无人机的起源、发展与未来

张江科技评论  发布于:2023年5月26日 16:35

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文 | 邓元慧 中国科协创新战略研究院副研究员

王国强 中国科协创新战略研究院研究员
王楠 中国科协创新战略研究院助理研究员



认识无人机


所谓无人机,顾名思义,就是指在空中飞行的过程中不搭载驾驶人员的飞行器,但其并非完全不需要人来操控。一般来说,无人机的使用者需要通过遥控装置远程控制其飞行或提前为无人机设定飞行程序。我们可以假设一个简单的场景:当无人机飞出人们视线时,人们很难实时根据环境进行遥控,这时候就需要无人机有“能力”自己做出判断,保持一定的飞行状态或在执行任务过程中能够按实际环境进行调整,这就是“无人驾驶”的核心。

事实上,无人机要圆满地完成任务,除了需要空中飞行的飞机平台及其携带的任务设备之外,还需要有地面控制设备、数据通信设备、维护设备,以及指挥控制和必要的操作、维护人员等,较大型的无人机还需要专门的发射/回收装置。因此,从这个角度看,完整意义上的无人机更应被称作无人机系统(Unmanned Aerial System,UAS)。


人类对无人驾驶

飞行器的最初探索


人类对飞行的渴望和尝试历史十分悠久。不少古籍中出现的木鸟,就是人们对制作无人驾驶飞行器的一种初步尝试。在中国传说中能够制造会飞的木鸟的人有鲁班、墨子、张衡等,《韩非子•外储左上》《墨子•鲁问》《淮南子•齐俗训》等都有类似记载,但都未对木鸟的结构进行描述。据记载,公元前405年,古希腊数学家、力学家阿契塔(Archytas)设计制作了一只机械鸟,并命名为“鸽子”,它被认为是世界上第一个无人驾驶飞行器,据说这个飞行器能够飞行约200m。无独有偶,《后汉书•张衡传》中的“木雕独飞”,据说也是一种模仿鸟类的滑翔翼飞行装置,一次起飞能飞行数里方才落地。《太平御览》对“木雕独飞”进行了描述:“张衡尝作木鸟,假以羽翮,腹中施机,能飞数里。”但是,书中并未对其飞行原理、动力装置进行详细阐述,因此后人很难弄清木鸟飞行的原理。

除了木鸟之外,人类还尝试了多种类型的飞行器,如风筝。风筝是一项重大的航空发明。相传风筝是楚汉相争时期大将韩信发明的。在唐朝以前,风筝通常以丝、绸、竹为原料,由官方制作,数量少、价格高,因此多用于军事侦察、测量、通信等领域。从宋代起,风筝逐渐传入民间,用于娱乐。我们可以把风筝看作一种遥控飞行器的雏形,它的线就是连接飞行平台与地面的信息通道。不仅如此,风筝传入西方后,成为研究空气动力学的重要工具,为近代航空的发展和飞机的发明奠定了基础。

孔明灯也可以看作是一种无人驾驶飞行器的雏形。古籍中对孔明灯产生的时间并没有准确记载,据说是在五代时期,莘七娘随夫出征入闽,作战中曾用孔明灯作为军事上的信号。这种灯是用竹和纸做成方形灯笼,底盘上燃以松脂油,热气充满灯中,灯就可以扶摇直上。孔明灯实际上就是一种小型的热气球。随后孔明灯逐渐流传到了西方,1782年法国巴黎的一次博览会上展示了一种日本灯,其原理与孔明灯基本相同,正是这次传播触发了航空史上一次伟大的飞跃。一对法国兄弟约瑟夫-米歇尔·蒙戈尔菲耶(Joseph-Michel Montgolfier)和雅克-艾蒂安•蒙戈尔菲耶(Jacques-Étienne Montgolfier)观看了日本灯升空表演后,经过实验,于1783年研制出世界上第一个热气球。同年,法国物理学家雅克•查尔斯(Jacques Charles)和尼古拉斯-路易斯•罗伯特(Nicolas-Louis Robert)制成了第一个氢气球。气球出现以后,科学家用它进行高空探测,实业家用它运输,军事家用它进行空中侦查,这些实际应用刺激了气球技术不断改进。最初,用气球进行高空探测必须载人,因此每一次探测都是一次冒险,探空活动很受限制。直至19世纪末,在低层大气研究中,无人气球探测器才被广泛使用。

垂直飞行的探索,让人类对飞行器的研究有了新的方向。公元前500年,中国人从蜻蜓飞翔的观察中获得启示,制成了竹蜻蜓,为垂直飞行的发展提供了思路。1483年,意大利博学家列奥纳多•达•芬奇(Leonardo da Vinci)设计了一种能够垂直上升的飞机,被一些专家认为是直升机的鼻祖。1754年,俄国科学家米哈伊尔•罗蒙诺索夫(Mikhail Lomonosov)把“竹蜻蜓”的旋翼和发条结合在一起,设计并做出了一个“双旋翼无人机”放在俄国科学院展示,他希望小玩意儿可以携带一些小型气象仪器升空。这个“双旋翼无人机”被认为是直升机的前身,它拥有两个由时钟弹簧驱动的螺旋桨,它们以相反的方向旋转以平衡扭矩。但是,在演示中,该装置仅获得了大约0.1 N的升力,并未离地太远。

值得注意的是,飞行器的设计需要科学理论与技术的高度结合。没有思想和理论的基础,人类的飞行梦难以为继。因此,人类从未放弃对空气性质和作用的研究,为空气动力学、航空学的发展奠定了基础。晋代葛洪编著的《抱朴子•杂应》曾提及飞鸟能高飞的原理:“师言鸢飞转高,则但直舒其翅,不复扇摇而自进者,渐乘罡气故也……”这里的罡气指的是上升气流,说明当时的人们已经开始思考飞鸟飞行与空气流动之间的关系。但是,《抱朴子•杂应》作为一部道教典籍,其叙述并未经过严格的科学论证。古希腊人对空气的本质和其表现出的宏观特性,如压力、可压缩性、弹性、流动性等则有比较深入的科学思考和研究。特别是在文艺复兴后,欧洲的科学革命促进了伽利略•伽利雷(Galileo Galilei)、达•芬奇、布莱士•帕斯卡(Blaise Pascal)等科学家对空气和鸟类飞行的系统性研究。随着17世纪对各门科学的定量化研究不断深入,温度测量、液体及气体压力测量仪器和技术快速发展,进一步推动了流体力学和气体力学的发展,为人类探索飞行的奥秘,设计各类飞行器奠定了坚实的理论基础。


战争成为无人机

快速发展的重要引擎

无人机用于作战的最早记录可以追溯至1849年第一次意大利独立战争,围攻威尼斯的奥地利军队制作了大约200个无人操控的燃烧气球,每个气球携带一枚11~14 kg的炸弹,企图空袭威尼斯。但是,天公不作美,气球释放后风向突变,这些气球都偏离了目标,反而落在了奥地利军队自己的阵地上。尽管无人机的初战以失败告终,但依然是人类历史上一次伟大的尝试。

1887年,英国气象学家道格拉斯•阿奇博尔德(Douglas Archibald)在风筝上安装了一个相机,并通过一根连接在风筝线上的长电缆控制快门,形成了无人侦察机的雏形,并引起了一位名叫威廉•艾迪(William Eddy)的美国陆军下士的注意。1898年,美西战争中艾迪利用自己制作的阿奇博尔德风筝式相机,拍摄了敌人阵地的鸟瞰图,为无人机在战争中的应用做了进一步尝试。

20世纪的两次世界大战,让无人机的发展进入了快车道。19世纪末,无线电的发现和应用为远距离控制飞行器创造了可能。1914年,在第一次世界大战期间,英国的两位将军向英国军事航空学会提议研制一种用无线电操纵的可以自行飞到目标上空投放炸弹的小型飞机。随后,英国开展了“空中目标”的研制。该项目由英国科学家阿奇博尔德•洛(Archibald Low)负责,尽管经历了多次失败,但是“空中目标”最终于1917年在英国皇家空军阿帕文空军基地被发射成功,成为世界上第一架在无线电控制下飞行的动力无人机。

“陀螺仪”是现代飞机自动控制和惯性导航系统的核心组成部分。1909年,美国发明家埃尔默•斯佩里(Elmer Sperry)发明了“陀螺仪”后,将它安装到飞机上,通过测量飞机的旋转速度,稳定其飞行方向和姿态。陀螺仪的出现引起了美国海军的注意,他们希望以此为基础研发一种不需要飞行员驾驶的飞行器。1917年,第一次世界大战进入尾声,在美国海军的资助下发明家皮特•休伊特(Peter Hewitt)和斯佩里发明了能使飞机保持平衡状态向前飞行的自动陀螺稳定器。他们把自动陀螺稳定器和无线电遥控装置安装在海军寇蒂斯N-9型教练机上,将其成功改造为人类首架能自动飞行的无人机,由于其还不具备回收功能,属于“空中鱼雷”,但人们仍将其命名为“休伊特-斯佩里自动飞机”(Hewitt-Sperry Automatic Airplane)。随后,美国发明家查尔斯•凯特林(Charles Kettering)设计了一种更先进的无人驾驶飞机,被称为“凯特琳虫”(Kettering Bug)。事实上,随着第一次世界大战的结束,这些“空中鱼雷”并未在战争中使用,但它们让军方看到了其在战斗中的潜力。我们可以把今天的巡航导弹看作是这些“空中鱼雷”的一种变体。为了提高“空中鱼雷”的精度,军方和科学家不断推动惯性导航和无线电控制技术的发展,使它们成为很长一段时期内无人机发展的核心技术。

第一次世界大战结束后的十多年里,无人驾驶飞机的发展速度急剧下降。但是,第二次世界大战的爆发又激发了各国对无人机研制的热情。20世纪30年代,新型无人机作为一种重要的作战训练工具出现了。1935年,英国研制出了第一架可复用无人驾驶靶机——“蜂王”(Queen Bee),作为训练任务中的空中目标。1939年,英国演员雷金纳德•丹尼(Reginald Denny)和他的无线电飞机公司设计了大型遥控飞机RP-1,用于训练高射炮机组人员。在接下来的几年里,他们成功地生产了一系列无人机,并进行了大规模生产,在第二次世界大战期间共为美军提供了近1.5万架无人机。

同时,通过改装有人驾驶轰炸机,德国、美国等研制出无人轰炸机这些无人机拆卸了多余的自卫武器和设备,安装了自动控制系统,可搭载更多的炸弹。1944年,德国工程师菲泽勒•弗鲁格泽豪(Fieseler Flugzeuhau)研制的复仇者一号(Vergeltungswaffe-1)展示了无人机在战斗中可能构成的巨大威胁。同年,美国在对抗复仇者一号的过程中,通过对B-17轰炸机进行改装,利用电视制导系统进行远程控制,摧毁了德国复仇者一号导弹发射基地。尽管遥控装置并不可靠,仍需人力操纵起飞,但这是无人机首次被用来对付另一架无人机,也为战后美国无人机的发展奠定了基础。 

第二次世界大战结束以后,以美国、苏联为代表的东西两大阵营在无人机研发领域开展了激烈的较量。这个时期,无人机主要开展侦察活动。美国的“瑞安火蜂”(Ryan Firebee)无人机成为首台喷气推动的无人机,主要用于情报收集以及无线电交流的监控活动,在朝鲜战争和越南战争中都发挥了重要作用,至今美国军方仍在使用多款“火蜂”无人机的改进型。1957年,苏联也先后研制出“鹞”式超声速无人机、“鸢”式无人攻击机、“雨燕”和“航程”无人侦察机等。

进入20世纪70年代,其他国家也纷纷启动了无人机系统的研发。其中,以色列的无人机发展异常迅猛。迫于战争压力,在外购无人机的同时,以色列也快马加鞭,迅速建立起了自己的无人机设计与生产基地,并开发了大量无人机,如“先锋”,后来在第一次海湾战争期间被美国购买、使用。

随着电子技术、通信技术、材料学及空气动力学等科学技术的发展,从20世纪90年代开始,无人机逐渐向小型化、信息化和轻量化发展,军事用途也越来越广泛,不再局限于高空侦察,还可以完成中继通信、电子对抗、防空、制空、精确打击等多种任务。无人机已经成为影响作战进程的重要力量,捕食者(Predator)、全球鹰(Global Hawk)等系列无人机被大量应用。


无人机将迎来黄金发展期

进入21世纪,随着科学技术的飞速发展和军事变革持续推进,世界无人机的研发与应用已经进入一个崭新时期,无人机性能越来越优越,对有人机的替代动力也越来越强。一方面,无人机在军事领域的使用范围仍在不断拓展,察打一体化、综合集成化、高度智能化、灵巧微型化、滞空长时化、结构隐形化、使用协同化、作战网络化成为军用无人机重要的发展方向,且发展速度将更加迅猛。另一方面,随着军用无人机的技术日益稳定以及人工智能技术的飞跃,无人机在民用领域的应用需求呈现井喷式、跨越式增长。当前,无人机已经在农业、测绘、物流运输、交通执法、影视拍摄等多个领域深入应用,实用价值不断提升,应用场景也呈现多元化扩张趋势,科幻作品中的场景将在生活中逐步实现。

中国航空工业集团有限公司发布的《通用航空产业发展白皮书(2022)》显示,全球民用无人机市场将保持高速增长,预计2025年市场规模将达到5000亿元。我国的无人机技术虽然起步较晚,但也取得了丰硕的成果。从仿制苏联无人机的长空一号,到长剑系列大型高空长航时无人机、彩虹系列中高空长航时无人机、翼龙系列无人机、龙门无人机、枭龙无人机等,我国在无人机领域的技术水平显著提升,同时还诞生了大疆等享誉全世界的民用无人机生产制造企业。

展望未来,随着无人机产业潜在市场的进一步释放,它所带来的改变也将超出多数人想象,但随之而来的是全社会可能面临的一系列技术和法律的问题。因此,为保证无人机产业积极、健康发展,我们需要更加关注无人机产业发展的相关政策,着力为其发展营造良好的生态环境,让无人机为人类不断创造更好的社会及经济效益。我们相信,未来无人机将更加深刻地融入我们的生活、改变我们的生活,并给我们带来更多的惊喜。





无人机大事记

A Brief History



# 公元前405年


古希腊数学家阿契塔设计制作了一只名为“鸽子”的机械鸟。

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# 1483 年


达• 芬奇设计了一种能够垂直上升的飞机。

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# 1754年


俄国科学家罗蒙诺索夫设计并制作了“双旋翼无人机”。

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# 1783年


法国发明家蒙戈尔菲耶兄弟研制出世界上第一个热气球。

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法国物理学家查尔斯和罗伯特制成了第一个氢气球。

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# 1849年


奥地利军队利用燃烧气球投放炸弹,这是人类首次将无人机用于战争。

# 1887年


英国气象学家道阿奇博尔德利用风筝开创了无人侦察机的先河。

# 1917年


英国成功发射“空中目标”,这是世界上第一架在无线电控制下飞行的动力无人机。

美国发明家休伊特和斯佩里研制成功“休伊特-斯佩里自动飞机”。

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# 1935年


英国研制出第一架可复用无人驾驶靶机“蜂王”。

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# 1939年


英国演员丹尼设计了大型遥控飞机RP-1,并开发了系列机型,进行大规模生产。

# 1960年


美国的“瑞安火蜂”无人机成为首台喷气推动的无人机。

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# 1986年


以色列研制微型无人机“先锋”。

# 1994年


美国研制并应用了察打一体无人机“捕食者”。

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# 2006年


第一架得到美国联邦航空局(FAA)认证可以在美国民航机领空飞行的无人机“全球鹰”。

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