Что такое дрон? Какие виды дронов бывают и где применяются

Беспилотные летательные аппараты или дроны заняли умы конструкторов сразу после отрыва человека от Земли на первом самолете Николая Егоровича Жуковского. После первых романтических полетов стало ясно, что следующей задачей будет освоение полётов без участия человека. Когда мечта сбылась, и человек побывал в небе, самым уязвимым местом авиации стал… пилот. Но долгое время заменить его было некем.

Чем пилот не угодил авиации

Мало того, что обучать летчиков приходится долго. Нужно следить за состоянием их здоровья, иметь на всякий случай замену наготове. Техника не стоит на месте, и пилоту нужно регулярно повышать квалификацию. Все это стоит денег, и вовсе немаленьких.

А еще пилоту нужно обеспечить на рабочем месте максимальный обзор, позволяющий видеть и другие летательные аппараты в воздухе, и ситуацию на земле, препятствия при экстренном приземлении на неподготовленные участки. Когда-то для этого хватало шелкового шарфа – он не давал воротнику летной кожаной куртки натирать авиатору шею. Но высоты и скорости росли, и вскоре потребовалась кабина, чтобы защищать экипаж от воздействия внешней среды – от дождя, от встречного потока воздуха, от снега, от молнии.

Многочисленные механические и электронные средства управления машиной, контрольные приборы, без которых человеку не обойтись, тоже нужно защищать. Но сначала – внести в конструкцию и установить. И эти приборы, и весь узел управления, и кабина – совсем не дешевые вещи.

При длительном полете берет свое физиология – экипаж должен пить, есть, пользоваться санузлом, отдыхать, в конце концов. Со временем потребовалась полная система жизнеобеспечения на борту, да еще и герметичная, с нормальным уровнем давления воздуха при минимальном давлении за бортом на больших высотах. После преодоления звукового барьера летчику стал необходим противоперегрузочный костюм, шлем со встроенными устройствами связи, мощный компьютер для систем наведения ракет и прицельного бомбометания. А в случае опасности пилота нужно срочно эвакуировать (парашютная система, катапульта с пиропатроном, кислородная маска, баллон и др. и пр. и проч.)

Но дело не только в деньгах. Пилот, мало того, что нуждается в условиях для работы – так он со всей системой жизнеобеспечения очень немало весит, а это требует расхода топлива и сокращает время полета, многие операции по стоимости становятся неоправданно дорогими. И время теряется – например, при мониторинге лесных пожаров, которые не станут ждать, пока самолет слетает на аэродром и поменяет экипаж.

Конструкторам осталось решить главную задачу: кого (что) посадить в самолет вместо пилота, или как управлять этим самолетом на расстоянии?

Авиация была обречена на создание беспилотного летательного аппарата. Ему дали название «дрон» – от английского drone, то есть «трутень». В русском языке это слово означает «бездельник», «тунеядец». Английская семантика подчеркивает то, что трутня используют – и затем он становится ненужным. Часть дронов действительно становятся ненужными после доставки груза. Но только часть.

Кто первым получил патент на дрон

Болгарский философ XIV века Константин Костечевский говорил: «В суть всякой вещи вникнешь, если правдиво наречешь ее». В наше время стоит добавить: «Со всякой вещи получишь доход, если расплывчато назовешь ее в патенте». Управление движущимся аппаратом на расстоянии другой славянский гений, Никола Тесла в конце XIX века назвал в патенте «телеавтоматикой».

Свою модель радиоуправляемой лодки он продемонстрировал в действии на электрической выставке Нью-Йорке еще в 1898 году. Но в отличие от изобретателя швейной машинки, Айзека Меррита Зингера, патент которого много лет приносил хозяину деньги, Тесла за свое изобретение ничего не получил. В музее Теслы в Белграде экспонируются копии лодки и пульта управления (оригиналы не сохранились). Патент US613809A на «метод и аппаратуру дистанционного контроля движущихся транспортных средств и судов» так и остался просто историческим документом. Военные не заинтересовались им, гражданские лица и вовсе посчитали игрушкой.

«…моя подводная лодка, загруженная торпедами, может быть запущена из безопасной гавани или с корабля, скрытно проплыть под поверхностью, через заминированные воды, прямо в защищенные порты и атаковать корабли, стоящие на якоре, или выйти в открытое море, ища свою добычу и атаковав её в удобный момент даже с сотни футов, разрядить свой смертельный арсенал и вернуться к отправителю» - писал Тесла. Не прошло и столетия – и люди начали уничтожать друг друга еще и таким способом. И научились управлять не только тем, что плавает и ездит, а и тем, что летает. Лучшим своим изобретениям человечество с удручающим постоянством сперва находит наихудшее применение.

Бомба Сперри и торпеда Кеттеринга

Первыми беспилотными летательными аппаратами, реально поднявшимися в воздух, стали «летающая бомба» Элмера Сперри и Питера Хьюитта, а также дрон Чарльза Кеттеринга – изобретения рождались в условиях жесткой конкуренции.

В 1914 году возможности поражения противника без риска для пилотов заинтересовали американский ВМФ, а следом и Главное управление вооружения. Деревянный аппарат с двигателем мощностью в 100 л/с, с размахом крыльев больше 7 м и массой 680 кг должен был развивать скорость до 145 км/ч, и преодолевать дистанцию в 80 км с 450 кг (1000 фунтов) взрывчатки на борту. Это был БПЛА самолетного типа. Дистанционного управления бомба не предусматривала, перед полетом настраивали два гироскопа, один из которых стабилизировал аппарат по крену, второй задавал курс.

Но продолжительностью полета ”бомба” не радовала. Сначала пытались поднимать ее в воздух, сталкивая своим весом по наклонному тросу, потом решили запускать с гравитационной катапульты – рельсовую тележку с аппаратом разгоняли с помощью подвешенного на башне десятитонного груза. Дошло бы и до рогатки, наверное, но бомбы, по счастью пока без «начинки», упорно не хотели взлетать. Тогда Сперри решил разогнать снаряд на автомобиле компании Marmon. Это удалось один раз – 16 марта 1918 года, когда «летающая бомба» Сперри-Хьюитта, осуществив перелет на дистанцию в 910 метров, стала первым БПЛА в воздухе. А в последний раз бомба, уже снаряженная, взлетела в сентябре того же года, ее удалось поднять в воздух, заставить набрать высоту, и она даже преодолела заданные 12800 м, но… забыла взорваться. Так и улетела в океан, и рванула ли где-то – неизвестно. На этом испытания кончились – ни денег, ни взрывчатки военные больше не давали. В 1922 году проект закрыли окончательно.

Инженер и бизнесмен Чарльз Киттеринг, по прозвищу «Босс», получил за свои изобретения 186 патентов – что весьма и весьма неплохо. Кстати, одним изобретением Киттеринга большинство из нас пользуется каждый день: это электрическая система зажигания в автомобиле.

В ноябре 1917 года военное ведомство само обратилось к Киттерингу с просьбой создать беспилотный аппарат для бомбардировки укрепленных районов противника. Сперва аппарат получил рабочее название «Жук». Деревянный корпус, биплан, 4 неподвижных крыла, подъемную силу обеспечивал дешевый лицензионный двигатель Dе Palma стоимостью всего-то $40. Количество взрывчатки скромное – 80 кг, дистанция 120 км, скорость 80 км/ч. Курс, также, как и у Сперри, задавал гироскоп, высоту полета регулировал барометрический высотомер, и запуск тоже осуществлялся катапультой. Стоил аппарат всего-то $400. 4 октября 1918 года «Жук» продержался в воздухе 45 минут, до полного расхода горючего.

Для испытаний заказали еще 75 машин, затем хотели купить и первую промышленную партию, но тут война кончилась. Всего этот самый «Жук» съел из военного бюджета США $275000. Правда, к этому времени он уже сменил имя на Liberty Eagle – «Орел Свободы».

По сравнению с «бомбой Сперри», «Воздушная торпеда» или «Жук Киттеринга» был куда более успешным проектом. Но эра БПЛА была еще впереди.

Во время Второй Мировой войны пилотируемая техника имела огромные преимущества перед БПЛА – самолеты усовершенствовали, а примитивная автоматика и радиоуправление не могли тягаться с мгновенной реакцией и мастерством опытного пилота. Британский дрон DH.82B Queen Bee оправдал себя только как мишень для подготовки военных летчиков. Немецкие же Henschel Hs 293 и Fritz X хотя и показали себя в морских сражениях на средиземноморье – но ограниченные средства Германии позволили развивать только ракеты Фау-1 и Фау-2 Вернера фон Брауна. В СССР БПЛА не разрабатывали и вовсе.

Дроны эпохи Холодной войны

Военное применение дронов довольно долго ограничивалось самолетами-разведчиками. Американский Ryan Model 147E применяли во Вьетнаме, но со скромным успехом – характер местности немногое позволял разглядеть, а вьетнамцы были и остаются мастерами военной маскировки. В СССР тоже разработали военные БПЛА: Ту-123 «Ястреб» - дальний беспилотный разведчик, Ту-141 – оперативно-тактический разведывательный БПЛА и Ту-143 – БПЛА тактической маловысотной разведки.

В 80-е годы прошли боевое крещение израильские разработки IAI Scout и Tadiran Mastiff, обеспечившие разведку во время Ливанской войны. Они стали важной вехой, наступал век микроэлектроники. Следующие за ними разведчики-беспилотники, американские MQ-1B Predator и MQ-9 Reape уже передавали информацию в режиме реального времени.

Настоящая эпоха БПЛА

Наступившее тысячелетие по-новому ответило на вопрос, что такое беспилотник и какие бывают БПЛА. У этих аппаратов появились новые, мирные функции, от развлекательных до научных и сугубо практических.

В 2006 году Федеральное управление гражданской авиации США разрешило использование малых беспилотников бизнесу, правительственным учреждениям и частным лицам. Крупные компании давно вели разработку БПЛА для своих нужд. Закон позволил самостоятельную доработку базовых моделей малых БПЛА для нужд частных лиц и малого бизнеса. Стала доступной аэрофотосъемка с малых высот, которая заинтересовала как фотографов-любителей, так и владельцев крупных земельных участков, желающих вести мониторинг своего хозяйства. Разумеется, немедленно нечистоплотные люди освоили дроны для слежки, фотографирования и видеосъемки в частных владениях. Вскоре снимки обнаженных кинозвезд с внебрачными партнерами стали не самым большим злом: преступники раскрывали системы охраны и безопасности в частных жилищах и на опасных производствах, промышленные и военные шпионы тоже обрадовались новым возможностям. Пришлось срочно внести коррективы в правила, запретив вторжения с помощью дронов в частную жизнь людей, нарушение безопасности и федеральных законов. Часто следят за нарушителями также при помощи дронов – они сразу стали важным элементом систем безопасности на больших территориях.

Миниатюризация электроники, удешевление материалов и упрощение управления расширили возможности, типы полетов БПЛА, привели к появлению новых видов беспилотников.

В США малая авиация давно и успешно занималась обработкой полей инсектицидами и нанесением на них удобрений. Теперь эти работы все чаще выполняют беспилотные аппараты, и делают это лучше – ведь дрон работает на меньших высотах, с большей точностью распыляет жидкие вещества, которые не сносит ветром за межу или прямо на усадьбу фермера, DJI Agras MG-1 несет 10 литров удобрений или химикатов, а DJI Agras T30 распыляет 30 литров на 16 Га всего за час.

Дроны ведут, как уже упоминалось, мониторинг лесных и степных пожаров, следят за состоянием посевов на крупных площадях и ведут наблюдения на море за косяками рыбы. Технология лазерного дистанционного зондирования LiDAR фиксирует перемены картинки с высокой точностью измерения, ни время суток, ни освещенность местности на нее не влияет. Однако осадки и туман становятся существенной помехой.

В крупных городах уже всерьез, и, что называется, на финишной прямой перед запуском рассматриваются проекты воздушным судов без пилота, но… с пассажирами! Это будет воздушное такси.

Доставка лекарств, продуктов и заказанных товаров с помощью дронов уже никого не удивит. Сервис «Prime Air» впервые принес клиентам покупки в Великобритании, еще в декабре 2016 года.

А вот такая сложная задача, как ретрансляция сигнала мобильной связи и поддержание интернет-трафика в труднодоступных местах пока еще под вопросом. Если беспилотнику характеристики позволят «зависнуть» над нужным местом, корректируя свое положение, заряжаясь энергией от солнечных батарей – то его работа будет зависеть только от метеоусловий. Но ведь в большинстве случаев это препятствие серьезное.

В городах дроны могут вести и уже ведут мониторинг дорожной ситуации, контролируют наземный пассажиропоток, наблюдают за строительными и ремонтными работами. Постановка задач – работа для программиста, и многие функции становятся доступными компаниям и государственным службам по итогам работы их собственных IT-специалистов, в случаях трудных можно обращаться в специализированные компании.

Дрон для частного лица

Базовые характеристики БПЛА – это размер, вес переносимого оборудования, дистанция перемещения, высота полета и полетное время, остальное – пожелания владельца.

Типы дронов по количеству двигателей легко определяются: каждый минимально образованный человек поймет, сколько движков на квадрокоптере, на гексакоптере или октокоптере. Квадрокоптер широко распространен в силу низкой цены, но не слишком “устойчив” в воздухе. Гексакоптеры уже лучше подходят для профессиональной фото- и видеосъемки, поскольку надежнее обеспечивают стабильность камеры в полете. И в тех, и в других могут применяться брашированные (щеточные) и бесщеточные двигатели. Первые дешевле, потому что развивают меньшую мощность и скорость, вибрируют, но зато имеют более продолжительные сроки службы. А дополнительные преимущества бесщеточных двигателей еще и в экономии электроэнергии, они увеличивают продолжительность полета. Но начинать лучше с первых – в случае чего, теряется не так много денег. Октокоптеры уже не оснащают щеточными двигателями – эта техника считается профессиональной.

Важной характеристикой является частота, на которой ведется радиоуправление. В США диапазон от 2,4 до 5,8 ГГц используется широко, в Европейском союзе пользоваться им не разрешается. Обычно производители закладывают в программное обеспечение дрона автоматическое переключение диапазонов связи по географическому положению. Более подробное описание возможностей популярных моделей частных дронов и сфер их применения требует отдельной статьи.

Остается только пожелать всем, чтобы военное применение БПЛА поскорее прекратилось, и в мирное небо устремились тысячи мирных и законопослушных дронов - с самыми добрыми намерениями.

Читайте также, как рождаются беспилотники будущего: