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無人機:大有可為

  • 發佈時間:2014-12-25 01:31:12  來源:科技日報  作者:佚名  責任編輯:羅伯特

  編者按

  要説近十餘年的技術熱點話題,無人機技術無疑是其中的亮點之一。備受關注的無人機高科技成果曾經被封存于軍事領域這塊“獨家”科技産品市場。它現在正日漸揭開神秘面紗,進入到民用視野當中,顯示出巨大潛力。尤其是在航空攝影測量、通信中繼、資源勘查、農林業監視應用、氣象觀測與科學試驗,以及公共安全領域,無人機前景廣闊,將大有可為。

  據預測,未來20年我國民用無人機需求市場估值將達到460億元。

  無人駕駛飛機,簡稱無人機,它是利用無線電遙控設備和自備程式控制裝置操縱的不載人飛機,主要由飛機平臺系統、資訊採集系統和地面控制系統三部分組成,不少人也將其稱為“可飛行的智慧手機”或“空中機器人”。與載人飛機相比,其具有體積小、造價低、使用方便、對作戰環境要求低、戰場生存能力較強等優點。

  從小到大的尺寸,由輕到重的起飛重量,從偵察監視再到攻擊的應用等,無人機形式不一。自2000年起,研究院憑藉自身的技術優勢,進軍到無人機這一新型飛行器領域,歷經十五載,成功研製了多種類型的産品,現已成為行業領域的佼佼者,並形成了較為完備的産品技術體系。

  12月26日,在北京召開的“彩虹”民用無人機裝備發展研討會上,將成立北京市無人機應用系統工程技術研究中心,此舉在促進無人機應用系統整合和産業化進程的同時,將有效突破該應用領域的共性關鍵技術,打破國外關鍵技術壁壘,並成為國家工程技術研究中心的有益補充和後備力量。屆時“研究中心”將聚集和培養一批高水準的優秀技術型人才,建立産學研合作平臺,從而提升行業科技攻關能力。

  從無到有 悄然興起

  作為飛行器領域的一個熱點,無人機是一種自動控制飛行器,與載人機相比,雖然二者都是一種綜合應用的空中飛行平臺,且可重復使用,但因無人機由於無人,就又具有明顯的不同特點。

  “主要體現在使用和設計兩個方面。”中國航太空氣動力技術研究院(以下簡稱為“研究院”)無人機總設計師石文解釋道,在使用上,無人機可承擔危險環境下的飛行任務,以及人長時間難以勝任的單調枯燥的工作,如長時間對地偵察攻擊壓制或對空對地監視。

  而在設計理念上,由於可以不考慮因人導致的許多限制,所以無人機的研製成本較低,並放寬了設計限制條件,從而推動了許多新概念和新技術的進步。“特別是空氣動力方面,如超過30小時的長航時無人機、臨近空間太陽能無人機、無人天地往返飛行器等,可以説無人機既是空氣動力學探索創新的平臺,也是新概念新技術應用的理想載體。”

  “從無到有,我國無人機發展經歷了三個階段。”石文如是説。

  在他看來,第一階段的需求為軍用所壟斷,主要用於高性能飛機和導彈的武器裝備鑒定、定型過程,作為靶標完成打靶試驗。由於技術因素,決定了民用市場無法接觸無人機,再加上該階段的慣性組件、控制系統等基礎技術尚不成熟,且成本高,因此只有在軍用領域才能接觸和應用,當時從事無人機研製與生産的廠家也只有國有軍工企業。

  到了第二階段,也就是從上世紀90年代起到本世紀初,由於電子積體電路、飛行器設計、發動機等基礎技術的發展,部分民營企業對無人機行業進行了先期探索,出現了第一批吃螃蟹的民企。

  “主要營利點為院校、研究所提供低端小型的無人機産品的設計及演示驗證,期間也出現了包括農業部用於農作物估産等國家單位對低端無人機的探索性應用,後來都因技術的不成熟而流産。”石文稱,從本世紀初至今的第三階段,需求上已逐步放開到民用領域,引起巨大反響,作為先行者的航拍、測繪和氣象領域,無人機的進入,不僅大幅提高了他們的作業效率,還降低了成本。“隨著無人機在這些領域具有示範效應,所以已逐步在其他行業擴散開來。”

  石文認為,雖説嘗試涉足無人機行業的民企增多了,但缺乏理論支撐,基本是靠試驗和摔機來推動進步,安全性和可靠性低,缺乏規模化發展,尚未找到可靠的營利模式。

  據了解,在民用無人機行業探索的民營公司大多技術成熟度低,一般為了滿足飛機的複雜保障條件和對操作的較高要求,而建立以航模操作手為主的飛行團隊,其專注的是本身企業對無人機的使用,而非用戶對無人機的使用。並且由於沒有條件看到正規國有軍事企業的很多現成技術儲備和先進技術,所以閉門造“機”的民企比比皆是。

  近年來,隨著材料技術、電子技術、控制技術、通信技術等行業的進步,無人機在整體技術水準、生産、使用成本等方面,已被民用行業所接受,並悄然興起。

  “其實,無人機是個很大的範疇。”石文形象地講,就像汽車一樣,既可按照動力方式劃分為汽油車、柴油車、電動車等,也能按照用途分為小汽車、客車、救護車、消防車等。

  同樣,無人機也是由於動力、起降方式、航時能力等不同,所以具備不同形式,以航程劃分的,則有超近程、近程、中程、遠端無人機,而按飛行方式劃分則有固定翼、旋翼等無人機,有些時候,為滿足民用領域的不同需求,專門針對應用進行無人機系統設計。

  石文稱,現正投入大量的人力和物力,開展多种先進多用途戰術、中高空長航時戰略和作戰無人機的研製或技術演示驗證工作。

  鋒芒畢露 “彩虹”橫空

  從長虹到ASN,再到“彩虹”等系列無人機,我國已有四十多年的無人機研製歷史,已建立起較為完整的無人機研製體系,在小型、中近程、中高空長航時無人機等方面已接近國際先進技術水準。除了廣泛應用於空中偵察、戰場監視、目標定位、火炮校射、電子對抗等方面之外,也已逐漸應用於地質調查、測繪、環保監測、森林防火等民用領域。

  而這其中,作為我國批量出口最早和出口量最大的無人機系列,“彩虹”在世界無人機的舞臺上,鋒芒畢露,不容忽視。

  “現已在國內外的軍事和民用領域得到了應用,覆蓋9個國家的17個最終用戶,年交付國內外用戶無人機200余架,完成科研和交付飛行試驗1000架次。”石文自豪地説,“彩虹”品牌也是國內無人機型譜覆蓋最廣的無人機系列,為多個用戶提供了體系化空中智慧系統解決方案。

  正如眾人所知,如果説“長征”代表運載火箭、“神舟”代表載人航太,那麼“彩虹”,則毋庸置疑,代表的是無人機。

  從研究院誕生之初,就一直服務於中國航空航太氣動研究試驗任務,也正是因為氣動專業技術的優勢,再結合中國航太的電子技術、自動控制技術、遙控遙測技術等,從內在方面造就了“彩虹”無人機系列。

  據悉,截至目前,對外公開的“彩虹”無人機産品,包括單兵無人機、中型無人機、大型無人機等12型常規類型,以及三種類型概念無人機,起飛重量從580克到4500千克、飛行高度由5米至20000米。

  石文稱,正是由於這些類型的無人機,使得“彩虹”無人機可以成體系部署到相關用戶,以層次化、體系化的實現常規偵察、國土監控、反恐行動等任務,並提供了與其配套的相關解決方案。

  以單兵無人機為例,它可以單人操作,可在小範圍戰場環境或應急任務中進行偵察任務,並完成直接情報支援。

  “別看單兵無人機體積小不起眼,但是在各國無人機裝備數量巨大,使用頻次也最高,已成為支援各種偵察任務的基層設備。”石文介紹説,還有操作容易,拆卸簡單的CH-801和CH-802,儘管在民用市場上能找到眾多形似的無人機産品,但這兩種類型均是經過實戰檢驗,並具備基於單兵的情報處理及分發體系,所以深受用戶青睞。

  而小型戰術無人機,則屬於較為高級的無人機系統,具有較大的飛行半徑和續航能力,被廣泛利用於陸軍、海軍、內政等方面。比如CH-1和CH-2無人機,不僅是“彩虹”系列無人機最早的成員,二者都採用火箭助推起飛、傘降回收的飛行器平臺。

  此外,作為大型無人機並可執行複雜戰術或廣域監視任務的CH-3,是一種多用途的無人機,通過挂載光電載荷、合成孔徑雷達、電子戰設備等,能夠實現不同類型的戰術任務,航時可達12個小時,利用簡易機場即可完成起降。

  “目前獲得國家出口許可的最高端無人機系統是CH-4,不僅保持了長航時的特點,還能同時挂載4到6枚45千克量級的武器,深受客戶喜愛。”石文透露,現正在致力於地面效應無人飛行器的實用化、産品化,這是一支神秘的無人機類型,它根據空氣動力學原理,可實現獨特的突防優勢,已完成了多次飛行驗證。“地效飛行器在離地一定高度內飛行時,其升阻比會高於其他高度,也就是意味著在這個高度以下飛行,阻力更小,可用於軍事用途中的貼地飛行,使得敵方地面預警雷達無法發現我方飛行器,借助於這種長時間遊弋在海面的地面效應飛行器,可以構建牢固的攻防網路,實現多種監測任務。”

  石文相信,在不久的將來,與“彩虹”相關的故事和經歷,將被陸續披露出來,而且“彩虹”在實戰中的靚影,也會不斷浮現于雲端。

  成效顯著 前景廣闊

  作為國際化的製造商,研究院在無人機各類應用整合製造方面具有豐富的工程經驗及較高的技術水準,産品體系涵蓋超近程、近程、中程、遠端等十余型,完成光電偵察、雷達偵察、電子偵察、航空物探、環境監測、三維地形測繪、偵察打擊一體化等無人機應用系統的整合製造,在國內無人機行業已成為實力雄厚的中堅力量。

  “研究院既是我國無人機領域知名的研發設計機構和系統整合商,也是我國最早實現無人機批量出口且出口量最大的單位。”石文強調,從2012年起,“彩虹”系列無人機就開始注重民用産業相關應用的探索,並在諸多領域取得了顯著的成果。

  如與地質方面用戶聯合開展的無人機航空物探綜合應用示範項目,將CH-3無人機平臺應用到航空物探領域,通過突破航磁型無人機氣動外形一體化設計、超低空地形跟隨飛行控制律設計等關鍵技術,不僅實現了在低山地地區的長航時、全夜航的作業模式,還安全高效,且高品質地完成了13000余公里的航磁、航放生産任務,這標誌著我國自主研製的無人機航磁、航放綜合系統基本實現工程作業實用化,具備了全國大範圍推廣的應用前景。

  對此,中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所(以下簡稱為“物化探所”)航空物探室副主任李文傑深有感觸,在使用“彩虹”無人機航空物探系統前,航空物探工作都是基於有人駕駛飛機來完成。根據物探勘查目標不同一般將飛行高度設定在80—200米之間。在如此低的飛行高度,並以每小時180公里—230公里的速度飛行開展作業,這對飛行員的駕駛經驗和技能有特定的要求。

  李文傑分析道,正常來講,一個飛行架次有人駕駛飛機要飛5個小時左右,這樣長時間超低空飛行作業的勞動強度很大,飛行員很難高精度保持航跡、航向和飛行高度。同時,因不同飛行員的飛行技能、經驗不同,在開展作業時其飛行品質也不一致,這就造成航空物探數據的一致性等數據品質較差。

  “而無人機航空物探系統的研發和實用化應用,則在一定程度上有效緩解了以上問題。”李文傑稱,它在航空物探作業時由飛控電腦控制自動實施飛行測量,不會因疲勞或駕駛經驗不足造成飛行品質下降。同時,也不存在人員安全風險,因而在測量品質、安全性等方面具有顯著優勢。此外,無人機易於部署,能夠在夜間開展作業,可明顯提高野外作業效率,降低成本。

  據了解,無人機航空物探的作業成本現在約為載人機航空物探的80%左右。通過實施一站多機、衛通遙測等先進技術,無人機航空物探的作業成本仍有較大縮減空間。

  李文傑舉例講,今年在新疆克拉瑪依地區完成的13000測量千米示範應用項目中,最大續航達10小時的CH-3無人機,理論測量航程為1800測線千米。而我國航空物探最常使用的有人飛機,僅能飛行4至5小時,理論測量航程只有約1035測線千米。顯而易見,無人機航空物探的效率更高,單位時間段內的測量效率約比載人機提高了20%—50%。

  有此同感的核工業航測遙感中心總工程師李懷淵也稱,使用無人機進行航空物探測量作業,除了實現晝夜全天候、長航時作業之外,還大大提高了測量效率,降低風險,且不受能見度和飛行人員疲勞度等因素的影響。

  隨材料、控制、電腦等相關技術的發展,近年來,無人機技術與無人機系統應用技術實現了重大突破,克服了衛星平臺的觀測週期限制和地面觀測平臺的觀測區域限制,真正具備與形成了高空間解析度、高時間解析度、高光譜解析度的對地觀測、對地探測、靈活中繼能力,使其在國民經濟建設中應用價值逐步顯現。

  同時,在實際應用中,無人機在機體、發動機、燃料消耗、操縱訓練、後勤和維修等費用方面要比有人駕駛飛機低得多,並以其尺寸小、機動性大而獲得較強的適應性,尤其是在執行對地被動觀測、對地主動探測、通信中繼等民用任務方面顯得特別有利。

  共同合作 促進發展

  雖説無人機在很多行業已蓬勃發展,取得成效。但是也應看到,其民用存在大量的炒作與泡沫,且沒有形成有效的行業規範、産品規範。當前,在使用中暴露出的主要問題是抗惡劣氣象、通信能力和抗干擾,以及指揮與控制。

  李文傑認為,除了無人機操作、維護人員相對較多,不利於成本控制之外,無人機航空物探作業期間的準備等程式也較為繁瑣,在地形條件複雜的地區和氣象條件下,適應能力仍受限制。

  “還有無人機超低空控制及避障問題,有待於解決和改進。”李懷淵補充道。

  針對此,石文表示,如果以人的年齡來比喻無人機民用行業的發展,那麼,它的應用技術僅是相當於一個十六七歲的小夥子,尚在成長。“行業的成熟更需要參與者的耐心潛修,方能將無人機民用産業培育成為一個健康産業,朝陽産業。”

  石文稱,會借鑒載人飛機的經驗和技術,強化無人機系統在風雨、冰雪、煙霧、強沙塵等複雜氣象條件下的起降和飛行能力。並將研發先進大容量、高速率、抗干擾數據鏈,來改進和完善指揮控制技術。

  當談到無人機的今後發展時,李文傑説,無人機航空物探技術已能在一定條件下部分取代有人機開展航空物探作業,這取決於無人機的人員安全風險小、成本低、運作效率高、飛行測量精度高等優勢,尤其是一站多機、夜航能力等特殊優勢,使其改變了過去有人機航空物探時僅能由一架飛機在白天開展工作的方法,開創了新的作業模式。“總之,無人機航空物探技術具有廣闊的應用前景。”

  李懷淵也稱,航空物探測量將進入一個新的階段,實現全國範圍基礎航空物探測量的全覆蓋,也可走出國門服務於其他國家。“今後計劃在航空磁法測量、放射性測量、電磁法測量等單方法或組合方法方面,採用無人機作為空中平臺進行合作。”

  如今,無人機民用應用産業化才剛剛開始起步,低空通航領域的開放及無人機使用的相關政策制定更進一步促使此行業的發展。

  石文指出,明年的重點工作是:首先,與用戶緊密合作,在新組建無人機工程中心的基礎上,形成以總體設計部、神舟飛行器公司、工程中心為核心的無人機完整産業鏈,涵蓋設計研發、生産製造、保障維護、飛行服務等。

  其次,研發新型高性能無人機,並積極開拓、擴展國內外軍用和民用兩大市場。

  最後,繼續深入開展無人機新技術預先研究,為未來無人機發展奠定堅實基礎。

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