Drona, aeronava fara pilot a secolului XXI

1. Introducere

Drona, aeronava fără pilot (Unmanned Aerial Vehicle - UAV), este un aparat de zbor care nu are un pilot uman la bord, fiind ghidată fie de un pilot automat digital aflat la bordul său, fie prin telecomandă de la un centru de control de la sol sau situat în altă aeronavă pilotată. Dronele sunt folosite în domeniile civil și militar. Dronele au la bord o sarcină utilă.

 - Credit foto: www.freepik.com

Dronele civile pot fi comerciale sau de agrement. Cele comerciale sunt folosite pentru filmări sau fotografie aeriană și măsurători ale unor suprafețe întinse, agricultura de precizie, monitorizarea incendiilor forestiere, monitorizarea râurilor, monitorizarea mediului, observarea vremii, activități polițienești de cercetare și/sau supraveghere, inspecții infrastructură, arheologie aeriană, livrări de produse etc. Dronele de agrement sunt cel mai des folosite pentru zbor FPV și competiții. Pentru utilizări recreative, o dronă de fotografiere aeriană este o aeronavă care are o capacitate video adecvată.

Dronele militare sunt folosite pentru recunoaștere, supraveghere, spionaj sau în scop combativ. În funcție de scop, ele au ca sarcină utilă aparatură de recunoaștere sau/și arme.

Drona în accepțiune modernă este considerată drona israeliană de tip Tadiran Mastiff (Fig. 1.1), care a zburat prima dată în 1975 și care posedă un sistem de transmitere a datelor, o capacitate de zbor de lungă durată și posibilitatea de a transmite imagini video în direct la baza de unde este coordonată.

- Fig. 1.1. Drona de tip Tadiran Mastiff, considerată prima dronă în accepțiunea modernă a conceptului

2. Sursele de energie

Dronele (UAV-urile) pot fi clasificate în funcție de sursa de energie folosită, ceea ce are un impact semnificativ asupra duratei zborului, a autonomiei și a efectului asupra mediului. Principalele surse de energie folosite sunt:

▪ Baterii electrice, caz în care se folosesc baterii reîncărcabile, pentru alimentarea unor motoare electrice, oferind o funcționare silențioasă și o întreținere ușoară, dar timp de zbor potențial limitat.

▪ Combustie internă, situație în care se folosesc combustibili tradiționali precum benzina sau motorina pentru alimentarea unor motoare cu combustie internă, astfel că aceste UAV au adesea timpi de zbor mai lungi, dar pot fi mai zgomotoase și necesită mai multă întreținere.

▪ Soluție Hibridă; prin combinarea surselor de energie electrică cu combustibil, UAV-urile hibride urmăresc să echilibreze beneficiile ambelor sisteme pentru performanță și eficiență îmbunătățite. Această configurație ar putea permite versatilitate în profilurile misiunii și adaptabilitate mai bună la diferite cerințe operaționale.

▪ Energie solară; prin echipare cu panouri solare, aceste UAV-uri pot obține timpi de zbor prelungiți prin valorificarea energiei solare, în special la altitudini mari. UAV-urile alimentate cu energie solară pot fi deosebit de potrivite pentru misiuni de lungă durată și aplicații de monitorizare a mediului.

▪ Energie nucleară; ca variantă posibilă, aplicarea acesteia în UAV-uri rămâne în mare parte teoretică din cauza preocupărilor legate de siguranță și reglementarea necesară. Cercetările în acest domeniu sunt în desfășurare, dar se confruntă cu obstacole semnificative înainte de implementarea practică.

▪ Pile de combustie cu hidrogen; ca o nouă tehnologie în curs de dezvoltare, pilele de combustibil cu hidrogen oferă potențial pentru timpi de zbor mai lungi cu emisii zero, deși tehnologia este încă în curs de dezvoltare pentru utilizarea pe scară largă la UAV.

3. Particularitățile constructive și funcționale ale dronelor

Aeronavele cu echipaj și fără echipaj de același tip au, în general, componente fizice similare. Principalele excepții sunt cockpitul și sistemul de control al mediului sau sistemele de susținere a vieții. Unele UAV-uri transportă sarcini utile (cum ar fi o cameră video) care cântăresc considerabil mai puțin decât un om adult și, ca rezultat, pot fi considerabil mai mici. UAV-urile civile mici nu au sisteme critice pentru viață și, prin urmare, pot fi construite din materiale mai ușoare, dar mai puțin rezistente și pot folosi sisteme de control electronice mai puțin robuste dar testate temeinic. Pentru UAV-urile mici, designul quadcopter-4 rotoare a devenit popular, deși această soluție este rar folosit pentru aeronavele cu echipaj. Miniaturizarea înseamnă că pot fi utilizate tehnologii de propulsie mai puțin puternice care nu sunt fezabile pentru aeronavele cu echipaj, cum ar fi motoarele electrice mici și bateriile.

Sistemul senzorial al unei drone este format din mai mulți senzori cu funcții precise. Astfel senzorii de poziție și de mișcare oferă informații despre starea aeronavei. Senzorii de proximitate speciali sunt capabili să detecteze ținte în mod autonom, astfel încât să fie utilizați pentru evitarea coliziunilor.

Gradele de libertate (DOF) se referă atât la cantitatea, cât și la calitatea senzorilor de bord: 6 DOF implică giroscoape și accelerometre cu 3 axe (o unitate tipică de măsură inerțială - IMU), 9 DOF se referă la un IMU plus o busolă, 10 DOF adaugă un barometru și 11 DOF adaugă de obicei un receptor GPS.

Pe lângă senzorii de navigație, UAV (sau UAS) poate fi echipată și cu dispozitive de monitorizare precum: camere RGB, multispectrale, hiper-spectrale sau LiDAR, care pot permite furnizarea de măsurători sau observații specifice.

4. Dronele moderne

4.1. Dronele militare

La sfârșitul secolului XX, aplicațiile principale ale dronelor au continuat să fie cele militare și au fost proiectate, fabricate și testate unele direct în confruntări militare în mai multe variante din ce în ce mai performante. Tendința va continua și în secolul XXI. În 2020, o dronă Kargu 2 a atacat o țintă umană în Libia, potrivit unui raport al Grupului de experți al Consiliului de Securitate al ONU pentru Libia, publicat în martie 2021. Este posibil să fi fost prima dată când un robot autonom înarmat cu arme letale a atacat ființe umane.

Tehnologia superioară a dronei, în special Bayraktar TB2 (Fig. 4.1), de producție turcă, a jucat un rol în important în zonele de conflict în care a fost folosită.

 - Fig. 4.1. Drona de tip Bayraktar TB2 (2020)

4.2. Dronele civile

4.2.1. Generalități

Piața de drone civile (comerciale și cu utilizare generală) este dominată de companii chineze. Numai producătorul chinez DJI deținea 74% din cota de piață civilă în 2018, nicio altă companie nereprezentând mai mult de 5%. Compania continuă să dețină peste 70% din cota de piață globală până în 2023. DJI este urmată de compania americană 3D Robotics, compania chineză Yuneec, Autel Robotics și compania franceză Parrot. Entitățile private oferă, de asemenea, programe de formare online și direct, atât pentru uz recreațional, cât și comercial pentru UAV.

4.2.2. Utilizarea în divertisment

Dronele sunt, de asemenea, folosite în afișările nocturne în scopuri artistice (Fig. 4.2) și publicitare, principalele beneficii fiind că sunt mai sigure, mai silențioase și mai bune pentru mediu decât artificiile. Ele pot înlocui sau pot fi un adjuvant pentru focuri de artificii pentru a reduce povara financiară a festivalurilor. În plus, ele pot completa artificiile datorită capacității dronelor de a le transporta, creând noi forme de lucrări de artă în acest proces. Dronele pot fi folosite și pentru curse, fie cu sau fără funcționalitate VR.

- Fig. 4.2. Vizualizarea Coroanei Regatului Maghiar la Budapesta, cu ocazia Zilei Naționale a Ungariei din 2024

4.2.3. Fotografia aeriană

Dronele sunt foarte potrivite pentru a realiza fotografii aeriene, în fotografie și cinematografie și sunt utilizate pe scară largă în acest scop. Dronele oferă acces și la situri periculoase, îndepărtate sau inaccesibile în alt mod sau ca o nouă modalitate de cercetare cum este cazul unor situri arheologice de mare întindere, ca cele din Egipt.

4.2.4. Monitorizarea mediului

Dronele de tip UAS (Unmanned Aerial System) sau UAV (Unmanned Aerial Vehicle) au un mare avantaj la monitorizarea mediului pentru că duc la o nouă generație de tipuri de sondaje de rezoluție foarte mare sau ultra-înaltă atât în ​​spațiu, cât și în timp. Cele mai comune aplicații sunt:

▪ Studii topografice pentru producerea de modele digitale plane și modele 3D;

▪ Monitorizarea ecosistemelor naturale pentru monitorizarea biodiversității, cartografierea habitatelor, detectarea speciilor exotice invazive și studiul degradării ecosistemelor din cauza speciilor invazive sau a perturbațiilor;

▪ Agricultura de precizie, care exploatează toate tehnologiile disponibile, inclusiv UAV, pentru a produce mai mult cu mai puțin (de exemplu, optimizarea aplicării îngrășămintelor, pesticidelor, irigațiilor);

▪ Monitorizarea râurilor pentru care au fost dezvoltate mai multe metode precum monitorizarea debitului;

▪ Integritatea structurală a oricărui tip de structură, fie că este vorba despre un baraj, cale ferată sau alte locații periculoase, inaccesibile sau masive;

▪ Detectarea mineralelor pentru drenajul acid al minelor folosind UAV-uri și camere hiperspectrale poate produce hărți detaliate ale unor minerale pentru anumite valori ale pH-ului în medii naturale, miniere și post-exploatare, cum ar fi siturile rezultate.

Aceste activități pot fi finalizate cu diferite măsurători, cum ar fi fotogrammetrie, termografie, imagini multispectrale, scanare câmp 3D și hărți cu indicele vegetației diferențiate normalizate.

4.2.5. Riscuri geologice

UAV-urile au devenit un instrument utilizat pe scară largă pentru studiul geohazardelor, cum ar fi alunecările de teren. Diferiți senzori, inclusiv radar, optici și termici, pot fi montați pe UAV-uri pentru a monitoriza diferite proprietăți. UAV-urile permit captarea de imagini ale diferitelor caracteristici ale unei alunecări de teren, cum ar fi fisurile transversale, radiale și longitudinale, crestele, suprafețele de ruptură, mai ales în zonele inaccesibile ale masei de alunecare. Mai mult, procesarea imaginilor optice captate de UAV permite, de asemenea, crearea de nori de puncte și modele 3D, din care aceste proprietăți pot fi derivate. Compararea norilor de puncte obținute în momente diferite permite detectarea modificărilor cauzate de dinamica alunecărilor de teren.

4.2.6. Exploatarea mineralelor

UAV-urile pot ajuta la descoperirea de noi resurse sau la reevaluarea zăcămintelor minerale cunoscute pentru a satisface cererea de materii prime, cum ar fi metale brute critice (de exemplu, cobalt, nichel), pământuri rare și minerale pentru baterii. Folosind o suită de senzori (de exemplu, imagistică spectrală, Lidar, magnetică, spectroscopie cu raze gamma) similari celor utilizați în monitorizarea mediului, datele bazate pe UAV pot produce hărți ale caracteristicilor geologice ale suprafeței și ale subsolului, contribuind la explorarea minerală mai eficientă și mai precisă.

4.2.7. Agricultură, silvicultură și studii de mediu

Pe măsură ce cererea globală de producție alimentară crește exponențial, resursele sunt epuizate, terenurile agricole sunt reduse și forța de muncă agricolă este din ce în ce mai deficitară, există o nevoie urgentă de soluții agricole mai convenabile și mai inteligente decât metodele tradiționale, iar industria dronelor agricole și robotica pot duce la progrese semnificative. În acest context, există o proliferare de inovații atât în ​​instrumente, cât și în metodologii, care permit descrierea precisă a stării vegetației și, de asemenea, pot ajuta la distribuirea precisă a nutrienților (Fig. 4.3), pesticidelor sau semințelor pe câmp, inclusiv pe terenuri greu accesibile sau inaccesibile mașinilor agricole tradiționale.

 - Fig. 4.3. Dronă pentru aplicarea de îngrășăminte sau de diferite tratamente necesare culturilor agricole

O aplicație foarte interesantă este plantarea copacilor, unde se poate ajunge la 100 000 de plantări pe zi, de către o singură dronă, dronele plantând de 10 ori mai rapid ca oamenii și neavând probleme cu configurația terenului. O flotă de 60 de drone ar putea planta 1 miliard de copaci pe an; astfel, problema reîmpăduririlor, în urma defrișărilor masive, s-ar rezolva mult mai ușor. Deși în momentul de față se folosesc doar pentru plantarea copacilor, în viitor dronele vor putea fi utilizate și pentru culturile mari de păioase sau leguminoase.

4.2.8. Ajutor umanitar

Dronele își găsesc din ce în ce mai mult utilitatea în ajutorul umanitar și asistența în caz de dezastre, unde sunt folosite pentru o gamă largă de aplicații, cum ar fi livrarea de alimente, medicamente și articole esențiale în zone îndepărtate sau cartografierea imaginilor înainte și după dezastre.

4.2.9. Drone pentru misiuni spațiale

Dronele sunt foarte utile în cadrul unor misiuni spațiale pe alte planete pentru explorări la fața locului. Au fost folosite de NASA și, evident, sunt și în atenția altor instituții cu misiuni de explorare spațială. Drona elicopter Ingenuity este un UAV autonom care a funcționat pe Marte din 2021 până în 2024. Din 2024, nava spațială Dragonfly este în curs de dezvoltare și urmărește să atingă și să examineze luna lui Saturn, Titan. Ca UAV, Dragonfly permite examinarea diferitelor tipuri de sol. Drona este programată să fie lansată în 2027 și se estimează că va dura încă șapte ani pentru a ajunge în sistemul Saturnian.

5. Realizări recente și de viitor

În continuare, se descriu câteva variante reprezentative de drone utilizate în prezent și care ar putea să devină operaționale în viitorul apropiat, care sunt utile pentru întregirea imaginii despre acest domeniu și pentru a identifica potențiale dezvoltări în viitor.

5.1. General Atomics MQ-9 Reaper

General Atomics „Predator B-001" este la originea variantei MQ-9 Reaper (Fig. 5.1) și a zburat pentru prima dată pe 2 februarie 2001, fiind proiectată de Abraham Karem. B-001 era propulsat de un motor turbopropulsor AlliedSignal Garrett TPE331-10T cu 950 de cai putere (710 kW). MQ-9 poate fi echipată cu mai multe tipuri de arme. Complet armată are o autonomie de 14 ore.

 - Fig. 5.1. Drona General Atomics MQ-9 Reaper

5.2. Northrop Grumman Bat

Northrop Grumman Bat este un vehicul aerian fără pilot de altitudine medie, dezvoltat inițial pentru a fi utilizat de către Forțele Armate ale Statelor Unite. Cea mai recentă variantă are o anvergură de 4,3 m și poate transporta până la 45 kg de sarcină utilă. Bat „14" UAS poate atinge o altitudine maximă de 5,2 km deasupra nivelului mării și o autonomie maximă de 18 ore. Northrop Grumman Bat este echipată cu senzori EO/IR și SAR, telemetru laser, indicatoare laser, camere cu infraroșu.

5.3. Northrop Grumman MQ-8 Fire Scout

Drona Northrop Grumman MQ-8 Fire Scout este un elicopter autonom fără pilot dezvoltat de Northrop Grumman pentru a fi utilizat de Forțele Armate ale Statelor Unite. Fire Scout este proiectat pentru misiuni de recunoaștere sau stabilizare a unei situații, suport de foc aerian și sprijin de precizie pentru țintirea forțelor terestre, aeriene și maritime.

5.4. Drona Phantom

Drona Phantom 1, care a ajuns la generația 4 - operațională din 2026 (Fig. 5.2) face parte din categoria quadcopterelor (are patru rotoare) și este dezvoltată de compania de tehnologie chineză DJI; cunoscută inițial sub numele de Phantom, a fost lansată la 7 ianuarie 2013. Utilizează 2,4 GHz pentru control și este alimentată de o baterie de 2000 mAh, oferindu-i o durată de zbor de aproximativ 15 minute. Nu are inclusă o cameră încorporată, dar poate fi echipată cu un suport opțional pentru o cameră GoPro HERO. Drona folosește un sistem de pilot automat NAZA-M activat cu GPS, care îi permite să plutească cu rezistență adaptată la vânt.

- Fig. 5.2. Drona Phantom 4

5.5. BAE Taranis

Drona BAE Taranis (Fig. 5.3) este unul dintre modelele mai mari preconizate pentru viitorul apropiat. BAE Systems Taranis este un program demonstrativ britanic pentru tehnologia vehiculelor aeriene de luptă fără pilot (UCAV), în curs de dezvoltare în principal de către contractorul de apărare BAE Systems Military Air & Information. Aeronava, care poartă numele zeului celtic al tunetului Taranis, a zburat pentru prima dată în 2013. Ca avion de război fără pilot, Taranis este proiectat să zboare în misiuni intercontinentale și ar transporta o varietate de arme, permițându-i să atace atât ținte aeriene, cât și terestre. Utilizează tehnologia invizibilă, oferindu-i un profil radar scăzut și este controlabil prin legătura prin satelit de oriunde de pe Pământ.

 - Fig. 5.3. Drona BAE Taranis

6. Concluzii

Dronele au o perspectivă sigură și vor duce la vehicule absolut revoluționare cu utilizări spectaculoase atât în acțiuni civile, cât și de natură militară. Deja exisă proiecte de drone taxi (Fig. 6.1), realizate în curs de testare, pentru a opera între blocurile deosebit de înalte din zona Dubai, dar nu numai.

- Fig. 6.1. O dronă taxi destinată zonei Dubai

Potrivit datelor de la GlobalData, piața globală a sistemelor aeriene fără echipaj (UAS), care formează o parte semnificativă a industriei UAV, se estimează că va avea o rată de creștere anuală pe ansamblu de 4,8% în următorul deceniu. Aceasta reprezintă aproape dublarea dimensiunii pieței, de la 12,5 miliarde de dolari în 2024 la aproximativ 20 de miliarde de dolari până în 2034.

Evident, dronele din viitorul apropiat vor fi dotate cu inteligență artificială avansată, ceea ce le va permite să ia deciziile cele mai bune în orice situație și le va asigura un grad de eficiență maximă.

De asemenea vor evolua motoarele folosite, senzorii specifici și sistemele de comandă și control, iar tipodimensiunile acestora vor acoperi toată plaja de dimensiuni de la cele micrometrice la cele metrice, ca și masele utile pe care le vor putea transporta, de la cele de ordinul gramelor până la zeci și chiar sute de kilograme. Capacitatea de acțiune într-un spațiu dinamic, în continuă schimbare, va fi extraordinară și chiar va depăși scenariile science-fiction. Toate soluțiile tehnice și tehnologice sunt disponibile, astfel că evoluția lor va fi spectaculoasă. Vom ajunge la un spațiu aerian populat cu drone, similar cu situația actuală a trasportului auto. Dronele vor avea acces nelimitat și vor avea capacitate de metamorfoză, astfel ca să poată trece din mediul aerian în cel acvatic sau ocazional să se deplaseze pe sol, mai mult sau mai puțin amenajat. Vor putea deveni un vehicul de transport indispensabil în toate mediile și toate situațiile. Flotele de drone vor putea rezolva situații complexe atât civile, cât și militare, dacă va fi cazul, ceea ce este mai puțin de dorit. Drona va deveni arma emblematică a secolului XXI. Evident, utilizarea lor în misiuni spațiale este certă, iar rezultatele vor fi pe măsură. Toate acestea se vor putea realiza prin investiții majore în cercetarea specifică și unități de producție adecvate. Inclusiv, pentru ingineria românească, implicarea în proiectarea, fabricarea și utilizarea dronelor este o provocare care poate fi asumată și trebuie considerată o oportunitate foarte importantă.

*

Precizare: Acest articol conține date prelucrate și sistematizate de pe Internet și de pe unele articole științifice și articole de popularizare a domeniului dronelor, abordate pe baza considerațiilor personale.