第1章 绪论
1.1 无人飞行器
1.1.1 基本概念
无人系统一般指无人驾驶、有动力并可携带有效载荷完成预定任务的系统。无人系统主要包括无人飞行器系统(unmanned aerial system，UAS)、无人车(unmanned ground vehicle，UGV)、无人海上航行器(unmanned maritime vehicle，UMV)、无人空间飞行器(unmanned outer space vehicle，UOSV)等。UAS可以包括无人机(unmanned aerial vehicle，UAV)、无人直升机(unmanned helicopter，UH)等各种无人驾驶的航空飞行器。UMV包括无人水面艇(unmanned surface vehicle，USV)、无人水下航行器(unmanned undersea vehicle，UUV)、水下无人系统(unmanned undersea system，UUS)等。按照环境介质不同，无人系统可以划分为无人飞行系统、无人地面系统、无人水面系统和无人水下系统。无人系统的主要优势在于无人化、小型化、自主化、多样化、低成本化等。
无人飞行器主要指固定翼无人机、旋翼无人飞行器、高超声速无人飞行器、变体无人飞行器和导弹等。与有人飞行器相比，它们更适合执行“枯燥、肮脏和危险”(dull，dirty and dangerous，3D)的任务。智能无人飞行器通常采用人工智能技术，模仿人类思维，具备态势感知、信息融合、自主决策、组网协同能力，可实现自主、高动态与分布式协同任务。无人飞行器的典型应用主要包括：情报、监视和侦察(intelligence，surveillance，and reconnaissance，ISR)，搜索与救援，通信中继，目标打击，作战力量保护，电子战，海战，陆战，空战，协同作战，运输等。
未来战场中的不确定高动态环境和多目标强耦合任务决定了无人飞行器朝着以下方向发展。
(1)智能化。它是无人飞行器适应未来复杂战场环境和态势的需要。智能无人飞行器通常具备环境态势感知及信息获取与处理、高动态环境自适应与自主决策、分布式集群智能协同等能力。美国X-47B试验型无人战斗机(unmanned combat air vehicle，UCAV)先后进行了成功试飞、航母起降和自主空中加油，成为一款具备监视、情报收集和战场打击多功能的典型军用智能无人飞行器。
(2)自主化。它是无人飞行器实现平台无人化和任务多样化的需要。无人飞行器的自主性没有统一的定义，内涵可以包括自主控制、自主决策、自主学习、自主识别、自主修复、自主协同等。无人飞行器自主性的提升，有赖于飞行器平台、通信、计算机处理器、有效载荷等关键技术的发展。飞行器平台技术主要包括机体布局、结构和材料、飞行控制、推进系统等，主要目标是提高飞行器的可靠性、生存能力和控制成本。通信技术主要包括数据链和以网络为中心的通信技术，重点解决带宽、频率和信息流的适应性和可控性问题。计算机处理器重点考虑计算速度问题，未来计算机可能会逐步使用光学、生物化学、量子干涉仪和分子电子学处理器。有效载荷技术主要包括传感器、通信中继、武器系统等。随着无人飞行器装备的发展以及新一代人工智能的深入应用，未来无人飞行器的自主性将进一步得到提升。
(3)集群化。无人飞行器集群可以扩展单机作战能力并提高整体作战效能，具有更佳的战场生存能力和任务完成能力，可以完成在复杂战场环境下的协同搜索、感知、定位、跟踪、察打、对抗、干扰等任务。无人飞行器集群作战的基本特点是：各组成单元具有小型化、分散化、能互联、自主或半自主等特性，采用分布式组织架构和灵活协同方式，具备指挥、控制、通信、情报、监视、侦察、攻击等能力。集群作战是21世纪*具实用性和战略性的关键技术之一。
1.1.2 固定翼无人机
固定翼无人机是一种由动力装置产生前进的推力或拉力，固定机翼产生升力，气动舵面偏转来控制飞行的无人飞行器。
固定翼无人机的一般分类如下。
(1)按用途划分，可以分为军用和民用无人机。军用无人机主要包括战术侦察无人机、战略无人侦察机、无人战斗机、无人轰炸机、无人攻击机、舰载无人机、察打一体化无人机、支援保障无人机、无人靶机、通信中继无人机、预警无人机、雷达诱饵无人机和电子对抗无人机等。军用无人机还可根据航程、活动半径、续航时间和飞行高度分为战术无人机和战略无人机两大类；按作战任务可分为侦察无人机、电子战无人机、通信中继无人机、攻击无人机和训练靶机等。民用无人机主要包括民用通信中继无人机、气象探测无人机、灾害监测无人机、农药喷洒无人机、地质勘测无人机、地图测绘无人机、交通管制无人机和边境控制无人机等。
(2)按尺寸大小划分，可以分为微型无人机、小型无人机、轻型无人机、中型无人机、大型无人机等，目前应用的无人机涵盖了从35m甚至更大翼展的高空长航时飞机到仅有40mm翼展的超微型无人机。一般来讲，微型无人机的质量不超5kg，小型无人机在20kg以内，轻型无人机在200kg以内，中型无人机在4000kg以内，大型无人机在4000kg以上。
(3)按能源与动力类型划分，可以分为螺旋桨式无人机、喷气式无人机、电动无人机、太阳能无人机、燃料电池无人机等。
(4)按飞行速度划分，可以分为低速无人机、高速无人机、亚声速无人机、超声速无人机、高超声速无人机。低速无人机的飞行速度低于10m/s，高速无人机的飞行速度在50m/s以上，亚声速无人机的飞行速度低于声速，超声速无人机的飞行速度高于声速，高超声速无人机的飞行速度是5倍声速以上。
(5)按飞行航程划分，可以分为近程无人机、短程无人机、中程无人机和远程无人机。近程无人机的航程在10～30km，短程无人机的航程在30～70km，中程无人机的航程在70～500km，远程无人机的航程在500km以上。其中，远程无人机一般是指长航时无人机(long endurance UAV)，即续航时间在8小时以上的无人机，通常以*经济的速度飞行。长航时无人机一般包括高空和中空31长航时无人机。高空长航时无人机飞行高度一般在15km以上，续航时间在24小时以上。中空长航时无人机飞行高度在5～15km，续航时间可达24小时。
(6)按飞行高度划分，可以分为低空无人机、中空无人机、高空无人机、近空间无人机等。低空无人机的升限在5km以下，中空无人机的升限在5～15km，高空无人机的升限在15～20km，近空间无人机的升限在20～100km。
1917年，英国研制出世界上**架无人机，此后主要有美国、以色列、俄罗斯、英国、中国等国家研制和生产无人机，早期无人机主要用作靶机。20世纪末，随着信息化技术、轻量化/小型化任务载荷技术、卫星通信技术、复合材料结构技术、新型能源与高效动力技术的迅猛发展，各种类型和功能的无人机不断涌现，应用领域也不断拓展，代表机型有美国的“捕食者”(Predator)中空长航时察打一体化无人机、“猎人”(Hunter)战术无人机、“黑寡妇”(Black Widow)微型无人机，以色列的“侦察兵”(Scout)多用途战术无人机、“先锋”(Pioneer)短/中程监视和情报搜集无人机等。进入21世纪，无人机在现代战争中发挥越来越重要的作用，它集众多高新技术于一体，不仅用于战略战术侦察、毁伤评估，还用于电子对抗、投放武器、战场压制等多种任务，代表机型有美国的“幻影”(Shadow)系列多用途无人机、“全球鹰”(Global Hawk)高空远程无人机、X-47B隐身无人机、欧洲国家联合研制的“神经元”(Neuron)无人作战飞机、英国的“雷神”(Taranis)无人作战飞机。
我国对无人机的研制始于20世纪50年代。1958年，西北工业大学成功试飞了代号为“04”的小型无人机，开创了我国无人机事业的先河。1959年，北京航空航天大学成功试飞了“北京5号”无人机，开拓了中国无人机技术的新篇章。1968年，南京航空航天大学成功试飞了“长空-1”高亚声速靶机，1976年完成定型飞行试验，1979年投入批量生产。1972年，北京航空航天大学*飞“长虹-1”高空多用途无人驾驶飞机，可用于军事侦察、高空摄影、靶机或地质勘测、大气采样等科学研究。1994年，西安爱生技术集团完成研制ASN-206多用途无人机，军事用途包括昼夜空中侦察、监视、目标定位、巡逻等，民用用途包括航空摄影、地球物理探矿、灾情监测、海岸缉私等。2000年左右，中国航天空气动力技术研究院进军无人机领域，陆续研制了“彩虹”系列无人机，实现了侦察打击一体化功能，打破了传统军事强国的技术封锁。2006年，在第六届中国国际航空航天博览会上展出了中国航空工业**集团公司自主设计的“翔龙”高空高速长航时无人侦察机。2007年，成都飞机设计研究所研制的“翼龙”无人侦察机完成*飞，它是中低空军民两用、长航时多用途无人机，并于2015年*次完成编队飞行。2013年，沈阳飞机设计研究所设计的“利剑”隐身无人攻击机成功完成*飞，标志着我国已进入无人机研发领域的世界**行列。2021年，第十三届中国国际航空航天博览会上分别亮相了中国航天科技集团有限公司的“彩虹-6”大型高空高速长航时多用途无人机、“飞鸿”系列无人机以及中国航空工业集团有限公司的“无侦-7”大型无人侦察机。
1.1.3 旋翼无人飞行器
旋翼无人飞行器是一种通过地面无线电遥控或自主控制飞行，主要依靠旋翼旋转产生气动力，能够实现前飞、侧飞、倒飞、悬停、垂直起降等飞行模态的无人飞行器。旋翼无人飞行器主要包括无人直升机、多旋翼(multicopter/multirotor)飞行器、垂直起降(vertical take-off and landing，VTOL)飞行器、倾转旋翼(tilt rotor)飞行器等。
无人直升机由直升机本体、导航与控制系统、综合无线电系统和任务载荷设备等组成。国外典型机型有美国航空环境公司的“空中背包”(Sky Tote)无人直升机，美国霍尼韦尔公司的涵道风扇式无人直升机等。国外公开的舰载无人直升机主要有“火力侦察兵”(Fire Scout)、“S-100”、“QH-50”和“CL-327”等型号。国内对旋翼无人飞行器的研究起步于20世纪80年代。1996年，南京航空航天大学研制的“翔鸟”无人直升机*飞成功。2002年，南京航空航天大学和上海雏鹰科技有限公司共同研制的LE110无人驾驶直升机完成*次试飞，并于2005年交付使用。2010年，珠海航展上展出了北京航空航天大学研发的FH-1和FH-2无人直升机。2011年，西安飞行自动控制研究所、中国电子科技集团第十研究所等单位联合研制的V-750无人直升机进行了*飞，是当时国内*大的多用途无人直升机平台。2020年，中国航空工业直升机设计研究所自主研制AR-500C无人直升机*飞成功，填补了我国高原型无人直升机领域的空白。
多旋翼飞行器一般指具有3个以上旋翼轴的无人驾驶旋翼飞行器。多旋翼飞行器种类繁多，按轴数来分，可以分为三轴、四轴、六轴、八轴等，按旋翼布局来分，可以分为X型、Y型、+型、*型等。多旋翼飞行器因其结构简单紧凑、控制简单可靠、飞行灵巧多变等优点，在民用领域和军用领域应用日益广泛，也是目前比较流行的消费级无人机。
垂直起降飞行器既具有固定翼飞行器的较大飞行速度、航程、载荷和机动性能，又具有旋翼飞行器减少甚至摆脱对机场跑道的依赖等优点。VTOL飞行器主要有推力矢量固定翼型、倾转旋翼型和尾座型，具有悬停、巡航飞行、减速过渡、垂直下降等多种飞行状态。美国诺思罗普 格鲁曼公司曾研制过一款飞翼式垂直起降无人机，成都飞机设计研究所自主研制了VD-200尾座式垂直起降无人机。
倾转旋翼飞行器是一种将固定翼飞机和直升机融为一体的飞行器，一
展开
