Marian KOPCZEWSKI, Bartłomiej PĄCZEK Systemy

Marian KOPCZEWSKI, Bartłomiej PĄCZEK Systemy

Marian KOPCZEWSKI, Bartłomiej PĄCZEK
Wydział Dowodzenia i Operacji Morskich,
Akademia Marynarki Wojennej w Gdyni
E-mail: [email protected]
Systemy komputerowego sterowania stosowane
w bezzałogowych statkach powietrznych
Streszczenie: W artykule przedstawiono dziedziny zastosowań militarnych
oraz możliwości taktycznych bezzałogowych statków powietrznych (BSP)
na współczesnym polu walki. Dokonano klasyfikacji bezzałogowych statków powietrznych i rodzajów ich misji taktycznych. Przeanalizowano
możliwości wykorzystania BSP w dziedzinie rozpoznania i walki radioelektronicznej. Podano podstawowe charakterystyki taktyczno-techniczne
wybranych urządzeń rozpoznania zainstalowanych na BSP. Zaprezentowano futurologiczne plany rozwoju bezzałogowych statków powietrznych.
1. Wprowadzenie
W dobie XXI wieku bezzałogowe statki powietrzne (BSP) są jedną z podstawowych broni
na współczesnym polu walki. Lista dziedzin zastosowań militarnych oraz możliwości misji
taktycznych bezzałogowych statków powietrznych jest obszerna i zmienia się wraz z burzliwym rozwojem techniki z zakresu sprzętu elektronicznego i szybkiej obróbki danych.
Koniec zimnej wojny spowodował, że potęgą militarną na świecie stały się międzynarodowe
organizacje, takie jak NATO oraz wielkie mocarstwa. Nowoczesna technologia daje coraz to
nowsze możliwości w zakresie sprawnego i bezpiecznego prowadzenia rozpoznania oraz
prowadzenia walki we współczesnych konfliktach zbrojnych. Bezzałogowe statki powietrzne mogą być efektywnie wykorzystane w warunkach pokojowych w wielu dziedzinach
militarnych. Wyrzucenie prawdziwego pilota z kabiny przynosi naprawdę wiele korzyści. Po
pierwsze, i to z pewnością jest najważniejsze dla pilota – człowieka nie jest on narażony na
śmierć czy niewolę w przypadku niepowodzenia akcji. Po drugie pilot jest najsłabszym
ogniwem statku powietrznego, zarówno pod względem fizycznym jak i psychicznym. Bezzałogowe statki powietrzne zapewniają bezpieczeństwo i gwarantują wykonanie podobnych
misji bez narażania życia przez osoby je wykonujące.
Ważnym aspektem inwestowania w rozwój i eksploatacje systemów bezzałogowych dla
potrzeb militarnych i nie tylko są korzyści ekonomiczne. Wyszkolenie pilota kosztuje
kilka milionów dolarów, natomiast jedna załoga BSP może obsługiwać wiele pojazdów
bez narażania życia. Strata pilota podczas wykonywania zadania niesie ze sobą poważne
16
konsekwencje polityczne jak i finansowe, natomiast strata BSP ma dużo mniejsze konsekwencje głównie finansowe.
2. Klasyfikacja bezzałogowych statków powietrznych
Bezzałogowe statki powietrzne są przeznaczone do wykonania misji bez udziału załogi.
Ze względu na rodzaj sterowania BSP można podzielić na automatyczne i półautomatyczne. W skład każdego bezzałogowego statku powietrznego wchodzą następujące systemy:
•
•
•
•
•
statek powietrzny;
urządzenia łączności;
urządzenia kierowania lotem (naziemna stacja);
system odbioru, analizy oraz zobrazowania danych;
zaplecze techniczno – logistyczne.
Klasyfikacji BSP można dokonać ze względu na wielkość pojazdu oraz jego zasięgów
operacyjnych takich jak: zasięg patrolowania, pułap patrolowania oraz czas patrolowania. Czas patrolowania – jest to przedział czasu w którym BSP może wykonać misję,
zależy on ściśle od ilości paliwa jaką pojazd może zabrać na pokład.
Zasięgi operacyjne – są to przedziały wartości liczbowych, w zakresie których BSP może w pełni wykonać określoną misję.
W ogólnej klasyfikacji bezzałogowych statków powietrznych wyróżniamy następujące
rodzaje:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
BSP klasy mikro i mini;
BSP ograniczonego zasięgu;
BSP bliskiego zasięgu;
BSP średniego zasięgu;
BSP dalekiego zasięgu;
BSP niskiego pułapu;
strategiczne BSP;
ofensywne BSP;
BSP napędzane energią słoneczną.
17
Rys. 1. Skład systemu BSP
Jak wygląda nowoczesny bezpilotowy aparat lotniczy, używany do celów taktycznych?
Przeważnie jest to maszyna, której wymiary wahają się od startującego z wolnej ręki
samolociku do okazów a rozpiętością skrzydeł 3 – 4 m, masie startowej od kilku kilogramów do 200 kg, w tym około 75 kg ładunku użytkowego. Napędzany energią słoneczną
lub silnikami spalinowymi o mocy do 50 koni mechanicznych rozwija prędkość do
200 km/godz., potrafi utrzymywać się w powietrzu do 6 godzin i działać w promieniu
200 km od stanowiska sterowania. Małe rozmiary i silnik, który nie wytwarza dużych
ilości ciepła czynią samolocik o wiele trudniejszym do wykrycia środkami obserwacji
wizualnej, radiowej oraz termowizyjnej. BSP wytwarza ponadto niepowtarzalnie mniej
hałasu niż odpowiednik załogowy i może skradać się do celu na małej wysokości, ukazując się nawet przy tak małej prędkości niespodziewanie i jedynie na krótką chwilę.
Zwrotność tej maszyny jest zdecydowanie większa niż śmigłowca, nie mówiąc już
o samolotach bojowych. Wszystko to czyni pozornie powolny aparat celem dość trudnym do zniszczenia konwencjonalnymi środkami obrony przeciwlotniczej. Zaś mała
emisja cieplna utrudnia działanie głowic samonaprowadzających. Pomijamy tu problem
stosunku kosztów takiej rakiety do aparatu bezzałogowego. Nikt nie będzie strzelał
rakietą za milion dolarów do UAV wartego sto czy dwieście tysięcy.
Bezpilotowy aparat lotniczy startuje przeważnie z katapulty zamontowanej na podwoziu
samochodu lub pokładzie okrętu. Pulpit sterowania samolocikiem może znajdować się
w tym samym lub innym pojeździe bezpośrednio w miejscu startu lub w pewnej odległości w zależności od zadań. Za pomocą kilkunastometrowej teleskopowej anteny
możliwa jest łączność między pulpitem sterującym a znajdującą się w powietrzu maszyną. Zaawansowany program umożliwia operatorowi prowadzenie maszyny, zaś
kamery optyczne i termowizyjne przesyłają na ekran monitora wszystko to co widzą.
Mocny zoom optyczny, wspomagany elektronicznym wzmacniaczem obrazu, umożliwia zmianę kątów widzenia do szerokiej, panoramicznej wizji, aż po wyodrębnienie
najdrobniejszych szczegółów. Zaawansowana elektronika umożliwia zablokowanie
spojrzenia kamer na konkretnym obiekcie i śledzenie go, niezależnie od jego ruchów
i ruchu samego aparatu lotniczego. Po wykonaniu misji maszyna może być sprowadzo18
na do bazy ręcznie lub automatycznie, gdyż
gdyż system nawigacyjny GPS określa położenie
maszyny jak i lądowiska. Po powrocie maszyna najczęściej opada na spadochronie, co
w jeszcze większym stopniu upraszcza jego konstrukcję. Natomiast na wypadek zez
strzelenia
lenia maszyna może być wyposażona w ładunek destrukcyjny.
de
Wyposażenie takiego BSP jest zależne od jego misji i zadań jakie ma wykonywać. WyWy
różnić można wiele rodzajów misji, jakie może wykonywać taki samolocik, wśród któktó
rych do najczęściej wykonywanych zaliczamy:
Rys. 2. Wizja zastosowań taktycznych bezpilotowych aparatów lotniczych
Kierowanie działaniami bojowymi – są to misje, które
re mają na celu zapewnić dowództwu
dowódz
wysunięty punkt dowodzenia, który dokładnie widzi
widzi działania zarówno wojsk własnych
wła
jak i przeciwnika oraz umożliwia przesyłanie
przesyłanie komend do poszczególnych pododdziałów.
Wykrywanie i wskazywanie min – są to misje, które mają na celu skryte i bezstratne
wykrywanie min zarówno na lądzie jak i na wodzie. Do precyzyjnego określenia połopoło
żenia min używane są celowniki laserowe.
Walka elektroniczna – są to misje mające na celu wykrywanie i obezwładnianie aktywakty
nych środków radioelektronicznych przeciwnika w szerokim paśmie częstotliwości przy
jednoczesnym chronieniu własnych.
19
Rozpoznawanie sygnałów radioelektronicznych – są to misje prowadzone systematycznie w czasie pokoju, mające na celu wykrywanie, lokalizację, rozpoznawanie i śledzenie
sposobów pracy środków radioelektronicznych.
Detekcja skażeń chemicznych i biologicznych – są to misje mające na celu wykrywanie obszarów skażonych chemicznie i biologicznie bez narażania życia.
Rozpoznawanie sposobów maskowania – są to misje, które dostarczają informacje
w postaci zdjęć, które po odpowiedniej filtracji pozwalają wykryć zamaskowane obiekty.
Rodzaje misji taktycznych BSP
Rozpoznawanie
obrazów
Wskazywanie
celów
Kierowanie
walką
Walka
elektroniczna
Walka
elektroniczna
Wykrywanie
min
Wykrywanie
skażeń
Działania przeciw
maskowaniu
Akcje
ratownicze
Przekaźnik
telekomunikacyjny
Rys. 3. Rodzaje misji bezzałogowych aparatów lotniczych
3. Charakterystyka urządzeń stosowanych na BSP
Wymagania w stosunku do urządzeń i sprzętu występującego na BSP są bardzo wysokie. Główne czynniki to małe wymiary i jak najmniejszy ciężar, a zarazem muszą się
one charakteryzować bardzo dobrymi parametrami i odpornością na trudne warunki
pracy. Dopiero szybki rozwój technologiczny w latach 90. umożliwił konstruowanie
małych gabarytowo zespołów spełniających w dużej mierze te wymagania:
•
•
•
•
•
•
•
odbiór, pomiar i analiza parametrów wszystkich rodzajów sygnałów radiolokacyjnych;
szerokie pasmo częstotliwości od 0,2 – 50 GHz;
duża czułość powyżej 100 dB;
duża dynamika powyżej 50 dB;
duża rozróżnialność w częstotliwości umożliwiająca pomiar chwilowej wartości
częstotliwości z dużą częstością;
prawdopodobieństwo przechwycenia sygnału bliskie jedności;
zdolność do odbioru sygnału o dużej ilości impulsów;
20
•
•
•
•
szybki i monoimpulsowy pomiar kierunku na źródła przy jednoczesnym okrężnym
widzeniu przestrzeni sygnałowej;
szybka analiza parametrów i ich klasyfikacja
k
z dużą dokładnością;
możliwość rejestracji dużych zbiorów
zbio
danych;
małe gabaryty oraz mały pobór mocy.
Wysokie wymagania i parametry powodują, że klasa urządzeń występujących na BSP
jest bardzo wysoka. Coraz to nowocześniejsza technologia i szybki
szybki rozwój techniki popo
wodują, że wymagania odnośnie tych urządzeń znacznie się zwiększają. Jedną z główgłów
nych grup odbiorników występujących na BSP są odbiorniki szerokopasmowe. Do tej
grupy możemy zaliczy:
•
odbiornik dekadowy charakteryzujący się pasmem bwcz, małą czułością i dynamiką
(rysunek 4).
). Jego zaletami są małe gabaryty i pobór mocy. Stosowany jest w zestazest
wach ostrzegawczych;
Rys. 4. Odbiornik dekadowy
•
•
•
•
•
•
odbiornik wielokanałowy superheterodynowy – w jego skład wchodzi kilka kanałów na
bwcz wraz z mieszaczami,
mieszaczami, które następnie wszystkie są sprowadzane do jednego na pcz;
odbiornik natychmiastowego pomiaru częstotliwości IFM umożliwiający pomiar
częstotliwości chwilowej oraz zmian wewnątrz
wewnątrz impulsowych. Pomiar częstotliwości
czę
realizowany jest cyfrowo. Odbiornik
Odbiornik ten charakteryzuje się dużą rozróżnialnością
rozróżnial
i dynamiką w całym paśmie;
szerokopasmowy odbiornik IFF zapewniający pokrycie
pokrycie kilkuoktawowego pasma.
pa
Stosuje się w nim w pierwszej kolejności przemianę częstotliwości na pcz, której pap
smo pokrywa jakąś oktawę
ok
a następnie wykorzystywany
korzystywany jest odbiornik IFM,
odbiornik z komórką Bragga wykorzystujący zjawisko załamania się światła w kryszkrys
tale pod wpływem częstotliwości sygnału przyłożonego do elektrody. Odbiornik ten
charakteryzuje się małą czułością i dynamiką;
odbiornik kompresyjny stosowany do badania sygnału impulsowego z wewnętrzną
modulacja częstotliwości;
odbiornik cyfrowy – jest to odbiornik próbkujący sygnał bwcz i przetwarzający go na
postać cyfrową, który następnie zostaje poddawany szybkiej analizie.
analizie. Jego możliwomożliw
ści są ekwiwalentne tysiącu równoległych odbiorników IFM pracujących w oktawie
o szerokości pasma 500 kHz.
21
Antenna
DAC
RF amp
Matchable
RF filter
Mixer
MF filter MF amp
Memory
Tunable local
oscilator
Digital
processor
DAC
90°
Frequency
tuning
LO
Rys. 5. Odbiornik cyfrowy
Kolejna rodzina urządzeń występujących na BSP to różnego rodzaju kamery i aparaty.
Charakteryzują się one bardzo dużą rozdzielczością od 2400 dpi i mocniejszą. Są to
odbiorniki z bardzo mocnym zoomem, pozwalające wykonywać obrazy z bardzo dużą
dokładnością i z dużej wysokości. W zależności od postawionego zadania mogą być to
urządzenia termowizyjne, noktowizyjne, dziennego widzenia oraz na podczerwień.
4. Przykłady BSP
Po wstrzymaniu 7 stycznia 1991 roku produkcji niewidzialnego dla radarów samolotu
A-12 Avenger II, Amerykańska Marynarka Wojenna pozostała jedyną formacją armii
USA, bez rychłych perspektyw na otrzymanie innego samolotu wykonanego w nowoczesnej technologii stealth. Stan taki trwał do początków roku 2001, kiedy to 27 lutego
w trakcie ceremonii otwarcia dopiero co powstałego w Kalifornii ośrodka nowych technologii (ASDC), korporacja Northrop Grumman zaskoczyła przybyłych gości konstrukcją o iście kosmicznym wyglądzie.
Northop X-47A Pegasus stanowi część realizowanego przez DARPA i US Navy programu studyjno-projektowego, mającego na celu opracowanie morskiej wersji UCAV.
W przyszłości maszyny te mają być standardowo używane przez US Navy w trakcie
prowadzonych z pokładów lotniskowców akcji przełamywania obrony powietrznej
przeciwnika, bezpośrednich uderzeń na wrogie cele i misji rozpoznawczo-patrolowych.
Mający kształt idealnego rombu Pegasus pozbawiony jest jakichkolwiek stateczników
pionowych. Całość płatowca wykonana jest w znacznym procencie z materiałów kompozytowych. Jeżeli projekt Pegasusa spełni wymagania DARPA i US NAVY, to na jego
bazie powstanie pierwszy produkowany seryjnie morski bojowy samolot bezzałogowy.
22
Rys. 6. X - 47A
W kontekście takiej perspektywy, już teraz wiadomo, że seryjny Pegasus będzie legilegi
tymować się o wiele lepszymi parametrami, niż jego badany obecnie demonstrator.
Prawie dwukrotnie zwiększy się masa użyteczna, co pozwoli
oli na załadunek około 900 kg
uzbrojenia. Poprawiona zostanie również wytrzymałość konstrukcji, która docelowo ma
znosić przeciążenia aż 15 g. W trakcie misji bojowych, Pegasus powinien obyć się bez
tankowania przez 12 godzin.
Dane techniczne X-47A:
X
długość – 8,5 m; szerokość – 8,47 m; silnik – P&W JT15D5C-TF; masa całkowita – 2494 kg; masa użyteczna – 453 kg.
Kolejnym przykładem jest SHARK. Już w kwietniu 1999 roku kilka szwedzkich firm
rozpoczęło wspólne opracowywanie koncepcji dla przyszłego bojowego samolotu
sa
bezzałogowego. Pierwszym etapem tych prac, była faza studialna, mająca na celu teoreteore
tyczne określenie aż dziewięciu różnorodnych aerodynamicznie rodzajów UCAV. Jeden
z nich oznaczony jako 272 UAV SHARK – został następnie poddany testom w tunelu
aerodynamicznym.
rodynamicznym. Szwedzi,
Szw
którzy podobnie jak inne kraje europejskie mają duże
zaległości (w porównaniu ze Stanami Zjednoczonymi) w badaniach nad technologią
stealth, próbują teraz upiec dwie pieczenie na jednym ogniu. Efektem tych dążeń, ma
być flotylla niezwykle
zwykle zaawansowanych bojowych BSP, które prawdopodobnie już za
kilkanaście lat staną się podstawowym elementem szwedzkich sił powietrznych. Będą
one – podobnie jak ich amerykańskie odpowiedniki – mogły nie tylko wykonywać
bojowe misje wspólnie z nadzorującymi
nadzorującymi je samolotami załogowymi, ale stanowić będą
obiekty niewidzialne dla radaru. W przypadku badanego obecnie demonstratora
SHARK, technologia stealth, powinna stanowić cechę niemal priorytetową. Jak bowiem
twierdzą szwedzcy konstruktorzy, obiekt ma być stosunkowo
stosunkowo mało zwrotny. Jedynym
zatem sposobem na zmniejszenie prawdopodobieństwa jego zestrzelenia, jest zdecydozdecyd
wana eliminacja echa radarowego.
23
Rys. 8. Shark
Dane techniczne UCAV – SHARK: rozpiętość – 8,0 m; długość – 10,00 m; masa całkowita – 5000 kg.
Kolejnym przykładem BSP jest Petit Duc. Współdziałająca od kilku lat z brytyjską BAe
i wymieniająca z nią doświadczenia nad obiektami bezzałogowymi francuska firma DasDa
sault Aviation, już 18 lipca 2001 roku przeprowadziła pierwszy udany (10-cio
(10
minutowy)
lot własnego demonstratora BSP. Bezzpilotowiec ten określany jako Petit-Duc
Petit
(Mały
Książę) jest nie tylko wyjściową konstrukcją do opracowania w przyszłości całej rodziny,
ale stanowi także obiekt niezwykle zaawansowany pod względem zastosowanej w nim
technologii
ologii stealth, o czym dobitnie świadczyć może jego skuteczna powierzchnia odbicia
porównywalna z małym ptakiem. Pod względem kształtu płatowca, Petit-Duc
Petit
jest pojazdem zupełnie unikalnym. Trójkątne skrzydła gładko przechodzą w mający identyczny
układ kadłub,
ub, zaopatrzony w tylnej części w dwa lekko ukośne stateczniki pionowe.
Rys. 9. Petit Duc
Dane techniczne Petit-Duc:
Petit
rozpiętość – 2,4 m; długość – 2,4 m; masa całkowita – 60
kg; zasięg – 150 km; prędkość max – 0,5 Ma.
Przedstawiając nowoczesne BSP nie można zapomnieć o miniaturowych statkach pop
wietrznych. Siły zbrojne USA doceniły znaczenie miniaturowych BSP i już w 1998 roro
ku Naval Research Laboratory oraz DARPA (program finansowany przez wojsko, pop
24
wołany do prowadzenia pracy nad różnymi typami BSP) zainicjowały
zainicjowały program dotydot
czący miniaturowego BSP przeznaczonego do obserwacji, rekonesansu i rozpoznawania
terenu z bardzo małej wysokości oraz jeśli to będzie możliwe, do wykonywania zakłózakł
ceń elektromagnetycznych. W ramach powyższego programu opracowywany został
z
model miniaturowego BSP o nazwie MICROSTAR.
Rys. 10. Widok ogólny i budowa BSP Microstar
Dane techniczne Mikrostar: rozpiętość – 15 cm; długość – 15 cm; masa całkowita –
86 g; zasięg - 5 km; prędkość max - 15 km/h; waga wyposażenia – 18 g; pułap – 150 m;
czas lotu – 20 min..
Program DARPA obejmuje również pracę nad dwoma innymi typami miniaturowych
bezzałogowych statków powietrznych: BLACK WIDOW i miniaturowym śmigłowcem
HYPERAV.
Rys. 11. Black Widow
Dane techniczne Black Widow: rozpiętość/długość – 15 cm/15
15 cm; masa całkowita/wyposażenia – 42 g/2,2 g; zasięg/pułap – 1,8 km/235 m; prędkość max – 20 km/h;
czas lotu – 30 min..
5. Plany futurologiczne
Według opinii fachowców, w przyszłości bezzałogowe samoloty rozpoznawcze powinny
stanowić niezwykle ważny element walki informacyjnej. Co roku na całym świecie powstapowst
25
ją coraz nowsze tego typu konstrukcje. W Stanach Zjednoczonych już tylko kwestią kilku lat
jest całkowite wycofanie ciągle modernizowanego Lockheed U-2 Dragon Lady, który podzieli los wycofanego ostatecznie w 1998 roku słynnego Lockheed SR-71 Blackbird. Na
razie na miejsce "doświadczonego" U-2, szykowane są systemy: Predator i Global Hawk,
których zadaniem będzie nie tylko dostarczanie informacji określanych jako szpiegowskie,
ale przede wszystkim zagwarantowanie bieżących obrazów i danych z pola walki. Informacje te, mają być przekazywane za pośrednictwem GPS do naziemnych ośrodków dowodzenia oraz na pokład samolotów bojowych, umożliwiając im tym samym natychmiastowe
likwidowanie zagrożeń, jak np. wykrytych rakietowych ośrodków obrony powietrznej przeciwnika. Powstało kilkadziesiąt futurologicznych koncepcji BSP, które można podzielić na
cztery klasy.
•
•
•
•
Duże bojowe statki powietrzne, które będą miały na celu zastąpić załogowe samoloty bombowe. Ich konstrukcja będzie umożliwiała zabranie dużej ilości uzbrojenia
i paliwa w celu wykonywania misji o dużych zasięgach.
Małe bojowe statki powietrzne, które będą miały na celu zastąpić samoloty myśliwskie. Mają być to samoloty tańsze w eksploatacji i które będą się charakteryzowały lepszymi możliwościami manewrowymi.
Małe bojowe statki powietrzne wystrzeliwanie z powietrza. Będą to wielozadaniowe pojazdy krótkiego zasięgu, przewożone w pobliże pola walki. Przeznaczenie ich
będzie dość ściśle określone. Mogą służyć jako oświetlacze celów środki WRE
oraz aktywne środki walki.
Strategiczne statki powietrzne. Do klasy tej zaliczamy m.in. przedstawionego tutaj
Global Hawk.
6. Podsumowanie
Przyszłość BSP to nie tylko konflikty zbrojne i zastosowania militarne, ale również możliwość wykorzystania ich w czasie pokoju i w warunkach cywilnych. Zastosowanie tego typu
środków pozwoli do minimum ograniczyć narażanie życia przez ludzi oraz pozwoli zmniejszyć koszty wielu przedsięwzięć. Cechą charakterystyczną przyszłościowych rozwiązań jest
również to, iż aparaty te tworzone są na podstawie koncepcji opartych na doświadczeniach
czerpanych z obserwacji owadów i ptaków. Takie rozwiązania planuje się zastosować m.in.
w konstrukcji cybernetycznego nietoperza, unoszącego się dzięki ruchom skrzydeł. Do
kolejnych możliwych rozwiązań należą też: entomoptery (aparaty oparte na mechanice lotu
owada) oraz ornitoptery (bazujące na mechanice lotu ptaków).
Literatura
1.
Stoch J., Bezzałogowe statki powietrzne. Cz. 1. Raport naukowy. WAT, Warszawa 2001.
2.
Stoch J., Bezzałogowe statki powietrzne. Cz. 2. Raport naukowy. WAT, Warszawa 2001.
3.
Czasopismo Żołnierz Polski.
4.
Materiały internetowe poświęcone UAV.
26