航空、航空器与无人机:无人机面面谈

时间: 2023-09-28 00:22:30 |   作者: 产品展示


  • 产品介绍

  2023年4月1日,受中国航空学会邀请,为参加“全国青少年无人机科学素质等级考试”的科技教师们培训,做《航空、航空器和无人机》的授课。内容有航空、航空器和无人机三部分。现将第三部分“无人机”的实录整理稿发出,供参考。

  第三部分,我想跟大家伙儿一起来分享关于无人机的一些应该知晓的知识,包括一些背景知识。因为你们在青少年航空科技教育的一线,要带着孩子们、带着同学们,去学习航模与无人机的制作和操控等,教给他们有关航空的知识和技能,因此就需要对于无人机有更多一点的了解。

  首先是逻辑上的分类关系。作为一种分类,航空器按机上有人驾驶和机上无人驾驶,就构成了两个大类别。那么机上无人驾驶就是无人驾驶航空器。从逻辑上说是这么一个概念。我画了一张简图,方便大家理解。

  从航空器出发,有人和无人,这是一种分类方法。“无人”中又有 3 种,模型航空器、遥控航空器和自主航空器。遥控航空器被称为RPA。自主航空器是真正意义上的无人,就是机上机下都没人,那才叫UA,或者叫UAS。

  现在我们称呼的无人机,实际上离不开飞手,离不开操控者,不是真正意义上的自主,而都是遥控的。现在老师们带领同学们制作和操控使用的,都是遥控的。

  遥控加自主,这两种放在一起,可以给它一个通俗、简单的称呼,就叫无人机,英语里称drone。drone这个词源于法语,原意为蜜蜂的嗡嗡叫。现在讲无人机的时候,用drone要远比RPA和UA多。以后只要一看到drone,讲的就是无人机。

  无人机按用途分,又可大致分为军用无人机(也有人称“国家无人机”的,比军用无人机范围略大)和民用无人机。民用无人机里边,大家公认的有三个级别,消费级、工业级和最近兴起的载人级。机上没有驾驶员,但是机上可以载人的,这是一个全新的类别——载人级。我把这三类并列。

  军用无人机,在全球范围内,并没有统一的分类和标准。我在这里以美国的为主,结合我们的祖国的情况,给大家介绍一下军用无人机的分类法。

  按照用途分,军用无人机分为五大类,信息无人机、攻击无人机、察打一体无人机、空战无人机和靶机。按照质量、高度、空速来综合分析,分为两大类,小型无人机叫SUAS,都是遥控无人机,就是刚才我介绍的RPA,反而现在的RPA倒多是中高端的,因为强调持久,强调灵活,强调多功能。

  把小型的和遥控的合在一起,共分为5级,第一级质量9千克以下,高度不超过370 米,空速低于每小时185千米/小时。如此,第二级、第三级、第四级、第五级,如图,这样一种分类方法供大家做个参考。

  如果按照空机质量、活动范围、飞行高度、控制方式、动力和留空时间,还可以分类。这种按6种要素的分类方式和方法也供大家做个参考。我在这里举例说明。比如说按照空机质量分,分为微型、轻型、小型、大型,分别对应的是7kg、7-116kg,小于等于5700kg和大于5700kg。我们的祖国对于民用无人机另有微、轻、小、中、大型分类规定,一旦颁布,应按要求实施管理。

  按照留空时间,我们常说长航时、非长航时,但是实际上长航时、非长航时没有绝对的界限和标准。军用的和民用的又相去甚远,军用的数天、数月甚至数年才称之为长航时;而民用的,有时候数小时、数天,更不要说数月,那就是地地道道的长航时了。而所有的非长航时都是依此相对界定的。

  无人机本身是一个系统,无人系统,因为它离不开地面的操控和指挥。特别是当前,当我们的自主能力达不到的时候,离不开地面的干预,离不开指挥系统。于是,它是一个系统的存在,有平台、有载荷、有地面指挥系统,还有各种各样的通信链路,综合起来叫做无人机系统。

  无人机系统过去更适合用于3D,是三个英文词,叫Dull(冗烦、枯燥的),Dangers(危险的)和Dirty(肮脏的)。但是现在这么看有点窄了,不光是3D,不光是冗烦、危险、肮脏,还有就是要求能力特别高的,而人难以达成的,要靠无人机。

  而如果无人机能够从现在高度频繁的人工干预,变为能够自主地执行任务的话,它将会形成全新的能力。在军事领域中,它可以开发和形成对抗环境下的新作战能力,如蜂群作战、空空机动、与有人驾驶长机协同的忠诚僚机等等。

  我制作了一张幻灯片,是美国对自己现役和曾使用过的无人机的自主性评价,你们可以做个参考。美国的军用无人机的整体水平是世界的No.1,但他们对自身的无人机系统自主能力水平的评价较低。作战使用仍依赖于频繁的人机交互。

  表里是美国几个主要无人机品种,自主性技术的成熟度都很低,大于2、接近3的,没有超过3的。技术成熟度的划分一般为9级,6级往上才能真正用于工程。所以,换句话说,目前的无人机都仍然是遥控的,都不是自主的,有一部分是自动的,即事先装订程序,自动完成航路飞行和执行任务。

  自动和自主相差甚远,所谓自主,就是完全靠机上的传感器和系统去感知态势,作出判断,甚至去改变已经装定在系统内的程序。所以,现在美国空军就把现役的无人机系统称之为遥控驾驶的。就是我刚才讲的RPA,Remotely Piloted Aircraft。它要和将来实现自主以后的、真正的机上机下都没有人的无人系统UAS相区别。

  目前,无人机系统对目标的打击主要是以人在回路的方式实现的。也就是说,无人机执行作战任务的时候,将机载传感器获得的侦察图像远程传回地面站,地面战的飞行员、操作员,从图像中识别目标,确认攻击,这不叫自主,这也不是实时规划。实现自主的来路还很长。

  第一,俄乌冲突中无人机的大量使用,俄军在用,乌克兰的空军也在用,各自都声称对于对方造成了重创。第二和第三件,就是在2022年,英国BAE做了一个有人无人混合编队的飞行试验,美国的洛·马公司提出了一个全新的未来空中作战的展望图像,他们把忠诚僚机再分类,跟有人机进行编队,以此来实现不需要飞行员过多的干预和操控,而进行协同作战。这样的场景还是很诱人的,尤其让我们感到有压力的是,他们声称未来3-4年就可能部署部队。我国军用无人机的水平是很高的,在国际市场上也有一定份额。据“前瞻产业研究院”发布的2019年无人机军贸数据,美国占据当年全球市场的45%,主要是格鲁门和通用原子两大制造商;以色列占24%;中国占有21%的份额,主要在中东市场。其他约10%的市场占有率由土耳其、英国和俄罗斯分占。

  在民用无人机领域,我们的祖国是遥遥领先的,特别是消费类的,还有少量工业级的,我们甚至占到世界同一品种的一半以上,比如说大疆在消费类里那种多旋翼无人机,就占到了2/ 3左右。

  下面幻灯片里有两个型号,你们可以了解一下。一个是欧洲“神经元”无人机,另一个是美国的X47B。后者在七、八年前完成了在航母上和有人机联合飞行演示,后来又做空中加油试验,也成功了,预计后年由X47B发展出的一个叫黄貂鱼的MQ -25无人机,就可能服役,这是一个特别的加油机新品种,对于舰载机的作战能力、如扩大半径将有重要影响。

  还有一件事儿,大家也应该了解一下。就是美国的X37B轨道飞行器,也可以看作是一种高超声速的、航空航天相融合的无人机。已完成六次飞行了,最后一次是 2022 年11 月12 日回到地面,在轨道上呆了908天。除了长期在轨能力,还应关注它的任务能力,在轨道上干什么事。我把6次飞行情况和执行的主要任务,列成一张表,供大家参考。

  我国也在持续开展高端无人机的研发和应用。在公众媒体上,时而会有些披露。如分别在第13届、14届珠海航展上亮相的两款国产高端无人机,无侦8和攻击11,水平之高在世界上都是顶尖的。还有两种广为出口,也广为人知的品种,一个是彩虹系列,一个是翼龙系列。

  最后,我再把通航和无人机的关联给大家做点解释。什么是通航,除了军航,除了民用航空中的公共航运以外的林林总总的民用航空都称为通航。General Aviationg,GA,就是通航。很遗憾,2020年国家确立的通航目标都没有实现,没完成当然是不好的,但是没完成的另一面,就是说我们有着大的发展空间。

  而在这样的一个过程中,有一个特别的“中国现象”,就是中国的民用无人机在通航中发挥了巨大而独特的作用,我称之为“场景扩大,用量剧增”。

  右边这个图是把无人机功能组合起来的,大家都看看有多少种,消防灭火、巡检、农业用的、救灾救援的,各种各样。2022年的数据已出来了,我在这里,列了几个主要数据。到年末,实名登记的无人机的总量83万架,无人机的企业12663家,创产值1070亿元,当年颁发的无人机驾驶执照15万多本,因为现在我们不是自主的,必须有驾驶员、有飞手,所以要发证。全年的飞行小时已达到了1668. 9万。很遗憾,这一些数据没有进入到通航作业的统计渠道里。

  还有一个在世界上领先的,就是我们的载人级无人机。我在这里贴了几张亿航公司重要活动信息的图片。此公司的载人级无人机研发,干得很漂亮,他们分别在奥地利、日本、印尼等地做了飞行演示,在国内也有一些飞行演示,如在湖南吉首、广东深圳等地。总的来看,载人级无人机前景看好。

  现在最火的一个品种叫eVTOL,VTOL就是垂直起降,e是电动的,eVTOL就是电动垂直起降。在电动垂直起降中的载人级,发展最为迅猛,尤为人们关注。

  最后,我想谈谈无人机创新发展的方向和热点。在这张幻灯片上,我想给大家一个提纲挈领的认识。虽然在面对学生的时候,无须直接将这些认知传递出去,但是作为科技教师,必须要知道无人机为什么这么重要,无人机的下一步创新发展朝着什么方向前行,从而贯穿在自己的教学实践里,把学生们的智慧、聪明、才智、注意力吸引到创新发展上来,激励他们产生兴趣。

  军用无人机、民用无人机各不一样。在我看来,军用的发展重点是由平台、工具变为有人机的队友和在需要时成为任务主体,比如前面说到的忠诚僚机、蜂群作战、自主空战等等。民用无人机的发展趋势就是能力扩展,融入国家的空域系统,包括检测、规避系统及命令控制的连接,以及更广泛的功能实现。

  具体的说,有这么几项,第一,刚才我两次说到的自主无人系统,从自动(automaticity) 到自主(autonomy),是一个重大的技术跨越,自动到自主,这是提升无人机能力的关键;当然这是一个逐步积累和提升的过程。第二,增强任务能力,特别是平台和任务载荷的一体化与优化,航程和航时的同步延展。第三,使能技术的应用,将大数据、5G通信、新材料、先进传感器等用于无人机创新发展。

  第四,AI算法,我把它单列。AI技术正在快速地发展提升,从分析型变为创成型;最近特别火的ChatGPT,为什么引起这么大的轰动?因为它是创成型的,或者叫生成型的。还有全动态视频数据算法,具有人工智能特征的深度学习模型等,这些都对升级无人机,特别是态势感知和自主决策能力的提高产生重大影响。

  第五个重点是城市空中交通叫UAM,Urban Air Mobility,这是一个大系统;其中载物和载人的无人机具备极其重大应用前景。要解决什么样的问题?解决安全性问题,解决构型问题,解决垂直起降问题,就是刚才我说的VTOL,如果用到了电动就是eVTOL。最后一个就是新能源、新动力,包括氢能源、电动、油电混合,还有可持续燃料等在无人机领域的研究与应用。

  最后,想谈谈关于航模和无人机的异同,这是各位老师在从事航空科技教育时,常常遇到的一个问题。简单地说,航模和无人机的相同点,它们都是机上无人操作的,都有科学验证的作用与价值。它们的不同在于功能不一样,性能不一样。航模一般不带任务载荷,而无人机再简单都要有任务载荷,要完成特定任务,包括大疆的“四旋翼”,上面装个云台,装个小照相机,那就是任务载荷,于是也就成了无人机。它们之间性能的差异主要反映在控制方法不一样,航模百分之百是视距内手控,无人机可以有多种遥控手段,视距内视距外,包括事先装订程序的自动控制;将来要走向自主控制,即机内无人操作,机外也无需人工干预。

  航模和无人机有区别,但是二者又有紧密的关系。我们要让孩子们在做航模的过程中,也同时学习和理解无人机的一些知识;在领悟航空模型的魅力的同时,去触摸无人机的事业;把参与航模制作活动、学习研制与操作无人机当做学知识、学做人的生动课堂,作为献身航空事业的最初的战场。但要告诉他们,中高端无人机之难之复杂,而不应把无人机全部低端化,不宜将无人机等同于航模。

  最后送给大家这么几个字,作为真诚的寄语:蓝天飞梦,启智育人,为人师表,学而不倦。

  特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

  让光刻机变成“废铁”?中企正式官宣,日美企业最担心的事成线集谍战剧今晚首播,七大主演实力不俗,看到反派追定了

  没有一两个小时开不出去?虹桥火车站停车库改造完成,新增1000个停车位,假期避堵攻略→

  iPhone 15 Pro系列成“火龙果”?发热原因众说纷纭 台积电也“背锅”

  数学物理会难么?道法开卷更容易?关于北京新中考方案,考生关心的这6个问题快来看



上一篇:“Drone Gun”应运而生 你的无人机要当心了 下一篇:每日一词∣无人机疫情预警监控体系 drone-based early warning and monitoring system to ctrol epidemic