Воздушные беспилотники в большинстве объединяет общая проблема: запас энергии для полета, будь то электричество в аккумуляторах, бензин в аппаратах с двигателем внутреннего сгорания или оба ресурса в гибридных моделях. Например, у популярных гражданских моделей время полета немногим превышает 40 минут и это считается неплохим результатом. Российский мультикоптер «Альбатрос» способен висеть сутки, хотя теоретически значительно больше ― этого пока не проверяли. Но с ограничением ― только над базовой станцией на земле, с которой он связан проводом. Хотя для решения его задач улетать и не требуется.
Аппарат, разработанный учеными Института проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, поднимает 10 кг полезной нагрузки на высоту до 100 м ― универсальная стометровая вышка для связи, видеонаблюдения и исследований. О разработке корреспонденту портала «Научная Россия» рассказал главный научный сотрудник ИПУ РАН профессор Владимир Миронович Вишневский.
Все начиналось с аэростатов
В начале 2000-х гг. в Курчатовском институте был запущен крупный проект БАРС ― Беспилотная аэростатная радиосеть. Совместно с РКК «Энергия» и Русским воздухоплавательным обществом ученые создали причальное устройство, защищающее аэростат на земле от порывов ветра, и широкополосную базовую станцию. Устройства должны были обеспечить беспроводную связь и интернет в отдельных районах столицы.
В.М. Вишневский: «Большую поддержку проекту оказал академик Евгений Павлович Велихов. В то время интернет еще не был так распространен в России, как сейчас, но у нас уже был колоссальный уникальный опыт: до этого мы создали сеть “Сирена” ― систему резервирования авиабилетов. Это первая сеть пакетной коммуникации, и этой технологией пользуются до сих пор. “Сирена” охватывала территорию всего Советского Союза и часть ближнего зарубежья».
Однако аэростатный проект обладал рядом недостатков: минимальный размер накачанного аппарата 30 м в длину и 5 м в высоту требовал сложных в обслуживании устройств для посадки и много технического персонала. Кроме того, возникала зависимость от центров заправки гелием ― текучий газ уходил через оболочку и аэростат требовалось спускать для повторной накачки не меньше двух раз в месяц. Позже, в 2011 г., создать массовую систему доступа в интернет попыталась компания Google. Планировалось использовать стратосферные аэростаты на высоте до 25 км. Проект закрыли в 2021 г. из-за низкой окупаемости.
К моменту завершения проекта БАРС на мировом рынке начали появляться первые квадрокоптеры, на которые транслировали идеи привязных беспилотников. «Альбатрос» в его нынешнем виде ― это привязная высотная беспилотная платформа на базе УАЗ Профи, небольшого грузового автомобиля, от которого, впрочем, оставили только основу.
Инженерная команда ИПУ РАН полностью обновила автомобиль под задачи беспилотной станции. Внутри установлены электрогенератор, катушка с кабелем, система управления лебедкой. Отодвигается крыша, наверх поднимается платформа с беспилотником. Работая над аппаратом, научная группа В.М. Вишневского защитила восемь патентов.
Аппарат устанавливают на платформу в модифицированном автомобиле. Затем платформа поднимает его наверх для стартовой позиции с крыши
Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»
Провод, лебедка и локальная навигация
В изначальной схеме, когда в качестве носителя полезной аппаратуры использовался аэростат, кабель-трос, по которому наземная станция обменивалась информацией с воздухом, одновременно и удерживал летательный аппарат. При использовании БПЛА кабель уже становится нагрузкой, увеличивающейся с каждым метром подъема. Потому так важно сделать его как можно легче.
Метр кабеля, который используют в ИПУ РАН, весит около 50 г. При подъеме на максимальную стометровую высоту это 5 кг из возможных 15 кг. Внутри оплетки кевларовая нить для прочности, оптоволокно, позволяющее передавать в любом направлении до 10 Гбит информации, и две медных жилы, по которым на борт дрона передается до 10 кВт.
Кабель мультикоптера, по которому передается напряжение и информация
Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»
В.М. Вишневский: «Каким образом нам удается передавать такую большую мощность? В машине на земле установлен преобразователь напряжения из 380 В в 1000 В ― из переменного тока в постоянный. Но двигатели беспилотника работают от 48 В: наверху происходит обратное преобразование. Эти преобразователи мы сами делаем в институте. На самом деле здесь очень много научной работы. Первый вопрос, возникающий при проектировании таких систем: какой ток передавать с земли на борт, постоянный или переменный? Мы доказали, что при передаче мощности до 10–11 кВт по критериям тонкости и веса кабеля целесообразно подавать высокое напряжение постоянным током. Если требуется бóльшая мощность, например надо поднять больший вес, следует переходить на переменный ток. По тематике моделирования таких систем под моим руководством защитились три кандидата наук и, надеюсь, скоро состоится защита докторской диссертации».
С кабелем связана еще одна особенность: на лебедке намотано 100 м. Если поднять дрон, например, на 50 м, еще столько же остается на катушке, а это проводник, выделяющий тепло. Задачу охлаждения инженеры ИПУ РАН тоже решили — в отличие от некоторых западных коллективов. Дополнительно в автомобиле установлена система управления лебедкой, которая при необходимости ослабляет или подтягивает кабель-трос. Это важно, когда порывы ветра отклоняют беспилотник.
Российский мультикоптер «Альбатрос» в полете
Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»
Дроны позиционируются по сигналам GPS или ГЛОНАСС: не зная положения в пространстве, беспилотник упадет. Но в условиях высокоэтажной застройки или в горах сигналы значительно ослабевают, а в зонах вооруженных конфликтов спутниковые сигналы непрерывно глушат. «Альбатросу» спутники не нужны: ученые создали локальные системы навигации ― наземные маяки, передающие информацию системе управления. Максимальное отклонение беспилотника от заданной точки зависания БПЛА ― не больше 1 м.
В.М. Вишневский: «Создание локальной навигации, которая работает в условиях полного глушения спутниковых сигналов, ― это большое достижение и свежее направление исследований. Я не видел аналогичных работ в зарубежной литературе. Нам удалось выйти на уровень лучших образцов привязных БПЛА, потому что мы занимаемся этой проблемой в течение последнего десятилетия, начиная с аэростатов».
Разработанную беспилотную привязную платформу можно отнести к третьему поколению таких устройств. На первом этапе по проводу передавали 2 кВт энергии, это позволяло использовать в качестве полезной нагрузки только видеокамеру. На втором ― уже 5–6 кВт. Привязные беспилотные высотные платформы следующего поколения, которые разрабатываются сегодня, в перспективе способны поднимать больше 15 кг полезной нагрузки, не считая кабеля: более мощные системы видеонаблюдения или телекоммуникации, современные системы радиоэлектронной борьбы, больше научной аппаратуры.
Универсальная вышка, или Робот везет робота
В 2021 г. на космодроме Восточный прошел эксперимент: территорию патрулировал российский робот «Маркер» в автономном режиме с помощью технического зрения. В связке с ним использовали и привязную беспилотную платформу: установленный на другого робота дрон летит над ним даже в движении, с высоты осматривая периметр, а изображение передается дежурному в помещение.
В.М. Вишневский: «Области применения беспилотных привязных платформ весьма обширны. В первую очередь, это охрана и наблюдение за критически важными объектами и массовыми мероприятиями. Сейчас мы устанавливаем камеры, которые способны на расстоянии до 10 км различить автомобильный номер. Кроме того, в любых чрезвычайных ситуациях, например при наводнениях, можно приехать в зону бедствия и оперативно создать современную телекоммуникационную структуру связи».
Фактически БПЛА на проводе заменяет любую стометровую вышку, строить которую долго, дорого, да и не везде возможно. Например, перед постройкой ветряков на территории в течение нескольких месяцев исследуются роза ветров, скорость ветра на участке и метеорологическая обстановка. Но не на уровне земли, а там, где будут располагаться лопасти: высота современных ветрогенераторов составляет около 70–125 м. По подсчетам, использование привязной платформы обойдется на порядки дешевле, чем постройка и последующий снос вышки.
Сколько максимально способен летать «Альбатрос» без посадки, пока не знают даже разработчики. В эксперименте его запускали на восемь часов, гарантированная уверенность по документам ― 24 часа. Фактически ― пока в генератор не перестанут добавлять солярку или не исчерпается ресурс самого дрона. Это станет понятно, когда платформы начнут шире использовать в повседневной жизни.
Статья подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Автор Александр Бурмистров
Заглавное фото: Профессор Владимир Вишневский и мультикоптер «Альбатрос» // Елена Либрик / «Научная Россия»
