微小型无人系统发展及其对测试技术的新挑战

北京理工大学微小型系统研究中心李科杰一、微小型无人系统技术发展动向微小型无人系统技术的内涵是：根据无人系统特殊功能和特性，应用微机电系统（MEMS）、机器人、感知、控制等先进技术，综合集成为微小型无人系统的光机电一体化技术。国际上的科学家、战略思想家和未来学家们认为：“五种常常重叠的技术最有可能在今后15-20年使军队发生革命性的变化。这五种技术为：机器人技术、先进的动力与推进技术、微型化技术、移动和自适应数字网络、飞速发展的生物科学。”微小型无人系统就是二十世纪九十年代美国等先进工业国家开始发展的融合了这些技术的新概念装备，它不但在基础理论、设计、制造与试验技术等方面是革命性创新，而且对二十一世纪战争的模式将会带来变革性的影响。微小型无人系统技术目前重点研究的是：微小型飞行器、微小型机器人、微小型水下无人航行器和微小型航天器等。1．微型飞行器微型飞行器(MAV)的概念是由美国于九十年代最先提出的，并进行了可行性论证。研制出的微型飞行器特征是：最大尺寸为15cm以下，重数百克以下，航程大于10km，最高时速达80km/h，最高飞行高度可达150m。它还应有导航及通信能力，可用手掷或飞机部署它们，具有侦察成像、电磁干扰等作战效能，一次性使用的微型飞行器的价格计划在1000美元以下。目前美国DARPA有十余项微型飞行器研究计划在进行，包括固定翼、旋翼、和扑翼式微型飞行器。国外研制的典型微飞行器见图1。在阿富汗战场上美国使用了微型飞行器，这种微型飞行器名为“微星”，海军陆战队士兵可以通过便携式电脑的画面，操纵“微星”侦察机，可侦察前方5km的情况。作为微小型飞行器的一个新概念，“仿昆虫机器人”九十年代初被提出。它是基于对昆虫运动机理的分析，按照一种新的设计思想去设计的。美国投资10亿多美元研究如何利用昆虫侦察，现正在研究用遥控器控制昆虫飞行。如果在昆虫身上装上微型摄像机，则不仅可实现侦察，也可对人无法进入的地方进行探测。见图2，图3。近期美国的机器昆虫已经进行了飞行试验。2.微小型机器人技术我们对微小型机器人这个概念和内涵的看法是：基于微机电技术，有拟人功能，代替人完成任务的光机电一体化系统。可自主、半自主或人工遥控工作。1）微小型固定机器人所谓固定式的微小型机器人，其实是一种固定不动的侦察机器人（或称侦察传感器系统），它们的外形可做成像石头、树木、花草的模样，内部装有微型图像、红外、地震、磁场、音响等各种传感器，可以东张西望，探测出物体的图像、人体的辐射，行走时地面的震动，金属移动物体磁场的变化等，并将各种信息传送给指挥部，然后利用搜集到的情报对敌人发起攻击。敌人即使见到了它们，也很难想到它们竟会是对方的侦察兵。一旦知道对方有这种装备，反而会疑神疑鬼，感到草木皆兵。美国加紧研制的“智能尘埃”拟用于军事，利用无人机布撒到未来的战场中，构成分布式战场传感器网。当坦克等军用车辆驶过这些“尘粒”时，它们就会启动火箭并附于车身，从而将其精确位置不时发送回去，使军方能随时掌握敌情。它们还具有电子干扰能力，自主寻找敌方电子指挥系统的关键部位实施破坏。上述“智能尘”配合“微型火箭”就能悬浮于空气之中，用于测量风速、气温，特别是灾害性天气的物理参数。微型芯片火箭见图4,已在6mm×4mm芯片上制造出15只火箭，并在10cm2的芯片上设计了1000万只火箭。2）微小型移动机器人微小型移动式机器人主要也是用来从事侦察和探测的。例如，美国麻省理工学院研制的“阿蒂拉Ⅰ”型机器人重1.6kg，有32台电机，10个微处理器和150个传感器，并带有一台微型摄象机。由于它的6条腿都具有关节，它的运动更加自如，还能越过障碍，见图5。美国桑地亚国家实验室正在研制一种只有几毫米大的微型机器人，为了不引人注意，可以将其形状做成昆虫形状，也可以做成象垃圾一样的形状，用来侦察生化武器。近期的目标是，在芯片上建立一个化学实验室，再将芯片嵌入只有几毫米的机器人上。海军陆战队正准备研制出一种比人手还小的地面军用机器人，用于城市环境侦察作战。这种机器人可以步行而非轮式，它还有翅膀，可以跳跃或飞上楼梯，主要用作侦察。它可由无人机投到作战地区，一支远征部队可以装备4050个。研制它的最大困难是动力问题，目前的电池技术在这么小的体积内无法提供足够的能量，正在考虑替代能源。在小型仿人机器人方面，日本和美国等发达国家已投入了大量的资金对其进行研制。东京大学等单位研制的50cm机器人见图6。3．微小型水下无人航行器技术微小型水下无人航行器通常是指长度在米级范围，重量在几十公斤以内的水下无人航行器。微小型水下无人航行器因其目标小、噪声低、易于接近目标而不易被敌方发现等特点，适于在近海、狭窄海域或浅水海区执行一些特种任务，如破坏敌人海上交通运输线、对敌岸基地或锚泊舰船、水雷进行侦察、袭击等。此外，它还具有造价低、便于大批量建造、运输方便等优点。图7所示为“曼塔”未来型无人潜器。微小型水下无人航行器可以选择由小型潜艇携带到战区释放，对海上活动目标实施战术侦察和突然攻击，或者自主航行到预定海区执行指定任务（如战略、战役侦察）。单纯用于隐蔽侦察时，必须能回收；如用于不能回收的攻击时，可以自杀使用，也能取得一定的作战效果。所以如能实现有人操纵小型潜艇和微小型水下无人航行器结合使用，无疑将大大提高作战效能。机器鱼的概念研究在国外已经开始，如图8所示。与船舶的螺旋桨推进方式相比，鱼类的游动有以下优点：(1)推进效率较高，利用流体能量后，效率可接近90%；(2)加速性好，可在瞬间达到巡航速度；(3)机动性好，可在速度不减的情况下实现180度转弯，转弯半径小于体长；(4)噪音极小。由于以上原因，对鱼类的运动仿生研究在高效推进应用领域有着深远意义。3．微小型卫星微小型卫星的概念是：100～500kg的卫星称为微小卫星（mini），10～100kg的卫星称为微型卫星（micro），10kg以下的卫星称为纳米卫星（nano），其自身通常无法独立完成空间任务，需要依赖分布式的星座或网络才能实现其功能。海湾战争的爆发使美国的防务重点开始转移到发生在世界某一地区的局部军事行动。军方需要灵活迅速地发射和配置一组低轨道卫星，以执行区域性军事监测和包括士兵通讯在内的近距通讯任务。1990年5月用侦察兵火箭发射了首颗重70kg的试验通信卫星，在1991年海湾战争中发挥了重要作用。1991年7月用飞马座火箭，一箭发射7颗重23kg的微型通讯卫星，并成功组网，其主要载荷为2W功率的UHF转发器，用于士兵与作战总部的通讯联系。2002年2月，两颗绳系皮卫星被从低地球轨道上的主星送入太空。这两颗皮卫星是世界上第一批功能最全的超小型卫星，每颗星就象一副纸牌大小，重量不超过1.5kg。美军之所以挖空心思的研制皮卫星，主要是考虑能更有效的防止敌国反卫星武器攻击。皮卫星可以与主卫星组成网络，相互协同运行，当敌方反卫星武器进行攻击时，皮卫星可以及时为主卫星发送信息，使主卫星及时采取措施，免遭攻击；皮卫星还可以诱惑、吸引敌方反卫星武器，保护主星；皮卫星也可用做反反卫星武器，对敌方反卫星武器进行拦截。科索沃战争再次表明了“陆、海、空、天“一体化战场环境的特殊作用。由于微小卫星具有低轨道、信号损耗小、机动灵活、抗毁性能强等优点，很适合于战场环境监视、侦察、目标定位、通信中继等。作为未来高技术战争的“杀手锏”，在建立以卫星为核心的C4I（指挥、控制、通信、计算机和情报）一体化系统、提高战术武器的隐蔽性、突防能力等方面，微小卫星有极大的需求背景。而由微小卫星构成“卫星攻防系统”更是其可能独有的潜在军事应用。二、微小型无人系统战略地位及重要意义1．战略地位及需求人类社会跨入信息时代，战争形态正在发生深刻变革，江泽民主席指出：“信息战争将逐步取代工业时代的机械化战争，成为未来战争的基本形态”。作为美军建设指导纲领的“2020联合作战设想”也把信息作战摆在未来联合作战的中心位置，使信息作战的地位发生了实质性的变化。信息化战争，是一种新的战争形态。它是以机械化战争的装备平台为载体，以大量使用信息化武器为支撑，以信息为主导，以能量为后盾，以网络为神经触角的战争形态。信息化战争时代，信息、指挥、精确打击突变为战争的主要要素，那么，信息、指挥、精确打击同样成为描绘信息化战争形态的基本构件。战争形态不是战争要素的静态的简单组合，而是一个动态的纵横交织、五维一体、紧密衔接的复杂网络，把陆、海、空、天、电，以及国内外的各种作战力量、侦察力量、保障力量和各种战略资源紧密联系在一起，使指挥员、指挥机关与部队之间具备了“实时反馈、实时控制”，以及实时了解“敌在哪里，我在哪里、友邻在哪里”的能力。作战向信息收集、分类、处理、决策、打击一体化方向发展，发现即意味着摧毁。微小型无人系统（微小型飞行器、微小型水下无人航行器、微小型卫星、微小型机器人等）与传统装备相比在信息战中有更神奇的特殊作用，可以在信息化战争中大显神威。随着世界人口的城市化发展趋势，未来战场的主要形式将是城市作战，城市作战有利于发展中国家对抗发达国家的军事及技术优势。由于城市的地形特点，微小型无人系统例如微小型无人机、微小型机器人，将成为城市作战中的有力武器，它们将在侦察等许多方面发挥重要的作用，而且还可避免人员的伤亡。在过去10年中，城市维和及城市作战已成为美军的家常便饭。美国海军陆战队在它以往的250次部署中，有237次都是在城市中作战的。看来21世纪城市作战将会成为未来战场的主要形式。能否有效地解决城市作战的问题，将决定能否在未来的战场中取得军事上的优势。过去几年，美国国防部力图提高部队城市作战的能力，1997年制定了一个城市地区军事作战的先进概念技术演示计划（MOUTACTD），国防部将科学家和有城市作战经验的士兵召集在一起，总结了格林纳达、巴那马、索马里及海地作战中的经验教训，得出32条用户的需求，该计划成功地找到了一些发挥美军技术优势的途径，其中很重要的一点是在未来的城市作战中，将广泛采用微小型地面机器人、微小型无人机及微小型传感器系统，以便士兵不论白天还是黑夜都能了解他周围的楼房里及街道上的敌情。除侦察外，微小型机器人等微小型无人系统还可完成诸如扫雷、排除爆炸物、控制武器射击等各项任务，而且不会有人员伤亡，因而它们在今后的城市作战中，必然会成为一种有效的武器。由于微小型无人系统技术在提高信息作战、城市作战能力、改变未来战争模式等方面有重要应用，美国国防部2000年把微小型无人系统列在“军用关键技术”清单中。美国国防部在2002财年选择的15个先期概念技术演示项目（有应用前景的技术转化成采办的项目），其中与微小型无人系统有关的有四项：城区作战的一次性使用的无人机,低成本地秘密投送传感器并执行监视任务，可支持城区作战；“微型飞行器”，低成本的、士兵监督的、6--9英寸大小的飞行器，可以为地面作战单位提供敌方活动的环境感知能力；“路径发现者”，由地面车辆、无人机和移动的智能传感器组成的网络，可以为指挥官提供环境感知能力、指挥、控制和通信，并为城区作战的攻击部队提供监视能力；装备有传感器和武器系统的无人水中航行器，可以作为进行非对称作战的力量倍增器。2.重大意义和效益二十一世纪的战场，战争的初期极可能是一场无人系统的较量。永不疲倦、无所畏惧的微小型无人系统是最理想的士兵。它们已在战争中显示出的作战本领，可以突出他们在未来战场上的重要地位。微小型无人系统由于体积小、隐蔽性好、快速反应、机动性好、生存能力强、成本低等特点，特别适用于城市和恶劣环境下（如核、生、化战场等）的局部战争和信息战争，具有下述重大意义和军事效益：（1）减少人员伤亡，补充、加强和支援人员作战。公认的发展微小型无人智能武器系统的重要作用是保护士兵的生命。由于今天士兵往往不仅是为保卫祖国而战，他们还要去执行国际维和任务，所以不管这些任务多么受人尊敬，人们对自己士兵的伤亡比以前更加难以接受。微小型无人智能武器系统则能代替人侦察、作战、摧毁目标，这样既可保持战斗力又可减少人员伤亡。（2）能进行士兵难以进行的作战任务。随着进一步的微型化，科学家