因，軍用無人機(jī)的售價(jià)也過高。
然而，軍用無人機(jī)賦予了年輕一代企業(yè)家無限靈感，激勵他們開發(fā)適合民眾需要的無人機(jī)。20 世紀(jì) 90 年代和 21 世紀(jì)的技術(shù)革新將為這些企業(yè)家助上一臂之力。
民用無人機(jī)時代的到來
21 世紀(jì)之初，新興科技讓軍用無人機(jī)的性能更加優(yōu)秀，也促進(jìn)了民用無人機(jī)的誕生。
科技演化與科技突破
地理定位：從陀螺儀到全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)
為了完成任務(wù)，飛行器必須精確了解自己所處的空間位置。直到 20 世紀(jì) 90 年代，自動駕駛儀只能依靠自身的慣性測量儀定位，慣性測量儀包括機(jī)械陀螺儀、與陀螺儀連接的磁羅盤和壓力傳感器。整個飛行過程中，飛行器通過測量自身承受的加速度實(shí)現(xiàn)定位。但是，除了機(jī)械本身的可靠性問題之外，慣性測量儀體積大而笨重，隨著時間流逝，其精確度會降低。1995 年，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的到來改變了這種局面。從那之后，飛機(jī)可以用指甲大小的天線接收衛(wèi)星發(fā)出的訊號，即時定位自身的位置。該系統(tǒng)的工作原理是：通過多顆人造衛(wèi)星組成的衛(wèi)星群（比如用 24 顆人造衛(wèi)星工作的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)），或者俄國的格洛納斯（GLONASS）全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，抑或未來將投入使用的歐洲伽利略（GALILEO）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，將持續(xù)發(fā)送由原子鐘測算而出、報(bào)告精確時刻與位置的信號，通過三邊測量法計(jì)算出位置距離。為了準(zhǔn)確定位，飛行器必須接收至少四顆人造衛(wèi)星發(fā)出的信號，如果能接收到六顆或更多人造衛(wèi)星發(fā)出的信號，則會提高定位的精確度。
這種技術(shù)起初由美軍研發(fā)，而提供給公眾的衛(wèi)星信號被故意降低了精確度，于是，其誤差在 100 米左右。在 2000 年 5 月，美國克林頓總統(tǒng)決定停止人為降低精確度的做法后，衛(wèi)星定位技術(shù)才真正開始蓬勃發(fā)展?，F(xiàn)在，定位的精確度在 10 米以內(nèi)，隨著發(fā)射信號的衛(wèi)星數(shù)量增多，精確度仍在進(jìn)一步提高。
微電子機(jī)械系統(tǒng)迷你化
2 毫米長的氣壓高度計(jì)、大小相仿的指南針、3 毫米的加速計(jì)……如今，沒有活動部件、不需維護(hù)的微型組件取代了以前的機(jī)械傳感器，這種組件被稱作“微電子機(jī)械系統(tǒng)”（MEMS），移動電話的普及促使這類系統(tǒng)進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)。現(xiàn)在，微型無人機(jī)自動駕駛儀的回路中就采用了微電子機(jī)械系統(tǒng)，包括傳感器在內(nèi)，自動駕駛儀的總重量不到 25 克。
圖 1-16 微電子機(jī)械系統(tǒng)
數(shù)據(jù)聯(lián)絡(luò)通道
MALE 和 HALE 軍用無人機(jī)使用衛(wèi)星聯(lián)絡(luò)，有效距離無限寬廣。民用無人機(jī)無法使用衛(wèi)星聯(lián)絡(luò)，因?yàn)樵O(shè)備價(jià)格高昂，而且天線過大。不過，從 21 世紀(jì)開始，民用無人機(jī)可以使用高效又安全的數(shù)字無線電。以前，無線電一直使用頻率 41 兆赫或者 72 兆赫的模擬信號，這種信號會遭到其他發(fā)射裝置的干擾，而且電動引擎也會令信號停頓。進(jìn)入 21 世紀(jì)后，出現(xiàn)了更高頻率的數(shù)字模式無線電，頻率達(dá) 2.4 吉赫。從初次使用開始，可以把發(fā)射器和接收器配對，讓接收器只能識別遙控器發(fā)出的信號，這樣就不會受到第三方的干擾。聯(lián)絡(luò)通道變成雙向：發(fā)射器下達(dá)指令，同時接收機(jī)上反應(yīng)傳感器狀態(tài)的信息。另外還有一個優(yōu)點(diǎn)：發(fā)射器不需要以前 1 米長的遙控天線，也不需要機(jī)身外側(cè)保持緊繃的接收器長線，現(xiàn)在的發(fā)射器和接收器只需 10 厘米長的天線而已。
無刷電動機(jī)（又名：磁力同步自動駕駛機(jī)）
豐田普銳斯（Toyota Prius）汽車、電動小型摩托、CD 光盤機(jī)都配備了無刷電動機(jī)。從 20 世紀(jì) 80 年代開始，無刷電動機(jī)替代了電刷電動機(jī)。如果沒有無刷電動機(jī)的存在，眾多多旋翼無人機(jī)（占民用無人機(jī)的 80%）將永遠(yuǎn)不會問世。
與前幾代電動機(jī)不同，這種電動機(jī)需要直流電供電，電流通過引擎外部的連接器，連接器把直流電轉(zhuǎn)化成三相交流電。該連接器通過調(diào)整每秒鐘的脈沖數(shù)控制引擎速度，避免了傳統(tǒng)直流電引擎的所有缺點(diǎn)，比如慣性，而且無刷電動機(jī)效率更高、壽命更長。
實(shí)用載荷：數(shù)字相機(jī)
拍攝照片、拍攝之后立刻查看、刪除照片、重新拍攝、每次飛行拍攝儲存數(shù)百張照片、修飾照片、用照相機(jī)鏡頭錄制地面情況……20 世紀(jì) 90 年代末，在數(shù)字相機(jī)出現(xiàn)之前，如此花樣繁多的功能幾乎無法想象。自從進(jìn)入 21 世紀(jì)，數(shù)字傳感器憑借其驚人品質(zhì)徹底取代了膠片技術(shù)，無人機(jī)的攝影測量法等新技術(shù)也隨之問世。膠片攝影的洗印既昂貴又不方便，如果沒有數(shù)字相機(jī)技術(shù)，無人機(jī)絕不可能如此繁榮發(fā)展。
新型制造材料
20 世紀(jì) 80 年代到 90 年代，復(fù)合材料和高強(qiáng)度塑料泡沫開始被廣泛使用。復(fù)合材料是至少兩種特性互補(bǔ)材料的結(jié)合體，因此，制成的復(fù)合材料擁有兩種材料各自本來不具備的特性，比如堅(jiān)硬與輕盈兼?zhèn)洹?br>
復(fù)合材料質(zhì)量輕，容易塑型，從 20 世紀(jì) 80 年代開始逐漸取代了用于制造空中客車和波音飛機(jī)的鋁、鋼和鈦?，F(xiàn)在，復(fù)合材料幾乎占飛機(jī)總重量的 50%。生產(chǎn)總量的提高讓生產(chǎn)成本下降，復(fù)合材料的價(jià)格逐漸能為大眾接受，在大眾市場上，復(fù)合材料以碳或玻璃纖維管或片的形式銷售，這兩種材料也是制造多旋翼無人機(jī)的主要原材料。
固定機(jī)翼無人機(jī)依賴空氣動力學(xué)而飛上天空，采用塑料泡沫，通過模具制作出的流線外形也是基于空氣動力學(xué)原理。發(fā)泡聚乙烯輕巧、堅(jiān)固、容易制作，成為小型固定機(jī)翼無人機(jī)流線型外殼和機(jī)身的標(biāo)準(zhǔn)制作材料。
從娛樂到專業(yè)應(yīng)用
在航空業(yè)，人們一直通過制作體積較小的模型用來測試設(shè)計(jì)理論、改善已有機(jī)型，或是用于教育教學(xué)。隨著 FM 調(diào)頻無線電遙控技術(shù)的出現(xiàn)，飛機(jī)模型制造技術(shù)在 20 世紀(jì) 70 年代得以迅速繁榮發(fā)展。但是，由于沒有可用的自動駕駛方式（在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)出現(xiàn)以前），飛行只能依靠遙控者的反應(yīng)速度和敏捷度。飛機(jī)驅(qū)動的主要方式是熱力引擎，這種引擎并不可靠，容易產(chǎn)生震動、積存污垢，所以需要仔細(xì)維護(hù)保養(yǎng)。當(dāng)時，機(jī)身往往用木料制成，組裝時間長，使用壽命短。另外，在膠片攝影占主導(dǎo)地位的年代，機(jī)載照相機(jī)能夠做的工作極其有限，當(dāng)時的“民用無人機(jī)”僅僅用于娛樂。
在 20 世紀(jì) 80 年代，手提攝像機(jī)的出現(xiàn)逐漸改變了這種情況。大型遙控直升機(jī)促進(jìn)了一些媒體應(yīng)用的問世，比利時飛行鏡頭公司的無人直升機(jī)配備攝像機(jī)，在巴黎香榭麗舍大道上空航拍法國大革命二百年紀(jì)念慶典開幕式，給人們留下了深刻印象——直升機(jī)在巴黎上空距離地面十幾米的地方翱翔，然后穿過了凱旋門。傳統(tǒng)直升機(jī)根本無法實(shí)現(xiàn)這種動作。
圖 1-17 20 世紀(jì) 80 年代，一名航模愛好者：12 歲的航模制作者和他的模型“格洛普納的士”（Taxi Graupner）
在民用無人機(jī)領(lǐng)域里，一個國家從 20 世紀(jì) 90 年代開始占據(jù)了特殊地位，這個國家就是日本。日本農(nóng)民在小片稻田里用無人機(jī)大規(guī)模噴灑農(nóng)藥。雅馬哈公司推出 99 公斤重、可攜帶 20 升液體的無人機(jī)“Rmax”，憑借無人機(jī)總數(shù)達(dá)到 3000 架、年銷量 300 架的規(guī)模，占據(jù)無人機(jī)市場的龍頭地位。在日本農(nóng)業(yè)部的鼓勵下，無人機(jī)產(chǎn)業(yè)大獲成功。日本農(nóng)業(yè)部認(rèn)為，使用無人機(jī)可以暫時緩解日本農(nóng)村缺少勞動力的壓力。
新技術(shù)的涌現(xiàn)以及成本的降低，讓民用無人機(jī)的企劃方案從 2005 年開始激增（參見表 1-2）。盡管民用市場仍然沒有超過軍事領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模，但二者的差距縮小了一半。
表 1-2 2005 年至 2013 年無人機(jī)的企劃方案
年份
民用 / 商業(yè)
軍用
軍民兩用
研究 / 試驗(yàn)
2005
55
397
44
254
2006
47
413
77
248
2007
61
491
117
315
2008
115
578
242
347
2009
150
683
260
395
2010
171
631
283
367
2011
175
674
318
379
2012
217
548
353
260
2013
247
564
392
250
2005 到 2013 年的發(fā)展增幅
×4.5
×1.4
×8.9
平穩(wěn)
來源：國際無人機(jī)協(xié)會
過去，使用無人機(jī)要首先獲得許可證。自 2012 年起，大多數(shù)歐洲國家對無人機(jī)的使用限制放寬。于是，大眾對無人機(jī)的迷戀也風(fēng)行起來。無人機(jī)的使用彈性空間很大，能夠執(zhí)行各種各樣的任務(wù)，將來一定會誕生更加豐富多彩的無人機(jī)種。
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