VAC 05.17.00 Химическая технология
VAC 05.23.00 Строительство и архитектура
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
The article presents the history of the development of unmanned aerial vehicles. Methods for their use in wartime and peacetime. The modern trend of using vehicles for civilian purposes and for emergency rescue. A review of the historical development of unmanned aerial vehicles and the goals in front of them at different stages of their use. It presents a number of advanced scientific achievements that can be used for emergency rescue operations, such as micro robot with flapping wings. Submitted by the prospect of the establishment of centers of unmanned aircraft, and identified a number of scientific - practical problems in the application of UAVs in monitoring and dealing with emergencies The review reveals the rich history of the development of drones, high technical level of the vehicles. But at the same time it shows no sufficient level of development functionality required to meet the challenges of fire service To create an effective set of UAVs capable of solving practical problems in addition to a sound technical components necessary to create a mathematical model, a method for evaluating the performance of the algorithm, and operational management of an unmanned aircraft to control in real-time.
unmanned aerial vehicle, airplane, drone, robot, emergency center of unmanned aircraft
Введение. Начало истории беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) связано с событиями конца 19 века. В сентябре 1898 года в Медисон-сквер-гардене (Нью-Йорк) проходила ежегодная электрическая выставка. В центре зала был устроен большой бассейн. На одной из стенок его сделали причал, к которому пришвартовывался небольшой, странный на первый взгляд кораблик с длинным тонким металлическим стержнем посредине и металлическими трубками, заканчивающимися электрическими лампочками на корме и на носу (рис.1). У необычного экспоната физика и инженера Николы Теслы собирались толпы зрителей. Сигналом с пульта управления ученый заставлял кораблик плыть с различной скоростью вперед и назад, проделывать сложные маневры, зажигал и гасил электрические лампы на носу и корме [1].
Рис. 1. Дистанционно управляемый кораблик
Н. Теслы
Радиосигналы с пульта принимались антенной, установленной на кораблике, и затем передавались внутрь его, где некие устройства послушно выполняли все принятые сигналы. То есть, говоря современным языком, это была первая радиоуправляемая модель. В её корпусе помимо приемника радиосигналов и электродвигателя были электрические схемы, расшифровывающие сигналы с пульта и в зависимости от характера сигнала, включающие тот или иной режим работы двигателя, лампочек. И это всего лишь через год после получения Маркони патента на радиоприёмник. «Это мое изобретение может оказаться полезным во многих отношениях. Такие суда или транспортные средства могут быть использованы для установления коммуникаций в недоступных областях с целью их изучения или осуществления различных научных, технических и торговых задач», – было написано в описании патента, полученного Теслой на это изобретение. Это событие не осталось незамеченным в ученой среде и дало свой толчок развитию сферы управляемых объектов [2].
Несмотря на общий посыл Н. Тесла, следующим «беспилотником» оказалось не судно, а самый обыкновенный летательный аппарат. В 1903 году братья Уилбер и Орвилл Райт совершили первые полеты на управляемом человеком летательном аппарате Flyer 1, оснащенном двигателем внутреннего сгорания. Позднее в 1910 году военный инженер и изобретатель Ч. Кеттеринг, вдохновленный успехами братьев Райт, предложил создать летательный аппарат управляемый не человеком, а часовым механизмом, который в определенное время сбрасывал свои крылья и падал на врага. Спроектированный им аппарат с зарядом до 120 кг, долетев до цели, в соответствии с установленным на нем часовым механизмом, прекращал движение и падал в установленном месте, как авиабомба. По заказу армии США в 1918 году было изготовлено 45 таких беспилотников, названных «летающими торпедами». Их разработка и совершенствование продолжались до 1930 года и были завершены в связи с недостаточной эффективностью. В боевых действиях во время Первой Мировой войны разработка участия не принимала.
Параллельно с Кеттерингом разработки беспилотных самолетов велись американской фирмой «Сперри» («воздушные торпеды») и немецкой «Симменс и Гальске».
По-настоящему прорывным для беспилотников XX века стал 1933 год, который официально считается родоначальником всех дальнейших разработок. Именно в этот год, силами инженеров Великобритании был разработан первый БПЛА многократного использования [3]. Проект получил название DH.82B QueenBee. Такого рода БПЛА представляли собой отреставрированные модели бипланов FairyQueen, которыми дистанционно управляли с корабля по радио (рис. 2). Этот беспилотник имел скорость до 170 км/час, максимальную высоту подъема 5000 м и являлся первым аппаратом с возможностью повторного использования, в том числе, в качестве воздушной цели при подготовке пилотов к воздушному бою. DH.82B QueenBee служил ВВС ее Величества с 1934 года по 1943 годы.
Естественно, мимо подобного новшества во время Второй Мировой войны не могли пройти мимо ни Германия, ни СССР, ни США.
Рис. 2. БПЛА – мишень DH.82B Queen Bee
Германия использовала управляемые бомбы HenschelHs 293, Fritz X, ракеты Enzian, а также прототип крылатой ракеты самолет V-1 Vergeltungswaffe 1 (разработчики проекта Роберт Луссер и Фритц Госслау), которые успешно показали себя во время ведения боевых действий в Средиземном море. В массовое производство суждено было попасть не им. В 1944 году был выпущен самолет - снаряд (на автопилоте) с ракетным двигателем на жидком топливе «Фау-1» с дальностью полета до 240 км, скоростью до 656 км/час, высотой полета до 3050 м (рис. 3).
Рис. 3. Самолет - снаряд Фау-1
С 1942 года выпуск самолетов-снарядов продолжили «Фау-2».
В СССР времен Второй Мировой проектируемым конструкциям воплотиться в реальность не удалось, несмотря на попытки авиаконструктора Василия Никитина. Именно его стараниями существовал проект беспилотной летающей ракеты, чья дальность полета составляла от 100 км и более при скорости в 700 км/ч, но как уже говорилось, проект остался лишь на бумаге. В Советском Союзе в 1933 году в Подмосковье состоялись перелеты автопилотируемого, а затем радиоуправляемого самолета ТБ-3 конструкции Р.Г. Чачикяна, но в связи с колебаниями скорости другими техническими причинами полет корректировал пилот.
1935 году осуществлен проект планера с торпедой на борту специального назначения ПСН, который подвешивался под крыло самолета ТБ-3, но в 1940 году проект был закрыт.
Работы по созданию БПЛА в СССР продолжались в 1940–1941 годах, когда были созданы и проводились испытания самолета с телеуправлением ТБ-3 «Бомба» (Р.Г. Чачикян), СБ, УТ-3. На их основе предполагалось наладить производство телемеханических самолетов-мишеней и бомбардировщиков. Но началась война. В 1941 году радиоуправляемые бомбардировщики применялись в качестве беспилотников для уничтожения мостов и других стратегических объектов.
В США в это время были созданы радиоуправляемые беспилотники на базе самолета В-17, BQ-7 «Кастор» – радиоуправляемый самолет-снаряд, а в 1950–1953 г.г. – радиоуправляемые бомбы «Tarzon».США в отличие от СССР пошли по стопам Великобритании и запустили в массовое производство беспилотники Radioplane QQ-2, которые использовали как самолеты-мишени. Более того, за время Второй Мировой, фирма Radioplane создала для ВВС США почти 15 тысяч подобных БПЛА, в том числе модели QQ-3 и QQ-14. Наиболее успешной разработкой США можно считать беспилотный ударный бомбардировщик Interstate TDR-1 (рис.4), который сравним лишь с Фау-1 и может считаться первым в мире беспилотным летательным аппаратом подобного типа и специализации.
Рис. 4 Модель американского Interstate TDR-1
До 1944 года было выпущено несколько модификаций TDR-1: XTDR-1, TDR-1, XTD2R-1, XTD3R-1, XTD3R-2, TD3R-1. Однако, несмотря на обилие модификаций, в серийный выпуск попали лишь сам TDR-1 – более 180 штук и TD3R-1 – заказ в 40 штук, который позже был отменен [4].
В послевоенные годы работы по проектированию БПЛА в передовых странах мира продолжились. С 1955 и до конца 1990-ходов беспилотники использовались, в основном, для сбора разведданных, фотосъемок. В этот период в США созданыбеспилотникиRyanFirebee JB-2 «Loon», LockheedMartin М-21 и D-21, «Pioneer» RQ-2A, MQ-1 «Predator» и их модификации.
Несмотря на то, что после Второй Мировой войны БПЛА так или иначе активно использовались лишь США и СССР, на данный момент ведущим лидером в разработке и применении беспилотников считается именно США. Достаточно сказать лишь то, что в 2012 году беспилотные летательные аппараты, состоявшие на вооружении ВВС США, составили 7494 штук, в то время как пилотируемых аппаратов насчитывается почти 11 тысяч.
В 2000-х годах получило дальнейшее развитие создание беспилотников нового поколения. Среди них – беспилотные вертолеты, а также беспилотники различного назначения: от небольших малозаметных самолетов-разведчиков до ударных истребителей – бомбардировщиков с увеличенным размахом крыльев, способных осуществлять взлет и посадку с современных авианосцев. Такие БПЛА способны осуществлять запуск неуправляемых ракет со своего борта.
В данный момент по значимости развития технологий в данной сфере необходимо отметить не только США, но и Россию, Израиль, а так - же Великобританию, расширившую свой парк беспилотных летательных аппаратов в марте 2014 года.
Гражданские беспилотные летательные аппараты. Однако, несмотря на развитие БПЛА в военной сфере, нельзя забывать и о гражданском применении данных аппаратов [5]. Во-первых, подобных аппаратов с каждым годом появляется все больше и больше. Во-вторых, некоторые из аппаратов разработанных частными компаниями являются более развитыми в технологическом плане за счет своей узкой специализации и малых объемов производства, что позволяет инженерам более оперативно реагировать на изменение рынка потребителей. Среди множества проблем реализации таких проектов - обеспечение безопасности граждан от падений аппаратов и их устойчивая работа. Решения проблемы пространственной устойчивости данных аппаратов частично описаны в работах [6, 7].
Беспилотные летательные аппараты с машущим крылом. Американские исследователи из Гарвардского университета продемонстрировали новые возможности своих крошечных летающих роботов-насекомых, которые могут стать прототипами миниатюрных беспилотных летательных аппаратов нового поколения. Эти роботы, RoboBee, делают 120 взмахов в секунду своими тончайшими крыльями, быстрее, чем может увидеть человеческий глаз. И только в последнее время исследователям удалось разработать и реализовать методы управления взмахами крыльев, приводимых в действие пьезоэлектрическими приводами, которые позволили стабилизировать полет и сделать его управляемым.
Каждое крыло RoboBee управляется независимо в режиме реального времени. Это позволяет осуществить моментальную реакцию на мельчайшие изменения в окружающих потоках воздуха, что приводит к высокой стабильности аппарата во время полета. Решение проблемы движения машущего крыла рассматриваются отечественными учеными [8, 9, 10].
Исследователи говорят, что их разработка может привести к появлению в будущем крошечных беспилотников, которые будут заниматься экологическим контролем, разведкой и наблюдением при проведении поисково-спасательных операций и даже искусственным опылением сельскохозяйственных культур. Но самым существенным достижением они считают разработку новых материалов, компонентов и производственных технологий, которые могут быть использованы и во множестве других областей [11]. Мониторинг развития чрезвычайных ситуаций, поиск людей в труднодоступных условиях, возможность обследовать здание в котором произошел пожар с целью определения очага пожара и наличия пострадавших - это уникальные возможности, которые обещают открыть спасателям создатели микро роботов.
Развитие беспилотной авиации МЧС России. Беспилотные летательные аппараты широко используются в системе МЧС России для управления в кризисных ситуациях и получения оперативной информации. Первые беспилотные летательные аппараты поступили в МЧС России в 2009 году.
На сегодняшний день МЧС России планирует создать в Крымском федеральном округе центр беспилотной авиации [12].
По словам министра В. Пучкова, центр беспилотной авиации, созданный в Крыму, позволит постоянно мониторить всю территорию полуострова, в том числе, горного кластера, моря и прибрежной территории. Комплексный мониторинг позволит существенно снизить риск возникновения чрезвычайных происшествий.
В создаваемых центрах планируется внедрение системы воздушного оповещения на беспилотниках, предназначенная для оперативного информирования населения о ЧС. Для решения этой задачи, требуются не просто легкие квадрокоптеры, а серьёзные аппараты, способные нести профессиональное видеооборудование и передающую технику.
Выводы. Создание центров беспилотной авиации в трех южных федеральных округах серьезный шаг в практическом использовании БПЛА. Именно в этих регионах специфика горной местности, обширного побережья, большого количества туристов и наличие объектов нефтегазовой отрасли обуславливают необходимость использования беспилотников.
Освоение в МЧС беспилотной техники сталкивается с множеством проблем. От нехватки обученного персонала до слабого материально технического обеспечения комплектующими, отсутствия специализированных БПЛА способных выполнять конкретные задачи [13]. В комплексе эти сложности привели к использованию беспилотников только на учениях и на особо крупных, затяжных пожарах. В создаваемых центрах аппараты будут совершать ежедневный облет контролируемой территории, находится в круглосуточном дежурстве. Центры планируется укомплектовать современной техникой специализированной на решения задач МЧС России, такими как система оповещения «Тревога-1». Работа в таких условиях станет настоящим испытанием практической способности аппаратов выполнять задачи в режиме постоянного функционирования.
В последние время производители аппаратов шагнули вперед в понимании целей и задачей применения БПЛА при ликвидации чрезвычайных ситуаций. Это создает благоприятную среду заинтересованности производителей в практической и научной поддержке со стороны МЧС. Дальнейшее развитие сотрудничества в создание математической модели, метода оценки эффективности функционирования и алгоритма оперативного управления беспилотным летательным аппаратом для мониторинга природных и техногенных явлений разрушительного и пожароопасного характера в режиме реального масштаба времени позволит создать эффективный комплекс БПЛА способный решить практические задачи.
1. Zagadki izobreteniy Nikoly Tesly [Elektronnyy resurs] // Patentnoe agentstvo Dmitriya Romanenko - (http://www.romanenko.biz/ru/library/article_tesla.html). - (dostup 25.02.2015).
2. Istoriya razvitiya BPLA [Elektronnyy resurs]// ScienceDebate - (http://sciencedebate2008.com/development-of-unmanned-aerial-vehicles). - (dostup 25.02.2015).
3. Pervye bespilotniki [Elektronnyy resurs] // Al'ternativnaya Istoriya - (http://alternathistory.org.ua/pervye-bespilotniki). - (dostup 25.02.2015).
4. TDR-1. Udarnyy BPLA. Proekt «Variant». SShA [Elektronnyy resurs]// LIVEJOURNAL - (http://alternathistory.livejournal.com/964529.html). - (dostup 25.02.2015).
5. Vytovtov A.V., Kalach A.V., Razin'kov S.Yu. Sovremennye bespilotnye letatel'nye apparaty // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2015. № 4. S. 70-74.
6. Popov N.I., Emel'yanova O.V., Yacun S. F., Savin A.I. Issledovanie kolebaniy kvadrokoptera pri vneshnih periodicheskih vozdeystviyah // Fundamental'nye issledovaniya. №1. 2014. S. 28-32.
7. Popov N. I., Emel'yanova O. V., Yacun S. F., Savin A. I. Issledovanie dvizheniya kvadrokoptera pri vneshnem periodicheskom vozdeystvii // Spravochnik. Inzhenernyy zhurnal (s prilozheniem). S. 12-17.
8. Efimov S.V., Yacun S. F., Naumov G.S. Kinematicheskiy analiz prostranstvennogo dvizheniya kryla ornitoptera // Vibraciya - 2014. Vibracionnye tehnologii, mehatronika i upravlyaemye mashiny: mater. XI mezhdunar. nauch. - teh. konf. v 2t. T.2/ FGBOU VPO YuZGU. Kursk, 2014. 424s. S.273-281.
9. Efimov S.V., Polyakov R.Yu., Mozgovoy N.V. Issledovanie upravlyaemogo sinhronnogo dvizheniya letayuschego robota s mashuschim krylom pri vzlete // Elektrotehnicheskie kompleksy i sistemy upravleniya №3(35). 2014. S. 28-33.
10. Efimov S.V., Yacun S. F., Naumov G.S. Modelirovanie odnogo iz variantov dvizheniya kryl'ev ornitoptera vo vremya poleta// Vibraciya - 2014. Vibracionnye tehnologii, mehatronika i upravlyaemye mashiny: mater.XI mezhdunar. nauch. - teh. konf. v 2t. T.2/ FGBOU VPO YuZGU. Kursk, 2014. S. 205-219.
11. Ma, Kevin Y., Chirarattananon, Pakpong, Fuller, Sawyer B., Wood, Robert J. Controlled Flight of a Biologically Inspired, Insect-Scale Robot //Science 340 (6132). 2013. S. 603-607.
12. MChS planiruet sozdat' v Krymu centr bespilotnoy aviacii [Elektronnyy resurs] // IA REGNUM - (http://www.regnum.ru/news/polit/1892359) - (dostup 25.02.2015)
13. Voropaev N.P. Primenenie bespilotnyh letatel'nyh apparatov v interesah MChS Rossii// Vestnik Sankt-Peterburgskogo universiteta GPS MChS Rossii (elektronnyy zhurnal) №4. 2014. S. 13-17.
