Беспилотный летательный аппарат для гражданских нужд
Введение
Стимулом к развитию беспилотной авиации во всем мире послужило успешное и широкое использование БПЛА армиями США и Израиля в ходе военных операций (Персидский залив, Югославия, Ближний Восток, арабо-израильские войны).
На сегодняшний день по данным UVS International (ведущей международной ассоциации беспилотных систем) БПЛА производят в 52 странах мира. Десятки больших предприятий и малых фирм конкурируют на этом рынке. Обширный, хотя и не полный перечень производителей и моделей доступен по ссылке на ежегодный отчет этой организации 2009/2010 UAS Yearbook.
В данном материале акцент сделан не только на видеосъемку территории, но и на перспективы применения БПЛА для распыления сажи в паводковый период. Древесная или угольная сажа поднимается на БПЛА, который управляется с радиоканала. Распыление сажи производится с высоты в пределах 10-15 метров с емкости через сопла, которые установлены на крыльях БПЛА. Объем сажи не должен превышать 10 кг. Размах крыльев данной модели составляет 2,5 м. Данную модель целесообразно применять для более быстрого таяния снегов и ледников, для устранения заторов на реках. Мы рекомендуем использовать древесную (угольную) сажу в распылении, а это экологически чистый продукт, то ни на здоровье населения, ни на окружающую среду не будет оказывать вредного воздействия.
1.История развития и создание беспилотников
В 1899 году Никола Тесла разработал и продемонстрировал миниатюрное радиоуправляемое судно.В 1933 году в Великобритании разработан первый БПЛА многократного использования QueenBee. Были использованы три отреставрированных биплана FairyQueen, дистанционно управляемые с судна по радио. Два из них потерпели аварию, а третий совершил успешный полёт, сделав Великобританию первой страной, извлёкшей пользу из БПЛА. Эта радиоуправляемая беспилотная мишень под названием DH82A TigerMoth использовалась на королевском Военно-морском флоте с 1934 по 1943 г. Армия и ВМФ США с 1940 года использовали БПЛАRadioplane OQ-2 в качестве самолёта-мишени.В течение Второй мировой войны немецкие учёные вели разработки нескольких радиоуправляемых типов оружия, включая управляемые бомбы HenschelHs 293 и Fritz X (англ. Fritz X), ракету Enzian (англ. Enzian) и радиоуправляемый самолёт, наполненный взрывчатым веществом. Несмотря на незавершённость проектов, Fritz X и Hs 293 с успехом использовались на Средиземном море против бронированных военных кораблей. Массовым оружием была первая «крылатая ракета» Фау-1 с реактивным пульсирующим двигателем, которая могла запускаться как с земли, так и с воздуха. В нацистской Германии в 1942 году было запущено производство ракетФау-2, имеющих систему управления, удерживающую ракету на заданной при старте траектории в течение всего полета. Были разработаны и применялись управляемые планирующие авиабомбы. В СССР в 1930--1940 гг. авиаконструктором Никитиным разрабатывался торпедоносец-планер специального назначения (ПСН-1 и ПСН-2) типа «летающее крыло» в двух вариантах: пилотируемый тренировочно-пристрелочный и беспилотный с полной автоматикой. К началу 1940 г. был представлен проект беспилотной летающей торпеды с дальностью полёта от 100 км и выше (при скорости полёта 700 км/ч). Однако этим разработкам не было суждено воплотиться в реальные конструкции. В 1941 году были удачные применения тяжёлых бомбардировщиков ТБ-3 в качестве БПЛА для уничтожения мостов.В США запустили в массовое производство БПЛА-мишень Radioplane OQ-2 для тренировки лётчиков и зенитчиков. Также, в 1944 году был применён впервые в мире классический ударный БПЛА -- Interstate TDR. Помимо этого, военными США был создан целый ряд управляемых авиабомб, включая наиболее совершенное технические оружие, применённое в годы войны -- самонаводящуюся планирующую бомбуASM-N-2 Bat, первое в мире оружие схемы «выстрелил-и-забыл», не требующее вмешательства оператора. После войны разработки беспилотных летательных аппаратов в США временно сместились в сторону создания управляемых ракет и авиабомб, лишь в 1960-х вернувшись к идее не ударных БПЛА.
2.Краткая характеристика БПЛА
Беспилотный летательный аппарат (БПЛА или БЛА) -- в общем случае это летательный аппарат без экипажа на борту. Понятие летательный аппарат включает в себя большое число типов, у каждого из которых есть свой беспилотный аналог. В прессе, когда речь идет о резком всплеске интереса к беспилотникам, и в данном материале под определение БПЛА попадает более узкое понятие. А именно: летательный аппарат без экипажа на борту, использующий аэродинамический принцип создания подъемной силы с помощью фиксированного или вращающегося крыла (БПЛА самолетного и вертолетного типа), оснащенный двигателем и имеющий полезную нагрузку и продолжительность полета, достаточные для выполнения специальных задач.
Способы управления БПЛА
Для еще более точного определения тех БПЛА, необходимо подробнее остановиться на такой важной характеристике как способ управления БПЛА.
Существуют следующие способы:
Ручное управление оператором (или дистанционное пилотирование) с дистанционного пульта управления в пределах оптической наблюдаемости или по видовой информации, поступающей с видеокамеры переднего обзора. При таком управлении оператор прежде всего решает задачу пилотирования: поддержание нужного курса, высоты и т.д.
Автоматическое управление обеспечивает возможность полностью автономного полета БЛА по заданной траектории на заданной высоте с заданной скоростью и со стабилизацией углов ориентации. Автоматическое управление осуществляется с помощью бортовых программных устройств.
Полуавтоматическое управление (или дистанционное управление) -- полет осуществляется автоматически без вмешательства человека с помощью автопилота по первоначально заданным параметрам, но при этом оператор может вносить изменения в маршрут в интерактивном режиме. Таким образом, оператор имеет возможность влиять на результат функционирования, не отвлекаясь на задачи пилотирования.
Ручное управление может быть одним из режимов для БПЛА, а может быть единственным способом управления. БПЛА, лишенные каких-либо средств автоматического управления полётом -- радиоуправляемые авиамодели -- не могут рассматриваться в качестве платформы для выполнения серьезных целевых задач.
Последние два способа в настоящее время являются наиболее востребованными со стороны эксплуатантов беспилотных систем, т.к. предъявляют наименьшие требования к подготовке персонала и обеспечивают безопасную и эффективную эксплуатацию систем беспилотных летательных аппаратов. Полностью автоматическое управление может быть оптимальным решением для задач аэрофотосъемки заданного участка, когда нужно снимать на большом удалении от места базирования вне контакта с наземной станцией. В то же время, поскольку за полет отвечает лицо, осуществляющее запуск, то возможность влиять на полет с наземной станции может помочь избежать внештатных ситуаций.
БПЛА принято делить по таким взаимосвязанным параметрам, как масса, время, дальность и высота полёта: Выделяют следующие классы аппаратов:
- «микро» (условное название) -- массой до 10 кг, временем полёта около 1 часа и высотой полета до 1 километра;
- «мини» -- массой до 50 кг, временем полёта несколько часов и высотой до 3--5 километров;
- средние («миди») -- до 1000 кг, временем 10--12 часов и высотой до 9--10 километров;
- тяжёлые -- с высотами полёта до 20 километров и временем полёта 24 часа и более.
Классификация БПЛА
БПЛА гражданского назначения
Исторически сложилось так, что изначальное применение БПЛА определялось как боевое. Однако с начала 2000-х годов колоссальное значение стали приобретать «микро-беспилотники», разрабатываемые не для военных, а сугубо гражданских целей.
Гражданская область применения БПЛА весьма обширна: от сельского хозяйства и строительства до нефтегазового сектора и сектора безопасности. «Дроны» гражданского назначения могут использоваться в работе служб по чрезвычайным ситуациям (контроль пожарной безопасности);полиции (патрулирование зон); предприятий сельского хозяйства (наблюдение за посевами), лесничества и рыболовства (лесоохрана и контроль рыбного промысла); компаний, занимающихся геодезией (картографирование); институтов географии и геологии; компаний нефтегазового сектора (мониторинг нефтегазовых объектов); строительных предприятий (инспектирование строек); средств массовой информации (аэрофото- и видео съемка) и др.
Согласно находящимся в открытом доступе документам организаций Европейского Союза, распределение потребительского спроса на гражданские БПЛА в период с 2015 по 2020 г. выглядит следующим образом: 45 % -- правительственные структуры, 25 % -- пожарные, 13 % -- сельское хозяйство и лесничество, 10 % -- энергетика, 6 % -- обзор земной поверхности, 1 % -- связь и вещание.
В мире представлено большое количество гражданских БПЛА классификации «микро» и «мини», различающихся по своим спецификациям и набору характеристик (назначение, вес, размер, продолжительность и высота полета, система запуска и приземления, наличие систем автопилотирования и навигации, формат фото- и видеосъемки и др.). Крупнейшим в мире БПЛА является многоразовый космический корабль Буран с поправкой, что взлёт осуществляется с помощью внешней энергии (ракете), однако и сверхмалые БПЛА запускаются точно также, носителем и источником стартовой энергии выступает человек.
Беспилотная авиационная система (БАС).
Для выполнения специальных задач, в частности для применения в сельском хозяйстве, БПЛА должен рассматриваться в совокупности с его приборным оснащением и полезной нагрузкой, для чего введен термин беспилотная авиационная система (БАС).
БАС, помимо БПЛА, состоит из бортового комплекса управления, полезной нагрузки и наземной станции управления.
1. Бортовой комплекс:
Интегрированная навигационная система;
Приемник спутниковой навигационной системы;
Автопилот. Задачи автопилота:
- пилотирование:
автоматический полет по заданному маршруту,
автоматический взлет и заход на посадку,
поддержание заданной высоты и скорости полета, стабилизация углов ориентации,
принудительная посадка в случае отказа двигателя или прочих серьезных неполадок.
- программное управление бортовыми системами и полезной нагрузкой, например: стабилизация видеокамеры и синхронизация по времени и координатам срабатывания затвора фотоаппарата, выпуск парашюта.
Накопитель полетной информации.
2. К полезной нагрузке для задач аэрофотосъемки относится цифровая фотокамера, как дополнение могут использоваться видеокамера, тепловизор, ИК-камера.
3.Функции наземного пункта управления:
слежение за полетом;
прием данных.
Факторы, сдерживающие развитие рынка гражданских БПЛА.
1. На сегодняшний день развитие рынка гражданских БПЛА, в том числе и для нужд сельского хозяйства, тормозится отсутствием нормативно-правовой базы для интеграции БПЛА в единое воздушное пространство. Эта проблема не решена полностью ни в одной стране мира. В России пока предприняты только первые шаги в этом направлении. С 1 ноября 2010 года вступили в силу новые Федеральные правила использования воздушного пространства Российской Федерации. Впервые в этот документ включено определение беспилотного летательного аппарата, а также введены положения относительно порядка использования беспилотного летательного аппарата в воздушном пространстве. Однако этот документ должен быть дополнен рядом сопутствующих документов, содержащих подробные правила и инструкции. Пока что, не дожидаясь создания нормативно-правовой базы, беспилотные системы, закупают структуры, имеющие особые полномочия (пограничники, полиция, МЧС).
В настоящее время легальные запуски БПЛА в коммерческих целях осуществляются на основании разрешения, технология получения которого отработана компаниями-поставщиками БПЛА. При этом ответственность за полет лежит на операторе, который осуществляет запуск.
2. Повышенная аварийность БПЛА. В настоящее время БПЛА не снабжены системой распознавания препятствий и ухода от столкновений, кроме того, многие модели оснащены не вполне совершенными автопилотами (для удешевления стоимости и уменьшения веса бортового оборудования). Риск потери аппарата и оборудования приводит к тому, что многие компании могут предпочесть покупать не БПЛА, а летные часы у организаций, которые бы специализировались на беспилотных запусках.
3. Не урегулированы до конца вопросы сертификации, страхования, регистрации.
Технические уязвимости
*Сигналы GPS навигаторов, как и любые сигналы, принимаемые/отсылаемые БПЛА, можно перехватывать и подменять, а сами приёмники при необходимости не сложнее вывести из строя, чем любые другие электронные устройства.
*1997год. При проведении натурных испытаний была доказана возможность увода ракет наводящихся по сигналу со спутника путём подавления помехами.
*По оценке военного специалиста Владислава Шурыгина, в управлении беспилотными летательными аппаратами есть одно уязвимое звено - необходимость постоянного обмена информацией с наземными пунктами управления. Большой объём передаваемых данных требует достаточно «толстых» каналов радиосвязи, для которых очень сложно, практически невозможно, обеспечить высокий уровень надежности. В самом простом варианте, их можно попросту подавить помехами. В частности, один БПЛА GlobalHawk уже требует скорости передачи данных в 50 мегабит/сек.
*Глава исследовательского подразделения Пентагона - доверять показаниям GPS становится все труднее (2013).
GPS-спуфинг
*В 2012 году американскими учёными из Техасского университета в Остине была доказана практическая возможность взлома и перехвата управления БПЛА путём так называемого «GPS-спуфинга».
Однако, исследователи отметили, что успешный «GPS-спуфинг» можно провести только для тех аппаратов, которые используют незашифрованный гражданский сигнал GPS.
Эффективный радиус действия постановщика помех 150 км, сигнал с земли доходящий до БЛА мощнее, чем аналогичный сигнал из космоса, который в итоге не принимается.
Мировой опыт применения БПЛА
Беспилотные летательные аппараты производят в 18 странах мира, лидируют в производстве БПЛА США, Германия, Франция и Япония, Китай, в списке стран есть и Сингапур, ЮАР и даже Чешская республика. При этом большинство БПЛА - военного назначения, а пионером в применении гражданских беспилотников сельхозназначения является Япония.