1.2.2 发展历程

1.世界无人机发展历史

从1903年莱特兄弟驾驶世界上第一架飞机试飞到提出无人驾驶飞行器这个概念仅仅过去十几年。此后一百多年间，无人机在飞行平台、控制技术、数据传输、导航通信、载荷设备等各技术领域都取得了显著的进步。随着科学技术的进步，无人机在军事战场上体现了十足的重要性。从军事到民用的转变，使得无人机大放光彩。无人机在民用领域应用广泛，也带动了一大批产业迅速发展。无人机的发展大致可分为三个阶段：萌芽起步期、探索发展期和成熟稳定期。

1）萌芽起步期

最开始，无人机的出现主要是用于军事领域。1917年，美国人斯佩里发明了世界上第一台自动陀螺仪，美国海军采用了此款陀螺仪，并将“柯蒂斯”N-9式教练机改装成世界首架由无线电操控的无人飞行器“空中鱼雷”式。“空中鱼雷”式无人机如图1-2所示，于1918年顺利飞行，但从未参加过战争。

随着三维立体作战模式逐渐形成，以及防空需求的增加，20世纪20年代后，为了满足防空训练的需要，远程控制无人靶机开始出现。1935年，英国的“蜂王”无人机问世，实现了现代无人机发射后能飞回至起飞点。“蜂王”无人机如图1-3所示，其最高飞行高度为17000ft，最高飞行速度为100mi/h，但由于当时的技术相对落后，逐渐被英国皇家空军弃用。

在这一阶段的无人机研发过程中，无人机基本没有携带任何的任务载荷，仅作为靶机使用。地面上的操纵人员利用无线电遥控设备操纵搭载低精度机械陀螺仪的无人机进行飞行。伴随着有人机的快速发展，这一阶段的无人机也突破了原有飞行速度和飞行高度的限制，从不可回收到可回收重复使用，从平稳飞行到大机动动作飞行，发展意义重大，影响深远，大大提高了无人机在战场上的表现。

2）探索发展期

20世纪60年代起，无人机逐渐应用在战场之中。美国在越南战场上使用“火蜂”号无人机进行空中侦察，获取地面情报。以色列使用“侦察兵”“猛犬”等多型号无人机在战场中执行火力侦察、伪装诱饵、电子欺骗等任务。

1994年，美国制造了“捕食者”无人机，其升级版将侦察用途的飞机改造成可携带武器并能攻击目标的无人机，开创“察打一体”的先河。1999年，“捕食者”“先锋”“猎人”等多款无人机在科索沃战争中执行空中侦察、战场监控、电子对抗等任务。

进入21世纪以后，各国无人机发展极其迅速，全球50多个国家和地区共研发出近千种无人机。2004年，美国制造出RO-7B“幻影”无人机，是当时无人机家族中最小的一款。2007年，美国“捕食者B”“死神”无人机正式服役。2009年，由臭鼬工厂（Skunk Works）设计生产的RQ-170“哨兵”无人机在美国空军服役，飞行高度可达50000ft。2010年，美国研制的高空高速长航时无人机侦察机RQ-4A“全球鹰”无人机部署在美国空军基地。

在横跨半个世纪的发展过程中，无人机系统从简单的机械陀螺仪向采用惯性导航加“罗兰”无线电导航的方式，从无任务载荷到加装简单载荷（如相机、红外探测等任务载荷），从操纵方式为遥控器到加装程序控制方式转变。至20世纪末，无人机上的导航定位系统升级为卫星定位与惯性导航组合的系统方式，任务载荷也实现了从最基本的载荷到加装光电吊舱的转变，控制方式也慢慢转变至程序控制与指令控制。至21世纪初，无人机发展已基本成熟，不少无人机至今仍在服役。从近程操控变成高空长航时，任务载荷除光电吊舱外还加装雷达等设备，无人机从侦察、干扰向使用大展弦比的攻击型无人机平台转变，导航系统主要采用差分定位方法加微型惯性导航系统，采用程序控制加交互控制的方式，能自主控制并实时交互。

3）成熟稳定期

从2011年至今是无人机发展的成熟稳定期。2012年12月，欧洲“神经元”隐身无人机（图1-4）在法国伊斯特利斯飞行试验中心首飞成功。2013年8月，英国“雷神”隐身无人机（图1-5）在澳大利亚武麦拉试验场完成首飞。2019年8月，俄罗斯“猎人B”隐身无人机（图1-6）秘密试飞。这一阶段，无人机发展趋于稳定。在军事上，无人机逐渐向隐身化发展，通过改变结构布局以及使用隐身材料实现飞行平台隐身，避免雷达侦察。无人机也从单一作战逐渐向集群化、智能化战斗发展。任务载荷由侦察监视设备与精确制导武器等组成。随着人工智能技术的快速发展，无人机系统越来越智能、自主，性能也随着材料等技术的发展逐渐提高，战斗技术更加多样。

2.我国军用无人机发展历史

我国自20世纪50年代开始使用无人机，直至1966年12月，我国第一架无人机“长空一号”首飞成功，这也代表着我国的无人机进入自主研发生产阶段。“长空一号”无人机定义为靶机。1978年5月，北京航空学院研制的“长虹一号”无人机试飞成功，成为我国首架高空无人侦察机，又名“无侦-5”，如图1-7所示。1994年12月，由西北工业大学西安爱生技术集团研制完成ASN-206多用途无人机，它可以实时进行视频传输，为我军前线侦察提供了强有力的支持。

自1999年开始，中国航天科技集团有限公司开始研制无人机。2004年，该无人机项目团队在没有任何经验和外界帮助的情况下，自主研制出具备自主飞行能力的“彩虹-1”无人机。2007年，“彩虹-3”无人机首飞成功，在国内率先实现了“察打一体化”的无人机系统。“彩虹-3”无人机翼展8m，机长5.5m，机高2m，起飞重量650kg，有效载荷60~180kg，最大升限7000m，最大速度256km/h，巡航高度3000~5000m，最大航程2400km，巡航时间12~15h，动力系统采用活塞发动机，如图1-8所示。

2011年，“翔龙”无人机面世，它是由中国航空工业成都飞机工业集团有限公司自主研发设计的一款大型高速高空长航时无人侦察机。“翔龙”无人侦察机如图1-9所示，机翼采用比较新颖的菱形联翼结构，在稳定性方面表现良好，升阻比比较高。“翔龙”无人机全身机长达14.33m，机翼翼展24.86m，飞机机身高5.413m，正常起飞重量6800kg，任务载荷600kg，巡航高度为18000m~20000m，巡航速度大于700km/h；作战半径2000~2500km，续航时间最大10h，起飞滑跑距离350m，着陆滑跑距离500m。

2012年11月，“翼龙”系列无人机亮相珠海航展，它是由中国航空工业集团成都飞机设计研究所研制的一种中低空、军民两用、长航时多用途无人机。2021年7月下旬，河南省大范围突发极端强降雨（7·20郑州特大暴雨），导致部分地域引发了洪涝灾害，巩义市米河镇多个村庄通信中断。7月21日，经研究，相关部门紧急调派“翼龙2H”无人机（图1-10）在空中充当应急通信平台，在跨区域长途飞行4.5h后抵达巩义市，21日18时21分进入米河镇通信中断区域，利用其上搭载的移动公网基站，实现了大约50km ² 范围的长时稳定的连续移动信号覆盖。截至晚20时，空中移动基站共计连接用户2572个，产生流量1089.89MB，单次最大接入用户648个，为广大灾区居民及时恢复了移动公网信号，打通了保障生命的应急通信线。

2021年珠海航展上，“攻击-11”无人机、“彩虹-4”无人机、“彩虹-6”无人机、“无侦-7”无人机、“无侦-8”无人机、WJ-700“猎鹰”无人机、“飞鸿-97”无人机、“彩虹-10”无人机纷纷亮相，也宣告我国逐渐走向自主生产研发无人机的大国时代。

3.民用无人机发展

民用无人机相较于军用无人机起步较晚。20世纪80年代，日本雅马哈公司率先开发了一款用于农业飞防的无人直升机，并在1989年首次试飞成功。21世纪初，随着电子技术的快速发展，民用无人机迎来各国关注。2006年，汪滔创立深圳市大疆创新科技有限公司（本书简称大疆公司）。该公司先后推出了“精灵”（Phantom）系列、“悟”（Inspire）系列、“御”（Mavic）系列等消费级无人机，在民用无人机中影响巨大。2015年，无人机行业爆发，各无人机厂家飞速发展，为民用无人机行业的发展创造了非常有利的条件。目前，大疆公司的无人机在市场上依然有较高的占有率，在全球民用无人机领域也有不可撼动的地位。大疆“悟2”无人机如图1-11所示。

1.3 无人机分类

无人机的种类很多，形状、用途各不相同。为了更加清晰明了地讲解无人机的种类，可以从无人机的飞行平台、用途、运行风险、飞行高度、活动半径几方面入手。 rGNa2xlh+NgpkFAkkZA/Q6fcrevBfEIyXXPZKMGZKC6WWaOIr08DdXUfHo2fk5vh

1.3.1 按飞行平台分类

1.旋翼类飞行器

旋翼类飞行器是指一种重于空气的飞行器，当其在空中飞行时，由单个或多个旋翼旋转，进而和空中的气流进行相对运动，从而产生一种反作用力来获得升力，形成与固定翼飞行器相对的关系。现在的旋翼类飞行器中，旋翼自动迎风旋转，主轴不需要提供动力驱动飞行的是自转旋翼机，如图1-12所示；主轴需要动力驱动飞行的都可以划分为直升机，所以从名字上来看，多旋翼飞行器即旋翼数量为三个或三个以上的直升机。

1）多旋翼飞行器

多旋翼飞行器（Multirotor）也叫作多轴飞行器，是一种拥有三个及三个以上旋翼轴的特殊形式的直升机。单个旋翼轴最少需要一个电机，电机转动带动旋翼转动产生动力。通常这样来讲述多旋翼飞行器与单旋翼飞行器的差别：多旋翼飞行器的旋翼总距是固定的，而单旋翼飞行器的总距是随时可以变动的。多旋翼飞行器需要通过改变各个旋翼的转速来改变各个旋翼产生动力的大小，从而实现多轴飞行器前后左右以及上升下降的运动飞行。这种飞行器最常见的是中心对称结构或沿轴对称结构，飞行器上的各个螺旋桨按照机架的走向坐落于其边缘，结构较为简单，有利于小型化、批量化的生产。大疆“精灵4”四旋翼航拍无人机如图1-12所示。

技术较为成熟的、比较实用且常见的有四旋翼、六旋翼、八旋翼飞行器等。操作简单、安全性高、构造简单、方便携带是它们的优点。消费级的小型航拍机更是越来越受到大众的欢迎，逐渐走进了寻常百姓的家庭。但是多旋翼飞行器同样存在缺点，主要有以下两点。

（1）续航表现一般。

多旋翼飞行器和单旋翼飞行器的差别在于改变运动轨迹的方法。多旋翼飞行器的运动依赖于实时改变螺旋桨的转速来改变飞行器的运动轨迹，因此多旋翼飞行器的飞行控制系统是最重要的，而它的气动效率不是研究人员的侧重点，导致升阻比不是那么出色，降低了能量的转化效率，也就导致了续航能力的降低。

（2）载重性能一般。

单旋翼飞行器和固定翼飞行器这两种机型可以做得很大，达到较大载荷载重的目的。而多旋翼飞行器却无法做得很大，当桨叶尺寸变大时，迅速改变桨叶转速的能力就会降低，所以单旋翼飞行器需要依靠改变飞行器的桨距来改变飞行器的升力大小，却不像多旋翼飞行器那样通过改变速度来改变升力。飞行器载重数值越高，对螺旋桨的性能要求也会越高，毕竟螺旋桨的大幅度震动之下刚性会降低，从而变得容易折断。

综上所述，在考虑到多旋翼飞行器的优缺点之后，多旋翼飞行器多用于日常生活中对续航和载重要求较低的任务，如影视航拍、农业植保、电力巡检等。

2）直升机

直升机（Helicopter）是指由发动机提供动力，使飞机的旋翼转动，从而产生升力和推进力。直升机的特殊构造使其大大降低了对飞行环境的要求，可以在较小的空间进行垂直起降及悬停，并且可以实现前进（前飞）、后退（后飞）、侧飞和定点旋转（也称自旋或回转）等一系列可控飞行。“R44”直升机如图1-13所示。

直升机由机身起落架、动力装置、旋翼系统、控制系统以及各种载荷设备构成。机身空间用以放置任务载荷或用以载人。对于无人直升机，有时也可以取消这一任务空间，以机身下方挂载的方式安装在机身上。所以机身一般较为重要，它时刻影响着飞机的飞行性能、操纵性和稳定性。在飞行过程中，机身不仅承受着各种装载带来的负荷，也承担着动部件、发射武器、吊载货物带来的动负荷。这些负荷都通过接头传来。所以在研究直升机机体结构时，必须通过一定的手段降低其震动水平，以保障飞行的安全性和操控性。

轻型的直升机起落架一般采取滑橇的形式，而体型较大的或偏工业用途的大型直升机一般采取滑轮式的起落架。中大型直升机的动力一般采用涡轮轴发动机来驱动，这种发动机的输出功率较大，可为飞机提供足够的动力；轻型的直升机一般采用活塞发动机，而现如今的无人直升机也逐渐出现了由电机驱动的机型。不管是何种动力驱动，其原理都是让旋翼产生旋转，以产生飞行器需要的升力和控制飞行器飞行姿态的分力。根据旋翼反作用的扭矩的平衡方式，直升机通常被分为四种形式：单旋翼带尾桨式直升机、共轴双旋翼式直升机、双旋翼纵列式直升机，以及双旋翼横列式直升机。

多旋翼飞行器的飞行轨迹通过改变旋翼的转速来改变，而直升机通过改变旋翼的桨距来实现其升降运动，通过周期变距来实现直升机的前、后、左、右运动，通过改变尾桨拉力来控制直升机的飞行方向。

（1）总距操纵。

通过改变旋翼的总桨距，使得每个桨叶的安装角实现同时增大或减小，以此来改变旋翼拉力的大小。而随着技术的改革，现在总距操纵已经变为总桨距-油门操纵，即改变总距的同时相应地对发动机功率也做出改变，减少了操作的复杂性。

（2）变距操纵。

变距操纵是周期变距操纵的简称，是指通过自动倾斜器使桨叶的安装角周期发生变化，从而使桨叶升力周期发生周期变化，让桨叶进行周期挥舞。此时，飞机上的表现为——旋翼锥体相对于飞机机体向着操纵杆运动的方向倾斜。

（3）航向操纵。

航向操纵是利用方向舵操纵尾旋翼（尾桨）的拉力大小，实现航向的操纵。当尾旋翼（尾桨）拉力发生改变时，这个力对飞机重心的力矩和主旋翼的反作用力不再平衡，直升机会绕立轴转动，使航向发生改变。

相对于多旋翼飞行器，直升机的优势在于载重。直升机的载重往往可以很大，而多旋翼的机型构造使其无法实现很大的载重。相对于固定翼飞行器，直升机对飞行环境的起降条件要求较低，方便在无跑道的环境下起飞降落，且可以实现在空中自主悬停。与其他机型相比，直升机的结构较为复杂，这也导致了它的维护成本较高，操控难度较高。

3）倾转旋翼机

倾转旋翼机（tiltrotor）这一机型结构较为特殊，是综合了旋翼和固定翼两种结构的飞行器。倾转旋翼机就是在相当于固定翼机翼的两侧翼梢之上分别安装一组由旋翼倾转系统组成的、能在水平和垂直位置之间转动的套件。当系统处于垂直位置时，倾转旋翼机类似于横列式的直升机，这时的旋翼轴与地面垂直，可以完成像直升机一样的原地起降以及其他飞行动作；当系统处于水平位置时，倾转旋翼机又相当于固定翼螺旋桨飞机。将倾转旋翼机与直升机相比，它的航程以及航速均优于直升机。

目前来看，世界上比较有意义的一款倾转旋翼机就是美国贝尔公司研制的V-22型鱼鹰倾转旋翼机，如图1-14所示。

2.固定翼飞机

固定翼飞机（f i xed-wing aircraft）指由动力装置产生前进推力或拉力，由飞机两侧机翼产生升力，在大气层中飞行的重于空气的航空器。当固定翼飞机向前飞时，机翼与空气之间摩擦，形成压强差，产生相对运动，进而产生升力。固定翼飞机一般情况下由机翼、尾翼、机身、起落架和动力装置（推进装置）组成。依据飞机动力装置的不同分为喷气式飞机和螺旋桨式飞机。目前所存在的固定翼飞机的形状千奇百怪，但总体上还是遵循着常规的布局来设计。

1）机翼

固定翼飞机的机翼是产生升力的翼面，飞机的飞行主要靠机翼来产生升力。根据气体的相对性原理和伯努利原理可以知道，气体会在机翼表面产生压力差，从而产生升力。升力增大，飞机的飞行速度也增大；反之，升力减小，飞机的飞行速度也随之减小。也就是说，只有在飞机的飞行速度使机翼所产生的升力大于自身重力时，飞机才可以离地起飞。

2）尾翼

尾翼是调整飞机平衡、操纵飞机飞行姿态的重要结构，分为水平尾翼和垂直尾翼两部分。水平尾翼是指安装在飞机机体后方的水平翼面，目的是让飞机保持俯仰方向的稳定，翼面越大俯仰稳定性越好，反之就越差。垂直尾翼是指安装在飞机机身后方的垂直翼面，目的是让飞机保持方向的稳定，垂直尾翼面积越大，方向稳定性就越好，反之就越差。

3）机身

机身是用来连接机翼和尾翼的结构，同时用来装载货物、燃料、人员和武器等。对于无人固定翼飞机来说，一般用来挂载任务载荷以及动力设备等。

固定翼飞机在空中飞行时所做的运动是围绕重心在三维空间进行的，将重心作为飞机的旋转轴中心，那么它的三个运动轴就是横轴、纵轴、竖轴。围绕横轴的运动称为俯仰运动，在此轴上进行的运动有抬头爬升或低头俯冲。围绕纵轴的运动称为横侧运动，在此轴上进行的运动有向左或向右滚转。围绕竖轴的运动称为方向运动，在此轴上进行的运动有向左或向右的方向运动。调试好的固定翼飞机会像天平一样达到堪称完美的平衡状态，三轴的状态达到平衡时（俯仰平衡、横侧平衡、方向平衡），飞机是保持直线飞行状态的。

重于空气的固定翼飞行器之所以能够在天空中飞行，主要取决于飞机机翼的翼剖面形状，专业术语称为翼型。最常见的翼型表现为机翼前缘圆滑丰满，后缘薄而平直并呈现向上弯曲的形状，这种翼型的飞机在空中进行高速飞行时可以产生一股向上的升力，速度越快，产生的升力就越大。这种翼型之所以常见，是因为其可以应用到大部分机型上，例如，现在世界上最大的安-225运输机就是这种翼型。其他翼型还包括凹凸翼型、平凸翼型、双凸翼型、对称翼型、S翼型以及平板翼型。常见的机翼平面形状有矩形机翼、梯形机翼、后掠机翼以及椭圆机翼。

上面提到了固定翼飞机的形状“千奇百怪”，为什么这么讲？对于“常规布局”的飞机，是指既包含机翼又有平尾的机型。这一布局的飞机的最大优点是技术上成熟，是从飞机发展伊始就在使用的布局，也是航空发展史上应用最广泛的布局，不管是理论研究还是飞机生产技术都已经非常成熟。

有些飞机将原本布局在飞机机翼后方的尾翼平移至机翼的前面，这种飞机的布局称为“鸭翼”布局。单从外观上来看，“鸭翼”布局的飞机是指将主翼缩小，而将尾翼放大。鸭翼布局的飞机在某些方面还要优于常规布局的飞机，例如，在空中高速飞行时更稳定、起降距离缩短、机动性增强等。比较经典的机型有我国研发的“歼10”猛龙（图1-15）、瑞典研究的JAS39，以及法国的“阵风”等。

还有一种飞机在鸭翼布局飞机的基础上保留了平尾，称为“三翼面”布局飞机。拥有三个翼面的飞机可以将飞机上的载重更好地进行分配，并进一步地提升飞机的机动性，飞机本身对操纵者的反应也会表现得更加灵活。其缺点是增加阻力、降低了空气的气动效率、增加了飞机操控系统的复杂程度和飞机生产成本。三翼面布局飞机中最经典的当属俄罗斯研制的“苏34”机型，如图1-16所示。

没有平尾也没有鸭翼的飞机称为“无尾”布局。主翼位于机尾的一部分，实际上起到了水平尾翼的作用。无尾布局的飞机在高速飞行时性能最为优异，接近于导弹、火箭的气动布局，因为这一布局的特点在于其阻力较小，且结构强度足够，让其非常适合高速飞行。飞机的升力由机翼上下表面的压强差产生，升力经过水平尾翼时会形成一股阻力，导致常规布局的飞机在飞行过程中会损失一部分阻力。而无尾布局飞机大大减少了飞行中的空气阻力，提高了无尾布局的气动性。航天飞机也采用此种布局。其缺点是飞机的低速性能不够好，飞行稳定性不强，起降能力弱。代表机型为法国的“幻影”系列，如图1-17所示。

固定翼飞机通常包括方向、副翼、油门、升降、襟翼等控制系统，操控原理为通过舵机或舵机组来使飞机的翼面发生变化，产生相应的扭矩（力矩），用以控制飞机的转弯、爬升、俯冲、横滚等动作。

固定翼飞机的优点如下。

（1）飞行速度快。固定翼飞机的速度远高于直升机、多旋翼飞行器，同时也是这三类飞行器中唯一可以达到超声速飞行的飞行器。

（2）气动效率高。固定翼飞机是直升机、多旋翼飞行器中气动效率最高的一种，航程远、载重大。

固定翼飞机的缺点如下。

（1）起降环境要求高。对于固定翼飞机来讲，需要有一定的初速度才可以产生足够的升力起飞。相反，降落时则需要滑跑来减速。

（2）无法原地悬停。固定翼飞机一旦停止前进的运动，就会失去升力，因此固定翼飞机无法悬停。

这些特点使固定翼飞机在城市环境中的应用较少，但是在军事中，无人机需要速度快、航时长、挂载一些特定的武器或侦察用设备，所以固定翼飞机在军事环境中还是受到了较大的欢迎。

3.无人伞翼机、无人扑翼机、无人飞艇

无人伞翼机、无人扑翼机及无人飞艇属于小种类飞行平台。

（1）无人伞翼机。无人伞翼机具有体积小、成本低、飞行高度低等特点，同时也存在着飞行速度慢、抗风性差、高空飞行能力差、机动性能差等缺点，所以无人伞翼机一般应用于民用领域，如图1-18所示。

（2）无人扑翼机。无人扑翼机主要用于仿生飞行，依靠像鸟类一样的“翅膀”产生向上的动力来飞行，具有垂直起降能力。但其缺点也显而易见，对于操纵系统以及材料使用要求较高，飞行速度与载荷重量难以提升，如图1-19所示。

（3）无人飞艇。无人飞艇具有依靠浮力在空中飞行的特点，优点是可在空中悬停以及垂直起降，相对节省燃料，所以一般应用在环境监测、空中巡视、空中摄影等民用领域，如图1-20所示。