無人機和航空模型的異同

2016年4月15日，國家體育總局航管中心航模部原主任劉文章先生在微信朋友圈里寫道：“現(xiàn)在，無人機賽成風，上上下下，五花八門，是好事；但常有人將無人機與航模概念混淆，缺乏權威性的規(guī)范與宣傳”。的確如此，隨著近年來無人機的蓬勃發(fā)展，無人機和航空模型的異同成為一個熱門話題?，F(xiàn)梳理我的認識，寫成此文，希望起到拋磚引玉之作用，引發(fā)大家的討論，以形成共識。

關于它們的相同點，主要有兩方面。

首先，兩者均“機上無人”，但需人的掌控，無論是預設的或實時的，還是視距內或視距外。航空模型由操縱者在機外操作，而無人機定義為“不需要駕駛員登機駕駛的各式自控或遙控飛行器”。

其次，作為科學驗證用的航空模型和無人機是相通的。最早出現(xiàn)的航空模型是靜態(tài)的，以致在現(xiàn)今的飛行器研制程序中，還有兩類重要的靜態(tài)模型仍在繼續(xù)發(fā)揮作用（“樣機模型”和“吹風模型”）。而隨著航空科技發(fā)展的需要，作為驗證機的有動力航空模型越來越重要。

可見，航空模型和無人機之間原本就有的天然密切關聯(lián)，被重新認識，并正大大加強。我曾就此說過一句話，叫做“同源殊途，殊途同歸”。

兩者的不同也來自兩個方面，功能和性能。

首先是功能不同。除早期的試驗驗證作用外，航空模型已逐步轉向主要供運動用的不載人小型航空器，即特定的、狹義的航空模型。1905年國際航空運動聯(lián)合會（FAI）成立后，航空模型逐漸成為一項有組織、全球性、群眾性的競技運動，以致人們淡忘了航空模型本身的技術內涵和豐富的探索史跡。FAI管轄的航空活動包括特技飛行、航空模型、航天記錄、通用航空、滑翔機、懸掛式滑翔和飛行傘等。就航空模型而言，有各種分類，如模型直升機、自由飛模型、線操縱模型等，并在繼續(xù)變化和豐富中。但其基本功能，主要是完成各種競技性或表演性任務，并通過這種活動，去實現(xiàn)社會價值、倡導科學精神。

而無人機的功能則有明確的個性化要求，由機上任務載荷（又稱有效載荷）來體現(xiàn)完成使命任務的能力。無人機的英文名是UAV（Unmanned Aerial Vehicle），即“無人飛行載具”，或理解為搭載載荷的平臺與載荷的組合體。如偵察型無人機就是在具有一定飛行能力的平臺上安裝偵察設備和傳輸設備完成任務的；攻擊型無人機則通過武器或戰(zhàn)斗執(zhí)行部件完成攻擊任務。即使是科學驗證用無人機，為了獲取飛行數據，也要安裝必要的感知、測量和數據傳輸設備，以實現(xiàn)特定功能。

因此也可以說，無人機是通過機上有效載荷來體現(xiàn)不同功能的系統(tǒng)。無人機區(qū)別于航模，就在于自身的任務載荷。一般來說，除保障飛行的控制系統(tǒng)外，只有機上載有相應的任務載荷，才可以稱為現(xiàn)代意義上的無人機。

有人曾和我討論，靶機可以沒有載荷，為何也稱為無人機。我認為，即使不裝載附加載荷，靶機也可視為有載荷。這是因為，靶機主要供鑒定武器的性能時使用，誘導被試對象跟蹤、接近或毀傷自身。作為一種靶標，需要盡可能真實地模擬敵方飛機性能，所模擬的特性（不管是可見光、紅外、雷達或其它）就可以看作載荷。而且，除自身設計按模擬對象的特征相匹配以外，還常常需要攜帶附加載荷，以增強特征。例如，為了模擬大型飛機對地面雷達或導彈引信的有效反射面積，機上往往裝有角反射器、龍伯透鏡或有源回波增強器。為了模擬噴氣發(fā)動機尾焰的紅外輻射，機上常安裝曳光彈等紅外輻射器。有時還采用各種電子、聲學、光學干擾設備，甚至釋放假目標，用以模擬目標飛機的干擾特性。在非直接擊毀的重復使用靶機里，還往往攜帶各種指示與測量設備。凡此種種，不一而足，其任務屬性和載荷特性實際上是非常強的。

說到目標特性（或稱目標特征），通俗的解釋就是任何物體都有表明其存在的特征，不管人的感官能否察覺，如幾何形狀、紅外輻射（高于絕對零度（-273.15℃）的物質都可產生）、雷達回波等。于是，發(fā)現(xiàn)或提取目標特征就有了各種手段；而減縮目標特征，俗稱“隱身”，則派生出可見光隱身、紅外隱身和雷達隱身等不同的概念與技術。

其次是性能不同，主要在控制方式和控制系統(tǒng)方面。

無人機通過機上飛控系統(tǒng)控制自身的姿態(tài)和機動，一般可以做到遠距控制。無人機的另一英文名RPA（Remotely Piloted Aircraft）就是這一含義。可以事先設定程序，也可以通過數據鏈將地面控制參數與無人機進行交互，以實現(xiàn)自動運行。隨著感知和決策的實時化和智能化，還能實現(xiàn)有條件的完全自主控制，即完全不需人的干預。有時機上飛控系統(tǒng)也被認為是一類載荷，但它有別于任務載荷，是用于解決無人機自身的操控問題，而非完成特定的任務。有些無人機也把飛控與部分任務載荷綜合在一起。

而航空模型的控制是通過人的直接控制或無線電遠距遙控（多數在視距內）實現(xiàn)機動和姿態(tài)調整的，機上一般沒有自動飛行控制系統(tǒng)。高端航空模型通過采用FPV（第一視角）技術已可實現(xiàn)視距外操縱，但距離多在幾千米范圍內。

形象地說，無人機是帶著“大腦”飛行，這副頭腦可以極為聰明，也可以不那么聰明；而航模的“大腦”始終在地面，是在操縱人員的脖子上的。

隨著航模操縱性能的持續(xù)提升和控制部件的低成本化，單就操縱性而言，高端航模與中低檔無人機在這方面的區(qū)別在縮小，有時甚至會反之。

航空模型對航空發(fā)展的

重要作用

1.航空模型的歷史回眸

想理解航空模型對航空發(fā)展的作用，首先要對航空模型的歷史發(fā)展有所了解。

所有現(xiàn)代航空器都是從航空模型進化來的。在人類飛上藍天的探索實踐中，毫無例外都是先靜態(tài)模型，后動力模型；先模型/樣機，后實物真機。沒有模型，就沒有航空創(chuàng)造；沒有模型，就沒有航空發(fā)展。

中國是發(fā)明和應用航空模型最早的國家。據司馬遷《史記》記載，公元前507-444年期間，魯班制成能飛的“木鵲”，并用于觀察敵方陣地；南北朝時范曄（公元420-479年）所著 《后漢書·張衡傳》記載：張衡（公元78-139年）曾作木鳥，有翅，腹內有機關，可飛數里。這些都是了不起的航空模型，它們御風而飛的圖景想來是何等美妙。可惜只有文學性描述，而無技術意義上的記錄。

古代中國最杰出的航空代表作，當屬風箏（魯班的“木鵲”實為硬體風箏，約在公元前206-公元25年轉用紙張，始稱“紙鳶”）、竹蜻蜓（約在公元前500年）、孔明燈（約在公元200-230年）和火箭（約在公元1000年），在學理上恰好對應當今的四類航空器——固定翼飛機、旋翼機、浮空器和現(xiàn)代火箭。以致于美國航空博物館里有醒目的大字寫道：“人類最早的飛行器是中國的風箏和火箭”。6年前，我和同事們編寫《新航空概論》時，發(fā)現(xiàn)這一有趣但絕非牽強附會的學理關聯(lián)，一致認為，這四件杰作堪稱中華文明奉獻給世界的另類“四大發(fā)明”。

17世紀開始，歐洲相繼迎來了蒸汽時代和電力時代，航空科學理論和實驗也隨之獲得突破性進步，不僅出現(xiàn)了像瑞士伯努利（1700-1782年）和英國喬治·凱利（1773-1905年）這樣的科學大師，而且出現(xiàn)了一大批科學實證的實踐家、探險家、發(fā)明家，在萊特兄弟之前的光榮代表是俄羅斯莫扎伊斯基（1825-1890年）、德國奧托·李林塔爾（1848-1896年）、美國蘭利 （1834-1906年）和巴西桑托·達蒙（1873-1932年）。他們都是先制作航空模型、驗證其構思與原理，而后成為航空器的發(fā)明與試驗大家，做出杰出貢獻，甚至奉獻出生命。

2.動力航空模型飛行成功

1796年，凱利在研究中國竹蜻蜓和科學計算的基礎上制作出一架模型直升機。1799年，他設計出幾乎具備現(xiàn)代飛機所有主要部件的飛行器草圖。但困擾凱利的問題是沒有合適的動力。直到1848年，凱利已75歲高齡，仍無合適的發(fā)動機來證實他的理論和設計。1849年，他造了一架三翼滑翔機，載著一名10歲孩童，進行了人類歷史上第一次載人滑翔機系留牽引飛行。

俄羅斯發(fā)明家莫扎伊斯基（1825-1890）在俄羅斯有著崇高的地位。蘇聯(lián)于1963年發(fā)行的紀念郵票中稱他為世界飛機發(fā)明第一人。而且航空界似乎都認可，他在1882年實現(xiàn)了世界首次有科學記載的動力模型飛機飛行。但事實上，這種認定是有偏差的。

莫扎伊斯基從1856年開始研制重于空氣的飛行器。他對航空的貢獻毋庸置疑。但被廣泛認可的1882年7月20日的以蒸汽機為動力的試驗機飛行，并未成功，飛機只在地面上跳躍幾次，并未飛起，而且失敗一直延續(xù)到后幾年。原因同凱利一樣，也是找不到好的動力。但可以肯定的是， 莫扎伊斯基的確實現(xiàn)了動力模型首飛，而且比1882年更早。他設計制作了多種縮比的模型飛機，這些模型均具有現(xiàn)代飛機的基本部分，而動力由彈性件（如鐘表發(fā)條）提供，可使三個螺旋槳旋轉。這些模型不但能在地上滑跑，而且還能凌空翱翔。模型飛機的試驗證實了他在飛機幾何形態(tài)、升力特性、螺旋槳拉力和重量等方面所作的計算和推測，并據此開始設計和制造自己的飛機。有據可查的是，1876年，莫扎伊斯基成功地進行了單翼飛行器模型的穩(wěn)定性表演。確切的飛機尺寸未見記載，應該還是縮比模型飛機。但他的簡易動力模型飛機的確已達到了很高的水準。

還有記載稱，1850年法國人彭諾德用橡筋作動力，設計制作了航模。由于橡筋的效能高，功率重量比大，制作的模型很輕，飛行成功。這比莫扎伊斯基還要早26年。在此引證莫扎伊斯基和彭諾德的業(yè)績，為的是說明動力模型在飛機發(fā)展進程中的作用（即使采用如橡筋、發(fā)條、彈簧等提供的簡易動力），這是必經的階段。而且，由于它們獨有的作用和魅力，至今還在現(xiàn)代航模，如自由飛中占據重要地位。

3.從航模到真機、從無人到有人的進化

美國的塞繆爾·皮爾伯恩特·蘭利（1834-1906年）也是一位偉大的航空先驅，他不僅在飛行理論研究方面多有建樹，而且在工程研制中成就卓著。1896年他制作了一架帶動力機械的模型飛機，在150米高度留空飛行近3小時。這是歷史上第一次重于空氣的有動力飛行器實現(xiàn)穩(wěn)定持續(xù)的飛行，意義重大。

此后，他得到美國政府資助，在成功的模型飛機基礎上，研制一種載人飛機“空中旅行者”。這架飛機采用前后串置的機翼布局，以內燃機為動力，采用彈射方式起飛。遺憾的是1903年10月7日和12月8日的兩次試飛均告失敗，飛機折尾沉水。雖然未能成功，但卻留下了珍貴的數據資料。他的探索實踐演繹了從航空模型到真實飛行器、從無人到有人飛行的進化規(guī)律。

“空中旅行者”試飛失敗后，輿論一片嘩然?！凹~約時報”刊文予以嘲諷，稱“再有一千年，人也飛不起來?！边€有人說，上帝要讓人飛，為什么不給他翅膀。

然而，僅僅九天后，即1903年12 月17 日，萊特兄弟的有人飛行器“飛行者1 號”成功飛上藍天?？茖W先驅們的偉大實踐回擊了嘲諷者的短視和淺薄。歷史不僅記住了有動力載人飛行的首創(chuàng)大家——萊特兄弟，也給了雖敗猶榮的蘭利以崇高的地位，著名的美國空軍蘭利實驗室、NASA蘭利研究中心都以他的名字命名，美國的首艘航空母艦也被命名為蘭利號。

4.航空模型正繼續(xù)發(fā)揮重要作用

在航空探索早期， 航空模型具有強烈的科學實證性質。至今，它仍是研制各類飛行器的重要手段。20世紀末至今，無人機、特別是低成本/消費類無人機的橫空出世，使中低端無人機和中高檔航空模型的飛行性能日益接近。航空模型不僅進入尋常百姓的生活，而且回歸其科學試驗驗證的作用。當今，航空模型在科學試驗中的兩大使命可歸納為：

（1）航空模型是科學試驗的有效工具。

飛機的研制一般分為論證、設計、工程研制、設計定型和試生產等階段。傳統(tǒng)程序里，在論證和設計階段需要“吹風模型”用于風洞試驗，設計和工程研制階段需要電子模型和實物樣機（或全尺寸、或艙段，或木質、或金屬，視需而定），這些都可以稱為模型。這些模型都具有強烈的實證功能。隨著電子樣機和模擬/仿真手段的應用，對模型的需求在改變。但“吹風模型”和部分功能驗證用實物樣機在現(xiàn)階段仍具有不可替代的作用；而在原理與布局創(chuàng)新的新飛行器研發(fā)中，作為驗證用的高端動力模型更為必需。

航空模型用于科學試驗的最重要戰(zhàn)場，是驗證新飛行原理、新氣動布局以及一切需要用飛行來驗證的新技術。在我們舉辦的國際無人飛行器創(chuàng)新大獎賽中出現(xiàn)的優(yōu)秀作品，特別是創(chuàng)意賽作品，多數屬于航空模型，而非無人機。一些作品，使用人工遙控，機上也無載荷，只是為了驗證新原理或新布局是否可行。這正是中高檔航模和中低端無人機相重合的功能領域。

（2）航空模型是科學普及的最佳載體。

航模運動在全世界都有眾多的愛好者，包括自由飛、線操縱、無線電遙控、像真模型等各類項目的競技比賽開展得規(guī)范而熱烈，被認為是一項高雅運動。在中國，航空模型也有很好的基礎，取得了很好的成績。這些活動本身對于傳播航空知識、擴大航空的社會影響，都具有重要作用。而運動背后的航模制作，不管是專業(yè)級的，還是面向青少年的業(yè)余級，技術含量都不低。

近幾年，中國航空學會在全國推進航空特色學校，其中一項內容，就是要求航模制作在該?？萍紝嵺`課程中占有重要地位。把制作航模當成普及航空的載體，寓教于樂、啟蒙興趣、加深認識、傳播知識，效果不錯。我們應該更多地關注和推動面向學校、面向青少年的航?；顒?。讓更多的青少年熱愛和投身航模活動，從這里起步，去領悟航空模型和航空器的豐富內涵，用自己的手和心去觸摸和感受飛行的魅力。這既是學習航空知識的生動課堂，更是獻身偉大航空事業(yè)最初的戰(zhàn)場。

在我們身邊，有一大批矢志航模、鐘情普及、關愛下一代的專家和老師，他們是航空事業(yè)默默耕耘的幕后英雄，我們應該向他們表達由衷的尊敬。