首页 -> 2006年第1期
未来“袖珍动物战”
作者：叶恩发 叶向东
随着军事纳米技术的进一步发展和成熟，以往的武器将有向小型化、轻量化和效率化过渡的趋势。
关于微型机器和纳米机器，目前尚无明确定义，但是一般来说，能放在手掌上或手指上的小型机器称为“微型机器”，比它更小的超小型机器称为“纳米机器”。微型机器和纳米机器不是以往那些只发挥特定作用的机器。它不仅有驱动机器，还有传感器及信息处理和控制机器，可以说它是独立的人工智能机器。
微型空中飞行器
美国国防部国防高级研究计划局正在研制微米级的微型空中飞行器，翼展约15厘米，形状如空中普通飞鸟。作为未来战场上探测装置的一部分，它的主要功能是完成包括空中监视、生化制剂探测、目标确认、通信转播、空中布雷以及对大型建筑物和设施内部的侦察任务。这是未来城区作战中尤为重要的装备之一。
微型空中飞行器的研制方案，是由麻省理工学院的林肯实验室在研制一种小型空中监视平台时提出的。美国国防高级研究计划局宣称：“尽管用于此类飞行器的探测装置尚未成型，但目前的技术水平已基本具备，该方案代表着微型探测装置的发展趋势。”国防高级研究计划局已经组成了包括工业界和军方代表在内的专题研究小组，帮助确定任务和探讨如何最佳地应用现有技术；同时，还通过一些商用研究计划来进行预研，并决定从1998财政年度开始，在3年内对该项研究投资3500万美元。
专题研究小组已经为微型空中飞行器提出了一系列参数，并计划在未来3年内对各个参数进行测试。这些参数为：飞行器长度6～20cra、总质量10～100g、平台承载重量1～18g、巡航速度30～65km/h、续航时间20～60分钟；最大飞行距离1～10km。
研制此类微型空中飞行器面临的最大挑战是解决其体积问题。美空军战术技术办公室主任迈克·弗朗西斯认为：“飞行器翼展确定为15厘米。这个数字是建立在对其体积和飞行速度充分考虑的基础上。鸟类和昆虫可以更小的体积在空中自由飞行，尽管人类对此已有很充分的了解，但要使各种装置以更小的体积在空中飞行，还要对其原理进行认真的探索研究。”在空中飞行控制方面，面临的挑战是解决其转向力的问题，转向力通常要比正常飞行动力高出1～2个数量级。有关人士认为，微型涡轮发动机可作为一种备选方案。
另一个难题是解决能量贮存问题，为实现持续飞行，目前用于贮存能量的高能锂电池需从200～500J/g提高到700～900J/g；电池的输出功率需从006～02W/g提高到05W/g；无刷电机输出功率则需从200mW/g提高到500mW/g。
微型飞行器的核心技术是机体结构设计。由于机体结构体积极小，其容量和承载重量都受到限制，因而不能像通常的侦察装置那样，给其元器件加上外壳且不影响其他部件的性能。专家们还指出，该飞行器的电子器件的集成度要远高于今天所能达到的水平，制造工艺同样是这项研究工作所面临的最大困难。通信能力的提高也是亟待解决的问题之一。采用毫米波通信，其最大传输距离可望在未来3年内从3公里延仲到10公里。由于GPS导航系统需要的天线太大，而且导航精度不能满足此类微型飞行器的要求，因此，如何对该飞行器进行导航和飞行控制仍然需要进一步探索。
目前，美国国防研究计划局已与有关公司签订了合同，抓紧进行系统的研制或发展一些特种技术。瓦伊伦门特航空公司的微型飞机方案主要用于较开阔的地形、城区和丛林地区。这种微型飞机必须克服的技术难点之一，就是要能在城市和丛林地区上空悬停。为了更有效地进行这方面的研究，瓦伊伦门特航空公司专门制造了悬停试验台。
美国另一家公司——重力航空器公司的方案也十分奇特而有趣。它看上去活脱脱就是一个超小型的空中飞碟。该公司给它起了一个十分响亮的名字“超级空中飞行器”。这个空中飞碟重约300克，能在空中悬停，飞行器的动力来自高能量密度的液体燃料。不过，对于“超级空中飞行器”飞碟的动力，有关公司还提出了其他方案。其中，菲尼克斯M-DOT公司为它研制的是一种能产生62N推力的涡轮燃气发动机。该发动机长762厘米、直径43厘米。另一种动力则是由IGR事业公司研制的，这家公司研制的是固体氧化物燃料电池。该电池产生的电能可供50克重的微型飞行器在空中持续飞行几个小时，同时电池还能提供机内其他用电设备所需的动力。但是，这种电池目前还无法用于瓦伊伦门特公司研制的“超级空中飞行器”上。因为这个飞行器的重量约为300克，现有的电力难以驱动它。下一步的解决办法：①最大限度地使“超级空中飞行器”的部件微型化，使它的重量进一步降低；②增大固体氧化物燃料电池的推动力。
从目前进展速度看，瓦伊伦门特航空公司研制的方案最有望取得突破。除了前面提到的推进动力外，该公司关于微型飞机的部件微型化和减轻重量方面都取得了阶段性的进展。
瓦伊伦门特航空公司的微型飞机上将携带一台彩色摄像机，操纵距离为3公里，续航时间将延长1倍，达20分钟；并利用空速和磁罗盘推测导航自动飞到航线分段点。为了使工作距离增加2倍，需要使发射机有效功率增大10倍；为了能以小功率达到同样的飞行距离，可采用较低的帧速率和分辨率，以及控制高增益地面天线的方向。机上指令接收机将有更多的选择性，天线采用更好的设计，以使工作距离达到更远。经过这样改进，就使CPS接收机的质量由075克增加到2克不过，机上还需要增加磁罗盘和空速计及稳定飞行器的稳定陀螺仪，以保证自主航线分段点导航的需要。现有的陀螺仪质量为18克，再加上已研制出来的一种质量为05克的微型风速表，整个导航组件的质量将不超过45克。全部消耗的功率极小，几乎可以忽略不计。
总之，虽然第二阶段微型飞机将取得突破性进展，但瓦伊伦门特航空公司仍感到留有很多遗憾。该公司拟通过采用更好的构型和调整圆盘尺寸来加以改进；还将利用计算流体动力、风洞试验和滑翔试验来调整气动力。个别专家还提出，在电机上增加一个齿轮减速器，以解决螺旋桨和电机转速的匹配问题。这样可使螺旋桨和电机的效率都提高到60%，从而使推进系统的总效率增加1倍。
探测器技术目前已经比较成熟，但在微型探测器制作方面仍有大量工作要做，如图像探测、声音探测以及生化战剂检测，都需要具有特殊的功能。另外，探测器的重量是问题的关键，如研制重量为1s的可见光成像器，是目前该类成像器极限重量的1/10；研制重量为10克的非冷却红外成像器，而目前的重量为30克。美国防务空中侦察办公室已提出了可见光照相机的研制方案，该相机的面积为12mm×85mm，成像孔径为26mm，视场角为40×40°，分辨率为07m，成像速率为每秒05幅，该照相机的重量小于1克，耗电量不足25mW。
由装在机身内的微型计算机进行控制，该飞行器可在建筑物内部、树林或障碍物之间自由飞行，它将成为未来战场上收集信息、探测情报、检测有毒物质的能手。这种翼展仅15厘米的微型空中飞行器，具有目标小、无噪声、易隐蔽、侦察探测范围广等特点，已受到美国军方的极大关注。它在军事上的主要用途是：①弥补侦察卫星和侦察飞机的空白区，侦察它们监视不到的死角；②执行间谍侦察任务，可在和平时期秘密收集敌军各类情报；③可进入核、生、化污染区进行检测，并迅速确定生化战剂类别以及时控制污染区；④涂上强反射材料后在空中飞行做诱饵，以探测敌方的防空部署和雷达性能参数；⑤装备前沿作战部队，帮助士兵观察山背后、建筑物和掩体内的敌情。
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