无人飞行器 (UAV) 不再只是极客车库里的玩意儿或军用工具，它们执行的侦察任务对人类来说过于危险。它们正越来越多地被用于科学研究。今年春天，一架致力于科学研究的无人机创造了空中历史。
5月6日，一架名为“暴风雨”的小型飞机成为首架正式的无人机，拦截了超级单体雷暴，这是一种产生龙卷风的风暴。这架飞机及其来自科罗拉多大学博尔德分校（C.U. – 博尔德）的工程师团队和来自内布拉斯加大学林肯分校的气象学家团队是100名追风科学家组成的大型舰队的关键组成部分，他们正在进行历史上规模最大的龙卷风研究。这项为期两年的实地实验被称为VORTEX 2，从今年5月1日持续到6月15日，将帮助科学家更好地了解龙卷风何时以及如何形成。各小组在中西部地区紧密队形行进，追逐并包围龙卷风风暴，使用移动雷达车、风速计、雨滴谱仪和气球发射器测量风速、温度、湿度和压力。
添加到此列表中的“暴风雨”被设计为占据中心舞台，飞入超级单体的后侧翼，高度为地面以上 150 至 300 米——这是一个收集当前仪器或任何有人驾驶飞机都无法获得的数据的理想位置。现在，它已经完成了首次数据收集飞行，“暴风雨”已准备好在本龙卷风季节的剩余时间内继续这项工作。
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但这并非如此简单：美国联邦航空管理局 (FAA) 的规定限制了“暴风雨”在“龙卷风走廊”——美国落基山脉和阿巴拉契亚山脉之间的区域内自由飞行。目前，研究人员只能在科罗拉多州东北部以及堪萨斯州和内布拉斯加州部分地区约58个小块土地上工作，每个区域面积约为 1000 平方公里。仅在这些地区获得飞行许可就需要与美国联邦航空管理局协调三年。研究人员必须提交 60 份申请，才能免于遵守针对有人驾驶飞机的所有规则。
当科罗拉多大学无人飞行器研究与工程中心主任布莱恩·阿格罗宣布他希望申请从内布拉斯加州中部到德克萨斯州狭长地带的整个区域——一个龙卷风集中的区域时，美国联邦航空管理局的成员发出了明显的惊叹声。目前，美国联邦航空管理局已冻结进一步的飞行申请。
该机构的资源不堪重负，无人机不符合现有的程序和协议。
阿格罗说：“问题在于，截至今天，还没有针对无人飞行器的正式规则，只有针对有人驾驶飞机的规则。”该技术已经超越了官僚机构，美国联邦航空管理局发现自己要求无人机飞行员遵守在这种情况下近乎可笑的规则，例如与安全带相关的规则。
当然，美国联邦航空管理局的要求是为了安全保障：恐怖分子或任何人都可能劫持一架无人机，而无人机会增加与其他飞机、建筑物或人发生空中甚至地面碰撞的几率。
尽管如此，电池驱动的“暴风雨”相对较小，长约三米，翼展为 3.2 米。* 它一次充电可以飞行一个小时，速度高达每小时 130 公里。研究人员手动发射它，并将其引导到距正在形成的超级单体 3 到 5 公里的区域，在那里它可以承受高达每小时 95 公里的风速。“暴风雨”机身上的传感器测量风暴下沉气流（为龙卷风提供能量的两股气流）中的压力、温度和湿度，无人机将飞行中的数据传回团队，以防它被突如其来的阵风撕裂。
风险是什么？
在这一点上很难确定无人机造成的真正风险，但它们的操作方式肯定不像传统飞机。
美国联邦航空管理局发言人莱斯·多尔说：“目前，没有技术可以让这些飞机感知其他飞机并转向避开它。”他补充说，任何无人驾驶飞机最重要的标准都是能够“看见并避开”其他飞机。
无人机可能只有 5.5 公斤重，但如果与有人驾驶飞机相撞，仍可能造成严重损坏。例如，2009 年飞入全美航空 1549 号航班发动机的加拿大鹅导致其紧急迫降在哈德逊河上，每只重约 8 公斤。
尽管如此，一些VORTEX 2的科学家仍然想知道无人机与另一架飞机相撞的风险有多高。“在风暴的那个区域永远不会有理智的飞行员，”VORTEX 2 的联合首席研究员埃里克·拉斯穆森说。“我想一个疯狂的农作物喷粉飞行员可能会飞，但与我们必须跳过多少障碍才能获得许可相比，这种可能性微乎其微。”
为了获得“暴风雨”飞行的许可，美国联邦航空管理局要求在飞行过程中与无人机保持持续的视觉和无线电联系，因此该团队构建了一台计算机，指示无人机跟随下方地面上的车辆。“[具有讽刺意味的是]我们拥有一架飞机，其主要限制是地面车辆的能力，”阿格罗在一封电子邮件中写道。
美国联邦航空管理局允许有人驾驶的“追逐”飞机伴随无人机。“但我们不希望人们离 [龙卷风风暴] 那么近。这很危险，”C.U.-博尔德的航空航天工程研究生杰克·埃尔斯顿说。毕竟，“无人”才是关键。
最后一刻的飞行地图
美国联邦航空管理局还要求在发射“暴风雨”前 48 至 72 小时提交预先计划的飞行地图。这项要求的讽刺之处令人痛苦：如果国家气象局的风暴预测中心能够提前 72 小时通知龙卷风将在哪里形成以及将往哪里移动，那么首先就不需要使用无人机来研究龙卷风了。目前，气象学家能做的最好的是提前 13 分钟发出警告。这正是 VORTEX 2 和“暴风雨”无人机存在的原因——该项目的目标是延长警告时间。
但是，当阿格罗及其团队在 5 月初开始行动时，美国联邦航空管理局的空中交通管制员很快就了解到，他们强制执行的规则根本不适用于旨在捕获快速发展的超级单体的无人机。“暴风雨”团队被迫同时提交多份飞行计划——每份飞行计划对应他们可能在 72 小时后追踪风暴时覆盖的 10 或 20 个允许的陆地块中的每一个——这让管制员不堪重负。美国联邦航空管理局意识到他们需要减少 72 小时的提前期，以便飞行计划可以基于最近的气象信息，从而更加精确，要求在任何时候仅访问两个陆地块。
尽管如此，科学家们就像等待昆虫飞入蛛网的蜘蛛一样，不得不等待风暴在 FAA 清理的区域内形成，并希望风暴保持在这些区域内。阿格罗说，如果风暴不断避开允许的区域，科学家们本季的进展可能会越来越令人沮丧。如果“暴风雨”可以自由覆盖整个 VORTEX 2 区域（覆盖超过 10 个州），他们将能够拦截其他团队瞄准的所有风暴，这可能会将他们的拦截频率从一个月两次风暴提高到一天两次风暴。
无人机收集的数据的未来不确定
VORTEX 2 团队中的研究人员表示，他们对无人机抱有希望，但想知道他们是否能摆脱 FAA 的规定，以便他们可以在大平原上自由漫游。
拉斯穆森说：“有些人持怀疑态度是可以理解的。自 1996 年以来，我们一直在努力将无人机送入风暴中。”
去年夏天，一个与探索频道《追风者》相关的团体将一架无人机直接飞入了正在形成的龙卷风中，这让科学家们更加沮丧。当科学家们得知此事时，他们感到沮丧。“我们一直在遵守规则，而现在有人违反规则，可能会破坏我们的努力，”拉斯穆森说。他说，如果那架飞机出了问题，美国联邦航空管理局肯定会进一步推迟任何人将任何东西飞入风暴中。
与此同时，回到2009年4月，美国联邦航空管理局（FAA）成立了一个委员会，专门为无人小型飞机制定正式的建议。这将减轻提交无数飞行申请的负担。但多尔表示，FAA最乐观的估计也是要到2012年才能确认新的法规。无论如何，阿格罗表示，新的针对无人机的指导方针对他团队的研究几乎没有影响。这些指导方针可能只适用于1000英尺以下的飞行测试，而不是阿格罗和他的团队研究龙卷风所需的自由范围。对于追逐风暴的科学家来说，允许无人机飞行的扩大法规来得越快越好。尽管地面移动雷达可以测量风速和方向，但它无法测量热力学变量，例如温度、压力和湿度。这些变量只能通过将仪器放置在需要进行测量的位置（300米高空）来测量。“暴风雨号”可能是测量正在形成的暴风雨中这些变量的唯一机会。
“这些[无人机]飞机将非常有价值。每1000万次风的观测中，我们只有一次对温度、压力和湿度的观测，”拉斯穆森说。它们不仅能采集到今天无法研究的空气样本，而且无人机是我们平衡数据的唯一机会，他补充道。
目前，“暴风雨号”正在待命，等待下一个超级单体风暴进入58个FAA批准的网格区域。幸运的是，预测显示风暴将迁移到这个区域，“暴风雨号”已准备好再次与VORTEX 2舰队会合。“情况看起来不错。在接下来的一个星期以及到项目6月15日的结束日期之前，我们应该会非常活跃，”阿格罗说。
*更正（2010年6月9日）：此句在发布后进行了编辑，以更正翼展长度。