Введение
В наше время многие развивающиеся страны выделяют из бюджета немаленькие деньги на совершенствование и разработку новых образцов беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), а также на разработку и производство беспилотных авиационных систем (БАС). Во время военных действие не редкостью стали случаи, когда при решении боевой или учебной задачи командование отдавало предпочтение цифровой машине, нежели летчику. Причина для такого выбора – беспрерывность работы дрона и выносливость.
Расходы на создание новых и модернизацию существующих БАС и БПЛА непрерывно растут даже в периоды общего снижения деловой и промышленной активности в авиастроении. Двигателями развития беспилотной техники явились и пока остаются военные применения. Тем временем, идеи гражданских применений беспилотных аппаратов не только широко обсуждаются, но уже находят воплощение в ряде проектов, пока преимущественно экспериментальных, но с очевидным коммерческим потенциалом.
Беспилотники не самостоятельны, действия их контролируются с земли, однако в скором будущем эта ситуация может в значительной мере измениться.
Цель работы – рассмотреть перспективы развития беспилотных летательных аппаратов.
В соответствии с целью работы решаются следующие задачи:
-
Исследовать историю создания беспилотных летательных аппаратов.
-
Изучить классификацию беспилотных летательных аппаратов.
-
Представить конструкцию малых беспилотных летательных аппаратов на примере мультикоптера.
-
Рассмотреть перспективы развития БПЛА.
[править] СССР/Россия
В Советском Союзе БПЛА начали проектироваться в 1957 году КБ имени Туполева. Первым проектом стал БПЛА Ту 121, со взлетной массой 35 т, с проектной максимальной скоростью до 2700 км/ч на высоте 22000 м и дальностью до 4000 км. Самолёт должен был входить в автономный мобильный комплекс, который состоял бы из нескольких таких самолётов и средств наземного базирования, которые бы автономно могли передвигаться на расстояние до 500 км. Для этого пришлось решать ряд нехарактерных для авиационного КБ проблем по производству наземного оборудования, а также необычных технических решений в связи с отсутствием пилота, позволивших применять особые конструкции корпуса, воздухозаборников, двигателей. Работы по данному проекту были завершены в 1960 году, и наработки проекта легли в основу создания одиночного дальнего беспилотного самолета-разведчика «Ястреб» ДБР-1. К 1964 году испытания БПЛА были завершены и в 1965 году запущено серийное производство. «Ястреб» развивал максимальную скорость в 2700 км/ч, практическая дальность составила около 4000 км а высота полета 19-22 км. К 1972 году были выпущены новые оперативно-тактические комплексы БПЛА разведки «Рейс» и «Стриж». Комплекс «Рейс» в начале 1980-х был глубоко модернизирован до «Рейс-Д». В России КБ «Туполев» на 2010 год заявляло о разработке проекта БПЛА Ту 300 с массой до 1 тонны, скоростью до 950 км/ч, возможностью полезной нагрузки до 1 тонны, в рамках производства разведывательно-ударного комплекса средней дальности.
На данный момент в России эксплатируются, производятся и испытываются около 40-ка БПЛА различных моделей и модификаций и назначения: для целеуказания ракетного комплекса Искандер, воздушного наблюдения и разведки, морского наблюдения, ударного назначения, бесшумного наблюдения, дистанционного зондирования, ложные мишени. Несмотря на то, что СССР был мировым лидером в производстве и конструировании БПЛА в 80-е годы 20-го века, на 10-е годы 21 века, несмотря на опытные образцы превосходящие любые мировые аналоги, Россия отстаёт в применении и серийному производству БПЛА (находится на 5-ом месте в мире) и закупает некоторое их количество у Израиля и собирается производить их совместно.
Беспилотники на страже родины
Несмотря на популярность в повседневной жизни, коптеры остаются прерогативой военных ведомств.
Боевые беспилотники используются военными и силовыми структурами. Они носят на борту летальное оружие, например, ракеты земля-воздух или воздух-воздух, выполняют функции авиаразведки и корректировки огня. В армии их используют для слежения за неприятелем, в ударных целях, для транспортировки грузов.
Современные беспилотники трудно обнаружить. Они проводят операции в тылу противника глубиной до 100 км, что позволяет держать в напряжении большие площади передовой. По оценкам военных экспертов, в будущем роль БПЛА на поле боя будет только возрастать.
БПЛА Аэростатического типа¶
БПЛА аэростатического типа (blimps) – это особый класс БПЛА, в котором
подъемная сила создается преимущественно за счет архимедовой силы,
действующей на баллон, заполненный легким газом (как правило, гелием).
Этот класс представлен, в основном, беспилотными дирижаблями (рисунок —
21)
Дирижабль (от фр. dirigeable – управляемый) – летательный аппарат легче
воздуха, представляющий собой комбинацию аэростата с движителем (обычно
это винт (пропеллер, импеллер) с электрическим двигателем или ДВС) и
системы управления ориентацией благодаря которой дирижабль может
двигаться в любом направлении независимо от направления воздушных
потоков.
Рисунок — БПЛА аэростатического типа
Отличительное преимущество дирижабля — большая грузоподъемность и
дальность беспосадочных полетов. Достижимы более высокая надежность и
безопасность, чем у самолетов и вертолетов. (Даже в самых крупных
катастрофах дирижабли показали высокую выживаемость людей.) Меньший, чем
у вертолетов, удельный расход топлива и, как следствие, меньшая
стоимость полета в расчете на единицу массы перевозимого груза. Размеры
его внутренних помещений могут быть очень велики, а длительность
нахождения в воздухе может измеряться неделями. Дирижаблю не требуется
взлетно-посадочной полосы (но зато требуется причальная мачта) — более
того, он может вообще не приземляться, а просто «зависнуть» над землей
(что, впрочем, осуществимо только при отсутствии сильного бокового
ветра).
Рисунок — Дирижабль для аэрофотосъемки
Наиболее типичные применения современных беспилотных дирижаблей – это
реклама и видеонаблюдение (рисунок — 22). Однако в последние годы их все
чаще заказывают телекоммуникационные компании для использования в
качестве ретрансляторов сигналов. Существуют также проекты постройки
дирижаблей очень большой грузоподъемности – 200-500 тонн.
Привлекают внимание новые концепты дирижаблей, имеющие, как правило,
нетрадиционные форму оболочки и способ движения. Беспилотные дирижабли линзообразной формы планирует выпускать ОАО
«Долгопрудненское конструкторское бюро автоматики» при поддержке
«Рособоронэкспорта» и «Ростехнологий»
Они будут иметь от 22 до 200 м в
диаметре и смогут переносить до нескольких сотен тонн груза. Пока
созданы лишь демонстрационные масштабные модели таких дирижаблей. Пример
– успешно испытанная модель ДП-27 «Анюта» (рисунок — 23). Дисковидная
форма этого аппарата обеспечивает устойчивость к боковому ветру,
простоту управления и высокую маневренность этого многоцелевого
беспилотного дирижабля. Диаметр корпуса судна – 17 м с объемом оболочки
– 522 куб. м, грузоподъемность – 200 кг, максимальная высота подъема
достигает 800 м. С помощью 4 двигателей по 25 л.с. аппарат развивает
скорость до 80 км/ч, бензобак объемом 40 л позволяет демонстратору
осуществлять полет на дистанцию 300 км
Беспилотные дирижабли линзообразной формы планирует выпускать ОАО
«Долгопрудненское конструкторское бюро автоматики» при поддержке
«Рособоронэкспорта» и «Ростехнологий». Они будут иметь от 22 до 200 м в
диаметре и смогут переносить до нескольких сотен тонн груза. Пока
созданы лишь демонстрационные масштабные модели таких дирижаблей. Пример
– успешно испытанная модель ДП-27 «Анюта» (рисунок — 23). Дисковидная
форма этого аппарата обеспечивает устойчивость к боковому ветру,
простоту управления и высокую маневренность этого многоцелевого
беспилотного дирижабля. Диаметр корпуса судна – 17 м с объемом оболочки
– 522 куб. м, грузоподъемность – 200 кг, максимальная высота подъема
достигает 800 м. С помощью 4 двигателей по 25 л.с. аппарат развивает
скорость до 80 км/ч, бензобак объемом 40 л позволяет демонстратору
осуществлять полет на дистанцию 300 км.
Задачи разведывательных дронов
Сегодня разведка остается основной задачей беспилотников. Вершиной развития концепции аппаратов времен Холодной войны стал американский стратегический разведывательный дрон RQ-4 Global Hawk. Взлетный вес базовой версии RQ-4A, которая может провести 36 часов в воздухе, составляет 12,1 тонны. В состав комплекса входит летательный аппарат с различными датчиками и наземный сегмент с оборудованием связи, а также оборудованием запуска и системой управления. БПЛА несет радар, инфракрасный и оптический датчики. Полученные данные могут передаваться на землю в режиме реального времени через спутниковый канал или в пределах прямой видимости. Для навигации БПЛА используется инерциальная система с поправками по GPS. Эти аппараты американцы используют, в частности, для полетов у российских границ над Черным морем.
Также для разведки применяют средневысотные дроны большой продолжительности полета (MALE, Medium Altitude, Long Endurance), которые летают на высоте до 9000 метров. К этому классу аппаратов относится российский БПЛА «Орион» с двигателем внутреннего сгорания, который способен нести 250 килограммов боевой нагрузки. «Орион» можно оснастить оптико-электронной системой, аппаратурой радиотехнической разведки, радиолокационной системой или оборудованием для аэрофотосъемки.
Разведывательный дрон «Орлан-10»
Фото: Виталий Аньков / РИА Новости
Взлетная масса MALE-дронов может составлять больше одной тонны, что требует подготовленной инфраструктуры для их эксплуатации. Более компактные модели, вроде российского беспилотника «Орлан-10», расчет из нескольких человек способен запустить с помощью катапульты. Радиус действия дрона составляет 120 километров. «Орлан» используют не только для разведки и корректировки артиллерийского огня. Также дрон способен подсвечивать цели для корректируемых артиллерийских снарядов «Краснополь», а в составе комплекса радиоэлектронной борьбы «Леер-3» дрон может блокировать работу устройств в определенных диапазонах. Для запуска малых разведывательных БПЛА достаточно одного человека. Например, американский дрон RQ-11 Raven, который весит 1,7 килограмма, обеспечивает разведку в радиусе 10 километров. Компактный аппарат получил электродвигатель, позволяющий летать с минимальным уровнем шума.
Позже развитие электроники позволило создать миниатюрные квадрокоптеры, которые также используют для разведки. Компактность таких БПЛА позволяет операторам наблюдать за противником в укрытиях.
Посадочное шасси
Наличие шасси у беспилотника не всегда обязательно. Некоторые небольшие модели сконструированы таким образом, чтобы можно было без проблем приземлиться на нижнюю панель или что-то вроде нее. Другие модели, и их большинство, оснащаются различными вариантами шасси. У кого-то они напоминают вертолетные лыжи, у других замысловатые “ножки”. Все зависит от конкретной модели, ее назначения и оснащения. Например, беспилотники, использующиеся для воздушной съемки, а значит, оборудованные подвесной камерой, как правило, получают высокое шасси с большим клиренсом. Такими шасси изначально оборудуются все модели DJI Phantom с первой до последней версии. Высокие шасси есть и у промышленных дронов линейки Matrice, также разрабатываемой DJI.
А вот у дронов серии Inspire и Mavic шасси представляют собой что-то вроде ножек, установленных под двигателями на концах “рук” рамы. При этом из-за низко расположенной камеры шасси Inspire при посадке опускаются ниже, а в полете немного поднимаются вверх, улучшая при этом обзор для камеры. У Mavic из-за особенностей расположения камеры такое решение не требуется, но зато у него шасси складываются вместе с “руками” и пропеллерами, превращая дроны этой серии в одни из самых компактных и удобных для перевозки.
Квадрокоптер DJI Inspire 1 с поднимающимися в полете “лучами” и шасси
Назначение дрона и возможность подвесить дополнительную полезную нагрузку под нижней панелью (например, камеру или груз), влияют на технические решения для шасси
В одних случаях они делаются фиксированными (как у той же серии Phantom), а в других случаях шасси могут убираться, предоставляя камере обзор на 360 градусов, что важно для специализированных беспилотников (для инспекции, пожаротушения, поиска и спасения и т.п.)
[править] Израиль
БПЛА Израиля
Потребность в БПЛА у Армии обороны Израиля возникла в ходе «Войны на истощение» 1969—1970 годов. В этот период не было активных боевых действий. происходила артиллерийская и ракетная дуэль между силами Израиля и силами арабских стран. В этих условиях была весьма актуальной информация о месторасположении вражеских военных объектов, прикрытых ПВО. Традиционное применение авиации показала высокую стоимость такой разведи и весьма низкую эффективность. В связи с этим были использованы крайние меры — инициативная группа офицеров провела эксперимент по установке фотооборудования на обыкновенный радиоуправляемые модели самолётов. Их применение имело большой успех, были получены ценные разведданные, однако в то время наиболее перспективными считались крупные реактивные БПЛА, ресурсов на производство которых Израиль не имел и собирался закупать их у США.
Однако, во время Ливанской войны малые пропеллерные БПЛА широко применялись АОИ, что позволило нанести существенный урон военным силам и в основном технике Ливии, которая поражалась с помощью точного целеуказания БПЛА ракетам. С этого момента АОИ стала принимать на вооружения в основном небольшие по размеру и малозаметные БПЛА. Исключением стал БПЛА «Эйтан», сопоставимый по своим размерам (длина, размах крыльев) с самолётом F 15. На 2012 год это — один из самых крупных БПЛА по своим линейным размерам (по размаху крыльев и взлётному весу и остальным характеристикам уступает аппарату RQ-4 Global Hawk), производится полностью в Израиле и из израильских компонентов. По заявлению представителей АОИ самолёт оснащён уникальной, не имеющей аналогов в мире аппаратурой для ведения разведки и боевых действий. Практический потолок по заявлениям АИО составляет 13 км, что делает его неуязвимым для комплекса ПВО С 300, стоящего на вооружении у некоторых арабских стран, что заведомо неверно, так как данный комплекс способен поражать цели на высоте до 25 км.
Израиль является одним из ведущих производителей БПЛА в мире, не только по количеству аппаратов, но и по качеству и тактико-техническим характеристикам производимых БПЛА.
CH-5, Народно-освободительная армия Китая
CH-5
Линейка беспилотников CaiHong (Радуга) от китайских разработчиков China Aerospace Science and Technology Corporation (CASC) стала очень популярной на рынке вооружений, особенно благодаря пятой модели.
CH-5 был выпущен в первый полет в 2015 году и оказался самым лучшим БПЛА в Китае по таким параметрам как автономность и боевая нагрузка. Этот беспилотник, как пишут в одном из китайских изданий, способен проводить в воздухе до 60 часов и «нести до тонны полезной нагрузки, в одном из вариантов — 24 ракеты». Помимо вооружения, аппарат может нести радиолокационное, разведывательное и другое оборудование в модулях, загружаемых в фюзеляж БПЛА.
- Двигатель: турбовинтовой WJ-9
- Скорость: 180–220 км/ч
- Размах крыльев: 21 м
- Время полета: 60 ч
- Высота полета: 10 км
- Дальность полета: до 600 км
- Грузоподъемность: 1000 кг
Известно, что над беспилотником этой модели продолжают работать: в новой версии БПЛА сможет проводить в полете до 120 часов, увеличатся и его дальность полета и боевая нагрузка, что делает этот аппарат практически сопоставимым с современными истребителями.
Как используют ударные дроны
Большинство разведывательных беспилотников способны выполнять ударные функции. Упомянутый «Орион» способен нести корректируемые и управляемые бомбы, а также ракеты класса «воздух-воздух», позволяющие поражать воздушные цели. В арсенал турецкого беспилотника Bayraktar TB2 аналогичного класса также входят управляемые бомбы, которые дополняют противотанковые ракеты UMTAS. Высокоточное оружие позволяет дрону атаковать цели с большого расстояния, что снижает риск попадания БПЛА в зону действия систем ПВО противника.
Также в конструкции дронов используют технологии малозаметности, которые дают возможность тяжелым БПЛА преодолевать противовоздушную оборону противника. В США разработали дрон RQ-180, выполненный по схеме «летающее крыло», а в России создали С-70 «Охотник». В 2021 году состоялась выкатка С-70 с плоским соплом, снижающим радиолокационную заметность аппарата. «Охотник», который будет вооружен бомбами и ракетами, может стать ведомым истребителя пятого поколения Су-57.
Опыт конфликтов последних лет показал, что малоразмерные дроны, незаметные для большинства систем ПВО и которые сложно обнаружить визуально, также могут эффективно поражать цели. Коммерческие квадрокоптеры, которые изначально не предназначены для нанесения ударов, оснащают устройствами для сброса ручных гранат или гранатометных выстрелов. Это превращает дрон в доступное средство поражения целей в укрытиях.
В декабре появилось видео сброса ручной гранаты с дрона. Оператор беспилотника отправил боеприпас в вентиляционную трубу подземного укрытия противника. В ноябре на выставке «Аэронет-2035» представили гексакоптер «Барражирующий Камикадзе», который оснастят штатной системой для сброса шести ручных гранат Ф-1. Кроме того квадрокоптеры применяют для перехвата дронов противника. В том же месяце таран беспилотника другим аппаратом в ходе специальной военной операции показали на видео.
История развития военных беспилотных летательных аппаратов
Проекты по созданию летательных аппаратов, которые бы управлялись дистанционно или автоматически, появились еще на заре прошлого столетия, но существующий уровень техники не позволил воплотить их в жизнь.
Первым БПЛА считается дистанционно управляемый самолет Fairy Queen, который был построен в Англии в 1933 году. Его использовали в качестве самолета-мишени для тренировок истребителей и зенитчиков.
Первым беспилотным летательным аппаратом, который выпускался серийно и принимал участие в боевых действиях, стала немецкая крылатая ракета Фау-1. Немцы называли этот БПЛА «чудо-оружием», успели изготовить около 25 тыс. штук и активно применяли для обстрелов Англии.
Ракета Фау-1 имела импульсный реактивный двигатель и автопилот, в который вводились данные о маршруте. За годы войны Фау-1 убила более 6 тыс. англичан.
В послевоенные годы беспилотные разведывательные системы разрабатывались и в СССР, и в США. Советские конструкторы создали целый ряд беспилотных самолетов-разведчиков, а американцы активно использовали БПЛА во Вьетнаме. Они проводили аэрофотосъемку, вели радиоэлектронную разведку, использовались в качестве ретрансляторов.
Огромный вклад в развитие беспилотных летательных аппаратов внес Израиль. В 1978 году израильтяне продемонстрировали свой первый боевой беспилотник IAI Scout на авиавыставке в Париже.
В ходе ливанской войны 1982 года армия Израиля с помощью беспилотников полностью разгромили систему ПВО Сирии, которая была создана советскими специалистами. В результате тех боев сирийцы потеряли 18 батарей ПВО и 86 самолетов. Эти события заставили военных многих стран мира по-новому посмотреть на беспилотные летательные аппараты.
Дроны активно применялись американцами в ходе операции «Буря в пустыне». Использовали разведывательные БПЛА и в ходе нескольких военных кампаний в бывшей Югославии. Примерно с 90-х годов лидерство в разработке беспилотных боевых систем перешло к США, в 2012 году на вооружении ВС США находилось почти 7,5 тыс. единиц БПЛА различных модификаций. По большей части это были небольшие разведывательные дроны для сухопутных подразделений.
Первым ударным дроном стал американский БПЛА MQ-1 Predator. В 2002 году он нанес ракетный удар по автомобилю, в котором находился один из лидеров Аль-Каиды. С тех пор использование дронов для уничтожения объектов противника или его живой силы стало привычным явлением для ведения боевых действий.
Американцы с помощью дронов устроили настоящее «сафари» на верхушку Аль-Каиды в Афганистане и в других странах Ближнего Востока. Часто они добивались поставленных целей, но бывали и трагические промахи, когда вместо боевиков беспилотник уничтожал свадебный кортеж или похоронную процессию. Подобные инциденты обычно получают широкую огласку. В последние годы на Западе даже появились общественные организации, которые призывают отказаться от использования дронов в военных целях. Дескать, они часто промахиваются, что приводит к жертвам среди мирного населения.
Россия пока серьезно отстает в области создания беспилотных боевых систем, этот факт неоднократно признавали представители МО РФ. Особенно очевидным это стало после грузинского конфликта в 2008 году.
В 2010 году российское военное ведомство подписало контракт с израильской компанией IAI, который предусматривал создание на территории РФ завода по лицензионной сборке израильских беспилотников Searcher (у нас они называются «Форпост»). Этот БПЛА трудно назвать современным, он был создан еще в 1992 году.
Существует и несколько других проектов, которые находятся в разной степени реализации. Однако в целом российский ВПК пока не способен предложить вооруженным силам беспилотные системы, сравнимые по характеристикам с зарубежными аналогами.
Модуль спутниковой навигации (GPS, ГЛОНАСС, Бэйдоу).
Многие современные беспилотники оснащаются модулями спутниковой навигации. Чаще всего это модуль GPS, однако на многих последних дронах от DJI можно встретить двойную систему навигации, которая может включать комбинации GPS и ГЛОНАСС или же GPS и Бэйдоу. В зависимости от установленной комбинации такой беспилотник может эффективно эксплуатироваться в тех или иных регионах мира. Примером может быть серия промышленных беспилотников DJI Matrice 200.
Модуль (или комбинация модулей) спутниковой навигации обеспечивает бортовой компьютер дрона данными о местонахождении аппарата (долгота, широта и высота). Подобная, достаточно сложная, система навигации необходима прежде всего специализированным беспилотникам, которые выполняют полеты на большие расстояния и/или выполняют достаточно сложные задачи в области безопасности, военные задачи или работают в сфере промышленности.
Модуль GPS и плата IMU для DJI Mavic 2 Pro/Zoom
Однако задачи модуля спутниковой навигации вышеописанными не ограничиваются. С его помощью летательный аппарат не только ориентируется в пространстве во время полета, но и может в автоматическом режиме точно приземлиться на “базу”, даже если его визуальные датчики и штатная камера не работают, а связь с пультом дистанционного управления утеряна. Таким образом, модуль спутниковой навигации поможет обеспечить безопасность полета.
История создания беспилотной техники
Ошибочно считать, что дроны появились совсем недавно. Первые летательные аппараты — аэростаты для воздушной бомбардировки — были использованы австрийцами в 1849 году. Однако их, как и беспилотные машины времен изобретения электричества и радиосвязи, трудно считать прототипами современных.
История развития беспилотной авиации в сегодняшнем понимании началась в 1917 году с создания Чарльзом Кеттерингом воздушного аппарата с часовым механизмом. Однако несмотря на успешные испытания, идея не получила дальнейшего развития.
Долгое время инженеры экспериментировали с различными моделями военных беспилотников, и только к 1933 году английские изобретатели создали аппарат многократного использования с дистанционным управлением.
Не остались в стороне и советские разработчики. В 60–70 годы прошлого века ракетно-ядерный щит страны пополнили беспилотный разведчик Ла-17Р, сверхзвуковая крылатая ракета Ту-121, ставшая базовой при разработке реактивных разведчиков Ту-123 «Ястреб», Ту-141 «Стриж» и Ту-143 «Рейс».
Современные гражданские дроны технически отличаются от военных аналогов: они узкоспециализированы и «заточены» под выполнение конкретных задач. Стартапы в этой области развиваются настолько стремительно, что в недалеком будущем БПЛА могут потеснить малогабаритные пилотируемые самолеты.
Толкающие пропеллеры
Толкающие пропеллеры отвечают за передвижение летательного аппарата в воздухе вперед и назад. Название пропеллеров как раз и показывает принцип их работы. Поэтому располагаются они в задней части дрона, ведь их задачей является подавление крутящих моментов двигателя дрона во время обычного полета коптера, чтобы последний двигался либо вперед, либо назад в зависимости от команд с пульта управления.
Низкошумные пропеллеры модели 8743 для квадрокоптеров серии DJI Mavic 2
С технологической точки зрения, толкающие пропеллеры не отличаются от стандартных. Их изготавливают из пластика или композитных материалов. Они также могут иметь разные размеры в зависимости от модели дрона, а также иметь специальную защиту, которая спасет конструкцию от аварии и защитит людей от случайного касания краями винтов. Толкающие пропеллеры также необходимо постоянно проверять перед полетом на предмет их общего состояния и наличия или отсутствия повреждений.