Анастасия Владимировна Татаринова, 18 лет, город Уфа, Республика Башкортостан, Российская Федерация
Научный руководитель: Дикова Флорида Амировна, преподаватель уфимского авиационного техникума

Перспективы развития беспилотных летательных аппаратов

План работы:

Введение

1. История развития БПЛА
2. Беспилотный летательный аппарат
3. Классификация БПЛА
4. Конструкция мультикоптера
5. Перспективы развития БПЛА

Заключение

Список использованных источников

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:

1. Исследовать историю создания беспилотных летательных аппаратов.

2. Изучить классификацию беспилотных летательных аппаратов.

3. Представить конструкцию малых беспилотных летательных аппаратов на примере мультикоптера.

4. Рассмотреть перспективы развития БПЛА.

1. История развития БПЛА

Беспилотные летательные аппараты появились в связи с необходимостью эффективного решения военных задач — тактической разведки, доставки к месту назначения боевого оружия (бомб, торпед и др.), управления боевыми действиями и пр.  Человечество нуждалось в такой машине, которой могли бы управлять на расстоянии.

Спустя 30 лет после первого полета братьев Райт эта идея воплотилась в реальность, и в 1933 году в Великобритании разработан Queen Bee (Фэйри Куин) – первый БПЛА многократного использования, а созданная на его основе радиоуправляемая мишень использовалась в королевском флоте Великобритании до 1943 года.

На несколько десятков лет опередили свое время исследования немецких ученых, создавших ФАУ-1 – радиоуправляемую ракету с реактивным двигателем и автопилотом. Этот БПЛА является первым дроном, принявшим участие в военных действиях. За годы Второй мировой войны ФАУ-1 успешно выполнила около 20 тысяч боевых вылетов, нанося авиаудары по важным стратегическим и гражданским объектам Великобритании.

В 1978 году случился прорыв в истории развития беспилотников. ИАИ Скаут – первый в истории боевой БПЛА, представленный военными Израиля. В 1982 году этот дрон практически полностью уничтожил сирийскую систему ПВО: армия Сирии потеряла 19 зенитных батарей и 85 самолетов. После этих событий американцы стали уделять максимум внимания к разработке дронов, и в 90-х годах стали мировыми лидерами в области применения беспилотных летательных аппаратов.  

2. Беспилотный летательный аппарат

Беспилотный летательный аппарат (БПЛА) – искусственный мобильный объект, не имеющий на борту экипажа и способный самостоятельно целенаправленно перемещаться в воздухе для выполнения различных функций в автономном режиме или посредством дистанционного управления.

К БПЛА относятся аппараты условно-многоразового использования, которые могут быть уничтожены при первом применении, однако при определённых условиях они могут возвращаться на базу. Любой непилотируемый космический аппарат (например, космический корабль «Буран») также можно считать беспилотным мобильным средством. К БПЛА относятся беспилотные дирижабли, моторные дельтапланы и парапланы.

Беспилотный летательный аппарат функционирует не абсолютно самостоятельно, а в составе комплекса. Такой комплекс называют беспилотной авиационной системой (БАС). В эту систему входит не только сам летательный аппарат, но также вся инфраструктура и средства обеспечения: транспортно-пусковое устройство, средства связи, наземный пункт управления, диспетчерские пункты, ретрансляционные узлы, станции подзарядки, средства транспортирования, запуска, посадки и т. д.

Беспилотные авиационные системы (БАС) - наиболее прогрессирующий сегмент мировой авиации. 

3. Классификация БПЛА

Современные беспилотные летательные аппараты классифицируют по способу управления и по весовой категории.

По способу управления:

• Неуправляемые – человек принимает участие только при запуске и введении параметров полета перед взлетом дрона. Как правило это бюджетные беспилотники, не требующих для эксплуатации особой подготовки оператора и специальных площадок приземления.
• Дистанционно управляемые – имеется корректировка траектории полета и выполнение задач полностью автономно. Успех выполнения миссии здесь зависит от точности и правильности введения предполетных параметров оператором в стационарный компьютерный комплекс, находящийся на земле.
• Автоматические - машина, которой не требуется какое-либо взаимодействие с людьми: БПЛА сам ставит себе боевые задачи, сам определяет цели для атак, сам заправляется топливом и боеприпасами. Создать столь «умный» дрон сегодня нельзя, но это и не требуется. На практике вполне достаточно добиться самостоятельности БПЛА в рамках выполнения какой-либо одной миссии.

По весовой категории:

• Микро – вес не более 10 кг, время полета не более часа.
• Малые – вес до 50 кг, время работы 3-5 часов без перерыва.
• Средние – вес может достигать 1 тонны и время работы – 15 часов.
• Тяжелые – вес больше тонны, беспрерывный полет больше 24 часов и возможность межконтинентальных перелетов.  

По принципу полёта БПЛА можно разделить на:

1. БПЛА с жёстким крылом (самолётного типа);
2. с гибким крылом;
3. с вращающимся крылом (вертолётного типа);
4. с машущим крылом;
5. аэростатического типа;
6. гибридные подклассы аппаратов, которые трудно однозначно отнести к какой-либо из перечисленных групп.

У БПЛА самолётного типа подъёмная сила создаётся аэродинамическим способом за счёт напора воздуха, набегающего на неподвижное крыло. Аппараты такого типа отличаются большей длительностью полёта, максимальной высотой полёта и высокой скоростью.

БПЛА с гибким крылом – это дешёвые и экономичные летательные аппараты аэродинамического типа, в которых в качестве несущего крыла используется не жёсткая, а гибкая (мягкая) конструкция, выполненная из ткани, эластичного полимерного материала или упругого композитного материала, обладающего свойством обратимой деформации. В этом классе БПЛА можно выделить беспилотные моторизованные парапланы, дельтапланы и БПЛА с упруго деформируемым крылом.

У БПЛА вертолётного типа подъёмная сила создаётся аэродинамически за счёт вращающихся лопастей несущего винта. Крылья либо отсутствуют вовсе, либо играют вспомогательную роль. Очевидными преимуществами БПЛА вертолётного типа являются способность зависания на месте и высокая маневренность, поэтому их часто используют в качестве воздушных роботов.

БПЛА с машущим крылом основаны на бионическом принципе – копировании движений, создаваемых в полёте летающими живыми объектами – птицами и насекомыми.

БПЛА аэростатического типа – особый класс БПЛА, в котором подъёмная сила создаётся преимущественно за счёт архимедовой силы, действующей на баллон, заполненный лёгким газом (как правило, гелием). Этот класс представлен, в основном, беспилотными дирижаблями.

К БПЛА предъявляются весьма разнообразные и зачастую противоречивые требования. Одним из основных является требование наименьшего веса и достаточной прочности, поскольку повышение прочности обычно связано с утяжелением конструкции, а облегчение конструкции — с понижением прочности.

4. Конструкция мультикоптера

Мультикоптер — это малый винтокрылый беспилотный летательный аппарат с несколькими роторами (винтами). В зависимости от габаритов и конструктивных особенностей количество винтов может варьироваться от 3 до 12. Существует несколько распространенных терминов, обозначающих мультикоптеры с определенным количеством воздушных винтов: квадрокоптер (четыре винта), гексакоптер (шесть винтов) и октокоптер (восемь винтов).

По размерам мультикоптеры можно разделить на три категории:

Малые и миниатюрные модели, подходящие для освоения и совершенствования навыков пилотажа. Такие аппараты легко переносить и можно без проблем использовать в помещениях. Что касается уличной эксплуатации, то из-за небольшой массы даже еле заметный ветерок способен заметно сместить и даже опрокинуть.

Средние модели наиболее популярны в настоящее время. Такие аппараты достаточно универсальны: их можно использовать как в помещении, так и на улице, а кроме того, задействовать для любительской фото- и видеосъемки. Многие модели оборудованы встроенными или съемными камерами, а также позволяют подвешивать легкое дополнительное оборудование.

Модели большого размера ориентированы на очень состоятельных любителей и профессиональных пользователей. Такие аппараты обладают высокой грузоподъемностью (1,5-2 кг и более), что позволяет подвешивать на них зеркальные фотоаппараты и даже профессиональные видеокамеры, а также задействовать для транспортировки небольших грузов.

• Пропеллеры отвечают за передвижение летательного аппарата в воздухе и за направление движения дрона. Располагают их в передней части летательного аппарата. Хотя с момента появления беспилотников для изготовления пропеллеров использовались самые разные материалы, сегодня большинство серийных машин получают пропеллеры либо из пластика, либо из композитных материалов.
• Наиболее простым вариантом, применяемым в недорогих моделях, являются коллекторные электродвигатели с прямым приводом, конструкция которого обеспечивает минимальный вес и стоимость аппарата, но есть серьезный недостаток такого двигателя – сильный нагрев в процессе работы. В ряде моделей средних и крупных мультикоптеров применяются коллекторные электродвигатели с механическим редуктором. Такое решение позволяет улучшить тяговые характеристики без существенного увеличения веса и цены аппарата.
• Электронный регулятор скорости (ESC) представляет собой электрическую цепь, которая призвана контролировать скоростной режим беспилотника. По сути, это важное устройство передает энергию от батареи к двигателю бесколлекторного типа, преобразуя постоянный ток источника питания в переменный ток, который нужен мотору.
• Полетный контроллер выполняет роль материнской платы или даже бортового компьютера беспилотника. Если несколько упростить его задачи, то полетный контроллер отвечает за передачу всех команд, которые пилот передает на борт дрона.
• Приемник – это устройство, отвечающее за прием радиосигналов, посылаемых дрону через контроллер. Для эффективного управления беспилотником необходимо минимум четыре канала.
• Передатчик – это устройство, отвечающее за передачу радиосигналов от контроллера к дрону для выдачи команд о направлении полета и других связанных с этим параметров. Как и приемник, передатчик должен иметь не менее четырех каналов для работы с беспилотником.
• 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.
• Поскольку многие дроны летают при помощи бесколлекторных двигателей, то аккумуляторная батарея является одной из основных частей дрона. Без нее невозможно запустить дрон и выполнить все поставленные полетные задачи. В качестве автономных источников питания в современных мультикоптерах используются литий-полимерные или литий-ионные аккумуляторные батареи. Очевидно, что чем выше емкость батареи, тем дольше сможет оставаться в воздухе летательный аппарат. Однако по мере роста емкости аккумулятора увеличиваются его размеры и вес.
• Камеры бывают встроенные и внешние. Преимущества встроенной камеры — минимальные габариты и вес, но есть и серьезные недостатки — это низкая разрешающая способность и не очень высокое качество получаемых изображений. Поэтому многие предпочитают оснащать мультикоптер внешней камерой. Модели среднего размера способны транспортировать компактные и относительно легкие камеры, а большие мультикоптеры позволяют поднять в воздух зеркальный фотоаппарат или профессиональную видеокамеру. Такой вариант позволяет получать фотографии и видеозаписи отличного качества.

Сейчас немало моделей мультикоптеров, которые рассчитаны на управление с мобильных устройств — смартфонов, планшетных ПК и пр. В этом случае на устройство, выполняющее роль пульта, устанавливается специальное приложение, а управление осуществляется при помощи сенсорного экрана, на котором отображаются виртуальные джойстики, регуляторы и пр. Однако на практике управление при помощи мобильных устройств имеет ряд серьезных недостатков:

• При ярком солнечном освещении изображение на экране плохо читается, что создает серьезные помехи для пилота.
• Нажатия на сенсорный экран обрабатываются операционной системой мобильного устройства с некоторой задержкой. Ограниченный радиус действия: связь летательного аппарата с мобильным устройством осуществляется по Wi-Fi.  

5. Перспективы развития БПЛА

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) – прорыв в мире коммерции. Уже сегодня на рынке труда появилась новая профессия «оператор по управлению беспилотными летательными аппаратами» Вопросы о целесообразности применения данной не обсуждаются, так как эксперты сделали экономические прогнозы развития данной технологии. По их результатам применение беспилотников приведет к 2025 г. к увеличению ВВП стран в несколько раз.

Объемы продаж БПЛА в Азиатском регионе к 2022 г. могут составить миллиард в общем объеме рынка. На вооружении у ведущих зарубежных государств находится около 3200 комплексов с БПЛА. Из них 10 200 БЛА – тактического, оперативного и стратегического назначения. Также увеличивается рост производства БПЛА российского производства по сравнению с прошлыми периодами.

С развитием технологий и микроэлектроники беспилотники вызывают огромный интерес не только в военных кругах, но и у промышленных предприятий для решения их задач:

• мониторинг объектов производственной инфраструктуры, сельскохозяйственных и лесных угодий;
• проведение фото- и киносъемки, авиамоделизм;
• мониторинг климата и атмосферы, состояния природных ландшафтов и растительного покрова, контроль состояния ледников и ледовых шапок;
• рынок игрушек.

Для решения задач охраны лесов и тушения пожаров невозможно обойтись без авиационного патрулирования. С развитием беспилотной авиации авиалесохранные отряды получили новый эффективный инструмент, позволяющий экономить время, а иногда и сохранить жизни пилотов. Для выполнения работ по патрулированию локальных территорий лесного фонда с целью обнаружения лесных пожаров применяются БПЛА самолетного и вертолетного типов.

БПЛА играют немаловажную роль в проведении научно-исследовательских целях. Применение дронов позволяет получать информацию с таких мест, куда добраться практически невозможно. Огромное внимание уделяется проведению работ с применением беспилотных летательных аппаратов по организации мониторинга в районах освоения арктического шельфа, а также мониторингу ледовой обстановки. По результатам проведенных испытаний некоторые типы БПЛА уже находятся в составе необходимого оборудования дрейфующих станциях «Северный полюс».

Незаменимым помощником становится БПЛА в проведении поисково-спасательных операций. Ведь при помощи БПЛА можно не только передавать информацию, но и доставлять грузы, предупреждать население при помощи активного громкоговорителя о грозящей опасности. Участвуя совместно с пилотируемой авиацией в поисково-спасательных операциях, БПЛА повышают эффективность их проведения.

Но сейчас чаще всего БПЛА используют для проведения дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Предпосылками применения БПЛА в качестве нового фотограмметрического инструмента являются недостатки двух традиционных способов получения данных ДЗЗ с помощью космических спутников (космическая съемка) и воздушных пилотируемых аппаратов (аэрофотосъемка). Данные спутниковой съемки позволяют получить снимки с максимальным общедоступным разрешением 0,5 м, что недостаточно для крупномасштабного картирования. Традиционная аэрофотосъемка, которая проводится с помощью пилотируемых самолетов, требует высоких экономических затрат на обслуживание и заправку, что приводит к повышению стоимости конечной продукции.

Соблюдение необходимых требований к выполнению работ с применением БПЛА приводит к ограниченности развития данного направления. Снятие ограничений или послабление законов по применению БПЛА для решения задач народного хозяйства позволит дать толчок к развитию новой технологии. На существующей стадии развития коммерческого применения беспилотных летательных аппаратов потребителями данной технологии пока являются Министерство обороны и государственные службы, осуществляющие различного вида контроль. Из гражданских заказчиков выделяются «Газпром», энергетики и другие, которые регулярно проводят контроль состояния своих объектов.

Рынок игрушек значительно превышает рынок индустриального применения БАС за счет своей массовости. Мировой лидер в этом сегменте – китайская компания DJI, она же лидер российского рынка игрушек. Но грань между игрой и коммерческим использованием условна: ряд частных российских пользователей применяют массовые БЛА коптерного типа для оказания услуг воздушной съемки, мониторинга, охраны и прочего.

Развитие беспилотной технологии, безусловно, может стимулировать экономический рост. Однако существующие ограничения не дают полноценно развиваться данному направлению. Есть ряд факторов, тормозящих развитие перспективной технологии, которые необходимо решать как можно быстрее:

1. Отсутствие нормативно-правовой базы, регулирующей деятельность применения беспилотных летательных аппаратов.
2. Отсутствие систем предупреждения столкновений, позволяющих интегрировать БПЛА в единое воздушное пространство и совместное их использование с пилотируемой авиацией общего назначения.
3. Повышенная аварийность БПЛА. Многие модели БПЛА используют несовершенные автопилоты.
4. Отсутствуют нормы и порядок сертификации и стандартизации БПЛА. 

Заключение

Рассмотрение материалов историко-исследовательской работы позволило сделать следующие выводы:

1. Беспилотные летательные аппараты – существенное слово в век стремительно развивающихся технологий. Интерес в использовании БПЛА обусловлен экономической эффективностью: применение беспилотников обходится гораздо дешевле, чем использование спутниковых технологий для дистанционного зондирования земли (ДЗЗ) и применение пилотируемой авиации в проведении авиационных работ. Возможность запрограммировать БПЛА на полет по маршруту и зависнуть над местностью дает им огромное преимущество.
2. К настоящему времени БПЛА значительно усовершенствовались, а их функциональность и роль в боевых действиях возросли. Сфера строительства беспилотных летательных аппаратов растет с каждым днем: создается широкая номенклатура машин – от мини-устройств, рассчитанных на индивидуальное применение военнослужащим на поле боя, до сложнейших и дорогостоящих стратегических аппаратов. 
3. Несмотря на еще далекие от идеала, по меркам человека, модели в области погрешностей или дальности полета, БПЛА имеют один самый важный и неоспоримый плюс – дроны за время их использования сохранили сотни человеческих жизней, а это дорогого стоит.  

Список использованных источников

1. В.М. Корнев, «Особенности конструкции и эксплуатации беспилотных летательных аппаратов самолетного типа» - 42 с. 
2. Сергей Асмаков, "Современные мультикоптеры: многообразие моделей и проблема выбора"; [Электронный ресурс] / Режим доступа : https://compress.ru/post/20160601-m-copters-choice#a4
3. Официальный сайт ИЦ "Центр компьютерного инжиниринга" СПбПУ; [Электронный ресурс] / Режим доступа : https://fea.ru/news/5599
4. Официальный сайт Ростех; [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://rostec.ru/news/4516433/
5. Официальный сайт компании "СЪЕМКА С ВОЗДУХА"; [Электронный ресурс] / Режим доступа : https://rusdrone.ru/blog/arkhiv/bespilotnye-letatelnye-apparaty-teoriya-i-praktika/
6. Официальный сайт Министерства культуры Российской Федерации, «Большая российская энциклопедия»; [Электронный ресурс] / Режим доступа : http://dev.bigenc.ru/technology_and_technique/text/4087725 
7. Официальный сайт ООО «Альбатрос» - беспилотные летательные комплексы в России; [Электронный ресурс] / Режим доступа : https://www.alb.aero/about/articles/primenenie-bpla-v-usloviyakh-boevykh-deystviy/ 
8. Информационный блог DJI Blog по всей технике компании DJI; [Электронный ресурс] / Режим доступа : https://dji-blog.ru/novichkam/ustrojstvo-drona-obzor-dlja-novichkov.html 
9. Беспилотные летательные аппараты, БПЛА, ДПЛА, БЛА, Описания и технические характеристики беспилотников; [Электронный ресурс] / Режим доступа : https://bp-la.ru/primenenie-bespilotnyx-letatelnyx-apparatov-v-grazhdanskix-celyax/