Modernios elektronikos technologijos: koviniai bepiločiai orlaiviai

Bepilotis orlaivis – tai skraidantis aparatas, kuris gali būti valdomas nuotoliniu būdu, arba iš anksto užprogramuotas tam tikrai skrydžio trajektorijai. UAV (angl. Unmanned aerial vehicle) atlieka įvairias funkcijas plačiame sričių spektre. Svarbiausios panaudojimo sritys: komercinė, mokslinė, karinė. Su laiku didėjantis prieinamumas bei mažesnės kainos lemia vis gausesnį jų naudojimą. Tai parodo ir apytiksliai numatytos investicijos į UAV:

Akcentuosime būtent kovinių bepiločių orlaivių sandarą, panaudojimą bei perspektyvas. UAV, naudojami karyboje skiriami į:

1. Taikiniams.
2. Žvalgybiniai.
3. Koviniai.
4. Tyrimams bei plėtrai.

Vieni pirmųjų bepiločių orlaivių buvo naudojami kaip taikiniai: 1940 m. „Radioplane OQ2“ – pirmasis UAV, pradėtas masiškai gaminti. Šių orlaivių armijai pagaminta per 15000. Jo variklis – 2 pistonų, 4,5 kW. Naudotas II pasaulinio karo metu.

1973 m. pagaminti pirmieji UAV skirti žvalgybai: „Tadiran Mastiff“. Šie orlaiviai turėjo ryšio sistemas bei didelės rezoliucijos kameras, maksimalus greitis: 185 km/h.

1995 m. pristatytas JAV įmonės „General atomics“ bepilotis orlaivis „Predator MQ-1“ kuris 2002 m. buvo apginkluotas dviejomis „ AGM-114 Hellfire“ raketomis. Taigi „Predator MQ-1“ – pirmasis kovinis bepilotis orlaivis, gebantis naikinti taikinius. Jo maksimalus greitis: 217 km/h.

ĮRANGA SKLANDŽIAM BEPILOČIŲ ORLAIVIŲ DARBUI ORE

Kadangi UAV netgi ir iš pavadinimo aišku, kad yra bepiločiai, jiems reikalingi tam tikri įrenginiai: sensoriai, kad bepilotis orlaivis laikytųsi nustatytos trajektorijos, bei tai darytų kuo optimaliau. Taip pat savaime aišku, kad UAV skrydžiui reikalingas ir variklis, kuris parenkamas pagal UAV dydį bei funkciją.

AKSELEROMETRAI IR GIROSKOPAI

Akselerometras – elektromechaninis įtaisas, matuojantis pagreitį. Jėgos, suteikiančios minėtą pagreitį gali būti statinės(žemės traukos jėga) ir dinaminės (vibracijos, variklio traukos jėga ir pan.). Keletas akselerometro tipų:

Kondensatorinis akselerometras – įtaise esantis objektas dėl inercijos pastumia kondensatoriaus plokštelę. Dėl pakitusio atstumo tarp kondensatoriaus plokštelių pakinta ir kondensatoriaus talpumas.

Pjezoelektrinis akselerometras – panaudojama pjezo kristalo sąvybė poliarizuotis veikiant mechaniniams įtempiams. Taigi pjezoelektriniame akselerometre,esant pagreičiui, taip pat esantis objektas dėl inercijos mechaniškai spaudžia pjezoelektriką ir dėl mechaninių įtempių, kristale susikuria potencialų skirtumas tarp dviejų elektrodų. Sukurta įtampa tiesiogiai proporcinga spaudimo jėgai.

Elektromechaninis giroskopas – tai įtaisas, matuojantis kampinį greitį. Vieno iš jų tipo veikimui taip pat panaudojamos pjezoelektriko savybės. Priklausomai nuo struktūros yra virpančios dalys bei nejudanti dalis.

Dvigubos T struktūros giroskopo veikimas: virpančios dalys – šoninės atšakos. Statorius – vidinė atšaka. Kai struktūra pasukama plokštumoje, jungiančioje visas tris atšakas, dėl Koriolio efekto virpančiose atšakose atsiranda vibracijos, kurių vektorius statmenas prieš tai buvusių vibracijų vektoriui. Taip pasukama įtvirtinta atšaka – pjezoelektrikas. Dėl mechaninių įtempių įtvirtintoje atšakoje atsiranda potencialų skirtumas. Pagal atsiradusią įtampa išskaičiuojamas kampinis greitis.

Akselerometras ir giroskopas UAV naudojami, kad nustatyti pačio orlaivio pozicijos pokyčius ore. Taip pat pagal akselerometro duomenis nustatomas dinaminis pagreitis, suteiktas variklio traukos jėgos taip numatant laiko tarpą, per kurį bus pasiektas tam tikras greitis ir nustatant maršruto trukmę.

Magnetometras

UAV magnetometras – tai MEMS kompasas, kuris nustato UAV skrydimo bei orlaivio priekio kryptį. Tai ypač aktualu bepiločiams orlaiviams, kurie skrenda elektrinių motorų pagalba, kadangi jie gali skristi bet kokia kryptimi. T. y., pačiam orlaiviui nebūtina pasisukti, kad pakistų jo trajektorijos kryptis. Pagal veikimo principą yra daug MEMS magnetometrų: Holo efekto, magneto-diodo, magneto-tranzistoriniai, AMR (angl. anisotropic magnetoresistance), GMR (ang. giant magnetoresistance), magnetinės tunelinės sandaros, Lorenco jėgos. Šiuo metu rinkoje dominuoja Holo efekto ir MR (ang. magneto-resistive) magnetometrai. Holo efekto magnetometrai panaudoja elektros srovės, esančios magnetiniame lauke, efektą.

Matome, kad esant magnetiniam laukui, kurio vektorius B nėra lygiagretus tekančios srovės krypčiai, laidžioje medžiagoje kryptimi, statmenai tekančios srovės krypčiai susidaro potencialų skirtumas, kurį išmatavę galima išskaičiuoti magnetinio lauko kryptį.

Barometras

Barometras – įtaisas, gebantis matuoti atmosferinį slėgį. Bepiločiuose orlaiviuose naudojami MEMS barometrai – jie skirti nustatyti orlaivio skridimo aukštį. Šis aukštis nustatomas turint omenyje faktą, kad nuo žemės paviršiaus kylant aukštyn – oro slėgis mažėja.

MEMS barometras turi diafragmą, ant kurios uždėta laidžios medžiagos juostelės (gali būti ir laidininko ir puslaidininkės medžiagos). Tarp įtaiso korpuso ir membranos gamybos metu būna sukurtas tam tikras spaudimas – vadinamas atskaitos spaudimu. Esant gradientui tarp išorinio atskaitos spaudimų, tarp jų esanti plėvelė išsitempia ir pasireiškia pjezorezistyvinis efektas – pasikeičia laidininko ar puslaidininkio varža.

Pavaizduotame barometre matomos aptartos struktūrinės dalys: membrana, membranoje esanti laidi medžiaga, kurioje pasireiškia pjezorezistyvinis efektas. MEMS barometrai yra ypatingai jautrūs: jie gali nustatyti slėgio pokytį, kai UAV pajuda bent kelis centimetrus.

Oro greičio sensorius

Oro greičio sensorius – prietaisas, matuojantis dinaminį spaudimą, susidarantį lygiagrečia orlaivio skridimo trajektorijai, kryptimi. Iš esmės, šis jutiklis sandara panašus į prieš tai aptartą barometrą. Skirtumas tas, kad šis jutiklis įtaisytas taip, kad matuotų spaudimą ne vertikalia kryptimi, o horizontalia. Išskaičiuotas oro greitis proporcingas statinio atskaitos spaudimo ir išmatuoto dinaminio spaudimo skirtumui. Oro greičio sensorius labai svarbus bepiločiams orlaiviams, kurie į orą kyla nejudančių sparnų pagalba. Pagal orlaivio greitį aplink jo supančio oro atžvilgiu išskaičiuojami tokie parametrai kaip keliamoji jėga, trinties su oru jėga.

Pavaizduotas oro greičio sensorius, paprastai naudojamas komerciniuose bepiločiuose orlaiviuose.

GPS sistema

GPS sistema – Tai sistema, sugebanti nustatyti savo padėties kordinates. Koordinatės gali būti nustatomos trimatėje erdvėje, t. y, nustatoma ne tik pozicija, bet ir UAV aukštis.

Koordinatės naudojant GPS sistemą nustatomos trilateracijos principu. Iš esmės, ir GPS imtuvas, ir palydovas susijęs su GPS sistema kuria pseudo-atsitiktinių skaičių seką, kurios yra vienodos. Palydovas šią seką pastoviai transliuoja, o GPS imtuvas priėmęs palydovo signalus išmatuoja uždelsimą. Taip galima sužinoti, kokiu spinduliu nuo dirbtinio žemės palydovo yra GPS įtaisas. Toks pat procesas atliekamas ir su kitais palydovais. Turint GPS imtuvo spindulį nuo trijų skirtingų palydovų, turime du sferos sankirtos taškus erdvėje. Ketvirtas palydovas nurodo vieną iš tų dviejų taškų. Taip pat įvedami gautos pozicijos pataisymai, turint omenyje kad imtuvas gali būti tik ant žemės paviršiaus. Taigi, kad tiksliai būtų išmatuotos koordinatės, naudojami bent 4 palydovai. Aplink žemę šiuo metu skrieja 31 dirbtinis žemės palydovas, skirtas GPS sistemai.

UAV varikliai

Prieš tai buvusiuose poskyriuose aprašytų sistemų ir įtaisų pagrindinė paskirtis buvo suteikti informaciją apie išorinius poveikius, skrydžio parametrus bei kitokią informaciją, kuri padeda sudaryti optimalų skrydžio maršrutą. Nepaisant to, matyt, svarbiausia UAV dalis – tai varikliai, kadangi be jų bepiločiai orlaiviai į ora nepakiltų išvis. Aptarsime dviejų tipų variklius: elektrinius (paprastai UAV naudojami bešepetėliniai DC varikliai) ir vidaus degimo.

Elektriniai DC motorai UAV ir jų akumuliatoriai

Kalbant apie UAV, kuriuose traukos jėgą sukuria DC motorai, turima omenyje tokius orlaivius, kurie yra santykinai maži, kadangi turi būti atsižvelgta į motoro bei jam energiją suteikiančio akumuliatoriaus svorį. Didelę masę kelti su elektriniais motorais neefektyvu.

Bepiločių orlaivių, naudojamų karinėje pramonėje, kurie yra varomi DC motorų, paskirtis būna žvalgybinė bei taikinių nustatymo. Tokie UAV patenka į 0 arba 1 kategoriją ir jie vadinami žemo skridimo aukščio bei didelės ištvermės kariniai bepiločiai orlaiviai. Šių kategorijų populiariausi UAV: „RQ-11 Raven“ ir „AeroVironment Wasp“.

„RQ-11 Raven“ naudojami Aveox „27/26/7-AV“ elektriniai motorai.

Dažnai DC motorai parenkami tokie, kad visų jų suminė traukos jėga būtų tokia, kad motorai gebėtų pakelti dvigubai didesnę masę, negu pats UAV.

DC bešepetėlinių motorų pasirinkimas yra gan didelis. Bešepetėliniai motorai nuo įprastų šepetėlinių motorų skiriasi tuo, kad bešepetėliniuose motoruose statorius būna vidinė dalis, o išorinė, kurioje įtvirtinti nuolatiniai magnetai – rotorius. Sukimasis iš esmės valdomas elektroniškai: skirtingais momentais per skirtingas apvijas statoriuje tiekiama srovė.

Bepiločiuose orlaiviuose, kuriuose traukos jėgą sukuria DC motorai, dažniausiai naudojami ličio jonų akumuliatoriai, kadangi tokio tipo akumuliatoriai turi daug privalumų: didelis energijos tankis, santykinai labai mažas savarankiško išsikrovimo greitis, nereikia intensyvios priežiūros. Turint omenyje UAV, kurių paskirtis – karinė, tai minėtų ličio jonų akumuliatorių trūkumai nėra ženklūs: reikalinga apsauga nuo persikrovimo ir užtrumpinimo, jų kaina didesnė, negų kitų tipų akumuliatorių.

Vidaus degimo varikliai UAV

Naudojamas variklio tipas iš esmės priklauso nuo į orą keliamo orlaivio masės. Karinėje pramonėje dažniau naudojami stambūs UAV, kurie turi sudėtingas ir sunkias jutiklių sistemas bei apginkluoti raketomis. Bepiločiams orlaiviams kelti į orą naudojami „turboprop“ varikliai.

Skirtingai, negu reaktyviniuose, turboprop varikliuose išmetamos dujos nesukuria traukos jėgos, kadangi visą jų energija sunaudojama propeleriui sukti. Populiariame UAV „MQ-1 Predator“ UAV naudojamas „Rotax 914“ keturių cilindrų maksimalios 84 kilovatų galios variklis.

Bepiločių orlaivių taikymas ir įranga, skirta įvykdyti paskirtoms karinėms funkcijoms

Nesuklystume teigdami, kad paprastą bepilotį orlaivį ir karinį bepilotį orlaivį iš esmės skiria jų įranga, kuri vienaip ar kitaip eksploatuojama karinėse misijose.

Įranga žvalgybai

Kameros vaizdo stebėjimui

Vienas, iš paminėtinų UAV – „PD-100 Black Hornet 2“. Jis įpatingas dėl savo labai mažos masės (18 gramų) ir žvalgybinių funkcijų.

Šiame UAV naudojamos trys kameros: nukreipta tiesiai horizontaliai, nukreipta 45 laipsniu kampu į žemę ir trečioji nukreipta tiesiai žemyn.

Naudojant tris taip nukreiptas kameras gaunamas platesnis vaizdas bei sumažėja reikalingų manevrų kiekis prireikus tam tikram vaizdui gauti.

Šie UAV puikiai tinka apžiūrėti netoliese esančią nežinomą teritoriją. Svarbu paminėti tik keletos metų senumo „DARPA“ įmonės sukurtą „ARGUS-IS“ (Autonomous Real-Time Ground Ubiquitous Surveillance Imaging System) sistemą. Ji ypatinga dėl savo labai didelės 1,8 gigapikselių raiškos. Tokia didelė raiška pasiekiama iš stambaus vaizdo jutiklių masyvo, kurių vienas jutiklių – panašus į naudojamą išmaniųjų mobiliųjų telefonų kamerose. „ARGUS-IS“ jų nemažiau, negu 368. Šitokia sistema gali iš 5300 m aukščio gauti matomą žmogaus vaizdą 40 kvadratinių kilometrų plote

Ši kamera tvirtinama ant „Boeing A160A Hummingbird“ UAV.

SAR

Viena svarbesnių technologijų, naudojamų žvalgybiniuose UAV – tai SAR (angl. Synthetic-aperture radar). Iš esmės, tai tam tikras radaras, kuris naudojamas paviršiaus reljefo skanavimui, iš kurio galima išgauti ir dvidimensį ir tridimensį vaizdą. Kaip ir visi radarai, SAR veikia radijo bangų principu. Iš šių radarų vaizdas gaunamas didelės rezoliucijos: paprastai UAV naudojami tokio tipo radarai išgauna mažiausiai 10 cm tikslumą, naudojami taip pat ir ypač plačiajuosčiai SAR radarai, kurių gauto vaizdo tikslumas yra iki kelių milimetrų.

Toks tikslumas gaunamas dėl sudaromos didelės sintetinės antenos. Kadangi UAV pozicija realiatyviai taikiniui kinta, tai radijo bangos, atsispindėjusios nuo taikinio, gali būti nuskaitomos vis kitoje UAV pozicijoje. SAR, naudojami kariniuose UAV, vadinami – TESAR (angl. Tactical Endurance Synthetic Aperture Radar). Vienu metu šie radarai gali skanuoti 0,09 m2 plotą. UAV skrendant 25-35 m/s greičiu iš šių mažų plotų sudaromas didesnis, 800 m pločio vaizdas.

Matome, kad TESAR naudojamos gigahercinės bangos, bei signalai apdorojami pačiame UAV, taigi į karinę stotį siunčiamas jau sudarytas vaizdas. Tesar įranga įrengta „General Atomics MQ-1 Predator“ koviniame bepiločiame orlaivyje.

Infraraudonųjų spindulių kameros

Aptartos sistemos puikiai veikia vaizdui gauti dienos metu, tačiau būtina sistema, kuri galėtų gauti, pavyzdžiui, taikinio vaizdą ir nakties metu, ar tada, kai gyvas stebimas objektas slepiasi už plonų objektų. Toks vaizdas gaunamas naudojant termografinę kamerą. Ji veikia panašiai kaip ir paprasta kamera, tiesiog vaizdą formuoja iš gautų infraraudonųjų spindulių (bangos ilgis iki 14 μm).

Įranga taikinių naikinimui

Taikymosi sistemos

MTS (angl. Multi-spectral targeting system) – kariniuose UAV naudojama taikymosi sistema, turinti elektro-optinius, infraraudonuosius sensorius. Šios taikymosi sistemos geba atvaizduoti vaizdą iš didelio atstumo, aptikti judančius taikinius, juos sekti bei nustatyti atstumą iki jų. Taip pat tokia sistema į taikinį gali nukreipti lazerį, taip nukreipiant paleistas raketas.

Daugiaspektriniai sensoriai aptinka vaizdą ir iš jo išskiria tam tikrus šviesos dažnius, kad išgautų vaizdą, kurio žmogaus akis negali aptikti. Šios taikymosi sistemos gali aptikti netgi išmindžiotą žemę ar taikinius, kurie slepiasi po kamufliažu. Šios sistemos įmontuotos į naujausius „MQ-1B Predator“ karinius UAV.

Karinių UAV ginkluotė

Viena svarbiausių UAV paskirčių karo pramonėje – tai taikinių naikinimas. Tam naudojamos valdomos prieštankinės raketos, kurias gali nukreipti jau anksčiau aptarta daugiaspektrinė taikymosi sistema. Paprastai šie bepiločiai orlaiviai apginkluojami „AGM-114 Hellfire“ valdomomis prieštankinėmis raketomis.

Valdomos raketos, kaip ir prieš tai minėta, svarbios dėl savo trajektorijos korekcijos galimybės. Tai atliekama pašvitinant taikinį lazerine rodykle. Pataikęs į taikinį, minėtas lazeris atsispindi visomis kryptimis. Šviesos sensoriai, esantys raketos priekyje aptinka programiškai nurodytą šviesos bangos ilgį, kuriuo taip pat pasižymi ir nurodyto lazerio šviesa. Taip tie sensoriai gali nustatyti, iš kur šviesa sklinda ir raketa pakreipia savo trajektoriją.

Raketos valdymo dalys:

1. Detekcijos sistema – priekyje esanti sistema, aptinkanti tam tikros bangos ilgio šviesą
2. Kontrolės sistema – raketos valdymo dalis, apskaičiuojanti kaip reikia pakreipti ant raketos esančias mentes, kad raketa kuo tiksliau pasiektų taikinį.
3. Mentės – nukreipia jau skriejančią raketą tam tikra linkme.

Bepiločių skraidančių aparatų valdymas. Jų komunikacija ir valdymo sistemos

Kalbant apie UAV, skirtus komerciniam ar asmeniniam naudojimui, jų komunikacija paremta radijo ryšiu su tam tikru valdymo pultu, taip pat komunikacija gali būti paremta bevieliais duomenų perdavimo tinklais (3G, 4G ir pan.). Stambesniems UAV, skirtiems kariniams tikslams, komunikacijai reikalinga ant žemės esanti valdymo sistema ir palydovas, kuris palydoviniu ryšiu siunčia bei priimta duomenis į minėtus UAV ir valdymo sistemas.

Antžemine valdymo sistema tiesiogiai valdomas UAV pakilimo metu iki kol nutolsta nuo valdymo sistemos, tuomet kovinis bepilotis orlaivis valdomas per palydovinį ryšį.

Žinant, kad duomenys kariniuose UAV perduodami radijo ryšiu, instinktyviai kyla klausimas: kaip apsaugoti perduodamus duomenis? Vis dėlto betkokius duomenis, perduodamus radijo ryšiu įmanoma sutrikdyti, ar netgi juos nuskaityti. Šią problemą išsprendžia kariniuos UAV naudojama palydovinė lėkštė.

Kadangi naudojama lėkštė, kuri paprastai nukreipiama į palydovą, siunčiamos radijo bangos būna koncentruotos ir nukreiptos aukštyn.

Verta ir paminėti mažų karinių bepiločių orlaivių komunikaciją, kuri yra gerokai paprastesnė negu stambiųjų: naudojamos daug mažesnės sistemos, nenaudojami palydovai, kadangi smulkūs UAV naudojami žvalgybai vietovių, kurios yra netoli nuo UAV operatoriaus. Taip pat šiuose UAV yra daug mažiau sensorių, iš esmės perduodama informacija: tik filmuojamas vaizdas.

Referatą galite atsisiųsti PDF formatu [1,39 MB].