Первые беспилотники

Для чего были созданы первые дроны и как они стали непревзойденными разведчиками

Чтобы летало и чтобы управлялось дистанционно — в истории БПЛА важно было пересечение двух «чтобы». И оно состоялось в 1935 году в Великобритании, когда был создан беспилотный самолет Queen Bee. В нем было две кабины: в передней при необходимости мог разместиться пилот, в задней находилась аппаратура радиоуправления. Сам же самолет использовался для тренировки расчетов зенитной артиллерии.

Это событие состоялось благодаря большой предстартовой подготовке. Во-первых, надо отдать должное Devil Automata — радиоуправляемому судну (не самолету), которое в 1898 году на выставке изобретений представил Никола Тесла. Субмарину с длинной металлической антенной, передвигающуюся по бассейну по командам со специального пульта, можно считать прототипом всех будущих радиоуправляемых транспортных устройств.

Во-вторых, в начале XX века на смену дирижаблям и аэростатам стали приходить летательные аппараты тяжелее воздуха. Пионерами пилотируемой авиации самолетного типа были братья Райт. В 1903 году они совершили четыре полета на Flyer I с максимальной дальностью 260 метров и продолжительностью 59 секунд. Затем были конструкторские решения от братьев Бриге, Георгия Ботезата, Элмера Сперри и Чарльза Кеттеринга. Все, кроме первого, создавались для военных целей — и именно эта сфера стала локомотивом развития беспилотного направления.

Широко беспилотники стали эксплуатироваться в 60-70-е годы. Например, во время вoйны во Вьетнаме США использовали Ryan AQM-91 Firefly — БПЛА самолетного типа, который летал по заданному маршруту и выполнял аэрофотосъемку. Первое массированное и успешное применение беспилотников в боевых действиях было в ходе Ливанской вoйны. В 1982 году израильские военные задействовали большое количество самолетов-разведчиков IAI Scout при разгроме группировки сил и средств противовоздушной обороны Сирии.

Толчок вперед

До начала XXI века беспилотные аппараты в основном были самолетного типа и военного назначения. Страны были готовы экономически вкладываться в разработку технологий, способных помочь победить врага. К тому же, электроника прошлого века была достаточно дорогой и громоздкой, и ее могли позволить себе только военные. Поэтому, пожалуй, главным толчком для того, что БПЛА нашли себя впоследствии в гражданской сфере: от АФС полей до съемки контента для YouTube — стала разработка доступных и достаточно быстродействующих микропроцессоров и миниатюрных датчиков. На их основе появились первые проекты автопилота (он же полетный контроллер или, метафорично, мозг летательного аппарата). Важную роль сыграло и создание литиевых аккумуляторов.

Проверка плат автопилота квадрокоптера Gemini

Микропроцессоры

Три компании: Intel, Texas Instruments и Garrett AiResearch — почти одновременно приступили к созданию микропроцессора. А Intel 4004, выпущенный в 1971 году, считают первым в мире коммерчески доступным однокристальным микропроцессором.

Эволюция микросхем, которая привела их к компактности и дешевизне, обусловила и развитие БПЛА мультироторного типа. Из-за своей конструкции эти аппараты менее аэродинамически устойчивы, чем беспилотники с неподвижным крылом, и требуют постоянной электронной стабилизации в полете. И в воздух они поднимаются самостоятельно, без помощи катапульты/рук и воздушных масс. Поэтому нужны были хорошие моторы.

В конструкции легких БПЛА (массой до 15 кг) получили распространение бесколлекторные двигатели постоянного тока, состоящие из двух частей: ротора (подвижной части) и статора (неподвижной части), управление которыми осуществляется с помощью внешнего коммутатора (регулятора оборотов).

Партия регуляторов двигателей, готовых к установке в новые борта

Датчики

Здесь важную роль сыграла разработка микроэлектромеханических систем, коротко МЭМС, в которых физические воздействия переводятся в электрический сигнал или наоборот. В такого рода интегральных схемах сосуществуют механика (к примеру, с миллиметровыми грузиками и подвесами) и электроника с полупроводниками.

МЭМС-технологии применяются для создания акселерометров и гироскопов — ключевых приборов для осуществления беспилотником полета. Они помогают аппаратам ориентироваться в воздушном пространстве. Условно говоря, дрон от ветра накренился, грузики в МЭМС-гироскопе среагировали, создался электрический сигнал, специальный датчик его уловил и отправил сообщение полетному контроллеру.

МЭМС-акселерометры, к примеру, начала выпускать в большом количестве компания Analog Devices. И это было лишь в 1993 году.

Литиевые аккумуляторы

Их изобретение также поспособствовало развитию беспилотной сферы. Для БПЛА необходимы легкие и высокоемкие аккумуляторы с большой токоотдачей, поэтому устанавливаются литий-ионные и литий-полимерные АКБ с большим ресурсом. Основные отличия вторых — большая легкость и компактность. Их можно установить на маленькие дроны весом 100 граммов, например на «Пионер Мини».

Управление Пионером Мини через телефон

Опыт одной компании

Сфера беспилотников развивается буквально на наших глазах. В качестве иллюстрации можно взять опыт компании TraceAir, которая от аэродоставки кофе в Парке Горького перешла в PropTech.

Их пилотный проект относится к 2014 году, когда дроны были абсолютным трендом. В Парке Горького (Москва) их беспилотники доставляли кофе через приложение кофейни Coffee and the City.

«Мы сами собирали коптеры (даже корпуса) и адаптировали их под доставку. Купить такие беспилотники просто-напросто было негде. Никто раньше не использовал их в коммерческих целях, а в России тогда отсутствовали правила регистрации беспилотников и регламенты по регулированию воздушного пространства», —отмечают в компании.

Сотрудники компании TraceAir

После тестирования бизнес-идеи компании столкнулись с рядом проблем, связанных с техническими возможностями БПЛА: литий-ионные аккумуляторы позволяли дронам летать не больше получаса, электроника была габаритной, неустойчивая радиосвязь сказывались на стабильности системы в целом. Такой проект невозможно было масштабировать. Владелец кофейни, оценив высокие расходы, отказался от технологии.

«После неудачной бизнес-идеи с доставкой кофе мы искали другое применение для дронов. Узнав о технологии АФС, мы решили попробовать ее для съемки строительных площадок. И это выстрелило. Автоматизированный контроль и управление строительством на основе данных с БПЛА зафиксировали эффект от использования в объеме 28 млн рублей на этапе контроля выполнения объема работ по благоустройству. Таким образом была определена наша сфера — PropTech».

Веб-платформа для контроля строительства на основе данных с дрона.

Фото предоставлено пресс-службой TraceAir

ПН не понедельник

ПН (полезная нагрузка) — то, что модернизирует БПЛА и превращает его в многофункциональную платформу. В особенности это касается коптеров, которые могут зависать в воздухе и процедура запуска которых менее требовательна.

На БПЛА можно установить фото- и видеокамеру. Она может быть попроще для работающих на складах дронов, которым необходимо лишь считывать QR-коды товаров, а может быть посложнее — например, для съемок фильма. Помимо «обычных» есть мульти- и гиперспектральные камеры и тепловизоры.

Снимки с разного типа камер обрабатываются в специализированных ПО. Так можно получить ортофотоплан и 3D-модель местности (о том, как сшить фотографии и получить цифровую копию объекта, мы рассказывали здесь) или построить NDVI-карту для оценки состояния растительности.

Перспектива поднять прибор в воздух вместе с БПЛА подтолкнула разработать магнитометры и лидары для проведения аэромагниторазведки и воздушного лазерного сканирования (ВЛС).

В 2019 году компания RedTail LiDAR Systems презентовала лазерный сканер RTL-400. Примерно тогда же российскими производителями был разработан воздушный лазерный сканер АГМ-МС1. Его можно установить, например, на «Геоскан 401». ВЛС позволяет получать классифицированное облако точек лазерных отражений, цифровую модель рельефа и 3D-модель местности.

Геоскан 401 Лидар с лазерным сканером АГМ-МС3

Аэромагнитная разведка, в свою очередь, совмещает в себе скорость большой авиации и точность наземной съемки. В отличие от вертолета/самолета, БПЛА с прикрепленным к нему магнитометром может детально огибать рельеф — отсюда и более точные результаты. Наземный способ съемки тоже точный, так как данные магнитного поля фиксируются со скоростью пешехода, но медленный. Также он подвержен значительному количеству шумов. Учитывая все бонусы, аэромагнитная разведка сейчас набирает обороты.

Кто знает, что еще удастся поднять в небо с БПЛА!

Как мы неоднократно подчеркивали в публикациях, наука никогда не стоит на месте, а развитие технологий набирает обороты с каждым годом. В реальность воплощаются самые смелые мечты, о которых писатели-фантасты не могли даже подумать. Полететь на Луну или Марс? Пожалуйста, все сделано. Однако, пожалуй, самые глобальные изменения и нововведения произошли в сфере робототехники и автоматизации различного оборудования, начиная от промышленных станков, заканчивая роботами и военной техникой.

Одним из наиболее ярких примеров, безусловно, является разработка человечеством беспилотных летательных аппаратов. Впрочем, как известно всем, ничто не происходит просто так из альтруистических целей и в первую очередь всегда рассматривается экономический вопрос. Именно так и обстоит на данный момент с выпуском беспилотных летательных аппаратов, однако так было не всегда, особенно если учесть, что «предки» современных беспилотников служили всего-навсего обычными мишенями для тренировки летчиков и зенитчиков.

История беспилотных летательных аппаратов / БПЛА

Неважно то, что сегодня мы речь ведем о беспилотниках, история этих аппаратов начинается скорее на воде чем в воздухе. В конце XIX века, если быть точными, то в 1899 году, небезызвестный изобретатель, физик и инженер Никола Тесла сконструировал и продемонстрировал общественности первый в мире радиоуправляемый кораблик, что не осталось незамеченным в ученой среде и дало свой толчок развитию сферы управляемых объектов.

Несмотря на общий посыл Николы Тесла, следующим «беспилотником» оказалось не судно, а самый обыкновенный летательный аппарат. Военный инженер и изобретатель Чарльз Кеттеринг в 1910 году, 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. Удивительно, но, несмотря на инновационную и экстравагантную идею, Кеттерингу дали зеленый свет и с помощью финансирования из армии США ему удалось создать несколько рабочих моделей. Увы, после нескольких испытательных полетов, прошедших с переменным успехом, проект по не многу сошел на нет и в боевых действиях во время Первой Мировой войны разработка участия не принимала.

DH.82B Queen Bee – БПЛА-мишень

Впрочем, 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, который, к слову сказать, был ко всему прочему многократного использования. Проект получил название DH.82B Queen Bee, и представляли собой отреставрированные модели бипланов Fairy Queen, которыми дистанционно управляли с корабля по радио. И именно этому беспилотнику было суждено стать самолетом-мишенью для будущих асов и зенитчиков. DH.82B Queen Bee служил ВВС ее Величества с 1934 года по 1943.

Естественно, мимо подобного новшества во время Второй Мировой войны не могли пройти мимо ни Германия, ни СССР, ни США. Так, например, Германия использовала управляемые бомбы Henschel Hs 293 и Fritz X, которые успешно показали себя во время ведения боевых действий в Средиземном море, однако в массовое производство суждено было попасть не им, а «самолету-снаряду» ракете Фау-1, а с 1942 года, Фау-2. А вот 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. Впрочем, в 1941 году СССР был успешно применен тяжелый бомбардировщик ТБ-3 в качестве беспилотного самолета для подрывов мостов.

А вот США 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. Интересно, что авторство данных беспилотников принадлежит Дени Ридженатальту, который в 30-ых года XX века был преуспевающим актером и по происхождению являлся британцем. Однако позже проявил интерес к радиоуправляемым моделям, а в 1934 году открыл свой магазин в качестве хобби. Однако наиболее успешной разработкой США можно считать беспилотный ударный бомбардировщик Interstate TDR-1, который сравним лишь с Фау-1 и может считаться первым в мире беспилотным летательным аппаратом подобного типа и специализации. По 1944 год 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, впрочем, позже был отменен.

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 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. 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.

История развития гражданских дронов насчитывает гораздо меньше времени в отличие от своих военных предков, ведь первые гражданские беспилотники появились лишь в 2000 году и существенно отличались от своих предшественников, однако темпы развития этой отдельной ветви впечатляют гораздо сильнее. Уже сейчас в США законодатели серьезно обеспокоены, а в это время все чаще и чаще появляются стартапы, предлагающие производить не только крупные беспилотные самолеты, но и дроны для быта.

Одним из наиболее ярких примеров на данный момент является проект американской компании Amazon. Так, в декабре прошлого года, глава Amazon Джефф Безос пообещал своим пользователям действительно футуристический вариант доставки купленных через их интернет-магазин товаров. План Безоса состоит в том, что если вы находитесь на расстоянии не более 15 км от складов компании и совершили покупку, то буквально через полчаса к вам на порог приземлится дрон и оставит посылку. Звучит как минимум занимательно. Еще одним условием подобной затеи является вес посылки, которая не должна быть тяжелее 2 кг (к слову сказать, более 80% заказов Amazon весят меньше этой цифры). Данное техническое новшество, по словам Безоса должно увидеть мир в 2015 году. И все было бы хорошо, если бы не несколько моментов, которые заставляют усомниться в осуществлении данной задумки в жизнь. Причин тому несколько, среди которых есть как забавные (например, вашего почтового дрона может по дороге сбить меткий стрелок и забрать посылку), так и серьезные, на которых следует остановиться подробнее.

Amazon drone Prime Air

Несмотря на всю демократичность США и склонность к введению инноваций, правозащитники уверенны, затея Безоса в 2015 году потерпит фиаско. На данный момент Федеральное управление гражданской авиации США просто не пойдет на такой шаг как разрешение введение в эксплуатацию подобных транспортных дронов, а вероятное «да», возможно не ранее 2020 года. Кроме того, назвать дроны безопасными вряд ли можно. Случаи сбоя техники далеко не редкость, а когда на густонаселенную территорию падает тяжелый дрон у которого в наличии взрывоопасные батареи и острые винты, то подобная затея Amazon кажется менее интересной.

Так или иначе, Джефф Безос не теряется оптимизма, ведь всего-лишь в 2007 году, в Нью-Йорке, мужчина, запустивший своего дрона возле Статуи Свободы был оштрафован на 10 тысяч долларов, однако подал ответный иск и выиграл дело, проторив тем самым дорогу всей гражданской беспилотной технике США. А стало быть, и у Amazon остается шанс на то, что бы отстоять свою идею, более того Конгресс уже принял резолюцию о расчистке авиапространства для коммерческого использования дронов с 2015 года. Но пока это лишь декларации о намерениях. К тому же нельзя исключать, что заявление Безоса не более чем маркетинговый ход, это объясняется тем, что Штатах у компании уже есть разветвленная сеть из 52 распределительных центров общей складской площадью 3,7 млн кв. м. Причем создавалась она с условием экономии за счет аренды земель вдали от городов, а потому так кардинально менять свою стратегию как минимум не выгодно с точки зрения бизнеса.

А вот в Европе все далеко не так радужно. Помимо отсутствия правовой базы касательно данного вопроса, европейцы просто не могут позволить себе вкладываться в программу по развитию беспилотных летательных аппаратов не только для военных, но и тем более для гражданских целей. Как считают эксперты, по причине общеевропейского подхода к вопросу, существует вероятность того, что рынок смогут занять производители из развивающихся стран, будь то Китай, Турция или ЮАР.

Плюсы БПЛА в сравнении с пилотируемыми самолетами

Самый маленький беспилотник в мире RoboBee

• Беспилотные летательные аппараты затрачивают гораздо меньший объем топлива благодаря своему весу, при этом, не исключается возможность использования альтернативных видов топлива. Так, например, по мнению подавляющего большинства авиаконструкторов, возможен переход на криогенное топливо, которое используется космическими летательными аппаратами
• В то время как пилотируемый самолет необходимо посадить на огромную по занимаемой территории посадочную площадку, беспилотник свободно приземляется на небольшую взлетно-посадочную полосу не более 600 метров, не говоря уже о беспилотниках класса «микро», которые могут сесть даже на порог дома или подоконник.