在東西方傳統神話中，騰雲駕霧的神仙、長著翅膀的天使等無不透露著人類對天空和飛行的嚮往。為了實現夢想，人類發明和創造了各種奇妙、精巧的飛行器。隨著智慧化、無人化浪潮的來臨，無人駕駛飛行器（無人機）迅速走進人們的視野，無論是在影視、遊戲等虛擬世界，還是在軍事、公共安全服務、資源監測和保護、自然災害應對、航拍等現實領域，無人機都在不斷重新整理人們的想象，迎接一個又一個新的挑戰，甚至已經飛向了太空……
文/鄧元慧 王國強 王 楠
鄧元慧，中國科協創新戰略研究院副研究員。
王國強，中國科協創新戰略研究院研究員。
王 楠，中國科協創新戰略研究院副研究員。
在日常生活中，我們常用工蜂的英文單詞“drone”來表示無人機。一方面，可能是由於無人機最初執行的偵察活動常被認為是“枯燥乏味”的，就像工蜂雖從事著沉悶、枯燥的工作，卻勤勉堅韌，這一名稱承載了人們對無人機的美好期待；另一方面，用工蜂來指代電機嗡嗡、小巧靈活的無人機也十分貼切、形象。事實上，隨著技術特徵和使用功能的演化，人們賦予了無人機不同的名字和定義，如無駕駛員飛行器、遙控飛行器等。直到20世紀80年代，人們才逐步使用無人機這個名稱。
人類對無人機的最初探索
人類對飛行的渴望和對飛行的嘗試歷史十分悠久。不少古籍中出現的木鳥，就是人們製作無人機的一種初步嘗試。在中國傳說中能夠製造會飛的木鳥的人有魯班、墨子、張衡等，《韓非子· 外儲左上》《墨子· 魯問》《淮南子·齊俗訓》等都有類似記載，但都未對木鳥的結構進行描述。據記載，公元前405年，古希臘數學家、力學家阿契塔設計製作了一隻機械鳥，並將其命名為“鴿子”，它被認為是世界上最早的無人機，據說這隻機械鳥能夠飛行約200米。
▲公元前405年，古希臘數學家阿契塔設計製作了一隻名為“鴿子”的機械鳥。
除了木鳥之外，人類還嘗試製作其他型別的飛行器，如風箏。在唐朝以前，風箏通常以絲、綢、竹為原料，由官方製作，數量少、價格高，因此，多用於軍事偵察、測量、通訊等領域。我們可以把風箏看作一種遙控飛行器的雛形，它的線就是連線飛行平臺與地面的“資訊通道”。風箏傳入西方後，成為研究空氣動力學的重要工具，為近代航空業的發展和飛機的發明奠定了基礎。
孔明燈也可以看作是一種無人機的雛形。古籍中對孔明燈產生的時間沒有準確記載，據說是在五代時期，莘七娘隨夫出征入閩，作戰中用孔明燈作為訊號。1782年，法國巴黎的一次博覽會上展示了一種日本燈，其原理與孔明燈基本相同，但這次傳播引發了航空史上一次偉大的飛躍。法國約瑟夫-米歇爾· 蒙戈爾菲耶和雅克-艾蒂安· 蒙戈爾菲耶兄弟觀看了日本燈升空表演後，於1783年研製出世界上第一隻熱氣球。同年，法國物理學家雅克· 查爾斯和尼古拉斯-路易斯· 羅伯特製成了第一隻載人氫氣球。人們開始利用氣球進行高空探測、運輸、空中偵察等。最初，這些高空作業必須載人才能開展，十分危險。隨著氣球技術的改進，19世紀末無人氣球探測器開始在低層大氣研究中被廣泛使用。
▲1783年，法國發明家蒙戈爾菲耶兄弟研製出世界上第一個熱氣球。
▲1783年，法國物理學家查爾斯和羅伯特製成了第一個載人氫氣球。
對垂直飛行的探索，讓人類對飛行器的研究有了新的方向。公元前500年，中國人從蜻蜓飛翔的觀察中獲得啟示，製成了竹蜻蜓，為垂直飛行的發展提供了思路。1483年，義大利畫家、科學家達·芬奇設計了一種能夠垂直上升的飛行器，被一些專家認為是直升機的鼻祖。
▲1483年，義大利畫家、科學家達·芬奇設計了一種能夠垂直上升的飛行器。
1754年，俄國科學家米哈伊爾· 羅蒙諾索夫把竹蜻蜓的旋翼和發條結合在一起，設計並做出了一個雙旋翼無人機，放在俄國科學院展示，他希望透過這個“小玩意兒”攜帶一些小型氣象儀器升空。儘管在演示中，該裝置僅獲得了大約0.1牛的升力，並未離地太遠，但這個雙旋翼無人機被認為是直升機的前身。
▲1754年，俄國科學家羅蒙諾索夫設計並製作了“雙旋翼無人機”。
戰爭成為無人機快速發展的重要引擎
無人機用於作戰的最早記錄可以追溯至1849年第一次義大利獨立戰爭。圍攻威尼斯的奧地利軍隊製作了大約200只無人操控的熱氣球，每隻氣球攜帶一枚11~14千克的炸彈，企圖空襲威尼斯。但是，天公不作美，氣球釋放後風向突變，導致氣球偏離了目標，反而落在了奧地利軍隊自己的陣地上。儘管無人機的初戰以失敗告終，但它依然是人類史上一次偉大的嘗試。1887年，英國氣象學家道格拉斯·阿奇博爾德在風箏上安裝了一個相機，透過一根連線在風箏線上的長電纜控制快門，形成了無人偵察機的雛形，這引起了美國陸軍下士威廉·艾迪的注意。1898年，美西戰爭中艾迪利用自己製作的阿奇博爾德風箏式相機，拍攝了敵人陣地的鳥瞰圖，進一步嘗試了無人機在戰爭中的應用。
20世紀的兩次世界大戰使無人機發展進入了快車道。19世紀末，無線電的發現和應用為遠距離控制飛行器創造了可能。1914年，在第一次世界大戰期間，英國的兩位將軍向英國軍事航空學會提議研製一種用無線電操縱的可以自行飛到目標上空投放炸彈的小型飛機。英國科學家阿奇博爾德·洛牽頭開展研究，名為“空中目標”的無人機最終於1917年發射成功，成為世界上第一架在無線電控制下飛行的動力無人機。
1909年，美國發明家埃爾默·斯佩裡發明了陀螺儀後，將它安裝到飛機上，透過其測量飛機的旋轉速度，穩定飛行方向和姿態。這引起了美國海軍的注意，他們希望以此為基礎研發一種不需要飛行員駕駛的飛行器。1917年，在美國海軍的資助下，發明家皮特·休伊特和斯佩裡發明了能使飛機保持平衡狀態向前飛行的自動陀螺穩定器。他們把自動陀螺穩定器和無線電遙控裝置安裝在海軍寇蒂斯N-9型教練機上，將其成功改造為人類歷史上首架能自動飛行的無人機，儘管其還是不具備回收功能的“空中魚雷”，但人們仍將其命名為“休伊特-斯佩裡自動飛機”。
▲1917年，美國發明家休伊特和斯佩裡研製成功“休伊特-斯佩裡自動飛機”。
隨後，美國發明家查爾斯·凱特林設計了更先進的“凱特琳蟲”無人機，它透過一個巧妙的凸輪裝置來計算螺旋槳的轉動圈數，在圈數達到目標距離的設定值時，凸輪裝置會切斷機翼連線和關閉發動機，使“凱特琳蟲”自由下墜擊中目標。
▲1917年，美國空軍博物館館藏的“凱特琳蟲”無人機。
事實上，隨著第一次世界大戰結束，這些“空中魚雷”並未繼續在戰爭中使用，但讓軍方看到了無人機在戰爭中的潛力。這些“空中魚雷”也是今天巡航導彈的原型。
第一次世界大戰結束後，無人機的發展一度陷入沉寂，但隨著第二次世界大戰的爆發，無人機的研製再次加速。20世紀30年代，無人機成為一種新型作戰訓練工具。1935年，英國研製出第一架可複用無人駕駛靶機“蜂王”，作為訓練任務中的空中目標。
▲1935年，英國研製出第一架可複用無人駕駛靶機“蜂王”。
1939年，英國演員雷金納德·丹尼和他的無線電飛機公司設計了大型遙控飛機RP-1，用於訓練高射炮機組人員。
▲1939年，英國演員丹尼設計了大型遙控飛機RP-1，並開發了系列機型，進行大規模生產。
同時，德國、美國等分別透過改裝有人駕駛轟炸機研製出了無人轟炸機。1944年，德國工程師菲澤勒·弗魯格澤豪研製的“復仇者一”號無人機，向人們展示了無人機在戰鬥中的巨大威力。
▲1944年，德國工程師弗魯格澤豪研製的“復仇者一”號。
同年，美國在對抗“復仇者一”號的過程中，對B-17轟炸機進行了改裝，利用電視制導系統進行遠端控制，摧毀了德國V-1導彈發射基地。這是無人機首次被用來對付另一架無人機，也為戰後美國無人機的發展奠定了基礎。
第二次世界大戰結束以後，以美國、蘇聯為代表的兩大陣營在無人機研發領域開展了激烈的較量。這個時期，無人機主要用於軍事偵察。美國的“瑞安火蜂”無人機成為首臺噴氣推動的無人機，主要用於情報收集以及無線電交流的監控活動，在朝鮮戰爭和越南戰爭中發揮了重要作用，至今美國軍方仍在使用多款“火蜂”無人機的改進型。
▲1955年，美國的“瑞安火蜂”無人機成為首臺噴氣推動的無人機。
1957年，蘇聯也先後研製出“鷂”式超音速無人機、“鳶”式無人攻擊機、“雨燕”和“航程”無人偵察機等。其他國家緊隨其後，相繼啟動了無人機系統的研發。自20世紀90年代起，無人機逐漸向小型化、資訊化和輕量化發展，軍事用途也越來越廣泛，不再侷限於高空偵察，還可以完成中繼通訊、電子對抗、防空、制空、精確打擊等多種任務。無人機已經成為影響作戰程序的重要力量，“捕食者”“全球鷹”等系列無人機被大量應用。
無人機成為人類太空探秘的有力助手
進入21世紀，無人機的研發與應用進入一個嶄新的時期。除了在軍事領域的使用範圍不斷拓展之外，無人機在民用領域的應用也呈現井噴式、跨越式增長，實現了在農業、測繪、物流運輸、交通執法、影視拍攝等多個領域的深入應用，科幻作品中的場景在生活中逐步實現，人們已不滿足於僅在地球上使用無人機。
隨著對太空探索的日益深入，美國、日本、中國、印度等國家相繼開展了火星無人機的研發。2020年7月，美國“毅力”號火星探測器搭載人類首架火星無人機“機智”號發射升空，在經歷了長達半年多的飛行後於2021年2月到達火星。“機智”號是一個小型雙螺旋槳無人直升機，配有兩對1.2米長的碳纖維旋翼葉片，其淨質量只有1.8千克。
▲1955年，美國的“瑞安火蜂”無人機成為首臺噴氣推動的無人機。
在火星探測中，火星軌道飛行器離火星表面遠、難以觀察火星表面細節，火星探測車的移動和探測受火星地表複雜條件所限，火星無人機的高機動性和靈活性有效克服了這些問題，不僅能在較高的高度對火星表面進行系統全面的拍攝與記錄，為火星探測車導航，輔助其更好地完成探測任務，還可以進入火星探測車難以到達的目標區域進行深度探測，將火星探測從二維引向三維，這對火星探測與研究有著重大意義。
由於火星的大氣層十分稀薄，密度只有地球大氣的百分之一左右，無人機要想在火星上飛起來並不容易。“機智”號為了獲得足夠的升力，其旋翼的轉速約為2 400轉/分，是地球上普通直升機轉速的10倍。為了減輕質量，它只攜帶了簡單的攝像裝置和資料記錄裝置，以便提高飛行成功率。作為人類第一架能夠在另一個行星大氣層中飛行的航空器，“機智”號的主要使命是測試在其他星球稀薄的大氣中進行動力飛行是否可能，併為“毅力”號的科考任務提供輔助。2024年1月，“機智”號在第72次飛行時墜毀於火星上的耶澤羅隕石坑，但其早已超額完成了最初設定的5次飛行目標，飛行距離也超過了原計劃的14倍。
展望未來，隨著無人機、人工智慧等技術的融合發展，無人機的應用場景和未來發展前景將愈加廣闊，它所帶來的改變也將超乎多數人想象。但是，我們也要對其發展存在的諸多挑戰予以更多的關注和思考，如安全、能源及可能面臨的一系列社會問題和法律問題等。不過，我們仍然堅信，未來無人機將更加深刻地融入和改變我們的生活，為人類社會的發展作出更大貢獻。
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