Дроны — беспилотные летательные аппараты, которыми либо удаленно управляет оператор, либо они двигаются по заранее заданному маршруту. Сейчас эти устройства находятся на пике популярности. Удивляться не приходится, ведь их можно использовать для развлечения, фото- и видеосъемки (в том числе и профессиональных), военной разведки и ведения наблюдения за промышленными системами.
Дроны вовсе не новинка 21 века. Первые прототипы появились даже не в 20-м, а в 19-м веке, когда «цифра» еще не существовала. Что собой представляли предки современных беспилотников и что они умеют сейчас?
Начало всего
Если говорить о дроне как об устройстве, которое управляется удаленно, то первым идею представил Никола Тесла. Ученый не просто теоретизировал, а зарегистрировал патент, в котором говорилось о транспортном средстве, управляемом при помощи радиоволн. Тесла разработал концепцию боевых дронов, которые, как он считал, смогут усмирить воинственный дух наций и прекратить войны благодаря угрозе применения «безошибочной и неограниченной разрушительной силы».
Вот так, по мнению Тесла, мог выглядеть боевой беспилотный корабль (источник: United States Patent And Trademark Office)
Демонстрацию первого в мире радиоуправляемого дрона он провел в 1898 году, в пруду Мэдисон-сквер-гарден. Большинство идей, предложенных Тесла, получили дальнейшее развитие и привели к появлению дронов в их современном обличии.
Эволюция идеи
Одним из первых таких дронов стал «Автоматический аэроплан Хьюитта-Сперри», созданный в 1917 году. Правда, он не имел радиоуправления, для полета по заданному курсу его создатели настраивали гироскопы (на борту их было два). О том, как все это работало, информации практически не сохранилось. Но зато есть фотография автоматического аэроплана.
Первым боевым дроном стала «воздушная торпеда Кеттеринга», разработанная во время Первой мировой войны.
Говоря о дронах, не стоит забывать о квадрокоптерах, которые тоже далеко не новинка. Первые прототипы (правда, пилотируемые) были разработаны еще в 20-х годах прошлого века. Над созданием устройств такого типа работали сразу два человека. Первый — это конструктор Георгий Ботезат, живший в США и французский инженер Этьен Эмишен. Идея создания аппарата с четырьмя противопоставленными пропеллерами витала в воздухе, так что в том, что над ней независимо работало сразу два человека, нет ничего удивительного.
Коптеры того времени смогли поучаствовать лишь в тестовых полетах без дальнейшей практической реализации. Как оказалось, системы имеют три главных недостатка:
очень сложная трансмиссия, которая должна передавать крутящий момент с двигателя сразу на все роторы. Она работала, но часто ломалась.
Аппараты никак не были стабилизированы в воздухе, поэтому малейшее дуновение ветерка могло вывести летательный аппарат из строя.
Слишком большое число пропеллеров (Эмишен предложил восемь), плюс недостаточная маневренность. Так, коптер Георгия Ботезата мог более-менее нормально передвигаться только при наличии ветра определенного направления и силы.
В 30-х годах прошлого века серийно производился дрон DH.82B Queen Bee. Он представлял собой биплан, разработанный на основе двух летательных аппаратов — DH.60 Moth и DH.82 Tiger Moth. В качестве управляющей аппаратуры служил передатчик на вакуумных электронных лампах и электромеханических реле. Этот дрон был военным, но использовался не в боях, а в учениях — летчики отрабатывали на них приемы воздушного боя.
Немецкие самолеты-снаряды вроде «Фау-1» тоже являются дронами, их относительная успешность дала толчок развития не только ракетной техники, но и автономных летательных аппаратов.
Далее дроны применялись, в основном, военными. Среди прочих моделей стоит указать самолет-разведчик Ryan Model 147E, разработанный в США и применявшийся во Вьетнаме, советские дроны Ту-123, Ту-141 и Ту-143. Все это — крупногабаритные летательные аппараты, размеры которых примерно такие же, как и у самолетов с сопоставимой функциональностью.
Самолет-разведчик Tу-143
В 1982 году вступили в дело радиоуправляемые дроны, разработанные израильтянами. Они использовались в ходе Ливанской войны. Чаще всего применялись IAI Scout и Tadiran Mastiff. Их разработали «с нуля», это уже не были переделанные под автономный полет самолеты. Размах их крыльев составлял не более пяти метров, а вес — около 100 кг. Снизить размеры беспилотников удалось благодаря появлению и развитию полупроводниковой электроники, что привело к миниатюризации как бытовой, так и военной техники.
Ну а потом другие страны, включая США, стали производить сверхсовременные военные дроны вроде MQ-1B Predator и MQ-9 Reaper, способные передавать данные наблюдения в режиме реального времени. Некоторые модели таких дронов умеют и стрелять по цели, причем ракетами.
Примерно со второй половины 20 века активно стало развиваться и такое направление, как бытовые радиоуправляемые дроны. Изначально это были сплошь DIY-модели, которые представляли собой имитацию самолетов. Но затем бизнес, видя востребованность радиоуправляемых летательных аппаратов, взял инициативу в свои руки.
Появление современных невоенных дронов
Специалисты считают, что эпоха современных невоенных дронов началась в 2006 году. Именно в этом году Федеральная авиационная администрация США одобрила полеты небольших пользовательских беспилотников. Распространение получили все же не бытовые дроны для развлечения, а летательные аппараты для научных задач и промышленности.
Так, правительственные организации отслеживали при помощи таких систем распространение пожаров, изучали ситуацию в эпицентре катастроф (землетрясения, наводнения и т.п.). Коммерческие компании изучали состояние нефтепроводов, посевов и морских угодий (наблюдение за перемещениями косяков рыбы). Использовались (и используются) дроны на стройке, в геодезии и других сферах.
С течением времени все большую популярность стали получать пользовательские дроны, которые служат развлечением для любителей полетов. С самого начала рынок радиоуправляемых дронов разделился на два направления:
- полноценные летательные аппараты, разрабатываемые «под ключ» компаниями;
- компоненты (электроника, электромоторы и т.п.), которые позволяют создавать DIY-системы, полностью кастомные беспилотники.
Среди компаний, чья продукция стала популярной в первом случае, можно выделить Parrot, Gaui, DJI, Xaircraft, GoPro и другие. Во втором направлении популярна продукция MultiWii, KaptainKuk, ArduCopter. Любители DIY активно используют платы Arduino, Raspberry Pi и др.
После того, как в дронах появились камеры, передающие видеопоток прямо в телефон, видео-очки или ноутбук, популярность персональных БПЛА взлетела до небес. На Хабре опубликована масса материалов о персональных дронах — самых разных моделях.
Этика и безопасность как часть истории
Появление камер и персональных дронов, которые способны отдаляться от оператора на многие километры, подняло ряд вопросов об этической стороне работы с «домашними» БПЛА. Ведь любой желающий теперь мог заглянуть в окно соседа, или окно соседней компании, направляя аудио- и видеопоток прямо на свой телефон или компьютер. Стало известно о большом количестве злоупотреблений, когда владельцы дронов снимали происходящее в частных домах, офисах коммерческих и правительственных организаций.
Дроны падали на головы зрителям на спортивных стадионах, создавали угрозу пассажирским самолетам и промышленным объектам. Дрон — практически идеальный инструмент для любителя подглядывать, шпиона (коммерческого или государственного), анархиста и т.п.
В итоге во многих странах законодатели стали спешно принимать новые законы, регулирующие продажи и эксплуатацию дронов. В каждой стране свои законы, но в большинстве случаев владельцам дронов запрещается снимать людей без явного их согласия, БПЛА нельзя использовать рядом с аэропортами, вокзалами, объектами военного и промышленного значения. В большинстве случаев дрон не может взлететь на высоту более 150 метров, производители устанавливают ограничения как на расстояния, преодолеваемые дроном, так и на максимальную скорость.
В России получение разрешение на съемку с мультикоптера обязательно. При нарушении правила на виновника может быть наложен штраф в размере 3–50 тыс. рублей. Да и для получения разрешения на полеты необходимо получать разрешение. Для этого требуется:
- документ, удостоверяющий летную годность,
- доступ к эксплуатации ВП,
- удостоверение правомерности управления БПЛА.
Пилотирование дронов в РФ регулируется такими документами:
- воздушным кодексом Российской Федерации,
- УК, статья 271.1 ФЗ,
- АКРФ, статья 11.4 («Нарушение правил эксплуатации российского воздушного пространства»),
- правилами эксплуатации воздушного пространства РФ федерального уровня.
В России разрешены такие модели БПЛА:
Syma,
- Gopro Karma,
- Yuneec,
- DJI (Inspire, Mavic, Phantom 2,3,4),
- похожие по габаритам и функциональности устройства других производителей.
Что дальше?
Будущее дронов не ограничено лишь персональными моделями. После того, как стали популярны мультикоптеры, их возможности активно изучаются бизнесом:
- использование на промышленных объектах (безопасность, проверка состояния различных агрегатов и трубопроводов),
- использование в сельском хозяйстве,
- доставка грузов,
- доставка людей.
Коптеры применяют и в медицине, например, для быстрой доставки необходимых медикаментов. На днях компания UPS объявила о запуске службы доставки медикаментов и образцов анализов при помощи дронов. Правда, пока что сервис работает лишь в одном городе США — Роли (Северная Каролина). Дроны будут обеспечивать доставку по определенному маршруту между больницами и медицинскими центрами WakeMed.
Доставку грузов при помощи дронов опробовала компания DHL еще в 2013 году, сейчас эта практика постепенно получает все более широкое распространение.
Не отстает от DHL и Amazon — в том же 2013 году компания анонсировала сервис Prime Air (он работает в ограниченном количестве регионов), который позиционируется как самый быстрый способ доставки покупок. С его помощью покупки доставляются в течении получаса, это минимум в четыре раза быстрее самого быстрого наземного сервиса Amazon Prime Now.
В России в свое время тестировали сервис доставки грузов коптерами Коптер-Экспресс. 21 июня 2014 года «Додо Пицца» в рекламных целях начала доставлять пиццу дронами, причем доставили всего шесть коробок. После этого чиновники решили оштрафовать создателя компании, поставляющей дроны на 50 тысяч рублей. Но хотя штраф потом отменили, доставка грузов дронами в РФ особого распространения не получила.
Доставляют (вернее, планируют доставлять) при помощи дронов и людей. Так, некоторые компании, включая Uber и Lyft, разрабатывают аэротакси. Аналогичные работы ведут и другие компании, включая стартап из Саудовской Аравии.
Технологии ИИ постепенно развиваются, а емкости батарей растут, поэтому нет сомнений, что дроны станут умнее, маневреннее и функциональнее. Они станут неотъемлемой частью многих сфер нашей жизни: работы и учебы, включая транспорт, исследования, доставку грузов и все прочее, о чем я говорил выше.
wilderwind
Вся автономная электроника сейчас упёрлась в литий. Ничего принципиально нового не вышло в массы со времён никель-металлгидрида и прочих кадмиев. Каждый год нам обещают революцию в батареях, но увы. Одна надежда на какой-нибудь графен или подобные технологии. Водородные элементы пока не обещают стать доступными.
Но тут другая проблема: много джоулей в компактном устройстве — опасная штука. Литий и то горит так, что мало не покажется. Что будет при повреждении гораздо более мощного аккумулятора, представлять не хочется.
Упаковать очень много энергии в малые габариты, сделать эту технологию доступной и хотя бы относительно безопасной — это вызов всему научному сообществу. Но если это свершится — будет настоящая революция во всяких летающих штуковинах, от крошечных игрушек до персонального рюкзака с моторчиком. Ждём-с!
rPman
Водородная энергетика может дать до 1.3 киловат/час на килограмм (это то что я нашел в реальных прайсах на топливные элементы и баллоны, теоретическая емкость само собой на порядки выше), против 0.3 у лития, но начальный минимальный размер ограничен техническими возможностями при использовании баллонов высокого давления. Конечно, можно использовать хранение в металлах но там получается сравнимая с литием емкость на килограмм.
p.s. не одним водородом
wilderwind
Существует множество более-менее успешных экспериментальных топливных элементов, но по той или иной причине они так и не получили широкого применения, хотя потребность в них немаленькая. Они остаются уделом лабораторий или военных.
Опять же, всё упирается либо в материалы или технологию изготовления (редкие, дорогие компоненты, хайтек-катализаторы), либо в проблемы с хранением (высокие давления, агрессивные среды), либо в опасный процесс выработки энергии (высокие температуры, токсичные продукты реакции и сложный контроль за ней).
При этом вопрос ресурса (отравления) тех же катализаторов в сравнении с циклами заряда/разряда нашего родного лития тоже остаётся открытым.
rPman
Может так получиться что простые и безопасные способы кончились.
Про ресурс катализатора, даже на воздухе речь идет о десятикратном увеличении ресурса (6000 для водородных ячеек) а если таскать с собой еще и чистый кислород… но да, тогда станет не так весело.
Про водород — мне хватило статьи на хабре, где какраз был показан квадрокоптер (балон с водородом конструктивно был рамой жесткости), который при равной массе с тем же на литии летал кажется в два раза дальше. При этом давление водорода там было значительно ниже предельных 300-700 (всего десятки). Оно летает, а остальное уже тонкости.
Про катализаторы, чуть ли не лет десять назад читал про использование углеродных нановолокон в замен дорогих катализаторов в топливных элементах. Выглядит так будто либо это была прямая ложь либо изобретение сложили в ящик ибо надо углеводороды жечь, что вероятнее.
Ark_V
Недавно на хабре цикл публикаций был «цивилизация пружин», аккумуляторы в тот же «пружинный предел» вписываются, который перепрыгнуть проблематично.
bbs12
Почему не могут сделать небольшой, тихий и надежный электрический бензогенератор с мощностью около 100 ватт? У него запас энергии будет в разы больше, чем у аккумулятора.
Если бы крупная компания взялась бы за реализацию, то, имхо, что-нибудь должно было получиться.
rPman
кпд будет грустным
p.s. liquidpiston.com считается миниатюрным и эффективным, но даже в этом варианте не бесшумный (хотя используется очень эффективная конструкция), приделываете к электрогенератору, инвертору и пользуетесь
bbs12
Важен не КПД, а количество энергии, которое можно извлечь из килограмма топлива. Даже при КПД 40% (стандартный КПД для поршневых двигателей) бензин даст больше энергии, чем литиевый аккумулятор. Это видно по электромобилям: у Теслы аккумулятор весит 500 кг и даёт запас хода 400 км, что меньше, чем могут дать 40 килограммов бензина в бензобаке обычного авто.
rPman
Эта разница и зависит от КПД двигателя и генератора, если вы попытаетесь объединить их в формфактор аккумулятор, и будете плюсовать их массу с массой топлива при расчете эффективности, то в результате получите не такие хорошие цифры, и побеждать они начнут когда минимальная масса устройства будет сотни килограмм-тонны.
Двигатель и генератор с массой в считанные килограммы будет иметь очень низкий суммарный КПД (все будет уходить в тепло и шум), поэтому этот вариант не используют для квадрокоптеров (хотя надо считать, возможно с 40-100 килограммовыми что то и получится).
p.s. мне кажется в области ДВС квадрокоптеров еще не все сказано, нужно поискать подходящие вариаторы для гибкой подстройки скорости вращения винта либо лопасти с переменным профилем (что-нибудь на основе гидравлики или металлов с тепловой памятью).
И да, так и получается, что самый эффективный формат автомобиля — гибрид с высокой емкостью аккумулятора. Именно они показывают наилучшую экономию топлива (денег) особенно в городе (режим старт/стоп и переменная скорость). Низкая их популярность вводит меня в удивление и порождает в голове мысли о теориях заговора.
wilderwind
Есть даже прототип коптера с ДВС:
rPman
Не сомневаюсь что это возможно, вопрос в эффективности результата.
Вы по звуку не слышите что ли неравномерности в скорости вращения? Это одна из проблем коптеров на ДВС, и необходимо очень точно держать разницу в скорости вращения лопастей, именно этим определяется ее поворот, т.е. достаточно секунду разницу в долях процента подержать как коптер перевернется. Для автоматического управления необходима возможность регулировать скорость вращения с очень большой скоростью реакции, сомневаюсь что это возможно (эффективно) делать, меняя режимы работы и подачу топлива.
wilderwind
Там, скорее всего, управляемый автомат перекоса на каждом пропеллере. Что допускает существенную разницу в скоростях вращения без риска потери управления. Этакий гибрид вертолёта и коптера, управление шагом винта при постоянных оборотах. Да, это сложнее фиксированных винтов и управления только электродвигателями, но таково техническое решение при установке ДВС.
rPman
Автомат по перекосу не подходит при наличии ременной передачи, точнее подходит но с ограничением, но усложнение понижает итоговый КПД, все ближе пододвигая бессмысленность всей этой возни
Можно конечно установить по двигателю на каждый пропеллер, но вес дрона тогда станет порядка 100кг, не совсем то что хочется.
safari2012
Зато электромотор(ы) и трансмиссия теслы весят в разы меньше бензиновых сородичей. 40кг бензина дадут 400км только без учета пробок.
Электромотор в пробках потребляет меньше за счет максимального крутящего момента от нуля и рекурперации двигателем.
konservs
Уже сейчас есть долголетающие мультикоптеры на ДВС и гибридных установках. Ещё частенько совмещают ДВС и электродвигатели (ДВС — тяговые, электро — для манёвренности).
Моё мнение что самолёт / планер пока эффективнее квадрокоптера. Там где не нужна манёвренность можно использовать их. Есть любительские проекты (как минимум несколько) планеров с электроприводом на аккумуляторах и солнечных батареях (днём — зарядка, ночью летают на аккумуляторах). Некоторые висят сутками в воздухе.
А еще есть вполне профессиональные. Zephyr от Airbus, например, рассматривается в качестве замены спутникам. И литиевых аккумуляторов им хватает.
Если интересно — есть подборка видео любительских проектов. У меня в далёких планах разработать подобный. Я даже начал закупать тонкоплёночные солнечные панели. Они сейчас в дефиците — многие фирмы их производившие испытывают не лучшие времена и найти можно только остатки.
Garbus
Думаю до пика популярности им еще жить и жить. А уж если изобретатели разродятся на в 2-3 раза (хотя-бы) более емкие аккумуляторы, то их количество в очередной раз начнет ускоренно расти.
Zel
Аккумуляторы нужны не ёмкие, а с улучшенной удельной энегоотдачей на килограмм.
bbs12
Вам нужен квадрокоптер с увеличенной мощностью, но не с увеличенным временем полета? Зачем вам эта мощность? Драг-рейсинг на квадрокоптерах?
Zel
согласен. с увеличенной удельной энергоёмкостью. Но не просто увеличенной ёмкостью, потому что эта ёмкость съестся увеличением мощности винтов для подъёма увеличенной массы
Diordna
oxisenergy.com 400вт/кг li-s жизнь 50-100 циклов вас устроит?
Garbus
Нет. Мощность в киловатт для квадрокоптера выедается на раз плюнуть, а килограмм веса это совсем не мало. Что уж говорить о расходах на замену подобных «скоропортящихся» батарей.
Для меня кварокоптеры похожи на ранние автомобили. Ездить понемногу уже можно, но знания и умения специфические, с обилием танцев с бубнами вокруг аппарата.
Ark_V
Мне вот представляется, что эта часть истории не корректно отображена, с точностью до наоборот.
Изначально именно любительские дроны появились, которые энтузиасты RC modelling'а проектировали и строили, потом они начили искать пути коммерциализировать свои наработки в хобби, как итог этой коммерциализации появились те самые «первые» дроны «для научных задач и промышленности», ну а потом уже серийной производство для широких масс в виде готовых изделий формата купил-запустил.
EvgeniyNuAfanasievich
Без это картинки статья кажется не полной.
Zel
ух, дикий дрон на первой фотке — у меня был такой. Был, потому что стоимость моторчика к нему равняется примерно стоимости половины коптера, а лопасти к нему, которые идут в комплекте, нужно центровать самому
chaynick
Вопрос — чем дрон отличается от ракеты вроде П-800 или П-1000? Последняя сама обнаруживает цели своим радаром, распределяет цели в рамках своего звена, при необходимости прикрываются помехами от встроенных генераторов и простраивают заход на цели так чтобы подойти всей группой с учетом класса и количества кораблей в ордере.
bbs12
Названием отличается. Буковками.