第一章  无人机概论

第一节无人机发展
一、  梦想起航阶段(前450年—1917年)

在了解无人机起源之前，我们先了解人类自古以来对于飞行的追求。在古老而又遥远的年代，人类就对飞行抱有极大的幻想，中国神话中的女娲补天、嫦娥奔月,或是希腊神话中的普洛米修斯飞天盗火……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一种飞行方式之一，如图1.1所示。


图1.1中国传统风筝



公元前500年左右，中国古人发明了竹蜻蜓，如图1.2所示。竹蜻蜓构造简单，在当时也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1.2竹蜻蜓



在907—979年的五代时期，中国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1.3所示是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，但是不难发现，古代劳动人民一直在探究飞行的奥秘。


图1.3孔明灯







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，如图1.4所示。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。


图1.4万户飞天的传说


万户飞天是一个举世公认的事实，但是遗憾的是，火箭飞行第一人万户在中国文献中找不到，而在美国火箭学家赫伯特·S.基(Herbert S.Zim)1945年出版的《火箭和喷气发动机》一书中有记载。


1480年左右，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1.5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1.5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1200m3的热气球当着3万观众的面，载着一只公鸡、一只鸭子和一只绵羊，升至450m高度，在8min内飞出3200m远，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，赐名“蒙哥尔菲气球”，如图1.6(a)所示。 


图1.6蒙哥尔菲兄弟首次飞行


(a) “蒙哥尔菲气球”首次载着一只公鸡、一只鸭和一只绵羊升空； 

(b) 罗泽尔和达兰德斯合乘热气球首次在波旁王朝皇家行宫前升


1783年11月21日，法国的罗泽尔和达兰德斯侯爵于当天下午1时54分，再次乘坐靠燃烧麦秸与羊毛产生热气的蒙哥尔菲气球，在巴黎16区布劳纽森林边的波旁王朝皇家行宫庭院中冉冉升空，做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，为人类航空史添上了一笔重彩，如图1.6(b)所示。从此，人类开始真正进入广阔的天空。


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1.7和图1.8所示，该飞机翼展45.72m，单翼面积430m2，总重1350kg，装有18.4~22.1kW蒸汽机1台，以驱动两副6叶螺旋桨。1847年，一架绰号为“阿里埃尔”、翼展仅6m的缩比飞机模型进行了试飞。据称模型重4.5kg，它利用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1.71842年威廉·萨姆爱尔·亨森和约翰·斯特林·凡罗联合设计的蒸汽飞机





图1.81868年约翰·斯特林·凡罗设计失败的三翼飞机模型



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1.9所示。该气球外形不再是球形，而是长43.89m、直径11.9m的枣核形，气囊容积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1台2.2kW蒸汽机，用于驱动直径2.13m的三叶螺旋桨以110r/min的转速旋转。气球从巴黎马戏场起飞后，3小时左右飞行了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”，真正的飞艇问世了。


图1.91852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1.10所示。它采用橡筋动力、单翼，安定性极好，被某些学者推为“飞机的祖先”。1872年，他又制成有别致的密封舱和减震起落架的两栖型扑翼机模型。


图1.101871年佩诺研制的第一架可稳定飞行的橡筋动力飞机模型



1884年8月9日，法国人试飞了由电动机驱动的“法兰西”号全向操纵型飞艇。如图1.11所示，列纳尔上尉在当天的试验中，飞行4200m后又成功地返回起飞点，从而结束了人类飞行要受风摆布的历史。该飞艇直径8.5m，长51.8m，航速19.3km/h，电动机功率6.6kW，用于驱动一个直径9m的拉进式螺旋桨。它被认为是最早飞行成功的一艘飞艇。


图1.111884年2月9日，世界第一艘飞艇“法兰西号”由查尔斯·雷纳德试飞



1891年，德国航空开拓者李林塔尔发表了《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30s，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远，获得巨大的成功。1896年8月9日，李林塔尔在试飞中受伤，于次日去世。在其试飞的6年期间，他坚持进行滑翔实验达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1.12所示。




图1.12航空先驱李林塔尔的滑翔飞行试验

(a) 航空先驱李林塔尔的滑翔飞行试验； (b) 李林塔尔的Sturmfugel滑翔机(博物馆)


1900年7月2日，德国的齐伯林伯爵经过6年努力，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，此飞艇搭载1名乘员和5名乘客飞行20min。该飞艇型号为LZ1，直径11.73m，长127m，用防水布组成17个气囊，容积11300m3。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1.13所示。




图1.13齐伯林的飞艇试验



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，以重物下落形成的牵引力，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1.14所示。


图1.141903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12s飞行距离36.58m，当时的目击者有6人，并拍下照片作证。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。该机采用双层机翼鸭式气动布局，1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。飞机的翼展为12.29m，重量为274kg。莱特兄弟与他们的“飞行者一号”飞机就此名垂青史。而在此前，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，众多科学家对于飞行提出更大胆、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。“斯佩里空中鱼雷”(Sperry Aerial Torpedo)搭载重约136kg的炸弹飞行81km，如图1.15所示。


图1.151917年斯佩里(Sperry)研制的“斯佩里空中鱼雷”


“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，因此这一新生事物也就夭折了。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”，又称作“凯特灵小飞虫”(Kettering Bug)，这架飞行器能够载重136kg，在1917年的造价为400美元，如图1.16所示。这架飞行器拥有可拆卸机翼，并且可以灵巧地从装有滚轮的手推车起飞。在第一次世界大战接近结束时，美军下了大量的“凯特灵飞虫”订单，但它还没被派上战场战争就已经结束了。



图1.161917年凯特灵(Kettering)设计的“凯特灵小飞虫”


1935年之前的空中飞行器飞不回起飞点，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5182m，最高航速161km/h，在英国皇家空军服役到1947年，如图1.17所示。


图1.171935年的DH.82B“蜂王”(DH.82B Queen Bee)


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“复仇者一号”专为攻击英伦列岛而设计，也是现代巡航导弹的先驱（图1.18）。“复仇者一号”载弹量比前代更大，经常搭载多达907kg的导弹。英国有900多人死于该型无人机之下。“复仇者一号”从弹射道发射后，按照预先程序飞行241km。


图1.181944年研发的“复仇者一号”


自此，人类开始开启了全新的无人机时代，并勾画了一幅波澜壮阔的宏伟画卷。
1930年英国开始研制无人靶机，在吸取了斯佩里等人研究经验的基础上，1931年9月，英国费尔雷公司将一架“女王”有人驾驶双翼飞机改装成“费利王后”(Fairey Queen)靶机做了9min的有控飞行。1932年，英国本土舰队将“费利王后”携往地中海做试验，检验靶机的飞行性能，更重要的是检验本土舰队防空火力的效能。当时，“费利王后”冲着本土舰队的密集防空火力飞行了2h而未被击中，这不仅说明当时海军防空兵器的低效，同时也充分说明靶机具有无可争辩的实用性。
1933年英国研制成功有名的“蜂后”(Queen Bee)靶机，随即投入批量生产。这种靶机在1934—1943年共生产了420架，每架都有20架次的飞行纪录，这种靶机一直沿用到第二次世界大战结束后。
苏联于1934年研制成ЛO2靶机。第二次世界大战后，又研制成用冲压发动机的La17靶机。
美国于1939年开始研制靶机，先后有30多家公司投入了靶机和遥控飞行器的研制，其中最负盛名的有瑞安公司研制的世界上生产最多的“火蜂”(Firebee)系列靶机(图1.19)，以及诺斯罗普公司的“石鸡”(Chukar)靶机系列等。


图1.191955年瑞安航空公司研制的“火蜂”(Firebee)



法国研制成CT20与CT22靶机； 意大利研制成“米拉奇”系列靶机； 澳大利亚研制成“金迪威克”无人靶机等； 其他国家如加拿大、以色列、日本、德国、南非也相继研制成多种靶机，伊朗研制了多种供火炮、飞机和导弹用的靶机，所以较长一段时期内，无人机基本上是靶机的一种别称。

三、 初步参展、崭露头角(1945年—20世纪80年代末)
第二次世界大战后，随着技术的进步，各国开始尝试在靶机上安装一些测量装置，使其具有战场侦察、目标探测的能力，并开始将其应用于实战。20世纪60—70年代的越南战争、70—80年代的中东战争使无人机开始在战场上崭露头角，也促使了无人机技术与功能的进一步拓展与提升。
越南战争初期，美军出动大批飞机进行大规模轰炸，美军先后损失作战飞机2500余架，死伤飞行员5000多名，被俘人员中有90%是飞行员和机组人员。作战飞机的大量损失，使美军的作战行动严重受阻，也极大地阻止了美国政府战争意图的实现，使美军陷入了越南战争的泥潭。大批飞行员和其他作战人员的死伤和被俘，更使美国政府承受了来自国内的巨大压力。为此，美军也采取了许多办法，如对北越防空导弹的雷达系统进行干扰等。但由于北越人民军采取了反干扰措施，使得美军的方法收效甚微。
为了能以较小的损失摸清北越部队的情况，特别是防空力量的部署情况，美军最后还是想到了无人机，希望能用无人侦察机代替有人机实施侦察。无人机的平台选定了美国瑞安航空公司的“火蜂147”无人靶机。该机飞行时速在900km以上，飞行高度大于20000m，尺寸较小，雷达散射截面和红外信号特征都很小，不易被雷达发现，也不易被防空导弹击中，具有较强的战场生存能力。而且，无人靶机成本低，当时一架无人靶机价值百万美元，即使损失，相比于一架有人机的3000多万美元外加机组人员来说，其损失也相对小一些。
出于战争的需要，瑞安航空公司为“火蜂147”紧急加装了侦察照相和红外探测等设备，改装定型为“火蜂147D”，如图1.19所示。1964—1975年，火蜂侦察机在越南上空执行侦