美国军用微型无人机
研制的途径
强调系统工程
美国国防预研计划局和承包商从一开始就把微型无人机作为一项系统工程来研制。他们都特别强调
，微型无人机必须从一开始就作为一个完整的系统来设计，并断言，试图把可独立应用的分系统综合成
一个协调一致的整体（即传统的"添壳"式办法）将绝对不能工作。
分阶段渐进
在研制"微星"微型无人机时，桑德斯公司采用分阶段方法，首先使无人机基本布局保持相同，逐渐
增加能力，利用这种能力很快研制出新无人机机体。空气动力学随时间变化不太大，但大多数其他相关
领域发展很快，因此该公司打算随时采用数字数据链路和成像传感器等现有商用设备。这种分阶段渐进
的办法，值得借鉴。
以小带微
研制无人机，微难，小易。因此桑德斯公司采用了一个与"微星"计划并行的小型无人机计划，使用
不同翼展的 "小星"（MiniSTAR）改型作为一个代用平台来试验各主要分系统。随着时间的推移，各个主
要分系统相关技术不断发展和成熟，必然推动小型无人机向微型无人机发展。这种以小带大的办法，有
一定代表性。
重点投资推进系统
动力系统对微型无人机影响重大和深远，因此美国国防预研计划局大部分用于"赋能技术"（使微型
无人机"能飞"的技术）的投资都集中于提高推进效率。其中包括：
氢燃料微型硅基涡轮喷气发动机，由麻省理工学院研制，由硅制成，重量1克，仅有两个零件，产生
10~30瓦推力。其种种挑战包括设计火焰稳定器和提供空气轴承，使转子能在每秒百万转速度下旋转。
"微中子"狄塞尔发动机/半导体薄摸温差电池，由D-STAR工程公司/布莱克斯堡技术公司研制，发动
机功率80瓦，组件直径2厘米。温差电池采用先进量子阱技术，附在发动机壁上直接把热能变为电源，使
1立方厘米内燃机废热产生20瓦功率。
甚轻固体氧化物燃料电池/微型涡扇，由IGR公司/研制M-DOT公司，甚轻型燃料电池满足微型无人机
电源要求，涡轮风扇发动机的推力为600克。
"往复化学肌肉"（RCM）推进装置，由乔治亚理工研究院与英国剑桥大学和ETS实验室合作研制。这
种再生推进装置通过非燃烧反应把化学能直接变为运动，用于驱动乔治亚理工研究院研制的"昆虫机"扑
翼或奔跑足。"往复化学肌肉"推进的昆虫机见图2。
微型航空电子
航空电子是机载"神经系统"，同样是实现微型无人机不可忽视的先进技术，其中包括自动驾驶仪。
美国国防预研计划局1999财年完成重量为50克的自动驾驶仪/制导组件的制造和试验，它包括惯性导航系
统和全球定位系统接收机。Fibersense公司已经研制出微型速率陀螺。桑地亚国家实验室的"微型导航仪
"把陀螺、三轴加速度计、全球定位系统接收机以及相应的电子线路全部封装在一个硅片上。
乔治亚理工研究院研究基于其集成光学干涉波导传感器的自动导航方案。初创研究工作集中在定向
爬行行为上，其他可能方案是游泳穿过下水道。
任务有效载荷
美国一些机构都在投资研究微型无人机传感器的相关技术。加州理工学院的喷气推进实验室正在研
制小型固态成像传感器。它的超小功率有源像素传感器技术使用现有商用互补金属氧化物半导体器件制
造工艺，使很多不同功能的元件集成在芯片自身上。其优点是系统功耗成百倍降低，成本也节约。
Indigo系统公司研制的"阿尔法"像增强互补金属氧化物半导体摄像机工作在长波红外频段，使用波
音公司160×128元非致冷辐射热探测器焦平面阵列。其初始型可能应用于微型无人机上。
多频谱解决方案公司正在为研制微型无人机用的超带宽高度表和障碍物回避传感器。这种传感器的
重量为40克，功耗很小，将能够分辨小于30厘米的距离。
最近在美国陆军的小企业革新研究（SBIR）计划下的申请的项目包括研制无人机用的廉价微型声学
传感器，用于探测和辨认地面车辆和对其定位。
发射与投放
手持发射型将小到足以装进诸如高机动多用途轮式车辆和不影响执行任务。封装容器可考虑密封管
，类似装网球的容器，最大长度75厘米，直径10厘米。这可能适合翼展为10~50厘米的折叠翼无人机。
微型无人机发射和回收由单人操作，将不需要专用起飞或着陆场地。1997年微型无人机应用本土瞄
准导弹和机关炮发射平台的专题讨论会推荐120毫米为首选发射管组件尺寸，包括用120毫米迫击炮管等
发射。这些投放方法的优点是不暴露侦察员的位置并增加航时。
除了管道发射以外，它们可以"驮背"在空中发射精确制导弹药上或从常规无人机上投放。微型无人
机一旦完成空中任务，可以作为无人看管的地面传感器工继续作。
典型微型无人机
美国国防预先研究计划局三大原型微型无人机
美国国防预研计划局一直在投资制造代表各种途径并支撑"能飞"技术的原型微型无人机包括 "黑寡
妇"和"微星"固定翼无人机以及"科里布里"旋翼无人机。该局注意到携带昼夜飞行使用的成像传感器，极
适于执行侦察和监视任务，支持市区行动；也关心能飞行5千米距离，更适合越过小山丘进行"隔山"侦察
。
"黑寡妇"
"黑寡妇"（Black Widow）是航空环境公司与加里福尼亚大学和加州理工学院合作研制的飞翼（见
图3）。为满足飞行器尺寸限制在15厘米的要求，该公司选择盘形布局，使机翼面积最大。飞翼重50克，
头部装着螺旋桨，由电动机驱动，电源来自一对锂电池，后面装有操纵面。推进系统重110毫克，效率
82%，最大速度20米/秒。飞行控制系统（计算机、无线电接收机和3个基于微电机作动器）重量仅2克。"
黑寡妇"由肩扛式容器气动发射，容器内装有控制板以及使操作员能够观察到来自摄像机活录象的目镜。
"黑寡妇"上的摄像机重2克。该微型无人机的续航时间超过20分，有效距离1千米，预计航时最终可达到1
小时。1999年航空环境公司及其"黑寡妇"微型无人机获得《无人机》杂志第一个"无人机设计发明奖"，
创造了奖牌重于无人机本身的记录。当时"黑寡妇"重量只有60克，能够装进公文包内，打破航时22分飞
越距离16千米的记录。
"科里布里"
"科里布里"(Kolibri)是 Lutronix公司与奥博恩大学合作研制的垂直起落微型无人机（见图4）。
其续航时间至少30分。可以采用单旋翼和对转双旋翼的不同类型。基本型是10厘米直径，重316克，其中
37克重的动力装置和132克重的燃油占了总重量的一半以上。动力装置可能采用由D-STAR公司研制的微型
狄塞尔发动机。输出功率35瓦的微型狄塞尔发动机用20克的燃油一般可提供飞行30分钟的动力，所用燃
油仅为常规飞机发动机用油的四分之一。可用有效载荷大约100克。"科里布里"装有Draper实验室研制的
全球定位系统/加速度计/陀螺组合系统，多频谱方案公司已研制出超宽带视频下行链路。
"微星"
"微星"（MicroSTAR）是桑德斯公司由研制。经论证，"微星"最后选择更常规的设计（见图5）。
"微星"设计重量100克，总电功耗15瓦。机身重7克，处理/存储电子组件重6克，照相机/透镜总重4
克。电动机及其螺旋桨重20克，功耗为9瓦。最大一个配额44.5克分配给了锂电池。 "微星"典型飞行任
务航时20~60分，飞行距离大于5千米（在视距控制下增加一倍），巡航速度一般为56千米/小时，高度为
15~90米。"视景"VV5404传感器是要提供质量足以能够识别一班人大小目标的图像。它将通过哈里斯公司
的PRISM无线电通信链路把信息传送到由两块个人计算机卡构成的地面站，它可在任何"奔腾"基处理平台
以300MHz或更高时钟速率工作并采用Windows NT操作系统。这可以是笔记本计算机或者小到"掌上驾驶员
"尺寸的终端。正在研制用于代替现用模拟链路的数字数据链路将把传送距离从1~2千米扩大到4~5千米，
并能够以200豪瓦功率处理1Mbit/s信息。这足以在处理每秒1帧未压缩的图像，在连续两帧之间85%叠加
，加上囊嵌入数据流中的遥测信息。惯性系统提供自主运动稳定性，再加上处理器，大约使有效载荷重
量增加了20克。进一步可能的改进升级包括采用互补金属氧化物半导体成像传感器、差分全球定位系统
，重量刚好超过5克，增加到基本推测导航系统。
仿生型扑翼机和昆虫机
仿生学可以说是航空之母，拟态飞行的"昆虫机"正是基于仿生学一种微型无人机。它不仅能够飞行
而且能够爬行，这是大型航空器难以实现的。
"微型蝙蝠"
"微型蝙蝠"（Microbat）是加州理工学院与航空环境公司合作研制的一种电池为动力的微型扑翼机
（见图6）。其重量仅10克，由微机电系统驱动类似蜻蜓的机翼。电容器一次充电产生的功率能够已经达
到20秒航时，加州理工学院预测最终航时可达3分。"微型蝙蝠"可携带微型摄像机及其下行数据链路或声
学传感器。加州理工学院根据美国国防预研计划局的倡议正在研制"微型蝙蝠"微型无人机用的微型机电
系统。加州理工学院已经制造出钛合金骨架蒙以聚合物薄膜构成的机翼，同时还有包括电池、直流支流
变流器、减速器和扑动传动机构在内的轻型动力传输系统。
"昆虫式爬行和飞行机器人"
"昆虫式爬行和飞行机器人"是范德比尔特大学研制的一次性使用微型无人机。它采用类似手表中使
用的小型锂电池向压电致动器提供电功率。这些陶瓷涂层金属薄片当施加电压时弯曲，当去掉电压时就
迅速复原，即产生振动。其优点是重量轻，效率超过90%。致动器在机器人的金属"骨架"和机翼产生振动
，使它能够爬行和飞行。它采用仿生原理，飞翔的昆虫翅膀一般拍打速度有它脑子可能发出的指令5倍快
。一旦这种运动确立，骨架振动就把它维持下去了。
"导师"
"导师"（Mentor）是SRI国际公司（前斯坦福研究所）与多伦多大学正在合作研制的一种扑翼机（
见图7）。其重量为50克，使用"往复人造肌肉"驱动昆虫刚性扑翼。它的致动器是由电致伸缩的聚合物制
成的。
结论
在当前传感器技术水平下，微型无人机的体能限制了有效载荷因而也就限制了执行任务的能力。近
期，微型无人机只能装载电视摄像机执行近距、低空、短时成像侦查任务。小型无人机（Mini-UAV，
Small UAV）虽然比微型无人机大，但是与大多数现用无人机相比仍然很小。小型无人机的特点是：用现
有技术水平已能制造，适于单兵携带、发射，操作容易，成本低廉，经济实惠。美国陆军、海军、国防
预研计划局以及航空工业界正是看到微型无人机尺寸太小，限制了有效载荷和性能，因而开始搞能够供
单兵用的便携式小型监视无人机。例如，美国海军倡导应用MITE微型无人机引出了美国海军陆战队的"龙
眼"（DragonEye）计划。这恐怕是一种具有代表性的现实研制思想。
综上所述，微型无人机目前仍处于研制阶段，而近期应用有一定局限。由于体能的限制，微型无人
机在军事上也难以有较大作为。反观小型无人机的技术难度相对较小，也在一定程度上克服了"微型"带
来的缺点，因而更现实、更适用。
