微型无人机
2002年9月19日更新，2002年9月21日再次更新
2005年6月18日更新
来源：
http://www.aerovironment.com/area-aircraft/prod-serv/bwidpap.pdf
我怀着些许惊讶，通过朋友克里斯托夫·塔迪的介绍，在网络上发现了微型无人机的发展。对此感兴趣的读者可找到一篇（英文）PDF格式的文章，标题为“黑寡妇微型飞行器的开发”。英文中称为MAV（微型飞行器）。这类飞行器的性能令人惊叹。的确，网络上每天都有新发现。这些设备看似玩具，实则远非如此。黑寡妇翼展仅15厘米。文章提到的试验时间是2000年8月，即两年前。其最终用途显然是军事性的。
黑寡妇
这些试验是历时四年的研发计划的成果。该飞行器的技术规格令人震惊：
- 翼展：小于15厘米
- 重量：小于100克
- 有效载荷：12克
- 2克重的机载彩色视频摄像机，可远程传输图像
- 速度：55公里/小时
- 飞行时间：30分钟
- 电力推进，由电池驱动
- 通信有效半径：2公里
- 集成自动飞行控制系统，使未经训练的人员也能操作飞行器。飞行控制由嵌入式微处理器完成
- 飞行控制与无线电通信管理系统仅重5克
- 两个控制面（水平尾翼和垂直中央舵面）由微型电机驱动，每个仅重0.5克
兰德公司于1993年启动了微型飞行器可行性研究。文中指出，军方正考虑开发达到昆虫大小的微型飞行器。在我们这个纳米技术的时代，出现“纳米机器人”和“纳米航空”并不令人意外。理论上，物体尺寸的缩小没有极限，除非达到分子或原子尺度。对于能够制造直径仅几微米的“纳米泵”的人来说，几毫米大小的飞行器简直堪称“庞然大物”。
多个大学参与了这项微型飞行器研发项目，其中包括佛罗里达大学和亚利桑那大学。项目目标是将30克的有效载荷投送到600米外的目标，飞行器在空中至少停留两分钟。2000年8月，项目成功测试了一架飞行器，其性能如下：
- 重量：80克（……）
- 翼展：15厘米
- 电动机直接驱动螺旋桨（碳纤维材质），效率达83%；电机效率为70%
- 飞行时间：30分钟（……）
- 速度：55公里/小时，理论飞行距离27公里，有效作用半径13公里
- 可在1.8公里距离内实时传输数据（当前有效作用半径上限），共16个信道
- 飞行高度：250米。这是典型飞行高度，但显然并非最大飞行高度
- 视频信号发射器重量：1.4克；彩色分辨率：510×488像素
- 该发射器所需功率：550毫瓦
- 信号功率：2.4吉赫兹频段下100毫瓦
- 遥控频率：433兆赫
- 有效载荷：12克
- 总体成本低廉
锂离子电池成本低且极为可靠。飞行过程中，约90%的时间以恒定速度飞行，这大大简化了空气动力学优化问题。电动机重7克，动力系统在每分钟5000转时可提供10克拉力。在直径50×50厘米的风洞中进行的试验测得螺旋桨效率为83%，与计算机模拟预测的82%几乎一致。机翼采用发泡聚苯乙烯材料，外加覆盖层和结构件，全部粘合而成。覆盖层使用凯夫拉材料，垂直尾翼则使用巴尔沙木。飞行期间数据采集与传输系统设计为16个信道。在存储模式下，整个装置可装入一个公文包内（让人联想到詹姆斯·邦德）。
“微型飞机制造商”（我曾是其中一员）看到这种飞行器的外形时会感到惊讶：没有副翼，机翼展弦比极低。答案很简单：为了追求设备的紧凑性，牺牲了纯粹的空气动力学性能（后者需要较高的展弦比）。没有尾翼：纯空气动力学稳定系统被压缩到最低限度。这种飞行器无法手动操控。但这并不奇怪，恰恰是自动控制与姿态稳定技术进步的体现。人类在这一领域表现极为有限，感官能力差，反应时间长。你一定见过这样的实验：将一张钞票垂直竖立，如图A所示，然后突然松手，受试者根本无法抓住它——因为从“钞票在下落”的信号被感知，到“闭合手掌”的指令发出，中间的延迟超过了钞票下落所需的时间。
下图B展示了一艘在高空高速飞行的快艇，仅靠机翼维持稳定：这种飞行器人类无法操控。
C图展示的是一台十年前由一位朋友制作的机器人，仅用当时普通的个人电脑即可操控。它有两个自由度。在移动平台上放置一根PVC管，管上挂着一个保龄球或一个装满玻璃杯的托盘。系统能迅速、无振荡地恢复到稳定状态。在一定范围内，能有效抵御大气扰动。值得一提的是，这个机器人最初是为烘焙行业设计的，用于在生日蛋糕上用奶油书写顾客的名字，例如“生日快乐，马塞尔”，并可选择字体等。
由于缺乏支持，该公司十年前破产了（这很正常：因为太简单，也太便宜了）。
在乘坐飞机旅行时，你其实不知不觉地置身于一种人类无法操控或操控极差的飞行器中。一架波音747的水平尾翼面积，相当于一架普通飞机机翼的面积。在“航空稳定”模式下，这个水平尾翼实际上起着“负升力”作用，以抵消机翼产生的俯仰力矩。这导致燃油消耗无谓增加。要理解这一点，可参考我的漫画《吸气吹气》（原名《如果我们能飞？》），该漫画收录于包含超过十五部《安塞尔姆·兰图尔卢历险记》系列漫画的光盘中（售价18欧元，由J.P.佩蒂特出版，地址：法国普尔图瓦，蒙塔涅尔路，让-克里斯托夫别墅，84120；含运费）。
普通机翼在承载时会产生俯仰力矩。水平尾翼（即水平安定面）作为“负升力”面，用于补偿这一力矩。