Cодержание и развитие концепции «Привязанный беспилотный летательный аппарат»

Cодержание и развитие концепции «Привязанный беспилотный летательный аппарат»

Фетисов Владимир Станиславович, д.т.н.
Кулбаев Булат Русланович
Уфимский государственный авиационный технический университет
fet777@rambler.ru

 В статье приведено описание и показано развитие концепции с условным названием «Привязанный беспилотный летательный аппарат», которая состоит в организации системы мониторинга на базе беспилотного летального аппарата, связанного с наземной станцией кабелем, выполняющим одновременно рольудерживающего троса, силового кабеля и коммуникационной линии. Представлена сравнительная характеристика альтернативных систем мониторинга, из которой следует перспективность данной концепции

для многих практических задач. Рассмотрены варианты реализации этой концепции в анонсированных разработках и существующих моделях «привязанных беспилотников».

Ключевые слова и фразы: система мониторинга; привязанный беспилотный летательный аппарат; вертикальный взлет/посадка; коммуникационно-силовой кабель. 

В последние годы все большее распространение получают системы мониторинга, охраны, разведки, наведения, ретрансляции радиосигналов на базе беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Концепция “Tethered UAV” («Привязанный БПЛА») возникла достаточно давно – с появлением беспилотных аэростатических летательных аппаратов, а затем и других аппаратов с вертикальным взлетом/посадкой. Идея состояла в том, что для выполнения указанных задач не обязательно задействовать летательный аппарат большого радиуса действия – достаточно просто поднять его на определенную высоту. При этом очень разумно использовать коммуникационно-силовой кабель, одновременно выполняющий функции удерживающего троса, силового кабеля и коммуникационной линии. Такое решение имеет множество преимуществ: отсутствие

необходимости иметь на борту запас топлива или энергоемкий аккумулятор (который требуется периодически подзаряжать, для чего приходится организовывать специальные системы [5; 6]), практически неограниченное время висения в воздухе, очень малая вероятность потери аппарата и т.д.

Авторами была проведена сравнительная оценка характеристик систем мониторинга, основу которых составляют:

1. Привязанный БПЛА (на базе мультикоптера).

2. БПЛА вертолетного типа.

3. БПЛА аэростатического типа.

4. БПЛА самолетного типа.

Сравнение выполнялась методом экспертных оценок по пятибалльной шкале. Полученные данные сведены в Табл. 1. Как следует из таблицы, система на основе привязанного БПЛА – довольно перспективна для использования в указанных выше приложениях.

Привязанные БПЛА можно классифицировать по различным критериям. По месту базирования их можно разделить на следующие типы:

- аппараты стационарного базирования;

- аппараты, базирующиеся на наземной мобильной платформе (например, на автомобиле);

- аппараты морского базирования (на корабле).

Системы на базе привязанных БПЛА можно различать также по применению удерживающих и направляющих элементов:

- системы с одним коммуникационно-силовым кабелем;

- системы с дополнительными удерживающими тросами (на растяжках);

- системы с дополнительными ведущими балками;

- системы с дополнительными горизонтальной направляющей и мобильной кареткой.

Табл. 1. Сравнительная характеристика систем мониторинга на базе БПЛА (балльные оценки)

 
Тема привязанных БПЛА получила развитие как в отечественных, так и в зарубежных разработках беспилотной техники, причем относятся они в основном к военной сфере. Так, в патентных базах данных можно найти множество примеров реализации данной концепции. Приведем некоторые характерные примеры:

1) Патент РФ № 2428355 «Система воздушного наблюдения» [2];

2) Патент РФ № 2441809 «Способ управления беспилотным привязным летательным аппаратом и беспилотный авиационный комплекс» [3];

3) Патент РФ № 2272753 «Разведывательный комплекс боевой машины» [1];

4) Патент США № 8590829 “System, Floating Unit and Method for Elevating Payloads” [4].

Среди реализованных зарубежных привязанных БПЛА выделяются разработки израильской компании Sky Sapience. Привязанная система, которая получила название HoverMast-100, используется для мониторинга и подъема полезной нагрузки. Аппарат, разматывая за собой медный кабель, способен за 15 секунд подняться на высоту 50 метров с борта транспортного средства (Рис. 1) [10]. Особенностями данного БПЛА являются его компактность, достигаемая за счет использования складных боковых пропеллеров, и возможность следования за передвигающимся базовым мобильным средством.

Американская компания LaserMotive, которая занимается разработкой беспроводных систем передачи энергии с использованием лазерных лучей [9], продемонстрировала привязанную модель БПЛА InvisiTower. В данной модели используется передача энергии и информации посредством лазера по легкому волоконно-оптическому кабелю, тем самым достигается большая высота полета по сравнению с моделью компании Sky Sapience. Компания CyPhy Works (США) ведет разработку привязанных малых БПЛА двух моделей с применением фирменного тонкого кабеля, состоящего из двух медных многожильных проводов: EASE и PARC [7]. Бортовые механизмы подмотки обеспечивают возможность свободного движения без запутывания кабеля.

По этим же кабелям осуществляется высокоскоростная передача информации. Модель EASE является более компактным вариантом, предназначенным для работы в помещениях, его работа не зависит от сигнала GPS.

Как видно из Рис. 2(а), роторы EASE защищены обтекателями, поскольку ему предстоит работать в ограниченном пространстве и в возможной близости с людьми. Вторая модель (PARC) предназначена для воздушной разведки и обеспечения связи с другими объектами (Рис. 2(б)). Отличительной особенностью данной модели является большая высота подъема, которая может достигать 300 метров.

Американской компанией UAV Solutions разработана модель привязанного БПЛА Allerion 25-T, представляющая собой квадрокоптер с длиной привязки 75 метров (Рис. 3) [13]. Данный аппарат может находиться в воздухе до 12-ти часов, в отличие от 40 минут полета аналогичной модели без привязки Allerion 25. 

                                                                       a) EASE                      б) PARC

Рис. 3. Модель Allerion 25-T компании UAV Solutions  Рис. 4. Привязанная парящая платформа StableEyes

Рис. 5. Беспилотный комплекс TCUAV              Рис. 6. БПЛА морского базирования фирмы UAV-Rapace
компании Planum Vision

StableEyes – это привязанная парящая платформа, разработанная в Университете Канзаса доктором Роном Бареттом, она проиллюстрирована на Рис. 4 [8]. Высокая стабильность положения аппарата достигается за счет применения боковых растяжек. Среди достоинств следует отметить простоту конструкции и потребление малого количества энергии.

Израильская компания Planum Vision, специализирующаяся на разработке систем безопасности, развивает проект беспилотного струнно-воздушного комплекса наблюдения TCUAV (Train Cable Unmanned Aerial

Vehicle) (Рис. 5) [11]. TCUAV представляет собой беспилотный роботизированный электролокомотив, который скользит по двум направляющим. На привязи за электролокомотивом в воздухе следует патрульный самолет или дирижабль, при этом появляется возможность мониторинга достаточно больших территорий, исключая «мертвые зоны».

Привязанный БПЛА фирмы UAV-Rapace (Франция) использует силовой высоковольтный кабель для подачи питания и волоконно-оптический кабель для высокоскоростной передачи видеоданных (Рис. 6) [12].

Подъемная сила такого аппарата создается при помощи одного двигателя, а выбранная конструкция позволяет максимально защитить персонал от вращающихся лопастей двигателя.

Таким образом, концепция привязанного БПЛА получает развитие в разных странах в связи с явными преимуществами по отношению к другим системам мониторинга, охраны, разведки и ретрансляции сигналов. Среди преимуществ «привязанного беспилотника» выделяются такие как неограниченная продолжительность полета, относительная скрытность наблюдения, скорость развертывания, защищенность канала передачи данных. 

Список литературы 

1. Патент РФ № 2272753 «Разведывательный комплекс боевой машины». Опубл. 27.03.2006. Бюлл. № 9.

2. Патент РФ № 2428355 «Система воздушного наблюдения». Опубл. 10.09.2011. Бюлл. № 25.

3. Патент РФ № 2441809 «Способ управления беспилотным привязным летательным аппаратом и беспилотный авиационный комплекс». Опубл. 10.02.2012. Бюлл. № 4.

4. Патент США № 8590829 “System, Floating Unit and Method for Elevating Payloads”. Опубл. 26.11.2013. НКИ 244/23R.

5. Фетисов В. С., Ахмеров Ш. Р., Мухаметзянова А. И. Зарядный терминал для беспилотных летательных аппаратов на основе матрицы контактных площадок // Альманах современной науки и образования. Тамбов: Грамота, 2012. № 11 (66). C. 206-208.

6. Фетисов В. С., Тагиров М. И., Мухаметзянова А. И. Подзарядка электрических беспилотных летательных аппаратов: обзор существующих разработок и перспективных решений [Электронный ресурс] // Авиакосмическое приборостроение. 2013. № 11. URL: http://vositef.url.ph/index.files/PUBL/Fetisov_et_al_ASI-2013-11.pdf (дата обращения: 04.02.2014).

7. http://www.cyphyworks.com/robots (дата обращения: 16.01.2014).

8. http://www.kutri.ku.edu/news/10-20-11 (дата обращения: 16.01.2014).

9. http://www.lasermotive.com/2013/04/29/new-product-laser-power-over-fiber-for-tethered-vtol (дата обращения: 16.01.2014).

10. http://www.skysapience.com/products/the-hovermast-100 (дата обращения: 16.01.2014).

11. http://www.thefutureofthings.com/3261-tcuav-an-unmanned-aerial-surveillance-system (дата обращения: 16.01.2014).

12. http://www.uav-rapace.com (дата обращения: 16.01.2014).

13. http://www.uav-solutions.com/allerion-25 (дата обращения: 16.01.2014).