Использование стационарных БВС для обеспечения безопасности

В статье рассматриваются преимущества стационарных БВС (квазимачт), приводится их классификация по типам источников электропитания и по типу целевой нагрузки, а также предлагаются возможные варианты их использования для обеспечения безопасности, как при военных действиях, так и в мирной обстановке.

Достоинством стационарных БВС перед другими БВС является возможность находиться в воздухе продолжительное время (зависит только от моторесурса электродвигателей БВС), простота управления, большой жизненный цикл изделия (так как он не требует постоянной перезарядки АКБ), возможность разместить на них достаточно тяжелую полезную нагрузку, абсолютная неуязвимость к средствам РЭП. К недостатку следует отнести привязанность к источнику стационарного электропитания.

Классификация стационарных БВС по типу источников электропитания

Стационарные БВС, или квазимачты, получают электроэнергию от внешних источников питания. В настоящее время их можно разделить по этому признаку на следующие типы:

• получающие электропитание с земли по электрическому кабелю;
• получающие электропитание по оптоволоконному кабелю;
• получающие электропитание по лучу лазера;
• получающие электропитание с помощью микроволнового излучения.

Источники питания БВС по электрическому кабелю получили наибольшее распространение и представляют из себя источники переменного напряжения (220 или 380 В), преобразователь напряжения (для снижения омических потерь в кабеле питания) до 1000–800 В и обратный преобразователь напряжения 12–48 В для питания электродвигателей БВС (рис. 1 (1)). Достоинство такого решения – простота реализации и большая выходная мощность блока питания. Недостатком является вес металлического кабеля, который уменьшает полезную нагрузку БВС. Так, для БВС среднего класса при высоте полета 100 м полезная нагрузка может составлять 20 кг, 200 м – 10 кг, 300 м – 5 кг. Другой недостаток – использование в кабеле питания высокого напряжения, что выдвигает дополнительные требования к электробезопасности оборудования.

БВС, получающие электропитание по оптоволоконному кабелю, не так чувствительны к его длине, поскольку удельный вес оптоволокна меньше удельного веса металлического провода, но они имеют ограничения по мощности передаваемой энергии по одной жиле оптического кабеля, которая в настоящее время лежит в диапазоне нескольких сотен ватт. Можно также отметить относительно низкий КПД фотоприемника для преобразования потока лазерного излучения в электрическое напряжение. Прототипы таких БВС продемонстрировала компания InvisiTower (США) [1].

Электропитание по лучу лазера и СВЧ-излучению

БВС с электропитанием по лучу лазера могут иметь возможность получить энергию, исчисляемую единицами кВт. При этом высота полета аппарата может достигать несколько км. Однако размеры такого источника излучения позволяют разместить его только в габаритах железнодорожного контейнера. Потери лазерного излучения в оптической среде сильно зависят от погодных условий (вплоть до полного рассеяния в тумане). Для больших высот полета БВС необходимо принимать в расчет и угол расходимости лазера, который лежит в диапазоне 1–3 град. Есть и ограничения на возможную плотность потока (Вт/см²), которую может выдержать фотоприемник БВС. На практике мощность, передаваемая на БВС с помощью лазерного излучения, лежит в диапазоне 100–300 Вт. Практическую реализацию такой передачи энергии продемонстрировал китайский профессор Ли Сюэлун [2] из Северо-Западного политехнического университета (NPU) (см. рис. 1 (2, 4)) [2].

Японские ученые использовали СВЧ-излучение частотой 28 ГГц для передачи энергии на БВС. Приемник БВС смог принять около 30% энергии излучения, преобразовав ее в электричество с КПД 40%, что позволило поднять и удерживать в режиме висения БВС весом в 400 г (рис. 1 (3)).

Рис. 1. Схема источника питания БВС по электрическому кабелю (1) [3]. Натурные испытания китайского Северо-Западного политехнического университета (NPU) по передаче энергии на БВС с помощью лазера (2) [4], схема питания БВС от луча лазера (4) [5]. Генератор СВЧ-излучения и японское БВС, получающее электроэнергию в полете от микроволнового излучения (3) [6]

Питание по электрокабелю

Рассмотрим более подробно схему питания стационарного БВС по электрическому кабелю. Поскольку масса полезной нагрузки в данном случае зависит от максимальной длины кабеля, при оценке технических достоинств БВС не стоит ориентироваться на массу полезной нагрузки (это вторичный параметр), также не имеет смысла ориентироваться на габаритные размеры БВС, так как используются различные аэродинамические схемы (от квадрокоптерной до мультироторной).

Остается единственный объективный параметр, связанный с особенностями БВС, – мощность бортового блока преобразователя напряжения БВС (высокое питающее напряжение по кабелю в напряжение питания электрических двигателей БВС). Именно эта мощность определяет и высоту полета БВС, и вес полезной нагрузки. Таким образом, стационарные БВС предлагается квалифицировать по мощности преобразователя:

• малый класс – до 1 кВт включительно;
• средний класс –- от 1 кВт до 10 кВт включительно;
• тяжелый класс – свыше 10 кВт.

Типичным представителем БВС малого класса является квазимачта от концерна "Калашников", созданная на основе БВС "Помощник-2" (рис. 3 (1) [7]). К среднему классу можно отнести UMAR-дрон от компании Dragonfly Pictures Inc. (США) (рис. 3 (2) [8]). К тяжелому классу можно отнести FYXL-XP02-200m (Китай) (рис. 3 (3) [9]).

Рис. 2. БВС "Помощник-2" (1) [7], БВС UMAR-дрон (2) [8], БВС FYXL-XP02-200m (3) [9]

Классификация стационарных БВС по типу целевой нагрузки

Стационарные БВС могут иметь очень разнообразную целевую нагрузку. Ее основные типы:

1. Радиомачта (ретранслятор) УКВ и радиомачта связи с БВС.
2. Система видео/тепловизионного наблюдения.
3. Комплекс РТР.
4. Комплекс РЭП УКВ и БВС.
5. Малогабаритная РЛС.
6. Прожекторы для освещения местности.
7. Приборы разведки радиологической обстановки.
8. Приборы разведки химического и бактериологического заражения.
9. Носители ПТУР и зенитных ракет с тепловыми головками самонаведения.

Прежде чем говорить о целевой нагрузке, остановимся на таком понятии, как радиус прямой видимости (1) [10].

Рис. 3. Схема, определяющая радиус прямой видимости

h1 – высота подвеса передающей антенны в метрах;
h2 – высота подвеса приемной антенны в метрах;
3,57 – коэффициент пропорциональности;
R₀ – длина трассы в километрах.

Оценим, насколько увеличивается радиус прямой видимости при работе с уровня земли и выносе антенны на высоту 100 м. При h1 = h2 = 1,5 м получим R₀ = 8,7 км. При h1 = 1,5 м и h2 =1 00 м получим R₀ = 40 км.

Такое увеличение высоты выноса антенны легко обеспечивает привязной БВС.

Ретранслятор УКВ связи может быть выполнен на базе:

1. Приемо-передающей р/с с мощностью передачи до 45 Вт, при этом потребляемая мощность р/с не превысит 200 Вт, а вес – 1,3 кг, что позволит без труда разместить ее на борту БВС.
2. Антенны типа "бегущая волна".

Коэффициент усиления АБВ пропорционален длине антенны, деленной на длину волны р/с [11], поэтому выгодно в качестве антенны использовать длинный провод. Желательно также для формирования диаграммы направленности АБВ параллельно земле поднять провода антенны над поверхностью земли (см. рис. 4). Типичным примером антенны "бегущая волна" является V-образная АБВ, где в качестве мачты может использоваться привязной БВС.

Рис. 4. Схема развертывания и диаграмма направленности V-образной антенны [12]

Кроме того, питающий кабель привязного БВС может выступать и в качестве приемо-передающей антенны (патент RU 2 537 798 C1), что значительно расширяет диапазон мощностей, передаваемых через такой ретранслятор, и исключает из полезной нагрузки вес традиционного коаксиального кабеля приемо-передающей антенны ретранслятора [13].

Рис. 5. Схема организации mesh-сетей на базе привязных БВС [14]

В качестве системы видео/тепловизионного наблюдения используются мегапиксельные цифровые камеры, широкоугольные в комбинации с камерами с оптическим zoom, тепловизор с разрешением не ниже 640х512 пк, лазерный дальномер (рис. 6).

Рис. 6. Типовые характеристики системы видео/тепловизионного наблюдения привязного БВС [15]

Возможные варианты использования привязных БВС

Привязной БВС как комплекс РТР

Привязной БВС, выступая в качестве комплекса РТР, может нести на себе или полноценную антенну пеленгации источников излучения на базе антенны с электронной коммутацией принимающих вибраторов (рис. 7, слева), или антенну на базе ФАР. Кроме того, для получения более точного пеленга на излучающий объект можно использовать несколько привязных БВС, тем самым увеличивая базу между пеленгующими антеннами (рис. 7, справа). При этом обработку принимаемых радиосигналов рационально производить на наземном пункте РТР.

Рис. 7. Антенна РТР с электронной коммутацией вибраторов (слева) [16]. Справа схема пеленгаторов с увеличенной базой между ними

Привязной БВС в комплексе РЭП

При использовании привязного БВС в комплексе РЭП на нем размещают передающие антенны комплекса, сами генераторы помех при этом обычно располагают на земле. Подъем антенн на высоту РЭП имеет принципиальное значение. Для снижения эффективности воздействия РЭП против атакующих БВС в конструкции боевых БВС всё чаще используют для приема/передачи информации спутниковую связь и направленные антенны. При размещении передающих антенн комплекса РЭП на земле воздействие на антенны БВС происходит по "заднему" или "боковому" лепестку диаграммы антенны. Поэтому подъем антенн РЭП хотя бы на высоту полета БВС многократно увеличивает эффективность подавления.

Размещение РЛС на борту привязного БВС позволяет эффективно обнаруживать низколетящие цели (см. формулу прямой радиовидимости (1).

Другое назначение таких РЛС – обнаружение наземных и подвижных целей.

Как пример такой РЛС можно привести РЛС разработки НИЯУ МИФИ. Вес локатора не превышает 3 кг, потребляемая мощность не более 40 Вт, разрешение по цели от 0,5 м [17]. Аналогичные характеристики демонстрирует РЛС NanoSAR B (фирма ImSAR, США) [18]: вес 1,6 кг, частотный диапазон Ku, X, разрешение <0,3 м.

Рис. 8. Внешний вид РЛС NanoSAR

Привязные БВС позволяют разместить на них светодиодные прожекторы как направленного действия, так и всеракурсного освещения мощностью от 100 до 10 кВт (см. рис. 9).

Рис. 9. Уровни освещенностей широкоугольного светодиодного прожектора мощностью 300 Вт (справа [19]), узконаправленного светодиодного прожектора (зенитного прожектора) мощностью 1 кВт [20]

Использование привязных БВС для мониторинга заражений различного типа

Приборы разведки радиологической обстановки, химического и бактериологического заражения позволяют осуществлять оперативный мониторинг заражения на спецобъектах и в крупных городах. Установка таких приборов на высоте 100–300 м позволяет уменьшить время регистрации происшествия, поскольку анализ проб воздуха осуществляется непосредственно в воздушном потоке, не дожидаясь выпадения осадков на грунт. Следует отметить, что в настоящее время дозиметры нейтронного излучения, пригодные для установки на БВС, в России не производят, но нейтронное излучение порождает вторичные излучения (α, β, + γ-излучения), которые легко регистрируются дозиметрами, пригодными для установки на БВС.

Привязные БВС как носители ПТУР и зенитных ракет

Привязные БВС могут выступать в качестве носители ПТУР и зенитных ракет с тепловыми головками самонаведения. В настоящее время автору неизвестно, оснащаются ли в России привязные БВС ПТУР. Единственным БВС – носителем ПТУР (по данным открытой печати) является "Иноходец" от группы компаний "Кронштадт" [21] (рис. 10 [22]).

Однако в парадигме развития данного направления ничто не мешает использовать привязные БВС в качестве носителей ПТУР и зенитных ракет с тепловыми головками самонаведения. Привязные БВС с вооружением возможно размещать не только на стационарных объектах и позициях, но и на подвижных носителях. Пример такого размещения – привязной БВС от компании Dragonfly Pictures Inc (рис. 11).

Рис. 10. Внешний вид БВС "Иноходец" от группы компаний "Кронштадт"

Рис. 11. Внешний вид привязного БВС от компании Dragonfly Pictures Inc на мобильной платформе [23]

Использование привязных БВС для охраны общественного порядка

Использование привязных БВС для охраны общественного порядка в сельских поселениях видится довольно рациональным решением.

Такие поселения характеризуются малым количеством сил правопорядка, поэтому осуществлять постоянное патрулирование территории там затруднительно. Для подобных поселений типична низковысотная застройка, и один привязной БВС, установленный в пункте охраны общественного порядка, позволит контролировать всю прилегающую местность. При обнаружении инцидента силы правопорядка будут выдвигаться к месту происшествия, понимая оперативную обстановку, при этом практически исключаются и ложные вызовы. В летние периоды такие поселения страдают от стихийных пожаров. Имея вынос оптико-электронных средств наблюдения на высоту 100–300 м, можно оперативно обнаружить очаги задымления и/или возгорания и принять своевременные меры по ликвидации стихийного бедствия.

Рис. 12. Схема использования привязного БВС для охраны общественного порядка в сельском поселении

Выводы

1. Привязные БВС обладают широкой номенклатурой изделий по своему назначению, различными способами подзарядки и могут оснащаться разнообразными полезными нагрузками.
2. Чаще всего электропитание привязные БВС получают по высоковольтному эклектическому кабелю.
3. При необходимости увеличить высоту полета привязного БВС (свыше 300–500 м) можно использовать микроволновые или лазерные источники электропитания.
4. Традиционно привязные БВС используются как квазирадиомачта для ретрансляторов УКВ-связи и связи с БВС (в том числе и для организации mesh-сетей), широкое применение привязные БВС нашли в качестве платформ для развертывания видео/тепловизионного наблюдения.
5. Перспективы развития привязных БВС видятся в использовании их как носителей малогабаритных РЛС, квазимачт комплексов РТР, РЭП, ПТУР и зенитных ракет с тепловыми головками самонаведения.
6. Наиболее рационально использовать привязные БВС для охраны общественного порядка в сельских поселениях.

Список литературы и источников

1. [сайт] // URL: https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.15bc9d9b-6728bda2-64cec487-74722d776562/https/www.zdnet.com/article/uavs-powered-by-laser-over-fiber-networks/ (дата обращения: 24.11.2024).
2. [сайт] // URL: https://topwar.ru/209979-jenergija-po-lazeru-proekt-jenergosnabzhenija-koptera-ot-kitajskih-inzhenerov.html?ysclid=m32zmjlye1496036658 (дата обращения: 24.11.2024).
3. [сайт] // URL: https://robotrends.ru/images/2041/434754/20201012_Dragonfly_Pictures_BMI.png (дата обращения: 24.11.2024).
4. [сайт] // URL: https://wylsa.com/wp-content/uploads/2023/01/90-2.jpeg (дата обращения: 24.11.2024).
5. [сайт] // URL: https://hightech.fm/2021/08/23/microwave-powered-rocket (дата обращения: 24.11.2024).
6. [сайт] // URL: https://www.scmp.com/news/china/science/article/3205885/chinese-scientists-develop-laser-powered-drone-stay-aloft-forever (дата обращения: 24.11.2024).
7. [сайт] // URL: https://static1-repo.aif.ru/1/83/2437689/a0ad493f10cc4f04174716ab57b9e405.jpg (дата обращения: 24.11.2024).
8. [сайт] // URL: https://www.eetimes.eu/wp-content/uploads/2020/10/V389-DSC04525-Tethered-Drone-1.jpg (дата обращения: 24.11.2024).
9. [сайт] // URL: https://shura-master.ru/shop/bespilotnye-aviaczionnye-sistemy/privyaznye-sistemy-kvadrokopterov/privyaznaya-sistema-i-bpla-fyxl-xp02-200m/ (дата обращения: 24.11.2024).
10. [сайт] // URL: http://www.ktso.ru/normdoc13/r78_36_048-2015/r78_36_048-2015_1-4.php (дата обращения: 24.11.2024).
11. [сайт] // URL: https://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=4908&ysclid=m33efidtzt100244300 (дата обращения: 24.11.2024).
12. [сайт] // URL: https://vpayaem.ru/information1/antenna8.jpg (дата обращения: 24.11.2024).
13. [сайт] // URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU2537798C1_20150110 (дата обращения: 24.11.2024).
14. [сайт] // URL: https://компания-партнер.рус/images/cms/data/import_files/c2/c201ad6cf63611ee913ffa163e2f8b8d_28b581b0f67211ee8e6efa163e2f8b8d.jpg (дата обращения: 24.11.2024)
15. [сайт] // URL: https://patriotline.ru/doc/razv-bpla/k40/PATRIOT_K40-TL_Promo.pdf (дата обращения: 24.11.2024).
16. [сайт] // URL: https://lostarmour.info/media/articles/images/1694350869_mceclip6.jpg (дата обращения: 24.11.2024).
17. [сайт] // URL: https://mephi.ru/press/news/22328 (дата обращения: 24.11.2024).
18. [сайт] // URL: https://russiandrone.ru/publications/strukturno-parametricheskiy-sintez-malogabaritnoy-radiolokatsionnoy-stantsii-s-sintezirovannoy-apert-aerogeo/ (дата обращения: 24.11.2024).
19. [сайт] // URL: https://uk-parkovaya.ru/wpcontent/uploads/a/4/9/a4953a4abe38e013f989b080932838cd.jpg (дата обращения: 24.11.2024).
20. [сайт] // URL: https://samara.showlight-shop.ru/wadata/public/shop/products/99/05/599/images/2236/SL-FCL1000P-light.970.jpg (дата обращения: 24.11.2024).
21. [сайт] // URL: https://topwar.ru/250452-potencial-bpla-inohodec.html (дата обращения: 24.11.2024).
22. [сайт] // URL: https://static.1tv.ru/uploads/video/material/splash/2022/03/04/714402/big/714402_big_4310f577c1.jpg (дата обращения: 24.11.2024).
23. [сайт] // URL: https://entsiklopediya-aviatsiya-1998.slovaronline.com/1283-летающая_платформа (дата обращения: 24.11.2024).
24. [сайт] // URL: https://issa.pnzreg.ru/upload/iblock/84b/84b079a0d5a1496ec4dc7859ab58e3e1.jpg дата обращения: 24.11.2024).

Опубликовано в журнале "Системы безопасности" № 1/2025

Все статьи журнала "Системы безопасности"
доступны для скачивания в iMag >>