Современные беспилотные летательные аппараты (БПЛА) стали незаменимым инструментом в геодезии, картографии, мониторинге объектов, оборонной и разведывательной сферах. Однако, их возможности ограничены точностью и надежностью бортовых сенсоров — в первую очередь, инерциальных навигационных систем (ИНС) и магнитометров. Квантовые датчики — это новое поколение измерительных устройств, использующих фундаментальные принципы квантовой механики для регистрации физических величин. Их интеграция в БПЛА открывает новые перспективы, позволяя выполнять задачи, ранее считавшиеся невозможными или крайне затратными.
Основу работы квантовых датчиков составляют квантовые состояния атомов и фотонов, изменяющиеся под воздействием внешних полей. К их ключевым физическим принципам относятся:
- Квантовые магнитометры. Работают на основе квантовой когерентности и оптической накачки. Атомы щелочных металлов (рубидий, цезий) в газовой ячейке переходят в идентичные квантовые состояния под действием лазерного излучения [1]. Внешнее магнитное поле вызывает прецессию спинов атомов с Ларморовской частотой, пропорциональной величине поля. Измерение этой частоты позволяет определять магнитное поле с исключительной точностью [2].
- Атомные интерферометры (гироскопы и акселерометры). Используют волновые свойства атомов. Атомные волны разделяются и затем рекомбинируют, образуя интерференционную картину. Вращение или ускорение системы вызывает фазовый сдвиг между путями атомов, что изменяет интерференционную картину. По этим измерениям вычисляются угловые скорости и ускорения.
- Квантовая суперпозиция. Во многих датчиках атомы находятся в суперпозиции двух энергетических состояний. Внешние поля изменяют относительную фазу между этими состояниями, что детектируется с помощью лазерных импульсов.
К их ключевым преимуществам относятся:
- Высочайшая точность и чувствительность: квантовые датчики способны обнаруживать ничтожные изменения магнитного поля или ускорения.
- Абсолютная точность: они не требуют внешней калибровки, так как основаны на фундаментальных физических константах.
- Стабильность: показания не дрейфуют со временем, в отличие от классических гироскопов и акселерометров.
- Автономность: для навигации не требуется сигнал GPS/ГЛОНАСС.
Основные типы квантовых датчиков, перспективных для БПЛА:
- Квантовые магнитометры (например, на основе эффекта оптической накачки — OPM): измеряют магнитное поле Земли с беспрецедентной точностью. Способны обнаруживать подводные лодки, подземные сооружения, объекты из ферромагнитных материалов и проводить геологическую разведку.
- Квантовые гироскопы (атомные интерферометры): измеряют угловую скорость с высочайшей точностью. Являются основой для ИНС, не требующей внешних сигналов.
- Квантовые акселерометры: измеряют линейное ускорение. В сочетании с квантовым гироскопом создают сверхточную навигационную систему.
- Квантовые градиентометры: измеряют разность магнитного поля между двумя точками, что позволяет «отфильтровать» фоновый шум и выделить локальные аномалии.
Интеграция квантовых датчиков в БПЛА позволит совершить прорыв в следующих областях:
- Подземная и подводная разведка (Магнитометрия). БПЛА с квантовым магнитометром сможет с высокой детализацией картографировать магнитные аномалии под поверхностью земли. Аналогично, можно обнаруживать подводные лодки или затонувшие объекты по их искажению магнитного поля Земли.
- Сверхточная навигация в условиях отказа GPS (PNS — Quantum Positioning, Navigation and Timing). Связка квантовых гироскопов и акселерометров создаёт инерциальную систему с дрейфом 10 м/час, что на 2-3 порядка лучше классических ИНС. Это позволит решить проблему навигации при отсутствии GPS [5].
- Геологоразведка и поиск полезных ископаемых (нефть, газ, руды) по их гравитационным и магнитным аномалиям. Квантовые градиентометры будут картографировать локальные магнитные и гравитационные аномалии для поиска полезных ископаемых.
- Фундаментальная наука и мониторинг окружающей среды, то есть изучение гравитационного поля Земли, мониторинг вулканической активности, уровня грунтовых вод. Сверхчувствительные измерения гравитационных вариаций с помощью БПЛА помогут создавать более точные модели планеты и предсказывать природные катастрофы.
Хотя квантовые датчики можно устанавливать и на наземной технике, и на пилотируемых самолетах, БПЛА являются для них идеальной платформой по нескольким причинам:
- Низкий уровень вибраций: по сравнению с пилотируемыми самолетами, БПЛА (особенно мультикоптеры) создают менее вибрационную среду, что критично для работы чувствительных квантовых сенсоров;
- Гибкость и доступность: БПЛА могут работать на малых высотах, в опасных или труднодоступных зонах, обеспечивая высокое разрешение данных;
- Стоимость: эксплуатация БПЛА является экономически эффективной, что делает дорогостоящие квантовые технологии более доступными для широкого применения [4].
Несмотря на огромный потенциал, внедрение квантовых датчиков в БПЛА сталкивается с рядом сложностей:
Таблица 1.
Основные сложности внедрения квантовых датчиков в БПЛА и пути их решения
|
Сложности |
Пути решения |
|
1. Громоздкость и большое энергопотребление (лабораторные прототипы часто громоздки и требуют сложных систем охлаждения (например, лазеров, вакуумных камер) |
Активные исследования в области чиповых технологий, интегральной фотоники и использования холодных атомов, а также создание прототипов, размеры которых будут более компактными. |
|
2. Чувствительность к внешним воздействиям (квантовые датчики могут быть чувствительны к вибрациям, температуре и электромагнитным помехам от самого БПЛА) |
Разработка систем пассивной и активной стабилизации, магнитной экранировки и алгоритмов компенсации шумов. |
|
3. Высокая стоимость (производство квантовых датчиков остаётся дорогостоящим) |
По мере развития технологий и начала серийного производства ожидается значительное снижение стоимости, как это произошло с другими высокими технологиями (например, GPS-приемниками) [3]. |
Интеграция квантовых датчиков с БПЛА открывает новые возможности для автономной навигации и разведки. Несмотря на технологические сложности, появление серийных образцов ожидается в ближайшие 5-7 лет. Это создаст качественно новые возможности для обороны, геологоразведки и мониторинга инфраструктуры.
Список литературы
- Будкевич А. В., Кузьмич Ю. М. «Квантовые сенсоры: от фундаментальных основ к приложениям в навигации и геофизике» // Успехи физических наук. — 2020. — Т. 190, № 12. — С. 1333-1358.
- Иванов А. В., Петров С. К. «Квантовые сенсоры в аэрокосмических системах». — СПб.: Изд-во СПбГУ ГА, 2021. — 234 с.
- Квантовые вычисления и квантовые сенсоры: дорожная карта развития. — М.: Сколковский институт науки и технологий, 2022. — 89 с.
- Михайлов А. С., Волков П. А. «Экономическая эффективность применения БПЛА с квантовыми сенсорами для геологоразведки» // Труды СПбГУ ГА. — 2023. — № 2 (59). — С. 41-49.
- Сидоров П. Н., Козлов М. И. «Перспективы интеграции квантовых магнитометров в беспилотные авиационные комплексы» // Труды СПбГУ ГА. — 2022. — № 4 (56). — С. 45-52
