płk dr inż. Mirosław ADAMSKI * mgr inż. Mariusz ADAMSKI ** * Wyższa Szkoła Oficerska Sił Powietrznych ** Wojskowa Akademia Techniczna DEMONSTRATOR BEZZAŁOGOWEGO STATKU POWIETRZNEGO DO PODŚWIETLANIA CELU NAZIEMNEGO Streszczenie: Przedmiotem badań było określenie możliwości wykorzystania Bezzałogowego Statku Powietrznego do podświetlania celu naziemnego. Celem praktycznym było podjęcie pionierskiej próby zbudowania demonstratora BSP do podświetlania celu naziemnego, poprzez zaadaptowanie istniejących już podzespołów. Dzięki praktycznym próbom w locie, wspólnie z członkami Taktycznego Zespołu Kierowania Operacjami Powietrznymi określono przydatność w/w demonstratora w realnych misjach bojowych oraz wytyczono kierunki dalszych badań i modernizacji w celu sprostania wymaganiom stawianym przez TZKOP. THE DEMONSTRATOR OF UNMANNED AERIAL VEHICLE FOR HIGHLIGHTING THE GROUND TARGETS Abstract: The research was to determine the possibilities of using unmanned aerial vehicle to illuminate the ground target. The aim was to undertake pioneering practical attempt to build an UAV demonstrator to illuminate the ground targets by adapting existing components. Through practical flight tests, together with members of the Forward Air Controlling Team usefulness of the above demonstrator in real combat missions were defined and directions of further research and modernization to meet the requirements of the FAC were marked out. 1. Wstęp Rola bezzałogowych statków powietrznych wykorzystywanych w wojsku będzie ciągle rosła. Planuje się wprowadzenie do służby wielu ich rodzajów: od niewielkich startujących z ręki, mogących pomóc w rozpoznaniu plutonowi piechoty, do wielkich o zasięgu globalnym. Rozwijają się bojowe wersje bezzałogowych samolotów zaczyna się je wyposażać w przeciwpancerne pociski kierowane lub bomby lotnicze. Celem niniejszego opracowania jest zbudowanie bezzałogowego aparatu latającego do podświetlania celu naziemnego. Jest to pionierska próba zbudowania demonstratora, którego wersja rozwojowa będzie mogła być wykorzystywana przez Taktyczne Zespoły Kierowania Operacjami Powietrznymi. Po wielu konsultacjach z członkami grup TZKOP wybraliśmy konstrukcję w układzie Sikorskiego. 2. Koncepcja konstrukcji demonstratora Koncepcja bezzałogowego aparatu latającego do podświetlania celu zrodziła się podczas analizy zadań TZKOP. Idea dotyczyła obszarów, które nie są objęte stacjonarnym 71
monitoringiem, których dozór byłby nieregularny lub na terenach trudno dostępnych. Analiza możliwości technicznych dowiodła, że idealnym sposobem na prowadzenie obserwacji będzie wykorzystanie bezzałogowego statku powietrznego (BSP). Opracowaliśmy założenia, które musiał spełniać system. Podstawową cechą miała być mobilność. Całość musiała być gotowa do transportu, a następnie zdolna do rozłożenia i osiągnięcia gotowości do pracy w relatywnie krótkim czasie. Przekazywanie obrazu musiało się odbywać w czasie rzeczywistym. Bardzo ważną cechą była wysokość i zasięg, jaką ma osiągnąć punkt monitoringu. Należało wykorzystać jednostkę zdolną do pionowego startu i lądowania, mogącą unieść urządzenie optyczne oraz laserowy wskaźnik celu oraz zapewniać rzeczywistą transmisję obrazu. Prace rozwojowe rozpoczęły się od przystosowania bezzałogowca do przenoszenia urządzenia optycznego oraz laserowego wskaźnika celu. Do ramy śmigłowca zostały podczepione dwa serwomechanizmy pozwalające na swobodny obrót laserowego wskaźnika celu w dwóch osiach oraz moduł bezprzewodowej transmisji obrazu. Komunikację ze stacją naziemną zapewnia odbiornik typu RC430. W dalszych pracach rozwojowych projektu możliwy był lot autonomiczny, który oparto o komputer pokładowy firmy Rotomotion. Sensory (żyroskopy, akcelerometry, odbiornik GPS i magnetometr) odbierające sygnały, serwomechanizmy sterujące, wymagały zgrania na podstawie analizy uzyskanych doświadczalnie danych i wprowadzenie odpowiednich poprawek. W wyniku tak przeprowadzonych modyfikacji można zaplanować autonomiczny lot w oparciu o współrzędne GPS oraz mapę zaczerpniętą z Google Earth. 3. Realizacja projektu Zespół zdecydował się na zakup modelu śmigłowca Belt CP V2.1. W trakcie prac zmodyfikowaliśmy układ zasilania elektrycznego. Laserowy wskaźnik celu oraz moduł bezprzewodowej transmisji obrazu zasilany jest baterią 800mAh, natomiast sam śmigłowiec zasilany jest baterią 1800mAh. Adaptacja modelu wymagała również zainstalowania zarówno modułu bezprzewodowej transmisji obrazu jak i laserowego wskaźnika celu, co należało wykonać w taki sposób, aby oba podzespoły nie destabilizowały pracy innych podzespołów modelu. Dlatego bardzo ważnym elementem w tworzeniu konstrukcji było dobranie parametrów w taki sposób, aby wszystkie układy modelu działały bez zarzutu. Zdj.1. Moduł bezprzewodowej transmisji obrazu. 2 1 http://www.nitrotek.pl/belt-cp-v2-24.html 2 Zdjęcie własne 72
Zdj.2. Systemy sterowania i zasilania laserowym wskaźnikiem celu. 3 Kamera musiała spełniać dwa podstawowe warunki. Powinna posiadać małą masę oraz odpowiednie napięcie zasilania. Na potrzeby modelu została dobrana bezprzewodowa kamera zasilana napięciem 7,4 V4. Zainstalowanie kamery do bezprzewodowej transmisji danych oraz laserowego wskaźnika celu nie byłoby problemem, gdyby nie fakt, iż laserowy wskaźnik celu powinien zmieniać swoje położenie w dwóch płaszczyznach i być sterowany zdalnie. Dodatkowym założeniem było to, że położenie laserowego wskaźnika celu oraz pozycji statku powietrznego będzie sterowane przez dwóch operatorów. Zastosowanie oddzielnego układu nadawczo-odbiorczego pozwoliło na bezproblemowe sterowanie laserowym wskaźnikiem celu oraz umożliwienie operatorowi jego włączanie i wyłączanie. Zastosowano dwa serwomechanizmy, które służą do sterowania laserowym wskaźnikiem celu w sposób niekomplikujący konstrukcję, a miejsce, w którym wymienione elementy są obsadzone, jest najkorzystniejszym miejscem pod względem środka ciężkości, oporów powietrza, swobody obrotu oraz funkcjonalności w eksploatacji. Moduł bezprzewodowej transmisji obrazu został zamocowany z przodu śmigłowca. Zarówno sposób działania jak i miejsce zamocowania aparatu zostało tak przemyślane, aby nie komplikować konstrukcji, ułatwić eksploatację modelu (np. wymiana akumulatora), czy też ograniczyć drgania aparatu. Laserowy wskaźnik celu jak i moduł bezprzewodowej transmisji danych korzystają ze wspólnego źródła zasilania. Jest to akumulator o napięciu U=7,4 V i mocy 800 mah. Natomiast bezzałogowiec zasilany jest akumulatorem o napięciu 11,1 V i mocy 1800 mah. Zdj.3. System laserowego wskaźnika celu na śmigłowcu. 5 3 Zdjęcie własne 4 Kamery przemysłowe-bezprzewodowe: http://www.ctr.pl/produkty/kamery-bezprzewodowe/index.html 5 Zdjęcie własne 73
Zdj.4. Widok bezzałogowca z przodu. 6 Oprócz szeregu złączy, elektroniczny układ sterujący posiada antenę odbiornika, którą rozwinęliśmy wzdłuż modelu. Odpowiednie ułożenie anteny ma znaczący wpływ na pracę aparatury odbiorczej. Laserowy wskaźnik celu zastosowany w naszym projekcie to czerwony laser 5mW650 nm. Znajduje się on w metalowej obudowie, która dobrze odprowadza ciepło. Jest on podłączony do aparatury firmy Nitrotek. 4. Sterowanie i eksploatacja Sterowanie konstrukcją polega na obsłudze sześciokanałowego nadajnika do zdalnego sterowania radiem z dwoma drążkami oraz oddzielnej aparatury do sterowania laserowym wskaźnikiem celu. Cztero kanałowy odbiornik RC430 pracuje w paśmie 2400-2843 MHz, przechwytując obraz i dźwięk z bezprzewodowej kamerki, a następnie przesyła dane do komputera osobistego przez port USB jak i do odbiornika telewizyjnego przez kable Audio i Video7. Zdj.5. Odbiornik RC4308. 6 Zdjęcie własne 7 User s Manual for Reciever RC430 with Remote Control and USB 8 Zdjęcie własne 74
Do odbiornika dołączona jest płyta CD z oprogramowaniem do zainstalowania na komputerze, dzięki któremu można zapisywać w pamięci komputera przesyłany w czasie rzeczywistym obraz wraz z dźwiękiem. Dodatkowo do urządzenia dołączony jest pilot do zdalnego sterowania odbiornikiem. Minimalne wymagania sprzętu komputerowego do zainstalowania oprogramowania System operacyjny: Windows XP Directx-9x lub nowszy Procesor Intel Pentium III (800 MHz) lub AMD Athlon lub podobny 128 MB pamięci RAM CD-ROM Port USB 100 MB pamięci na dysku twardym ( plus archiwizacja lotu) Po zmontowaniu i wzajemnym zgraniu wszystkich elementów rozpoczęto próby w locie z praktycznym wykorzystaniem BSP, jako demonstratora technologii. Poniżej zaprezentowano szereg zdjęć z tej części badań. Zdj.6. Widok bezzałogowca z prawej strony. Zdj.7. Widok bezzałogowca wraz z głównymi konstruktorami ppor. Arturem Kowalskim i ppor. Kamilem Kuśmierzem. 75
Następnym etapem badań było sprawdzenie działania laserowego wskaźnika celu. Serwomechanizmy zmieniały położenie laserowego wskaźnika celu bez opóźnień oraz zacięć, aparatura sterująca bezproblemowo włączała i wyłączała wskaźnik, a także regulowała intensywność świecenia. Zdj.8. Maksymalne wychylenie lasera w prawą stronę. Zdj.9. Maksymalne wychylenie lasera w dół. Na tym etapie badań sprawdzone zostały możliwości laserowego wskaźnika celu podczas lotu. Podczas prób wykonano szereg zawisów w celu sprawdzenia działania serwomechanizmów w locie oraz utrzymania wskaźnika w nakazanym położeniu. BSP utrzymywał wiązkę laserową w wyznaczonym punkcie, serwomechanizmy działały w sposób płynny, umożliwiający korekcję położenia wiązki laserowej przy zmianie położenia BSP. Zdj.10. Widok śmigłowca oraz podświetlenie celu przez laser. 76
Zdjęcie nr.11 przedstawia obraz widziany na ekranie przez operatora podświetlanego celu przy pomocy urządzenia zdolnego do odbioru sygnałów audio-video9. Zdj.11. Urządzenie zdolne do odbioru sygnałów audio-video. 5. Zakończenie W wyniku trudności finansowych konstruktorzy musieli nieco zmodyfikować swój plan co do projektu i postanowili stworzyć demonstrator technologii, który w bardzo prosty sposób ukazuje nam sens i zakres działania bezzałogowca. Pierwotny plan zakładał wykorzystanie bezzałogowca z silnikiem spalinowym oraz laserowym wskaźnikiem celu LLM01 (Laser Light Module 01). Jednak w wyniku trudności finansowych wykorzystano śmigłowiec o napędzie elektrycznym. Najlepszym statkiem powietrznym byłby śmigłowiec z silnikiem spalinowym, jednak wykorzystanie śmigłowca z napędem elektrycznym nie sprawiło konstruktorom większych problemów z zaadaptowaniem modelu do wykonywanych zdań, które mogłyby być postawione w czasie misji. Początkowo w koncepcji pracy miał być wykorzystany laser LLM01 (Laser Light Module 01). Jednak w wyniku problemów związanych z wypożyczeniem wyżej wymienionego lasera oraz z jego ceną konstruktorzy postanowili zastąpić go laserowym działem. Najlepszym rozwiązaniem byłaby bezprzewodowa kamera posiadająca funkcję zoom. Jednak kamera wraz z aparaturą wykorzystana przy projekcie również spełnia swoje zadanie. W wyniku przeprowadzonych prób związanych z umiejscowieniem wyżej wymienionych podzespołów najważniejsze okazało się utrzymanie środka ciężkości, który ma wpływ na właściwości lotne bezzałogowca. Zbudowany bezzałogowiec należy traktować tylko i wyłącznie, jako demonstrator technologii, oraz urządzenie mogące służyć do podstawowego szkolenia operatorów, ponieważ siły i momenty działające na śmigłowiec są identyczne jak w bezzałogowcu z silnikiem spalinowym oraz prawdziwym śmigłowcu. 9 Zdjęcia własne 77
Panuje ogólne przekonanie, że im sprzęt czy uzbrojenie jest bardziej skomplikowane, tym lepsze. Zapewne w tym rozumowaniu jest sporo racji. Jednak z drugiej strony istotnym determinantem prowadzenia działań jest czynnik ekonomiczny w aspekcie koszt efekt, istotny nie tyle z powodu zakupu, gdyż jest to wydatek jednorazowy, co eksploatacji. Należy, więc sięgać po rozwiązania proste, a jednocześnie zapewniające utrzymanie efektywności swoich odpowiedników. Zasadniczym kryterium jest przede wszystkim ograniczenie nakładów zarówno w aspekcie osobowym, jak i eksploatacyjnym. Niekonwencjonalne bezzałogowe aparaty latające stanowią szansę dla przemysłu krajowego, który jest w stanie wprowadzić niektóre z przedstawionych koncepcji w życie. Wymaga to oczywiście wielu prac studyjnych w tym zakresie. Literatura [1] ppłk rez. dr inż. Piotr Zalewski Bezpilotowe statki powietrzne (UCAV), Przegląd Sił Powietrznych nr. 9/2005. [2] Przegląd Sił Powietrznych nr. 4/2008 Bezzałogowe pionowzloty. [3] Kurmaz L., Kurmaz O., Projektowanie węzłów i części maszyn. Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2004, [4] Operating Manual Spycopter Nitrotek Advanced RC Technology. [5] User s Manual for Reciever RC430 with Remote Control and USB. [6] Mazanek E. i inni, Przykłady obliczeń z podstaw konstrukcji maszyn. Tom 2, WNT, Warszawa 2005. [7] Elektroniczny serwomechanizm: http://www.helipad.pl/ek2_0508_serwo_cyfrowe_000155-661.html [8] TWF Helicopter Fly Guide Esky Flight instructions s.8. [9] Kamery przemysłowe-bezprzewodowe: http://www.ctr.pl/produkty/kamerybezprzewodowe/index.html. [10] http://www.ctie.monash.edu.au/hargrave/rpav_germany_hr.html. [11] http://en.wikipedia.org/wiki/unmanned_aerial_vehicle. [12] http://www.nitrotek.pl/belt-cp-v2-24.html. [13] http://www.perfecthobby.pl/kategorie.html?product=true&cat_id=217&sort_by=&page=20. 78