Современные миниатюрные БПЛА

В начале 2014 года компания Markets and Markets опубликовала прогноз рынка малых БПЛА. Согласно этому исследованию, он будет устойчиво расти. Объем годового рынка мини-, микро- и нано-БПЛА гражданского и военного назначения к 2019 году может составить свыше $500 млн в год. Во многом этот рост будет обусловлен развитием сверхмалых БПЛА и все большим их проникновением в гражданскую и военную сферы 23 Апрель 2015, 15:12

Настоящий расцвет микро- БПЛА начался в конце 2000-х годов, когда его подстегнуло стремительное развитие потребительской электроники, и прежде всего — сотовых телефонов. Именно для них были разработаны и начали массово выпускаться многие компоненты, необходимые для построения эффективного и миниатюрного разведывательного аппарата: электроника, позволяющая проводить достаточно качественную фото- и видеосъемку, модули радио­связи, приемники глобального позиционирования, а также емкие, легкие и компактные аккумуляторы. 
Наибольшее распространение среди микро-БПЛА получили традиционные авиационные схемы «беспилотников», особенно «летающее крыло», но все более популярными становятся и вертолеты — как одновинтовые, так и мультикоптеры, — хорошо знакомые сегодня всем любителям радиоуправляемых моделей. Для еще меньших нано-БПЛА приходится активно разрабатывать иные схемы, позаимствованные у живой природы, — махолеты.

В то время как собственно БПЛА становятся все меньшими, сохраняется проблема с габаритами станций управления ими. Для эффективного обмена данными с «беспилотником» необходима станция управления с крупными средствами отображения информации, мощным передатчиком, антенной, способной поддерживать надежный контакт с аппаратом на расстоянии 5–10 километров. Они поддаются миниатюризации гораздо сложнее, чем сами БПЛА. В результате комплект даже с самыми малыми беспилотными машинами весит несколько килограммов. Это не позволяет оснастить ими каждого бойца и делает непрактичным введение микро-БПЛА даже на уровне отделения. В то же время взводный уровень для них уже вполне достижим.

Аппаратура управления БПЛА плохо поддается миниатюризации

Самым существенным ограничением для малых БПЛА остается проблема источника энергии, несмотря на значительные достижения в этой области в течение последнего десятилетия. Из-за малых габаритов и грузоподъемности они не способны нести ни запасы топлива, ни емкие аккумуляторы. Это ограничивает дальность их действия и время нахождения в воздухе. После возвращения из полета они должны быть перезаряжены, при этом необходимы квалифицированный оператор и полевые источники энергии.

Так как прогресс в аккумуляторных источниках энергии затормозился, ведутся активные изыскания по альтернативным направлениям для микро-БПЛА. Схема с солнечными батареями испытывалась, но по понятным причинам она не может быть основной для военного беспилотника. Более перспективным выглядит использование водородных топливных элементов, которые не требуют электроэнергии для дозаправки аппарата, но и это пока не реализовано в серийных образцах. Была попытка обратить внимание даже на такую экзотику, как подача энергии на БПЛА с помощью направленного пучка электромагнитного излучения, но она оказалась и непрактичной, и малоэффективной.

В целом проблема с источниками энергии по-прежнему не решена. При упомянутых выше трудностях дальнейшего развития аккумуляторов она может быть компенсирована увеличением количества недорогих аппаратов в одном комплекте с базовой станцией для создания их избыточности, что позволит даже в ходе продолжительного боя постоянно иметь необходимое их число в воздухе.
Другой проблемой для военного применения является малая вычислительная мощность самих аппаратов. Из-за их малых размеров и по соображениям энергопотребления на них пока невозможно установить мощные процессоры. В первую очередь это сказывается на невозможности использования сильной криптозащиты канала связи. Это оставляет их уязвимыми к перехвату данных, поставляемых «беспилотником», или даже управлению им.

К микро-БПЛА сейчас принято относить аппараты максимальной взлетной массой менее 5 килограммов. Даже в таких габаритах сейчас вполне возможно создать эффективного разведчика тактического звена, способного обеспечить подразделению, вооруженному им, значительное превосходство на поле боя.

Катапультный запуск ранней версии 
БПЛА Wasp от AeroVironment

Wasp III

Самым многочисленным и наиболее характерным из микро-БПЛА
такого класса на сегодня является модель Wasp III американской
компании AeroVironment. Беспилотник взводного звена предназначен для разведки и наблюдения в городских условиях. Аппарат построен по схеме «летающего крыла» с размахом в 72 сантиметра и при этом весит всего 430 граммов. Даже при таких скромных размерах в него удалось поместить переднюю и боковую видеокамеры высокого разрешения, позволяющие вести наблюдение, в том числе и ночью. Стабилизация и увеличение изображения, как это пока типично для нынешних сверхмалых БПЛА, осуществляется программно. Wasp III способен управляться не только вручную, но и имеет автопилот и альтиметр для полета по заранее проложенным маршрутам и автоматического возврата в точку вылета в случае потери связи с базовой станцией.

Бросковый запуск AeroVironment Wasp III
Пульт управления Wasp III
Малый вес и прочная конструкция позволяют запускать его непосредственно с рук, а приземляется он «по-самолетному» на горизонтальную поверхность без использования парашюта, который усложнил и утяжелил бы конструкцию. Электромотор и литий-ионные аккумуляторы обеспечивают ему время нахождения в воздухе до 45 минут и скорость перемещения 65 км/ч.

«Беспилотники» этого типа в больших количествах приняты на вооружение Армии и ВВС США. На июль 2013 года только у них насчитывалось 990 экземпляров Wasp III. Помимо США он используется также вооруженными силами Австралии, Франции и Швеции, хотя и в меньших количествах.

Существенным достоинством этого БПЛА является то, что он использует ту же станцию управления, что и более крупные RQ-11 Raven и Puma этого же производителя, которые также массово состоят на вооружении США. Это позволяет унифицировать парк и упростить подготовку их операторов. Первые аппараты такого типа стали поступать на вооружение в 2007 году, а в 2012 году начались закупки версии, приспособленной для посадки не только на сушу, но и на воду.
Применение микро-БПЛА  Wasp AE,  «одноклассника» Wasp III

«Гранат-1»

В Вооруженных силах Российской Федерации есть и уже применяются на практике собственные микро-БПЛА. Наиболее распространенным из них (правда, закупленным пока в нескольких десятках экземпляров) является «Гранат-1», разработанный ООО «„Ижмаш” — Беспилотные системы». Он является самым малым из разработанной предприятием линейки беспилотников.

«Гранат-1», представленный в 2012 году, использует наработки поставлявшего в войска с 2007 года БПЛА «Груша» этой же компании. Аппарат имеет взлетный вес в 2,4 килограмма и размах крыла 82 сантиметра, может летать со скоростью до 60 км/ч, находиться в воздухе до 75 минут и предназначен для проведения разведки на расстоянии до 10 километров.

Запуск БПЛА «Гранат-1» российского производства (фото: www.izh-bs.ru)
Так как в России не производится многих современных компонентов, необходимых для создания таких беспилотников, компании пришлось полагаться на свободно доступные коммерческие образцы, включая такие главные составляющие, как двигатель и пропеллер, а также полезная нагрузка. Этого достаточно для выполнения поставленных требований российского МО, но не дает возможности полноценно конкурировать со специализированными зарубежными разработками.

Даже такой небольшой по габаритам и весу БПЛА требует станцию управления, выполненную на базе защищенного ноутбука, сравнительно крупного приемопередатчика и катапульты для старта. В результате его боевой расчет для переноски и использования составляет два человека.

Mosquito

Современной тенденцией является постепенное придание даже микро-БПЛА ударных возможностей. Появился целый подкласс «умных гранат», простых одноразовых беспилотников весом 1–3 килограмма, оснащенных боевыми частями (Technowars рассказывал об этом в статье «Беспилотные летательные аппараты: обзор рынка за 2013–2014 гг.»).

Запуск микро-БПЛА Mosquito с ручной катапульты-«пистолета»
Еще дальше пошел один из ведущих мировых производителей БПЛА Israel Aerospace Industries. Компания предлагает в этом сегменте легкий аппарат Mosquito, имеющий при размахе крыла в 35 см максимальный взлетный вес в 500 г. При этом он может нести до 150 г полезной нагрузки и находиться в воздухе до 40 минут. Дальность Mosquito типична для аппаратов такого класса и составляет 3 километра в условиях прямой видимости.
Миниатюрное «летающее крыло» IAI Mosquito

В 2009 году компанией был представлен чрезвычайно интересный комплекс, объединяющий Mosquito, станцию управления им и автономные ракеты JUMPER класса «земля-земля». Оператор миниатюрного «беспилотника» может сразу в автоматизированном режиме вызывать по обнаруженным целям удары этих ракет, пусковые контейнеры которых заблаговременно располагаются на позициях или в тылу. Учитывая значительную поражающую способность тяжелых 150-мм ракет JUMPER, которые могут оснащаться различными боеголовками, это придает даже микро-БПЛА ударные возможности, сопоставимые с демонстрируемыми гораздо более тяжелыми БПЛА класса „Hunter-Killer”.

Нет единого определения границы, где заканчиваются микро- и начинаются нано-БПЛА. Один из подходов был сформулирован в США агентством DARPA в его программе разработки Nano Air Vehicle (NAV), в рамках которой целью агентства являлось создание миниатюрного воздушного аппарата размером не более 7,5 см по наибольшему измерению и полным взлетным весом не более 10 г. При этом аппарат должен быть дешев и способен выполнять, как говорится в пресс-релизе, «полезные военные задачи». Таковой может считаться не только привычная уже функция разведчика с видеокамерой: дешевые крошечные нано-БПЛА могут быть также носителями различных датчиков — от температурных до датчиков радиации или движения. Планируется, что основным назначением нано-БПЛА должны быть действия внутри зданий.

Контейнер с ракетами JUMPER, удар которых может самостоятельно вызывать оператор микро-БПЛА Mosquito

Попытка создания серийного нано-«беспилотника» заявленных размеров пока не увенчалась успехом. Привычные и традиционные движители слишком стремительно теряют удельную эффективность при такой миниатюризации: все большую долю веса аппарата приходится отводить на собственно силовую установку и меньше — на полезную нагрузку. В результате на определенном рубеже миниатюризации аппарат не может не только нести полезную нагрузку, но и поддерживать себя в воздухе.

Для преодоления этой проблемы разработчики обратились к бионике. Но и тут пока нет прорывов. Эффективность искусственных источников энергии в таких размерах значительно уступает эффективности энергетических процессов в живых организмах.

Black Hornet

Тем не менее нано-БПЛА, приближающиеся к заданным размерам, уже есть. Правда, единственным из масштабно использующихся в реальных боевых условия является сейчас только PD-100 Black Hornet («Черный шершень»), разработанный небольшой норвежской компанией Prox Dynamics.

Крошечный «Шершень» хоть и не укладывается в рамки, заданные DARPA, но вместе с поворотной камерой низкого разрешения весит всего 16 граммов и имеет длину около 15 сантиметров. Построенный по классической вертолетной схеме с несущим и хвостовым винтами при максимальной скорости в 10 м/с (36 км/ч), он может держаться в воздухе около 20 минут и действовать в радиусе 2–3 километров.

Но обычно ему не приходится залетать так далеко. Британские войска, которые на 2013-й год используют свыше 300 комплектов PD-100 в Афганистане, применяют его для разведки маршрутов движения и проверки потенциальных мест для засады. Включение в состав малых подразделений солдата-разведчика с комплектом из двух дронов позволяет не рисковать жизнью солдат, посылая их в разведку.

Боевой расчет нано-БПЛА PD-100 Black Hornet состоит из одного человека, а станция управления очень компактна

Особым достоинством этого сверхмалого боевого беспилотника является его крайне малая заметность. Очень низкий уровень шума от маломощного электромотора, малые габариты и маскировочная окраска, скрывающая его на фоне типичных для той местности стен, позволяет солдатам проводить скрытое наблюдение даже в районах сельской жилой застройки, не привлекая внимания местного населения. На такое неспособны более крупные и заметные беспилотники тактического звена.

В 2013 году этим нано-БПЛА заинтересовалось и Министерство обороны США. После закупки им нескольких образцов для тестов в октябре Prox Dynamics получила заказ от Армии США стоимостью в $2,5 млн на разработку еще более миниатюрной, карманной версии Black Hornet. За счет уменьшения габаритов и, возможно, дальности действия базовой станции планируется довести общий вес комплекта всего до 400 граммов с нынешних почти двух килограммов, что должно позволить не выделять для него отдельного бойца, а брать в дополнение к обычному снаряжению пехотинца.

Hummingbird

По заказу DARPA в США ведутся и собственные разработки нано-беспилотников для военного применения. Дальше всего продвинулся в этом направлении образец Hummingbird («Колибри»). Этот аппарат схож по своим габаритам с норвежским нано-БПЛА, имея размеры в 15 сантиметров и размах крыла 16 сантиметров. Вес его всего 19 граммов. Принципиально иным является способ движения. Прототипом послужили колибри, которых и напоминает этот беспилотник. Подвижные эластичные крылья, двигающиеся с большой частотой, позволяют ему зависать на месте подобно вертолетам, проводить сложные маневры, лететь со скоростью до 5 м/с (18 км/ч), а также сохранять управляемость при порывах ветра до 2,5 м/с.

Прототип «Колибри» совершил полет в феврале 2011 года, но до серийного производства аппарат еще не дошел. При всей привлекательности и перспективности такой схемы, позаимствованной у природы, она пока уступает по надежности и отработанности привычным вертолетным.

Радиоуправляемый «Колибри» — экспериментальный нано-БПЛА, созданный DARPA

Этим же страдают и другие экзотические схемы нано-«беспилотников», пытающиеся имитировать насекомых или даже кленовое семечко, как БПЛА Samarai компании Lockheed Martin. На нынешнем техническом уровне дальнейшая миниатюризация нано-БПЛА с сохранением их боевой полезности пока представляется невозможной.

«Однокрылый вертолет» Samarai от компании Lockheed Martin имитирует принцип полета семени клена

Завтрашний день

Традиционные схемы беспилотников уже хорошо отработаны и замедлили свое развитие до эволюционного. В то же время сейчас мы являемся свидетелями революции, связанной с активным развитием схемы мультикоптера, с которой, без сомнения, во многом будет связан завтрашний день микро-БПЛА. Простые, дешевые и надежные аппараты этой схемы легки и стабильны в полете и, в отличие от классических «самолетных» аэродинамических схем, имеют гораздо лучшую управляемость и маневренность на низких скоростях. Особенности конструкции делают возможным модульность и легкую смену целевых нагрузок в полевых условиях. Кроме того, такая конструкция легко масштабируется по размерами и грузоподъемности.

Очевидные достоинства такой схемы привели к бурному росту их гражданского и коммерческого применения. Примеров специализированных военных образцов пока еще немного, но они, безусловно, последуют, и прежде всего — в диапазоне микро-БПЛА. Одним из первых моделей стал разведывательный SQ-4 RECON, представленный в 2013 году британской BCB International Limited. Сам квадрокоптер весит 198 граммов, а весь комплект со станцией управления — всего 968 граммов.

Самой актуальной задачей микро-БПЛА на завтрашний день является углубление их интеграции в автоматизированные системы управления тактического звена. Это сделает даже самые малые «беспилотники» глазами не только отдельного бойца или взвода, но и вышестоящего командования, а также сил поддержки, включая артиллерию и авиацию.

Квадрокоптер-разведчик SQ-4 RECON в разобранном виде укладывается в небольшой кейс, а в качестве средств управления используются коммерчески доступные продукты

Отдельной темой, которая только начинает прорабатываться, является действие микро- и нано-БПЛА в режиме «роя» (swarm), схожего по функциям с роем насекомых. Главным достоинством такого режима является возможность не управлять каждым из аппаратов по отдельности, а силами одного оператора ставить задачу группе из десятков или даже сотен микро- или нано-БПЛА, работающих синхронно и в автоматическом режиме согласовывающих свои действия.
И тут пока коммерческие приложения опережают военные. Тем не менее они позволяют представить перспективы такого их применения. Авиакомпания EasyJet надеется уже к концу года опробовать разрабатываемую для нее систему осмотра своих самолетов в ангаре при помощи синхронно действующих небольших мультикоптеров. Они будут выполнять работу, на которую у людей уходит более двух суток, за считанные минуты. Пока беспилотники будут лишь снимать весь самолет на видео высокого разрешения, а специализированное программное обеспечение склеивать эти видеопотоки для удобного осмотра человеком. Затем авиакомпания надеется обзавестись беспилотниками, способными сканировать поверхность самолета лазерными лучами по принципу 3D-сканера и сверять полученную трехмерную модель высокого разрешения с эталонной. Это позволит автоматизировать трудоемкий процесс обнаружения небольших дефектов.

Потенциальные применения этой технологии в военном деле могут служить для целей от автоматического контроля границ и периметров полевых лагерей до высококачественного оперативного картографирования небольших населенных пунктов или онлайн-видеофиксации всего поля боя.

В более отдаленной перспективе ожидается оснащение микро-БПЛА на базе мультикоптеров и бронетехники. Экипаж танка или БМД с базирующимися на нем несколькими БПЛА будет иметь значительно лучшую ситуационную осведомленность не только в бою, но и на марше, что снизит опасность засад. При этом высокая автоматизация будущих БПЛА, включая операции взлета-посадки на бронетехнику в движении, патрулирования и распознавания враждебных целей, позволит не перегружать экипаж управлением дронами.

Борьба с микро-БПЛА

Уже в 2010 году численность военных БПЛА во всем мире оценивалось в 10000 единиц. Расцвет микро- и нано-БПЛА увеличит эту величину к 2020 г. на порядок. Они станут неотъемлемым и привычным элементом поля боя в конфликтах как малой, так и высокой интенсивности, причем их применение не будет уже монополией лишь крупных технологических развитых стран. Простота и доступность позволяют поставить их на вооружение террористам и повстанцам.

Развитие «гражданского» нано-БПЛАстроения иллюстрирует миниатюрный квадрокоптер Estes Proto X. Стоит такой аппаратик около $40. Конечно, подобный БПЛА не понесет серьезную разведывательную нагрузку или не сможет удалиться от оператора на многие километры, зато вполне подойдет для обследования помещений здания в условиях городского боя.

Поэтому уже сейчас ведутся разработки по защите армии от угроз таких БПЛА. Лидером тут, как и во внедрении самих БПЛА, стали США. Как крупнейший их пользователь они лучше всех понимают и будущие угрозы, связанные с беспилотниками. С 2010 года там проводятся ежегодные совместные учения „Black Dart” по обнаружению и уничтожению БПЛА. На многодневных испытаниях применяются десятки «беспилотников» и ведутся боевые стрельбы по ним.

Уже первые учения показали, что микро-БПЛА весом в считанные килограммы, а тем более в сотни граммов являются крайне трудной целью как для пилотируемой авиации, так и для современных армейских систем ПВО, ориентированных на поражение больших летательных аппаратов. Малые сигнатуры, высокая маневренность и тактическая гибкость применения делают микро-БПЛА принципиально более трудной целью по сравнению с крупными тактическими БПЛА даже для таких современных систем, как российский «Панцирь-С» или израильский „Iron Dome”. Эффективного противодействия потенциальному использованию «роя» из «беспилотников» пока нет вообще.  

Понятно, что для эффективного ответа на массовое насыщение малых отрядов или даже отдельных бойцов беспилотниками придется вводить средства их обнаружения и поражения на уровнях вплоть до пехотного взвода или роты. Одной из первых попыток создать такое устройство является разработанная американскими военными комбинация ПТРК Spike и радара от контейнерной системы защиты (Palletized Protection System). Она по-прежнему довольно громоздка, но уже пригодна для установки на технике и подтвердила возможность поражения БПЛА на практике. Тем не менее стоимость ракеты Spike в $50 тыс. превышает стоимость большинства микро-БПЛА. Это является общей проблемой для всех вариантов перехвата с использованием управляемых ракет.

Разведывательный БПЛА горит, подожженный LaWS — боевым лазером, разработанным ВМС США
Поэтому большие надежды возлагаются на энергетические виды оружия. Если микроволновое оружие пока находится в чертежах, то опытные образцы лазерного, такие как морской LaWS, уже успешно испытывались против БПЛА.

Изучаются и другие возможности — от адаптации систем РЭБ для борьбы с каналами связи БПЛА до проведения кибератак на их системы автопилота и станции управления. В более отдаленной перспективе неизбежным выглядит создание специализированных воздушных БПЛА-истребителей других беспилотников. Они позволят компенсировать неуклюжесть наземных комплексов противо-БПЛА обороны.

Предстоящее десятилетие будет характеризоваться не только бурным развитием микро-БПЛА, но и средств борьбы с ними. Еще лишь зарождающееся в этой сфере противоборство «брони и снаряда» во многом будет повторять историю соперничества самолетов и средств ПВО.