مروری بر مسیر توسعه پهپاد FX450

مقدمه

در این مقاله مروری بر توضیحات آقای نیکولاس نیروث مدیر شرکت Robot Aviation درباره چالش‌های او و همکارانش برای مقابله با چالش‌هایی مانند تداخلات الکترومغناطیسی سیستم‌های رادیویی یا ایجاد تعادل بین قابلیت‌ها در طراحی پهپاد FX450 خواهیم داشت. آقای نیروث تجربه بیش از 25 سال فعالیت در حوزه سیستم‌های هوایی را دارد و در حال حاضر عضو هیئت مدیره انجمن بین‌المللی سیستم‌های هوایی بدون سرنشین (UVS International) است.

از ترک تحصیل تا مدیریت پروژه برای ایالات متحده

در دوران نوجوانی نیکلاس نیروث همراه خانواده‌اش در یک مزرعه در کشور سوئد زندگی می‌کرد. استفاده از هواپیماهای کوچک کنترل از راه‌دور برای مصارف کشاورزی او را به این حوزه علاقه‌مند کرد. اون در آن سال‌ها توانست از لاشه پهپادهای معیوب، یک هواپیمای رادیو کنترلی بسازد. در سال 1984 و هنگامی که تنها 12 سال داشت، نیکلاس موفق به برنده شدن در یک رقابت طراحی و ساخت کوچک‌ترین هواپیمای مدل از نوع رادیو کنترلی شد.

در سن 15 سالگی نیکلاس با هدف کار روی هواپیماهای رادیو کنترل، تحصیل در مدرسه را رها کرد. در سال 1991 او از طریق آشنایی با یک خلبان بالگرد وارد یک شرکت برای همکاری در پروژه ساخت پهپادهای کوچک شد. این پهپادها باید سرعت زیادی داشته و از طریق یک هواپیمای سرنشین‌دار کنترل می‌شدند تا بتوانند هواپیماهای نظامی روسی را شبیه‌سازی کرده و به عنوان اهداف تمرینی برای پدافند ساحلی سوئد مورد استفاده قرار گیرند.

سه سال کار در این شرکت و موفقیت در خودکارسازی پرواز پهپادهای کوچک باعث شد نیکلاس خیلی زود با مدیران شرکت‌های بزرگ ساخت UAV دیدار داشته باشد. در آن سال او پیشنهاد کار در شرکت Mission Technology مستقر در ایالات متحده را پذیرفت. در شرکت جدید وظیفه آقای نیروث همکاری برای توسعه پهپاد باستر (یک هواپیمای بدون کنترل‌ از راه‌دور 5 کیلویی با 9 ساعت مداومت پروازی و محموله حسگرهای مادون قرمز و الکترونوری) بود. او در مورد این پروژه می‌گوید: «دوران بسیار سختی بود، زیرا همه بخش‌های پروژه از بدنه و پیشرانه گرفته تا اویونیک با مدیریت من انجام می‌شد. به لطف همکاری با ناسا و آزمایشگاه دید در شب ایالات متحده، من تجربیات زیادی کسب کردم.»

در سال‌های بعد آقای نیروث به نروژ رفت و در پروژه‌های مختلفی از جمله امکان برقراری ارتباطات اضطراری برای یک شرکت تلفن همراه و ارتباطات امن ماهواره‌ای فعالیت کرد. سپس او به Robot Aviation پیوست تا در پروژه‌های ساخت و طراحی پهپادهای این شرکت از جمله FX450 مشارکت داشته باشد

توسعه پهپاد FX450

پهپاد SkyRobotTM FX450 یک هواپیمای بدون سرنشین کاملا خودکار است که با هدف ایجاد یک تعادل بین قابلیت‌های پیشرفته و محیط‌های عملیاتی چالش ‌برانگیز ساخته شد. سیستم‌ هواپیما بر مبنای قابلیت‌های مختلف هوایی و امکان حمل محموله‌های مختلف طراحی شده است. برد عملیاتی پلتفرم در حالت وجود دید مستقیم با ایستگاه کنترل 200 کیلومتر است و در صورت استفاده از لینک ماهواره‌ای، این مقدار می‌تواند تا حدود 2500 کیلومتر افزایش یابد. بیش از 20 ساعت مداومت پروازی، این پهپاد را به یک گزینه مناسب برای بسیاری از کاربردها از جمله عملیات‌های نظارت دریایی و زمینی، شناسایی تهدیدها، نظارت بر ترافیک و نظارت بر آلودگی‌های زیست محیطی تبدیل کرده است.

سیستم کنترل پرواز این پهپاد مبتنی بر یک خلبان خودکار ساخته شده توسط شرکت Micropilot است. به لطف استفاده از 3 سخت‌افزار و نرم‌افزار مشابه، این سیستم دارای یک افزونگی سه‌گانه است.اختلال در یک و حتی 2 مورد از این سیستم‌ها، باعث می‌شود انجام عملیات پهپاد همچنان بدون مشکل برقرار باشد. افزونگی سه‌گانه شامل بسیاری از سایر سیستم‌ها از جمله تجهیزات سطوح کنترلی، کابل‌‌کشی‌ها، سیستم جمع‌آوری داده‌های هوایی و حتی پیتوت‌ها می‌شود.

سیستم خلبان خودکار شامل سه گیرنده GPS (یک گیرنده اصلی با نرخ‌ بروزرسانی 20 هرتز و دو گیرنده ثانویه با نرخ 4 هرتز) با قابلیت پشتیبانی از DGPS و تکنیک‌هایی مانند ^[1]RTK است.

تداخلات در سیستم‌های رادیویی

آقای نیروث بزرگ‌ترین چالش را در رابطه با فرایند توسعه پهپاد FX450، جلوگیری از تداخلات بین آن‌ها و زیرسیستم‌های رادیویی می‌داند. او در مورد این چالش می‌گوید:«ما در این پرنده زیرسیستم‌های زیادی استفاده کرده‌ایم. فرستنده/گیرنده‌هایی با توان خروجی تقریبا زیاد داریم که برای ارتباطات دید مستقیم (LoS) یا لینک‌های ماهواره‌ای با پهنای باند بسیار باریک استفاده می‌شوند. کارکرد صحیح هر یک از این سیستم‌ها در یک مجموعه کوچک و فشرده یک چالش بزرگ است و ما باید مطمئن می‌شدیم که هر زیرسیستم می‌تواند بدون مشکل تداخلاتی، با توان و پهنای باند تعریف شده کار کند.

هر چند پهپاد FX450 با وجود حدود 4 متر طول و 7 متر فاصله انتهای دو بال و همچنین حداکثر وزن 200 کیلوگرم هنگام برخاستن، یک پرنده تجاری نسبتاً بزرگ محسوب می‌شود، اما همچنان فضای محدودی برای ایزوله کردن سیستم‌های رادیویی و آنتن‌هایی با صفحات زمین وجود دارد. در واقع صفحات زمین آنتن‌ها باید حداقل شعاعی برابر با یک چهارم بزرگترین طول موج کاری خود داشته باشند.

آقای نیروث در این رابطه می‌گوید:« ادغام و یکپارچه‌سازی چندین سیستم‌ رادیویی در یک مجموعه کامپوزیتی هواپیما نیاز به نبوغ و خلاقیت دارد. به عنوان یک مثال، ساختار توخالی دم پهپاد به ما این فرصت را داد تا یکی از فرستنده‌ها و آنتن آن را بصورت یک مجموعه واحد در آنجا نصب کنیم. اتصال RF بین فرستنده و آنتن بدون نیاز به اتصالات کابلی انجام شد که ضمن کاهش وزن و تلفات، امکان تداخلات را نیز کاهش داد. از خواص و ویژگی‌های منحصر به فرد کامپوزیت‌ها نیز می‌تواند برای کاهش تداخلات استفاده کرد. به عنوان مثال پلاستیک تقویت‌شده با فایبرگلاس می‌تواند به عنوان یک پنجره برای RF انتخاب شود و از مواد هیدروکربن برای جلوگیری از نفوذ سیگنال‌های رادیویی استفاده کرد. از این گونه ترکیب‌ها می‌توان برای ایزوله کردن سیستم‌های ساطع‌کننده امواج مخرب استفاده کرد.»

چالش دیگر در طراحی یک پهپاد، برقراری یک تعادل و بده‌بستان بین قابلیت‌های تعریف شده برای آن است. آقای نیروث در این رابطه می‌گوید: «طراحی و ساخت یک پلتفرم برای اهداف آزمایشی آسان است، اما ساخت آن برای استفاده روزمره کاملا متفاوت و دشوار خواهد بود. وفادار ماندن به یک پیکر‌بندی و ساختار مشابه و تغییر نکردن آن برای اجرای قابلیت‌های مختلف یک پهپاد بسیار مهم است. به عبارت ساده می‌توان گفت دستیابی به یک قابلیت، ممکن است منجر به تاثیرات منفی روی قابلیت‌های دیگر پهپاد شود. به عنوان مثال پهپاد شما ممکن است یک روز برای انجام عملیات 20 ساعته در نظر گرفته شود و روز دیگر برای انجام یک عملیات در ارتفاع 12 هزار پا! شما نمی‌ توانید با پیش‌فرض‌های در نظر گرفته شده برای پهپاد بطور همزمان به این قابلیت‌ها دست پیدا کنید.

آقای نیروث اشاره می‌کند که در مورد سیستم‌های اویونیک و جاسازی آن‌ها در یک فضای فشرده نیز این چالش وجود دارد. ایجاد یک تعادل بین مصرف توان، ابعاد یا وزن پیچیدگی زیادی دارد. هنگامی که شما قرار است سیستم‌هایی با توان زیاد استفاده کنید، به ناچار با تجهیزاتی بزرگ‌تر و سنگین‌تر مواجه می‌شوید. در کنار این چالش، مسئله بزرگتری با تداخلات الکترومغناطیسی بیشتر نیز خواهید داشت. او می‌گوید: «در این شرایط یکی از بهترین راهکارهای موجود، استفاده از تجهیزات با استاندارد بالا است. ما در مورد پهپاد FX450 تجهیزات ارتباطی را از شرکت Radionor تهیه کردیم. سیستم‌های آن‌ها با استانداردهای بسیار بالایی ساخته می‌شوند و تلفیق آن‌ها با دیگر سیستم‌ها برای ما شبیه به قراردادن قطعات یک پازل کنار هم است. تجربه کار ما نشان داده است که استفاده از این گونه سیستم‌ها با استانداردهای محکم باعث کاهش زیاد در تداخلات و نویز خواهد شد.»

نگاهی به سیستم‌های ارتباطی شرکت Radionor

محصول اصلی شرکت Radionor شامل یک مجموعه سیستم با نام Cordis Array II است که به عنوان یک لینک داده برای ارتباطات یک نقطه به چندنقطه (point-to-multipoint) مورد استفاده قرار می‌گیرد. این سیستم بر اساس ارتباطات بی‌سیم IP ارتباط همزمان بین چند نقطه متحرک را با یک نقطه برقرار می‌کند.

در مقایسه با سیستم‌های سنتی نقطه به نقطه که دارای آنتن‌های متحرک هستند، این محصول از یک آنتن با پرتو هدایت‌پذیر الکترونیکی استفاده می‌کند. این قابلیت باعث می‌شود تا توان ارسالی و دریافتی بطور قابل ملاحظه‌ای بهینه شود. عدم استفاده از قطعات متحرک و سرعت سریع تغییر جهت پرتو هنگام ردگیری نقاط متحرک باعث شده است شرکت بتواند محصول خود را به شرکت‌های مختلفی عرضه کند.

ارتباط بین سیستم‌ رادیوی اصلی، آنتن و زیرسیستم‌ها کاملا بر اساس IP و کابل‌های اترنت معمولی انجام می‌شود. این ویژگی‌ها باعث می‌شود ادغام تجهیزات با سایر سیستم‌های مبتنی بر شبکه IP بسیار ساده و سریع انجام شود.