Применение беспилотной авиации в исследованиях Арктики

В современный век человек постоянно совершенствуется, изобретает всё новое, ранее не изведанное. Одним из лучших достижений мировой науки является изобретение беспилотной техники. Это стало большим прогрессом, шагом вперед для возможностей и развития человечества.

Беспилотный летательный аппарат (БПЛА) – это летательный аппарат без экипажа на борту, способный целенаправленно самостоятельно перемещаться в воздухе для выполнения различных функций в автоматическом режиме или посредством дистанционного управления. В разговорной речи данное устройство называют беспилотник или дрон. [1, с. 8]

Первыми беспилотную технику применили австрийские военные в 1849 году для воздушной бомбардировки при осаде Венеции. А в 1898 году знаменитый физик Никола Тесла смастерил миниатюрное радиоуправляемое судно. Это и послужило началом эры управляемых беспилотных объектов. [2, с. 90]

Основным преимуществом БПЛА является существенное уменьшение габаритов в сравнении с обычными летательными аппаратами, ведущее к минимуму их стоимости, затратам на эксплуатацию, выполнение манёвров с перегрузками, превышающими физические возможности человека и многое другое. [3, с. 272]

При этом существует и проблемы эксплуатации БПЛА, такие как уязвимость систем дистанционного управления, каналов связи (сигналы GPS навигаторов), погодные условия, необходимость в лёгком, экономичном, энергоёмком двигателе для обеспечения многочасового нахождения БПЛА в воздухе. [4, с. 312]

Несмотря на это, сегодня применение беспилотной техники является одной из самой востребованной и перспективной в авиации. 

Изобретение беспилотников относится к области жизненных потребностей человека. Крайне важно их оперативное использоваться при отсутствии связи со спасателями и для поиска людей в сложных условиях арктического климата. [5]

БПЛА в сложных условиях Севера могут решать разведывательные задачи, такие как обнаружение морских судов, малоразмерных наземных и воздушных объектов; геологоразведка; картография и аэрофотосъемка; соблюдения правил рыболовства и контроль морских границ; сопровождением кораблей и судов, разведка ледовой обстановки, слежение за состоянием моря, также можно посылать нефтяным платформам и судам сигналы об айсбергах, использовать для поиска косяков рыб, подсчёта количества особей в популяциях (белых медведей, моржей), предупреждать рыбные фермы об угрозе распространения водорослей; мониторинг и охрана стратегических объектов (нефте- и газопроводы, трубопроводы топливно-энергетических компаний). [6, с. 107]

Беспилотные аппараты, летающие на низких и средних высотах, используют и как курьеров. С их помощью возможно обеспечение жертв аварий предметами первой необходимости, доставка медикаментов в отдаленные селения. Тем самым они приносят неоценимую пользу жителям Крайнего Севера и работникам Арктики.

Сфера применения дронов постоянно расширяется. Выполнение этих задач возможно благодаря отличным летным характеристикам беспилотников. [7]

Арктика – это район Земли, примыкающий к Северному полюсу. Климатические условия этого региона являются одними из самых суровых на планете, и считаются неблагоприятными для исследований.

Тем не менее к этому необычному краю учёные проявляют большой профессиональный интерес, так как изучение арктических особенностей поможет решить глобальные экономические и экологические проблемы общества.

На сегодняшний день наилучшим способом исследования Арктики можно осуществлять с помощью беспилотников. Долгое время они считались неподходящими для этого из-за сложных арктических погодных условий. Но наука не стоит на месте, и в результате стремительного развития технологий они стали прочнее и надежнее. Важно и то, что БПЛА во время полетов не нарушают хрупкую экологию этого региона.

Развитие беспилотной авиации за десятилетие показало востребованность данного вида робототехнических систем в труднодоступных регионах. Выполнение поисковых работ с их помощью осуществляется гораздо оперативно и менее затратно.

«Арктическая зона Российской Федерации лучше всего подходит для опережающего внедрения беспилотных авиационных систем. Соответствующая потребность увеличивается в связи с активным развитием Северного морского пути, добывающей промышленности и туризма в Арктике. Область применения беспилотников в этом макрорегионе в ближайшей перспективе будет охватывать создание цифровых моделей местности, поиск и спасение людей, автоматизированную доставку грузов, мониторинг инфракструктуры и природной среды», - доложил на пресс-конференции руководитель проектов ассоциации «Аэронет» Александр Залецкий. [8]

Совершенствование применения беспилотных авиационных систем в Арктике реально при внедрении их в общее воздушное пространство. Наибольшей проблемой при увеличивающейся загруженности воздушного движения в Арктической зоне являются одновременные полеты пилотируемых и беспилотных воздушных судов.

Для решения этой задачи необходим тщательный подход к вопросу о прямом взаимодействии и приборном наблюдении всех воздушных судов. При рациональном применении бесплотных авиационных технологий в Арктике сделает этот регион современным, оснащенным цифровой автоматизацией.

Тем не менее применение беспилотников на высоких широтах тоже обусловлено техническими сложностями, например такими как суровые метеоусловия, влияние внешних помех на радионавигационное обеспечение, отсутствие наземной инфраструктуры и др.

Продолжительность полета и сроки эксплуатации во многом зависят от силовых установок беспилотных аппаратов. В каждом виде элементов питания БПЛА есть свои как положительные, так и отрицательные стороны. Беря во внимание бензиновый двигатель, можно точно сказать, что он обеспечивает большую дальность полета за счет того, что при сгорании топлива, энергии выделяется больше, чем у аккумулятора. Но при этом применение двигателя имеет и ряд недостатков. Например, непростая конструкция и то, что много времени затрачивается на его подготовку перед вылетом. К тому же, работа на бензиновом двигателе наносит вред экологии, так как при сгорании топливо выбрасывает в атмосферу углекислый газ, что приводит к загрязнению окружающей среды. [6]

А вот аккумуляторная батарея экологична и намного проще в обслуживании. При этом у батареи есть такой недостаток, как влияние низких температур Арктики на её работоспособность и срок службы, при которых снижается мощность аккумуляторной батареи, и тем самым это может привести к нарушению надежности работы беспилотника. [9, с. 192]

Таблица 1

Эксперимент с БПЛА в различных погодных условиях

№ п/п	Заявленные технические характеристики	Этап эксперимента	Полетное время, мин	Продолжительность зарядки аккумулятора, мин	Работа HD камеры
1	Полетное время- 20 минут	Этап 1	10	150	соответствует HD
2	Продолжительность зарядки аккумулятора – 150 мин.	Этап 2	10	150	соответствует HD
3	Работа HD видеокамеры – качество	Этап 3	10	150	соответствует HD

С целью выявления влияния отрицательных погодных условий на полет БПЛА, был проведен научный эксперимент с квадрокоптером Hubsan X4. Давайте рассмотрим этапы эксперимента в таблице 1. В заявленных характеристиках данного аппарата писалось о том, что емкости аккумуляторной батареи достаточно для продолжительности полета 20 минут. Условия испытания – зимнее время года и поэтапность:

1) при температуре воздуха -15⁰С;

2) при температуре воздуха -22⁰С и боковом ветре 5-7 м/с;

3) при температура воздуха -8⁰С и наличие осадков в момент запуска.

Подводя итоги проведенного эксперимента стало очевидно, что сократилось заявленное время полета в половину. Низкие температуры воздуха не влияли на работу видеокамер, хотя при выпадении осадков корпус и камера коптера покрылись наледью. При боковом ветре квадрокоптер заносило в стороны, тем самым уменьшая его скорость.

Соответственно, проведенные испытания подтвердили тот факт, что аккумуляторная батарея несовершенна для применения у беспилотника. Важно так же обратить внимание на то, что аккумулятор имеет большой вес и габариты, тем самым являясь помехой для размещения научного оборудования на летательном аппарате. Таким образом, все эти проблемы требуют подробного изучения и решения. [10]

Еще одной проблема - это обледенение конструкции. На сегодняшний день в авиации все летательные аппараты перед вылетом подвергаются наземной обработке противообледенительной жидкостью. Корка изо льда очень быстро покрывает БПЛА в арктическом небе, что приводит к нарушению работы приборов, к опасности полёта.

Существуют жидкостные противообледенительные (ПОС) и электрические системы. К сожалению, оба этих вида не идеальны, потому что жидкостным системам нужен большой запас гликолевого раствора, а электрические ещё и потребляют большое количество энергии, что отрицательно сказывается на продолжительности полета беспилотника. Технически выполнение таких операций не просто и к тому же довольно таки затратно. [11, с. 49]

Основу навигационных систем беспилотных аппаратов составляют приёмники глобальных систем спутниковой навигации (ГССН), совмещенные с инерциальными датчиками пространственной ориентации. При хорошем сигнале связи, такая система обеспечивает достаточно точное местоположение летательного объекта и параметры его движения.

БПЛА снабжены большим количеством датчиков и электронных приборов, среди которых компас, гироскоп, GPS, видеокамеры формата HD, инфракрасные датчики и другие более прогрессивные системы стабилизации и ориентации в пространстве.

Многокамерные беспилотные аппараты способны создавать цифровые модели местности, ортофотопланы, 3D-модели для актуализации топографических съемок, что в условиях Арктики необходимо для роста, развития экологического и познавательного факторов.

Навигационное обеспечение влияет на безопасность, надёжность и экономические характеристики выполнения полета, поэтому особо важна возможность обеспечения точности определения координат, непрерывность и целостность передачи данных о положении БПЛА при их эксплуатации на высоких широтах. [12]

Во многих технологически развитых странах мира создают БПЛА тысячами, интерес к ним всё больше проявляется во многих сферах человеческой деятельности. Они отличаются конструкциями, размерами и функциональными возможностями, бывают различного назначения и применения, помогают человеку в труднодоступных местах, а порой и полностью заменяют людей. Большая территория Севера, сложные климатические условия, низкие температуры воздуха делают применение беспилотников необходимыми в данном регионе.

В планах исследователей много целей и задач, среди которых на первом месте – решение проблемы по увеличению продолжительности полета БПЛА. [13, с.338]

Летательные аппараты средней дальности полета являются наиболее востребованными. Техника данного класса с вертикальным взлетом и посадкой в этом непростом крае незаменимы – беспилотникам вертолетного типа не нужна специальная полоса, у них большая манёвренность и они могут зависать над объектом. [14, с. 68]

Конструкторами многих стран, в том числе и России, ведутся разработки, испытания различных типов БПЛА, которые представляют широкому кругу заинтересованных лиц в области использования данной современной техники. Многие из них применимы и для условий Арктики.

На форумах и различных выставках отечественные предприятия представляют перспективные проекты беспилотных комплексов, их экспериментальные экземпляры, в том числе способных эффективно работать и в суровых условиях Арктики. В настоящее время в нашей стране уже имеются беспилотники, способные выполнять полеты в климатически экстремальных условиях. [15]

Так, специалистами Омского государственного технического университета создана новая модификация БПЛА – ПП-50, которая изготовлена из новейших композиционных материалов с улучшенными характеристиками. В отличии от своих предшественников эта модель может находиться в воздухе большое количество времени, эксплуатироваться до скорости ветра 15 м/с и выдерживать резкие перепады температур. При конструировании данного агрегата применялись 3D-технологии. Корпус изготовлен из материалов на основе прочных кевларовых сот и углепластиков.

БПЛА стал основой для создания подвесного поискового комплекса «Взор», включающего в себя фото-, видеоаппаратуру, тепловизоры. Технические характеристики данного летательного аппарата позволяют применять его для патрулирования в условиях Арктики. Но при этом всё же необходимо учесть, что в данных климатических условиях скорость ветра может достигать до 50 м/с, а значит использование данной модели беспилотника не всегда может быть возможным.

Концерн «Калашников» представил для применения в районах Севера разработку беспилотного малогабаритного комплекса Zala Arctic, предназначение которого – круглогодичный мониторинг окружающей среды. Данный летательный аппарат способен обнаруживать суда на расстоянии до 100 км. Он способен находиться в воздухе около четырёх часов и выполнять задачи при скорости ветра 25 м/с и температуре до -50⁰С. Но и для этого агрегата тоже еще нужны доработки. К примеру, испытатели трудятся над решением такой проблемы, как приземление данного беспилотника на арктический корабль.

Московская компания ADA Aerospace разработала и представила выставочные экземпляры конвертопланов Triada дальностью полета от 80 до 1,6 тыс. км. Данные аппараты могут находиться в воздухе от одного до восьми часов при температуре до -50⁰С. Эти изобретения еще находятся в стадии разработки, и конструкторы проводят для них испытания современных мощных источников питания. Преимущества конвертопланов заключаются в их вертикальном взлёте и горизонтальной посадке, что значительно облегчает процесс эксплуатации данного вида техники. При этом лайнер уступает по скорости самолету, а по надежности – вертолету.

Отечественные инженеры трудятся над перспективных робототехническим аппаратом «Тень-2» с повышенной автономностью и изменяемой геометрией корпуса. Главная задача данного изобретения – проведение сейсморазведки, которое должно работать подо льдами и уверенно справляться с сильными волнениями воды. У учёных большие надежды на использование этого мощного аппарата в условиях Севера. Задумка разработчиков заключается в том, что «Тень-2» будет состоять из подводно-надводного робота, который станет носителем малогабаритных беспилотников со сейсмоприёмными датчиками, а также способных отбирать и анализировать пробы воды и грунта.

Российские испытатели конструкторского бюро «Русь» разрабатывают беспилотный вертолет-тяжеловоз R-2200, способный перемещать грузы на расстоянии до 200 км весом до 80 кг, что составляет средний вес оборудования для геологической разведки и нефтедобычи, приземляться на движущуюся грузовую платформу или качающуюся палубу корабля в труднодоступных районах Севера, Сибири и Дальнего Востока. В планах конструкторов оснастить данный беспилотник современной противообледенительной системой. Безусловно, специалистам предстоит колоссальная трудоёмкая работа, чтобы осуществить всё задуманное, связанное с воплощением всех разработок. Так, система посадки на качающуюся палубу корабля является достаточно очевидным решением, но вызывает большие сложности в её реализации. Например, агрегат оснащен чувствительными приборами, и совершать его посадку жёстко нельзя, а имеющиеся системы обеспечивают это с недостаточной надёжностью. [13]

ОАО «Горизонт» г.Ростов-на-Дону совместно с австрийской фирмой Schiebel создали производство многоцелевых беспилотных вертолетов Camcopter S-100, с названием комплекса БАК «Горизонт Эйр S-100». Летательный аппарат разработан как вертолет вертикального взлета-посадки, с полностью автономной навигацией по точкам маршрута и приземления с помощью систем ГЛОНАСС и GPS, для которого не требуется ни взлетно-посадочная полоса, ни специальное наземное авиационное оборудование. Данный аппарат может базироваться на морских платформах, водных сооружениях, судах, предназначен для обеспечения безопасности на море, участия в поисково-спасательных мероприятиях при возникновении чрезвычайных ситуаций, осуществления проводки судов в сложных ледовых условиях и др. [16]

Отечественная программа по созданию беспилотной техники призвана преодолевать сильное отставание от ведущих стран мира в данной области. Но несмотря на имеющиеся трудности, большое количество российских компаний выпускает достаточно качественные образцы БПЛА малого радиуса действия, способных совершать полеты на малых высотах. За внедрением беспилотных летательных аппаратов - будущее нашей страны и всего мира. Решение перечисленных задач возможно путем создания различных модификаций беспилотных авиационных комплексов (БАК).

Развитие БПЛА в настоящее время впечатляет, однако в будущем прогнозируется рост технологий в данной сфере. В первую очередь это касается беспилотников с электрическими силовыми установками как наиболее экономически выгодными. Увеличение продолжительности полета реально при использовании солнечных панелей или высокотехнологичных аккумуляторных батарей, а грузоподъемности – за счет облегчения конструкции и более мощных, но экономичных двигателей.

В перспективе важно получить от ученых разработки летающих танкеров-беспилотников, способных осуществлять дозаправку в воздухе и аппаратов с электрическими батареями, дистанционно получающими энергоснабжение при помощи лазерного луча.

Будущим в беспилотной авиации станут аппараты с нейросетью под управлением искусственного интеллекта. Так к примеру, в Калифорнии разрабатывают беспилотники, летающие на небольшой высоте и способные облетать вокруг движущихся и неподвижных объектов. Американские ученые трудятся над созданием дрона, способного автономно перемещаться в труднодоступных местах, используя искусственный интеллект и компьютерные технологии.

Для туризма будет полезен многокамерный квадрокоптер, умеющий самостоятельно составлять карту окружающих объектов, на основании которой он сможет выстроить траекторию своего движения.

Развитие беспилотной авиационной техники важно и актуально, так как эта область приборостроения позволяет решать большой спектр задач, в том числе и в условиях Арктики. На сегодняшний день в нашей стране издаются законы, позволяющие задействовать БПЛА в различных направлениях деятельности. Устранив возникающие сложности, у России есть все шансы стать лидирующей державой в данной отрасли. Применение беспилотных летательных аппаратов дает человечеству преимущества и большие возможности в гражданской и военной сферах. [15]