第一章无人机概述
无人机自诞生以来，主要应用于军事方面。作为智能化和信息化的武器，无人机在侦察、监视、通信、远距离攻击等方面发挥了重要的作用。近年来，无人机在民用方面的应用也越来越多，各国在无人机的民用方面逐渐开放，已经广泛应用于公共安全、应急搜救、农林、环保、交通、通信、气象、影视航拍等多个领域。在过去几年，英国已经向130多家企业和政府机构颁发许可，美国签发了1400多份许可。毫无疑问，随着技术的更新和发展，民用无人机将迎来井喷式发展，应用前景十分广阔。
第一节无人机定义
无人机是无人驾驶飞行器(unmanned aerial vehicle，UAV)的简称，是一种由无线电遥控设备以及自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。从某种角度来看，无人机可以在无人驾驶的条件下完成复杂空中飞行和各种任务，可以被看作“空中机器人”。图1.1所示为工作中的无人机。


图1.1工作中的无人机


一、 无人机与航模
从无人机的定义来说,无人机控制方式有以下三类。
(1) 无线电遥控操纵方式。
(2) 无线电遥控和自主程序控制操纵。
(3) 完全自主程序操纵(完全无线电遥控操纵的模型属于航空模型范畴)。
无人机并没有排除航空模型，但在大家所理解的无人机概念中，完全被动控制的航空模型是被排除在无人机家族之外的，即无人机可以通过无线电遥控设备操纵，但其在起降或空中飞行的过程中至少具有增稳程序控制姿态或轨迹的能力。例如，常见的四旋翼无人机，虽然需要借助遥控设备进行无线电遥控操纵，但其自身具有维持姿态稳定的飞行控制模块，因此属于无人机，而非简单的航空模型。




无人机和航模都是不载人的航空飞行器，虽然两者之间有着非常紧密的联系，但是两者还是有所区别。
1. 定义
无人机是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。航空模型是一种重于空气的、有尺寸限制的、带有或不带有动力装置的、不能载人的航空器。图1.2所示为无人机与航空模型的对比照片。



图1.2无人机与航空模型的对比


2. 飞行方式
无人机与航模最大的区别在于是否有导航飞控系统、能否实现自主飞行。通俗地说，无人机除了可用遥控器控制飞行外，也可以实现自主飞行； 而对于有动力的航模来说，飞行时必须有人来通过遥控器控制。
无人机既可以由操控人员在视距范围内控制飞行，也可以自主驾驶、超视距飞行，通过复杂的中央飞控系统与地面控制参数进行交互来控制飞机的姿态和机动是程序控制； 而有动力航模只是由操控人员在视距范围内控制飞行。
不过，如今在某些高端的航模系统中也能实现自动返航功能、超视距飞行等智能化操作。目前来看，由于环境的复杂性以及无人机自主控制水平的限制，无人机和航模都无法摆脱对人的依赖。
3. 任务载荷
无人机可以代替人类去完成一些工作，如使用无人机在空中进行航拍、侦察、运输物资、农业喷洒、国土巡航等； 航模主要是用于教学、测试或娱乐，教学和测试也主要是用来研究飞行器本身。
4. 组成
无人机由飞控导航系统、
动力系统、飞行平台、地面站、
任务系统、链路系统等组成，科技含量比较高； 航模全称是航空模型，由飞行平台、动力系统、视距内遥控系统组成，结构相对简单。图1.3所示为两种飞行器的对比示意图。


图1.3两种飞行器的组成对比示意图


5. 管理
军用无人机、民用无人机和航空模型的管理单位对照如表1.1所示。


表1.1管理单位对照表



名称管 理 单 位

航空模型国家体委下属航空运动管理中心
民用无人机中国民用航空局
军用无人机军方

总的来说，无人机和航模的主要区别在于是否有飞控导航系统，能否实现自主飞行。另外，无人机的每次飞行都是在执行相关任务； 航模则是一项侧重于娱乐、竞技的运动，追求的是声音和速度的激情与飞行动作的优雅。总之，无人机和航模既有相同点，又有不同点； 民用无人机和航模的相同点则更多些。
二、 无人机与有人驾驶飞机
相对于有人驾驶飞机而言，无人机上无驾驶舱，但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇或母机遥控站人员通过雷达等设备对其实现跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输等任务。无人机可以像普通飞机一样起飞或用助推火箭发射升空，也可以由母机带到空中投放飞行。回收时，无人机可使用像普通飞机着陆过程一样的方式着陆，也可以通过遥控用降落伞或拦网回收。无人机可反复使用多次，广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等。
三、 无人机与弹道导弹
还有一类无人控制的飞行器需要与无人机加以区别，即弹道导弹和炮弹等。在2002年1月美国联合出版社出版的《国防部词典》中对无人机的解释是这样的： “无人机是指不搭载操作人员的一种动力空中飞行器，采用空气动力为飞行器提供所需的升力，能够携带致命性或非致命性有效载荷。弹道或半弹道飞行器、巡航导弹和炮弹不能当作无人飞行器。”
第二节无人机发展史
一、 梦想起航阶段(约公元前450—1917年)


在了解无人机起源之前，首先了解人类自古以来对飞行的追求。在古老而又遥远的年代，人类就对飞行抱有极大的幻想，中国的女娲补天、嫦娥奔月或是希腊神话中
普罗米修斯飞天盗火等这些数不清道不明的神话和传说，都是人类期盼着升空飞翔的美好愿望和朦胧幻想。
公元前450年左右，中国人发明了风筝，以此来寄托对飞行的向往，如今风筝依旧是人们喜爱的飞行方式之一，如图1.4所示。


图1.4中国传统风筝


公元前500年左右，中国人发明了竹蜻蜓，如图1.5所示。竹蜻蜓构造简单，在当时成为老幼皆宜的飞行玩具。后来，国外的传教士根据竹蜻蜓构造的启示，发明了直升机的螺旋桨。因此，中国的竹蜻蜓被世界公认为直升机的最原始形态。


图1.5竹蜻蜓


在907—979年的五代时期，中国已出现了用松脂燃烧加热空气的“松脂球”，当时也叫“飞灯”“天灯”“云球”“孔明灯”或“灯球”等。图1.6所示为可飞行并可实用的热气球的原始形态。关于孔明灯的传说有多个版本，真正的发明者已无从考究，但是从中不难发现，古代劳动人民一直在探究飞行的奥秘。

明朝建立后，曾在朱元璋军中受封官职为万户的陶成道，为了实现自己像鸟一样飞上天的梦想，坐在绑了47支火箭的椅子上，手里拿着风筝，想飞向天空。围观的人们纷纷表示这简直是太疯狂了，而陶成道为此献出了自己的生命。
万户飞天是一个举世公认的事实，但遗憾的是，火箭飞行第一人万户陶成道却在中国文献中找不到，所幸在美国火箭学家赫伯特·S.基姆于1945年出版的《火箭和喷气发动机》一书中有记载。图1.7所示为后人为纪念万户陶成道而设立的雕塑。


图1.6孔明灯




图1.7“万户飞天”的传说



1480年前后，意大利著名学者、艺术家兼科学家达·芬奇绘制出原始的“螺旋面”直升机原理草图，如图1.8所示。这是工程学历史上比较有名的一幅航空机器设计图。后来，他还画过许多其他的飞行器结构想象图，其中包括1487年其所做的人力扑翼机设计图。


图1.8达·芬奇的旋翼模型设计图


1783年9月19日，蒙哥尔菲兄弟奉命为法国国王路易十六夫妇表演飞行。上午9时许，一只容积为1200m3的热气球当着3万观众的面，载着一只绵羊、一只公鸡和一只鸭子升至450m的高度，在8min内飞出3200m，并降落到一片树林中。这是人类升空飞行前最先用动物所做的飞行器搭乘试验。法国国王路易十六为此大悦，给热气球赐名“蒙哥尔菲气球”，如图1.9(a)所示。 
1783年11月21日，法国的罗泽尔与达兰德斯侯爵于当天下午1时54分，在巴黎16区布劳纽森林边的波旁王朝皇家行宫庭院中乘坐靠燃烧麦秸与羊毛产生热气的蒙哥尔菲热气球，冉冉升空，进行了人类首次自由飞行。经过20min的水平飘飞，这只直径14.95m、高22.75m、容积2200m3且外表华丽非凡的载人热气球降落在该市13区的意大利广场上，为人类航空史添上一笔重彩，如图1.9(b)所示。从此，人类开始真正进入广阔的天空。



图1.9蒙哥尔菲兄弟首次飞行


1840年，英国航空先驱威廉·萨姆爱尔·亨森成立了自己的航空运输公司，并开始试制飞机。1842年9月29日，亨森在助手约翰·斯特林·凡罗的协助下，参考了凯利的航空力学理论，设计出名为“空中蒸汽车”的飞机，并申请了“重于空气的飞行器”的专利。如图1.10所示，该飞机翼展45.72m，单翼面积430m2，总重1350kg，装有一台18.4~22.1kW蒸汽机，以驱动二副六叶螺旋桨。1847年，一架绰号为“阿里埃尔”的翼展仅6m的缩比飞机模型做了试飞。据称该模型重4.5kg，它借助斜坡助跑起飞并可飞行19~24m。这是人类对飞机所做的最早期的研究试验之一。


图1.101868年约翰·斯特林·凡罗设计的三翼飞机模型


1852年9月24日，法国人亨利·吉法尔制成第一个“机械力气球”，如图1.11所示，该气球外形不再是球形，而是长为43.89m、直径为11.9m的枣核形，气囊容积为5472.4m3，总升力大于2000kg。更重要的是，它第一次装有三角形尾舵和一台2.2kW蒸汽机，用于驱动直径为2.13m的三叶螺旋桨以110r/min的转速旋转。该气球从巴黎马戏场起飞后，用3h左右飞行了28km，然后在特拉普斯着陆，做了人类第一次有动力载人“可操纵飞行”，这标志着真正的飞艇问世了。


图1.111852年世界上第一艘飞艇首飞


1871年，英国人佩诺研制出“飘动者”号飞机模型，如图1.12所示，它采用橡筋动力、单翼，稳定性极好，被某些学者推之为“飞机的祖先”。1872年，他又研制出有密封舱和减震起落架的两栖型扑翼机模型。


图1.121871年佩诺研制的可稳定飞行的橡筋动力飞机模型


1884年8月9日，法国人试飞了由电机驱动的“法兰西”号全向操纵型飞艇，它由查尔斯·雷纳德和阿瑟·克雷布斯制造，
如图1.13所示。在当天的试验中，“法兰西”号飞行4200m后又成功地返回起飞点，结束了人类飞行一直要受风摆布的历史。该飞艇直径8.5m、长51.8m、航速19.3km/h、电机功率6.6kW，它驱动一个直径为9m的拉近式螺旋桨，被认为是最早飞行成功的一艘飞艇。


图1.13“法兰西”号飞艇


1891年，德国航空开拓者奥托·李林塔尔发表了《鸟类的飞行——航空的基础》一文并正式开始研究滑翔飞行。他每次飞行一般为0.5min，滑翔距离为200~300m。1894年，他用改进后的滑翔机从山坡上跳下，竟然滑翔了350m。1896年8月9日，李林塔尔在试飞中受伤，于次日去世。在李林塔尔试飞的6年期间，他坚持进行滑翔试验达2000余次，先后使用过18架滑翔机，其中12种是单翼机。李林塔尔是人类早期探索飞行史上极具影响力的人物，并为后人发明飞机积累了宝贵的经验，如图1.14所示。


图1.14奥托·李林塔尔与他的滑翔机


1900年7月2日，德国的齐伯林经过6年的努力，在包金斯基附近的工厂里制成了他的第一艘充氢硬式飞艇，并在腓特烈港附近试飞成功，此飞艇载1名乘员和5名乘客，飞行时间为20min。该艇的型号为LZ1，直径为11.73m，长为127m，用防水布组成17个气囊，容积为11300m3，升力为13000kg。它是齐伯林在1918年前研制出的113艘飞艇中的第一艘。在20世纪20年代以前，齐伯林飞艇几乎主宰了大半个世界的天空，如图1.15所示。



图1.15齐伯林和他的飞艇


1903年12月17日上午10时35分，德裔美国人、自行车修造匠威尔伯·莱特和奥维尔·莱特兄弟在美国北卡罗来纳州基蒂霍克一处叫作“斩魔山”的小山坡上，以重物下落形成的引牵力将自制飞机“飞行者一号”推离地面，进行了被世人公认的人类首次有动力飞机载人飞行。人类从此有了飞机，如图1.16所示。


图1.161903年12月17日莱特兄弟发明的飞机试飞成功


当时的首飞驾驶者为奥维尔·莱特。他在12s的时间内飞出36.58m，当时的目击者有6人，并拍下照片。当日共飞行了4次，最佳飞行成绩为： 续航时间59s，飞行距离260m，飞行高度3.8m，速度48km/h。该飞机采用双层机翼鸭式气动布局，一台12马力的内燃机通过两副自行车链条带动两副空气螺旋桨。飞行员俯卧在下层机翼上操纵飞机飞行。该飞机的翼展为12.29m，质量为274kg。莱特兄弟与他们的“飞行者一号”飞机就此名垂青史。在此之前，莱特兄弟对飞机的研究开始于1899年，并先后试飞过3架无动力的滑翔机。“飞行者一号”飞机则于1902年冬季组装完毕。1903年12月14日，在他们进行第一次试飞时曾因失速而坠落沙滩。莱特兄弟的飞机制造优势直到1908年才被欧洲的航空先驱们所打破。

二、 无人机的诞生及靶机起步阶段(1909—1945年)
基于人类对飞行的追求及取得的伟大成就，众多科学家对飞行提出更大胆、更具有创新性的设想。据来自圣迭戈航空航天博物馆档案(San Diego Air & Space Museum Archives)资料显示，1917年，皮特·库柏(Peter Cooper)和埃尔默·A.斯佩里(Elmer A. Sperry)发明了第一台自动陀螺稳定器，这种装置能够使飞机保持平衡地向前飞行。
这项技术成果将美国海军寇蒂斯N9型教练机成功改造为首架无线电控制的不载人飞行器(unmanned aerial vehicle，UAV)，并进行了试飞，这可以说是世界上的第一架无人机。无人飞行器自此诞生。斯佩里研制的空中鱼雷(sperry aerial torpedo)可搭载重约136kg的炸弹飞行81km，如图1.17所示。


图1.171917年斯佩里研制的空中鱼雷


斯佩里空中鱼雷最初的设想是利用携带的高爆炸药攻击飞机，但随后的试验并未获得令军方满意的结果，也从未参与实战，军方为此停止了投资，因此这一新生事物就此夭折。尽管斯佩里等人的开创性工作没有获得最终的成功，但他们所取得的许多宝贵资料和经验却为16年后第一架无人靶机的成功研制奠定了深厚的技术基础。


通用公司的查尔斯·F.凯特灵(Charles F.Kettering)设计了“凯特灵”空中鱼雷，又称为“凯特灵飞虫(Kettering Bug)”，这架飞机能够载重136kg，在1917年的造价为400美元，如图1.18所示。这架飞机拥有可拆卸机翼，并且可以灵巧地从装有滚轮的手推车上起飞。在第一次世界大战接近结束时，美军订购了大量的“凯特灵飞虫”，但在它被派上战场之前战争就已经结束了。


图1.181917年凯特灵设计的“凯特灵”空中鱼雷



1935年之前的空中飞机飞不回起飞点，因此也就无法重复使用。“蜂王”的发明使得无人机能够回到起飞点，这也使得这项技术更具有实际价值。“蜂王”最高飞行高度为5182m，最高航速达161km/h，在英国皇家空军“服役”到1947年，如图1.19所示。



图1.191935年的DH.82B“蜂王”


阿道夫·希特勒希望拥有攻击非军事目标的飞行炸弹，因此，德国工程师弗莱舍·福鲁则浩(Fieseler Flugzeuhau)在1944年设计了一架速度达到756km/h的无人机，即著名的