在阿富汗战争和追捕本·拉登的行动中，美国动用的空中打击力量，除了战斧式巡航导弹、AC-130H/V武装直升机、“狱火”直升机载地空导弹、激光制导的GBU-28穿地炸弹等新型武器装备外，被布什总统赞为精确空中打击力量的“捕食者(”predator)无人侦察机(图1)也显现了一下身手。它由操纵者在移动汽车里遥控，属于一种中空(飞行高度接近8000米)长航(续航时间大于24小时、巡航范围5000千米)无人侦察机，可供战区级战场侦察、监视、目标捕获、电子战、通信中继和情报信号截获等任务使用。该机由美国通用原子能航空系统公司研制，在波黑、科索沃和海湾战争中，均已成功地得到了使用。“捕食者”可以说是美国目前已服役的无人侦察机中技术最先进的一种。
图1 翼展14.8米的“捕食者”
凸显优势的无人机
从结构方面看，“捕食者”总体布局独特，气动性能良好，采用了吸雷达波的复合材料，有一定的隐身效果;在飞控导航方面，配备有惯导和GPS系统，具有超视距远程测控能力;该机除了配备一台合成孔径雷达外，在任务传感器方面，还有一台电视摄像仪、一台前视红外仪。合成孔径雷达对地面探测的分辨率达到30厘米，电视摄像仪拍摄地面图像的分辨率达到40厘米，红外仪则是一种通过红外线感知人体温度的夜视装置，可追踪地面上人群的活动。
除“捕食者”外，美国正在研制的无人侦察机有十几种，其中值得一提的是空军研制的全球战略“环球鹰(”Global Hawk)高空长航无人侦察机(图2，翼展35米);陆军研制的“幽灵(”shadow)无人侦察机和海军研制的“鹰眼(”Eagle Eye)无人侦察机等。
图2 环球鹰
此外，美国还在研究无人轰炸机，在改装现有“捕食者”基础上，其具有投掷袖珍炸弹的能力。
无人机的研究在国际上也十分活跃，除了美国外，还有以色列(苍鹭Heron无人机，翼展16.6米;狙击手Sniper无人机)、法国(鹰式Ea-gle无人机，红隼Crecelle无人机)、德国(Luna-X2000无人机，E-Brer-el无人机)、加拿大(卫士Guardian无人机)、俄罗斯(熊蜂Sheml无人机，蜻蜓Strekoza无人机)、英国、意大利、日本和印度等。甚至连台湾，也在引进法国红隼1型的基础上，改进研制了红隼2，翼展5米，可用于战场实时侦察、目标搜集及跟踪、通信中继等。
MEMS与MAV
虽然无人机能够在现代战争中发挥重要作用，但成本太高、飞行的机动性不够，还有就是对地面细节的侦察优势不够。为此，世界主要国家在不断研制无人机小型化，甚至微型化的技术。
微机电系统(MEMS)的出现使无人机小型化、微型化成为可能。MEMS技术是在微电子技术的基础上发展起来的，融合了硅、非硅微加工和精密机械加工等多种微加工技术，并应用现代信息技术构成的微型系统，可以把无人机上所有传感器和发动机做得很小，使无人机的尺寸得到本质的缩小。
针对出现的这项先进加工技术，早在1992年，美国兰德公司和美国国防先进研究计划署(DARPA)举办了一个关于未来军事技术的研讨会，高级科学家奥根斯坦主持了有关微型飞行器(MAV)的讨论。1995年11月，DARPA主持了关于微型飞行器可行性的研讨会，次年正式成立了用户与研究人员组成的联合研制小组，并于1997年制定了一项为期3.5年、投入3500万美元的微型飞行器研制计划，重点对微型飞行器及其子系统的研发，包括推进系统、飞行控制，导航和遥感系统等，以及与MAV有关的技术，如高性能计算机、MEMS和高级航空电子综合系统等。
DARPA同时也提出了微型飞行器的参考定义:MAV是一种特征尺寸为15厘米大小并能靠其自身能力飞行和完成各种探测任务的飞行器。具体来说，MAV其特征尺寸在15厘米以下，重量从10克到100克，有效载荷18克左右，外形有固定式机翼、旋翼式和扑翼式三种(有的很像昆虫)，使用高度从几十米至几百米，飞行速度从10米/秒～20米/秒，任务半径几千米，滞空时间为20～60分钟。
为此，DARPA与一些单位签订了9项第一阶段的“小企业创新研究(SBIR)”合同，其中的4项进入了第二阶段:Aero Vironment公司研制的电动固定翼侦察微型飞行器;Aerodyne公司研制的Hiperav悬停式飞行圆盘;M-Dot公司研制的1.4磅推力燃气轮机;IGR公司则重点研制MAV固体氧化物燃料电池。
除了第二阶段的“小企业创新研究”合同外，在1998财政年度，DARPA同时还选择了其他一些合同单位进行MAV技术的研究，包括桑德斯公司、洛克希德·马丁公司和通用电气公司共同研制的“微星(MicroSTAR)”固定翼微型飞行器;Lutronix公司研制的10厘米旋翼式微型飞行器;SRI国际公司与多伦多大学研制的15厘米扑翼式MAV;范德比尔特大学研制的仿昆虫MAV;加利福尼亚技术研究所等几家共同研制的10克重的扑翼式“微型蝙蝠”;麻省理工学院研制纽扣大小的涡轮喷气式发动机/发电机组;等等。此外，DARPA还有一项微型自适应流量控制(MAFC)计划，目的是研制新的小型发动机系统。
微型无人飞行器
经过几年的研究，比较出名的微型飞行器有:桑德斯公司研制的“Micro Star”固定翼MAV(图3):翼展为15厘米，总重100克，最大负载15克，总耗电量15瓦。其中机身重7克，处理/存储系统重6克，摄像系统重4克，电机和螺旋桨重20克，其最大的部件是锂电池，重达44.5克。飞行时间20～60分钟，飞行速度为48千米/小时，飞行高度15～91米，航程5千米。该MAV可由掌上起飞，具有基于GPS的自主导航和控制能力，装有彩色或黑白微型摄像机，能传输实时图像到地面站。
AeroVironment公司研制的“Black Widow”的固定翼MAV(图4)，6英寸圆盘状，航程16千米，巡航速度12米/秒，俯冲速度20米/秒，室外续航时间22分钟，起飞重量60克(依靠专门发射设备起飞，可大大节省MAV起飞所消耗的能量)。由锂电池驱动螺旋桨工作，推进系统重110毫克，效率为82%。飞控系统包括计算机、无线电接收器和3个基于微马达的装置共重2克。该机具有横滚、俯仰稳定性，空速、高度和航向保持能力，装有一台照相机和一个5克重的GPS装置。
图3 Micro Star
图4 Black Widow
图5 林肯实验室的MAV
图6 MicroBat
麻省理工学院林肯实验室开发的固定翼MAV(图5)，有昼间侦察和昼夜侦察两种型号。续航时间均为1小时，飞行高度为100米，侦察范围为1000米。昼间型尺寸和重量非常小，其翼展只有7.4厘米，起飞重量仅10.5克。其中摄像机和所用电池重1.4克，通信系统重0.11克，动力电机和电池重7克，飞机自身结构仅重2克。其摄像机可从100米外分辨出7厘米大小的物体，每2秒钟拍摄一张相片。昼夜其翼展20.5厘米，起飞重量91.5克。其中红外相机和所用电池重17.9克，通信系统0.1重克，动力系统重61克，飞行结构重12.5克，摄像机可从100米外分辨出13厘米大小的物体，每秒钟拍摄相片2张。
加州理工学院、AeroVironment公司和加州洛杉矶大学共同研制的“MicroBat”扑翼MAV(图6)，其机翼形状模仿昆虫的翅膀，并利用MEMS技术制作而成。该机翼展为15.24厘米、重10克，扑翼频率为20赫兹，可携带一台微型摄像机或音响传感器。为了获得高功率，它采用镍镉电池。扑翼飞行方式的独特优点是利用尾迹气流获取部分升力，在节省能量的同时，提高了升力获取的效率(在微小尺寸下能产生远大于固定翼和旋翼飞行方式所能产生的升力)，但飞行机理和具体实现较为困难。
微型飞行器最为关键的技术除了机载MEMS器件外，面临的最大困难就是相关的低雷诺数空气动力学设计技术;而雷诺数是惯性力与粘性力之比(惯性力与特征尺寸和速度有关)。与普通飞机相比，MAV将在较低的雷诺数下飞行。通常所说的低雷诺数范围在10万～100万之间，MAV的低雷诺数范围是5000～80000之间，可见粘性力将占据主导地位，在空中飞行时就像蜂蜜在水中游泳一样，其空气动力学特征突出表现在:气动粘性力和阻力更加突出、机身附面层易趋于层流特征、出现层流到湍流的转折、出现更多的层流和湍流分离以及气动稳定性及其控制等方面。
MAV之应用
MAV具有体积小、噪音低、热量小、隐蔽性强等优越性，被认为是未来战场上的重要侦察武器。MAV不仅是单兵就可配置和使用的武器，通过它还可以延长眼睛和耳朵的作用，以支持战术决策，因此成像任务是其最为优先的任务，具体的应用体现在以下方面:
航路侦察:为了查明航路状况是否具有障碍物、埋伏以及其他敌情，MAV易于部署进行侦察，或供友军使用。这种任务可以在露天或城区的各种地形情况下完成。
点目标观察:例如在桥梁和建筑物上进行情报收集或目标支援，还可在目标后面预警/掩护部队执行任务(被观察的位置距发射点可为数公里);或者当风险太大不宜部署人或没有时间获得人所要求的位置时，亦可使用MAV。
城市作战:一般来说，MAV在城市作战中将沿着道路、小巷、水面以及建筑物之间、建筑物后面和建筑物顶部悬停侦察，并完成成像任务，这对包括掩护友军在内的城区战斗中是非常重要的。
其他应用:包括信号侦察、电子干扰、通信中继、核生化感应、架空电力线巡检、极地考察或微型传感器的定位，搜寻灾难幸存者、有毒气体或化学物质源，城市交通监测，测量农业生产中氨的浓度，等等。
本文作者罗均来自上海大学“机械电子工程”国家重点学科