貓貓 相羽

結(jié)構(gòu)簡單、操控方便、可靠性高的民用多旋翼無人機除廣為人知的航拍用途之外，還能在工農(nóng)業(yè)、應急救援和軍事領域發(fā)揮獨特的作用，成為相關工作人員的得力助手。在軍事領域，它更被稱為“戰(zhàn)場幽靈”。如何讓它為作戰(zhàn)己方提供有利幫助，同時偵測、干擾、反制敵方無人機的進攻，已成為現(xiàn)代戰(zhàn)場急需解決的一個難題。

從丑小鴨到白天鵝

雖然多旋翼無人機是近年來才嶄露頭角的新秀，但事實上，多旋翼結(jié)構(gòu)的飛行器早在1907年就被法國的寶璣兄弟和里切特教授制造出來了。該飛行器被命名為“旋翼機一號”，其最大離地高度僅為1.5米。隨后，法、美等國的工程師又陸續(xù)制造了一批早期多旋翼飛行器，雖然它們的滯空時間和離地高度有所延長和提高，但依舊停留在技術驗證階段。20世紀50年代后期，美國陸軍提出了“飛行吉普”項目，旨在制造一種小型垂直起降飛行器。為此，柯蒂斯·萊特公司設計了一款名為VZ-7的四旋翼載人飛行器。VZ-7采用一臺渦輪軸發(fā)動機作為動力，利用機械變速裝置連接螺旋槳，能夠相對穩(wěn)定地懸停和向前飛行，且操控相對便利。不過，VZ-7的最高飛行時速僅為51千米，最大飛行高度僅為60米，性能完全無法滿足當時美國陸軍的要求，因此最終并未量產(chǎn)和裝備。

上述早期多旋翼飛行器普遍缺乏先進的自動飛控系統(tǒng)和推重比高，缺乏快速響應的動力系統(tǒng)，導致大多操控困難、性能低下、實用價值低，因而這種構(gòu)型的飛行器逐漸被人們淡忘了。

1995—2010年，隨著微機電系統(tǒng)、微處理器、動力鋰電池、無刷電機、碳纖維機身等關鍵硬件的實用化、小型化和低成本化發(fā)展，安裝有飛行姿態(tài)自動控制器的電動多旋翼飛行器逐漸在航模愛好者中流行起來，并開始進入商業(yè)航拍領域。這一時期，典型的商用多旋翼無人機包括德國Microdrones公司發(fā)布的MD4-200等，不過這一階段的多旋翼無人機普遍具有控制距離短、價格高昂等缺點，且不具備相機三軸穩(wěn)定系統(tǒng)，對操作人員有較高的技術要求，因此受眾狹窄。

2010年，法國Parrot公司發(fā)明了AR.Drone多旋翼無人機，該機可以在移動設備上利用無線網(wǎng)絡控制并接收圖像，還可以借助帶陀螺儀的飛控和超聲波測高傳感器實現(xiàn)自動定高懸停。該無人機一經(jīng)發(fā)布便被各國消費者大量購買，這標志著消費級無人機時代拉開了序幕。

2012年，中國深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司發(fā)布了經(jīng)典的精靈Phantom無人機，該機擁有1.2千克的最大起飛重量、控制距離1000米的遙控系統(tǒng)和集成GPS、陀螺儀與氣壓高度計于一體的飛控系統(tǒng)，具有室外定點懸停和失控返航功能。該機大幅提升了消費級多旋翼無人機的實用性，使之進化為航拍工具。

此后，大疆、零度、道通智能等企業(yè)憑借不斷提高的機電模塊集成度、逐步提高的電池能量密度、反復優(yōu)化的氣動設計和不斷迭代的人工智能算法，讓消費級多旋翼無人機在越來越輕便小巧的同時飛得更快、更遠，并逐漸實現(xiàn)了主動避障、視覺跟隨、自動拍攝等智能飛行功能，使無人機真正“飛入尋常百姓家”。

隨著多旋翼無人機在消費級航拍市場的興起，無人機制造商開始進一步拓展這種結(jié)構(gòu)簡單、易于維護、操控便捷、擴展性強的飛行器在行業(yè)級市場中的應用。各種集成了三軸增穩(wěn)云臺的光電探測設備陸續(xù)問世，例如，用于高精度測繪的激光雷達和全畫幅相機、用于農(nóng)作物狀態(tài)監(jiān)測的多光譜相機、用于長距離觀察的高倍率光學變焦相機和激光測距儀等。為了更好發(fā)揮載荷性能，廠商又根據(jù)各個行業(yè)的需求開發(fā)了一系列擁有長續(xù)航時間、高可靠性和一定便攜性的行業(yè)無人機。功能繁多的載荷和性能優(yōu)異的飛行平臺，輔以無人值守機場和配套專業(yè)軟件，逐漸讓多旋翼無人機在各領域得到廣泛應用。

多行業(yè)應用中的能工巧匠

農(nóng)業(yè)方面，農(nóng)技人員可以首先使用搭載多光譜相機和光照傳感器的小型多旋翼無人機，對農(nóng)作物長勢和太陽輻照度進行評估；再用裝有噴灑器和播撒裝置的農(nóng)業(yè)植保多旋翼無人機精準而快速地施放藥物或肥料。相比傳統(tǒng)的人力施肥打藥，這套操作流程不僅節(jié)約了人工成本，還避免了藥物和肥料的濫用，可謂“多快好省”。

應急救援方面，多旋翼無人機可以搭配系留套件，借助地面發(fā)電機實現(xiàn)定點連續(xù)照明，為救援隊員在災區(qū)夜以繼日搶救被困人員提供照明保障。2023年2月土耳其發(fā)生連續(xù)強震后，奔赴災區(qū)的我國藍天救援隊就攜帶了多套系留照明無人機系統(tǒng)，成為災區(qū)“夜空中最亮的星”。對于森林滅火或野外搜救場景，搭載熱成像儀的無人機則可以提供直觀的地面熱源分布圖，從而大幅提升救援效率。

科學研究方面，多旋翼無人機不僅可以代替人類深入火山、冰川等危險場合，而且因體積小、機動性強而更適于飛入文物古跡等狹小空間內(nèi)部進行細致考察。相比固定翼無人機，多旋翼無人機可以穩(wěn)定地懸?；蛞院艿偷乃俣妊埠?，這樣不易錯過每一個觀察細節(jié)。國外的研究團隊還曾嘗試使用多旋翼無人機觀察鯨魚，并操縱裝有采集裝置的無人機穿越鯨魚噴射的水柱以采集研究樣本。

現(xiàn)有的民用多旋翼無人機依靠多樣化的負載和簡便的操作維護，正滲透進越來越多的領域，為許多傳統(tǒng)行業(yè)插上了翅膀。但我們也必須看到，多旋翼無人機的廣泛使用也帶來了航空安全、信息安全等方面的新問題。例如在2021年8月，由于雙方疏忽，加拿大約克地區(qū)警方操作的一架多旋翼無人機和一架載人的小型飛機相撞，所幸機上人員并無大礙。為解決這些問題，無人機制造商、使用者和航空監(jiān)管部門等都必須采取人防、物防和技防相結(jié)合的手段，盡可能避免意外事故的發(fā)生。

“戰(zhàn)場幽靈”

和固定翼飛機在軍事領域的應用歷程類似，多旋翼無人機最早也被用來偵察敵情，隨后又陸續(xù)出現(xiàn)了自殺式爆炸無人機和凌空投擲爆炸物的無人機。

2014年，“伊斯蘭國”武裝分子開始使用民用多旋翼無人機對戰(zhàn)場情況進行偵察。2016年10月，伊拉克北部地區(qū)，“伊斯蘭國”武裝分子故意墜毀了一架多旋翼無人機，該機的電池內(nèi)裝有簡易爆炸裝置；當兩名庫爾德戰(zhàn)士撿起這架無人機時，爆炸發(fā)生，兩人當場死亡。本次事件很可能是最早的多旋翼無人機作為武器直接攻擊敵方的案例。

隨后的幾個月中，“伊斯蘭國”武裝分子和伊拉克警察部門在庫爾德地區(qū)先后使用了多旋翼無人機向?qū)Ψ酵稊S簡易炸彈。前者所用的投彈無人機結(jié)構(gòu)較為簡單—在無人機底部安裝一個下漏塑料筒，操縱者通過粘貼在機身側(cè)面的組件釋放筒中爆炸物；后者使用的投彈無人機結(jié)構(gòu)更為完善—機身下方安裝有兩個遙控投擲器，可以各自懸掛一枚裝有羽毛球“尾翼”的榴彈。這種“羽毛球炸彈”由于下落軌跡更穩(wěn)定，攻擊精度更高，一經(jīng)問世就不斷被世界各地的軍事組織借鑒，隨后還產(chǎn)生了3D打印塑料尾翼的“升級版”。

2018年8月，委內(nèi)瑞拉總統(tǒng)馬杜羅在閱兵式上發(fā)表演講時，一架大型六旋翼無人機在主席臺附近爆炸，造成多人受傷，所幸馬杜羅本人并無大礙。這是近年來最為著名的一起使用多旋翼無人機刺殺政治人物的案件。

2022年初俄烏爆發(fā)沖突后，俄烏雙方時常在社交媒體上發(fā)布各種由民用無人機拍攝的作戰(zhàn)視頻：這些無人機時而引導火炮射擊，時而投放炸彈，時而使用專用探測器搜索地雷，甚至還通過撞擊來擊落敵方無人機。借助復合材料制成的小巧機身、低空低速的飛行特性和靈活的操控性能，民用多旋翼無人機得以在槍林彈雨中穿梭自如。敵方雖然可以通過耳聽眼看的方式發(fā)現(xiàn)并擊落它們，但往往困難重重。

偵測、反制皆困難重重

對無人機進行處置的前提是偵測到其存在。但對來去無蹤的多旋翼無人機而言，要做到這一點并不容易。

在各式各樣的無人機偵測手段中，最簡單的方法就是在陣地的各個方向設立無人機觀察哨。該方法雖然簡單粗暴，面對噪聲大、高度低、速度慢的小型民用多旋翼無人機卻有著不錯的效果，所以在戰(zhàn)場上也應用得最廣。

多旋翼無人機飛行時，其電子元器件的溫度較高，和溫度較低的天空背景會形成明顯的熱輻射反差。據(jù)此原理，部分安防監(jiān)控廠商制造了紅外熱成像式監(jiān)測設備。此類設備在工作時，首先借助安裝在電動云臺上的熱成像相機對空旋轉(zhuǎn)掃描，再利用后端計算機自動分析圖像并生成目標軌跡。不過，這類設備多用于要地安保，對飛行高度較高的目標有很好的識別能力，卻容易漏報貼著樹梢、巖石或建筑物頂部飛行的無人機。還有一些企業(yè)開發(fā)了便攜式反無人機雷達。這種雷達采用有源相控陣架構(gòu)，形似一塊平板，可單人背負操作，最遠可以偵測到數(shù)千米外的無人機。不過，這類設備同樣存在低空識別能力較弱的問題，而且因為便攜式反無人機雷達會主動發(fā)射電磁輻射，所以反而有可能被敵方無線電監(jiān)測手段發(fā)現(xiàn)，導致己方陣地暴露。

雖然戰(zhàn)場上的作戰(zhàn)雙方都使用了無人機控制信號偵測器、單兵干擾槍、無人機干擾車等反制裝備，但民用多旋翼無人機依然可以神出鬼沒。究其原因，一方面是上述反制裝備的普及率有限，不太可能讓己方每個作戰(zhàn)單元都擁有無人機搜索和壓制能力；另一方面是此類無人機價格低廉，即使被擊落，敵方損失也不大。

此外，絕大多數(shù)無人機干擾設備通過強電磁來干擾、阻斷敵方無人機的衛(wèi)星定位和遙控信號，但市售的民用無人機往往缺乏可靠的慣性導航系統(tǒng)，在丟失全部無線電信號后會變成“無頭蒼蠅”。這就意味著，如果無人機攜帶有爆炸物，而干擾信號作用距離又不夠長時，反而容易使無人機在己方陣地附近墜毀，同樣造成損失。此外，大功率電磁干擾還有可能造成誤傷己方無人機、干擾己方通信等附帶問題。

為了克服無人機干擾設備的種種缺點，烏克蘭科研團隊研發(fā)了一款名為FOWLER的多旋—固定翼混合構(gòu)型截擊無人機。FOWLER采用多旋翼構(gòu)型垂直起飛，并可在空中轉(zhuǎn)換為固定翼模式高速平飛。被放飛后，它首先通過低成本的紅外和可見光雙波段攝像頭搜索目標，隨后在接近目標時釋放一個網(wǎng)狀充氣捕捉器，最后降落在指定區(qū)域進行充電和重復使用。當然，也可以將FOWLER設置為直接撞擊模式，與目標同歸于盡。

此外，各國軍工企業(yè)還研發(fā)了各式各樣的激光反無人機設備。這類設備首先由大功率激光發(fā)射器產(chǎn)生激光，再借助安裝在萬向支架上的光學鏡頭實現(xiàn)跟蹤照射。相比于實體彈藥，沿直線傳播的高能激光不僅使用成本低廉，更能輕松做到“指哪打哪”，十分適合對付民用多旋翼無人機這種高機動性小型目標。但由于現(xiàn)有的移動式激光發(fā)射器功率有限，往往只能使敵方無人機墜毀，而無法將其在空中徹底粉碎，因此依然存在敵方無人機失控墜毀后對己方陣地產(chǎn)生附帶損傷的可能性。

【責任編輯】諶 燕