کاربرد میکرو پهپادها درعملیات نظامی، راهنمایی و رانندگی و امداد و نجات
-
در حقيقت ميکرو پهپادها يک مدل کوچکتر از هواپيما‌هاي بزرگ نيستند. بلکه آنها وسايلي مناسب، کاملا عملياتي، داراي قابليت نظامي و داراي پرواز‌هاي کوچک در کلاس مربوط به خودشان هستند. تعريفي که در دارپابه کار گرفته شده است اين وسيله را از نظر ابعاد محدود مي‌کند به اين که حداکثر 15 سانتي متر طول يا عرض يا ارتفاع داشته باشد. اين ابعاد فيزيکي، اين گروه از وسايل را از نظر بزرگي در يک حيطه‌اي قرار مي‌دهد که از همه پهپادهايي که تا به حال ساخته شده است، کوچکترند.
ميکرو پهپادها به عنوان ربات‌هاي هوايي شش درجه آزادي در نظر گرفته مي‌شوند که قابليت حمل بار‌هاي کوچک را، به مناطق دور و يا پر خطر براي انجام ماموريت‌هاي مختلف دارا مي‌باشند.؛ اين ماموريت‌ها مي‌تواند شامل شناسايي، تعقيب، هدف‌يابي،کنترل جاده ها و مرزها،کنترل ترافيک شهري، نشانه گذاري، و حسگري زيست- محيطي باشد.
ميکرو پهپادها به عنوان ربات‌هاي هوايي شش درجه آزادي در نظر گرفته مي‌شوند که قابليت حمل بار‌هاي کوچک را، به مناطق دور و يا پر خطر براي انجام ماموريت‌هاي مختلف دارا مي‌باشند.؛ اين ماموريت‌ها مي‌تواند شامل شناسايي، تعقيب، هدف‌يابي،کنترل جاده ها و مرزها،کنترل ترافيک شهري، نشانه گذاري، و حسگري زيست- محيطي باشد.
اگر چه قيد 15 سانتي متر طول ممکن است دلخواه به نظر آيد، اما محدوديت‌هاي فيزيکي و تکنولوژيکي نيز در تعيين اين طول بي‌اثر نبوده است. براي درک کامل اين ابعاد مي‌توانيم اين گروه از پرنده‌ها را با سيستم‌هاي آشناي ديگر مقايسه کنيم. که اين مقايسه در نمودار شکل 1 انجام شده است. شکل 1 نموداري است که عدد رينولدز را بر حسب وزن وسيله نشان مي‌دهد. عدد رينولدز مفيدترين پارامتر مجزا براي توصيف کردن محيط پيرامون مي‌باشد. يکي از کوچکترين پهپادي که در حال حاضر ساخته شده است «سِندر Sender» مي‌باشد که توسط آزمايشگاه تحقيقاتي نيروي دريايي ساخته شده است. سِندر داراي بال‌هايي با طول 2/1 متر است و فقط 5/4 کيلوگرم وزن دارد. ولي ميکرو پهپادها به طور قابل توجهي کوچکتر هستند و با توجه به ماموريت‌ها مختلف، اشکال مختلفي نيز دارند. مثلا با توجه به شکل زير واضح است که در ميکرو پهپادها با توجه به طول کوچک و سرعت پايين ما در رژيم رينولدز پايين قرار داريم که اگر طول و يا سرعت عوض شود اين رژيم عوض خواهد شد.
شکل 1: مقايسه اندازه پهپادها
اهميت MAV (ميکرو پهپاد)
ممکن است اين سوال پيش آيد که چرا در مقياس کوچک کار مي‌کنيم و چرا آن را بزرگتر نسازيم. علت در کاربرد ميکرو پهپادها است. مطالعاتي که صورت گرفته است بر اين نکته تاکيد دارد که بايد با روش‌هايي جان افراد و تيپ‌هاي رزمي را از خطرات محيطي غير منتظره دور نگاه داشت. برخلاف ماهواره‌ها و هواپيما‌هاي بزرگ و سريع که در شناسايي به کار مي‌روند، ميکرو پهپادها قابليت شناسايي براي افراد به طور انفرادي و آگاهي از خطرات پيراموني، انتقال اطلاعات و موقعيت‌ها را بر حسب نيــاز فراهم مي‌کنند. ميکرو پهپادها همچنين مي‌توانند براي رديابي، هدف‌گيري، ارتباطات و در نهايت به عنوان اسلحه نيز به کار روند.
مسائل تکنولوژيکي ميکرو پهپادهاي موجود
استفاده از ميکرو پهپادها با مسائل تکنولوژيکي زير مواجه است:
مونتاژ کردن در فضاي کم
به علت کوچک بودن اين وسيله جهت کاربرد‌هاي مطروحه؛ لازم است که وسايل در مقياس کوچکي ساخته شوند که کار ساخت در اندازه کوچک و در کنار هم قرار دادن آنها ما را با مشکل انباشتگي (Stuffing) روبه‌رو مي‌کند.
بسياري از قطعات الکترونيکي بهتر است بر اساس تکنولوژيMEMS ساخته شوند. در شکل 9 يک ساختار پيشنهاد شده است.
شکل 9:طرح قسمت‌هاي مختلف ميکرو پهپاد
پايداري پرواز
اين وسيله به علت سبکي به سادگي در معرض ناپايداري قرار مي‌گيرد. در بعضي شرايط و با توجه به طراحي انعطاف‌پذير بال‌ها براي مانور‌هاي مختلف، ممکن است با مسائل آيروديناميک مواجه شويم. همچنين در بعضي شرايط براي از دست ندادن پايداري، سيستم کنترلي بايد به طور خودکار براي هدايت تصميم‌سازي کند و در اين شرايط حدود عدد رينولدز بسيار مهم مي‌گردد.
منبع انرژي
واضح است که اين وسيله به منبع انرژي با چگالي انرژي در واحد حجم بالا نياز دارد تا بتواند ماموريت‌هاي خود را انجام دهد. همچنين افزايش استفاده از پرنده هاي بدون سرنشين در ماموريت هاي مختلف اعم از نظامي و غير نظامي طي سالهاي جاري موجب شده است تا مهندسان رشته هاي مختلف هر چه بيشتر بر روي بهينه سازي عملکرد اين پرنده ها تلاش کنند. يک مقوله محدود کننده اين نوع پرنده ها مصرف توان بالا در مقابل ظرفيت محدود انرژي شان بدليل محدوديت در وزن، مي باشد. به همين دليل مداومت پروازي اين پرنده ها به ندرت از 30 دقيقه عدول مي کند. يک روش پرکاربرد براي افزايش مداومت پروازي استفاده از انرژي خورشيدي است. سلول هاي خورشيدي به عنوان يک منبع انرژي نامحدود براي موتور و ديگر سيستم هاي الکتريکي مي تواند مورد استفاده قرار گيرد. با استفاده از يک مدار الکترونيکي مي توان توان لازمه براي موتور و ساير وسايل الکترونيکي را از طريق سلول هاي خورشيدي تامين کرده و همين طور باتري را نيز شارژ نمود. از باتري به عنوان پشتيبان در زماني که سلول هاي خورشيدي توان لازمه را توليد نمي کند (در پرواز زير ابر يا تاريکي)، استفاده مي شود. . سلول هاي خورشيدي، انرژي خورشيد را به انرژي الکتريکي و سپس با استفاده از موتور الکتريکي به انرژي جنبشي تبديل مي کنند.
شکل 10:نمايي از نحوه انتقال توان از سلول خورشيدي به موتور
دستيابي به وسايل پرنده خورشيدي با توانايي پرواز مداوم در سالهاي گذشته يک رويا بود. زيرا از مشکلات موجود در استفاده از سلول هاي خورشيدي عدم انعطاف پذيري مناسب ، آسيب پذيري ، افزايش زياد در وزن پرنده و از همه مهمتر بازده پايين اين سلول ها بود. مناسبترين قسمت براي قرار دادن سلول هاي خورشيدي اول بال سپس دم مي باشد، به همين دليل بايد سلول هاي خورشيدي قابليت انعطاف پذيري مناسبي داشته باشند تا موجب تغيير در خصوصيات آيرديناميکي آنها به ويژه در پرنده هاي کوچک نشوند. ولي امروزه اين امر با پيشرفتهاي اخير و با ظهور سلول هاي خورشيدي انعطاف پذير ، نازک و با بازده بيشتر(شکل 11) و همچنين باطري هاي با چگالي انرژي بيشتر و کوچکتر براي ذخيره انرژي در تاريکي و سبکتر شدن سنسورها و پروسسورها به واقعيت پيوسته است.
شکل 11: سلول هاي خورشيدي انعطاف پذير
سيستم هدايت
يکي ديگر از مهمترين پارامتر‌هاي طراحي اين وسيله، سيستم هدايت آن است. ممکن است GPS يک سيستم ايده آل باشد، اما اين وسايل سنگين و با توان بالا کار مي‌کنند لذا براي اين امر مناسب نيستند. به هر حال يک ميکرو پهپاد به ژيروسکوب‌ها و شتابسنج‌هاي کوچک نياز دارد.
ارتباط امن با کاربر
موفقيت يک ميکرو پهپاد تا حد زيادي به ارتباط موفق با کاربر ، با حاشيه امنيت بالا، مربوط است. اولين مشکل در ارتباط، به اندازه کوچکميکرو پهپاد بر مي‌گردد. ثانيا به علت در دسترس نبودن انرژي کافي امکان پشتيباني کردن عرض باند بالا در انتقال اطلاعات تصويري، مقدور نمي‌باشد.
کاربرد‌ها
ميکرو پهپادهاي اوليه تنها براي شناسايي به کار مي‌رفتند که در خدمت يک گروه از سربازان مثلا فرماندهي يک تيپ يا گردان بود؛ اما اکنون طرح‌ها برگونه اي است که اين وسيله براي هر سرباز ساخته شود و در اختيارش باشد. لذا بايد داراي وزن کم، به راحتي قابل حمل، داراي قابليت بسته‌بندي شدن و همچنين داراي قابليت سازگاري يافتن با ماموريت‌هاي مختلف در جنگ، عملياتهاي پليسي و امداد و نجات را داشته باشد.
شناسايي ، ديدباني و کنترل جاده ها و مرزها
در کتب دانشگاهي علوم دفاعي، "over the hill" يک تاکتيک شناخته شده و کلاسيک دفاعي است که در شکل 6 نمايش داده شده است:
شکل 6:تاکيک تسلط در ارتفاع
اين تاکتيک پيشنهاد مي‌دهد که عمليات شناسايي ميکرو پهپادها بايد تا شعاع 10 کيلومتر را شامل شود و پرواز بيش از يک ساعت به طول انجامد. سرعت 10 تا 20 متر بر ثانيه (22 تا 45 مايل در ساعت) قابل دسترس باشد و قابليت تصويربرداري بلادرنگ در روز و شب را داشته باشد.
براي عمليات شناسايي دوربـين‌هاي مناسبي توسـط ميکرو پهپاد حمل مي‌شود؛ فيلم‌برداري و عکس‌برداري توسط دوربين‌ها انجام مي‌شود؛ آنگاه فرستنده‌اي که روي ميکرو پهپاد تعبيه شده است عکس‌ها و اطلاعات را به صورت همزمان به مرکز مخابره مي‌کند.
البته ممکن است که در بعضي از کاربرد‌ها مثل عملياتهاي تجسس نياز به حمل بار‌هاي کمتري باشد که در اين صورت ميکرو پهپادها در يک مکان بلند و مناسب مستقر مي‌شوند و به عنوان يک حسگر خودکار و ثابت عمل مي‌کنند که مي‌توانند کار‌هاي مختلفي از عکس‌برداري گرفته تا لرزه‌نگاري را انجام دهند.
ميکرو پهپادها، بايد اين قابليت را داشته باشند که به راحتي توسط نيروي زميني به کار گرفته شوند و پايگاه زميني قابليت ارتباط با آن را در مسافت‌هاي دور، توسط آنتن‌هاي سمتي داشته باشد.
ميکرو پهپادها، همچنين کاربرد‌هايي در تحقيقات از جمله در عملياتهاي شناسايي هوشمند مي‌توانند داشته باشند که تحقيقات آن هم اکنون در کنسرسيومي از دانشگاه‌هاي آمريکا تحت رهبري دانشگاه برکلي (تحت عنوان OCP و شبکه هوشمند سنسورها در مبحث actor-oriented design) در حال انجام است.
عملياتهاي شهري (کنترل ترافيک شهري و جاده اي)
مهمتر از همه ميکرو پهپادها قابليت ماموريت در ساختمآنها و محيط‌هاي شهري را فراهم مي‌آورند که آنها را منحصربه‌فرد مي‌کند. ميکرو پهپادها به دليل کوچک بودن قابليت انجام ماموريت‌هايي را دارند که هيچ کدام از وسايل و تجهيزات موجود قابليت انجام آن را ندارند.
در عمليات شهري، ميکرو پهپادها، در گروه‌هاي کوچک وارد عمل مي‌شوند و قادر به انجام عمليات ديدباني شناسايي و تجسس و تعقيب در سطح شهر و انجام عمليات رله راديويي هستند (شکل 7). آنها همچنين قادر به مشاهده از پنجره‌ها هستند و به عنوان حسگر در سطح‌هاي عمودي و مرتفع نيز به کار مي‌روند.
شکل 7:عمليات شهري
ماموريت آنها در داخل ساختمآنها نيز بسيار حائز اهميت و مورد درخواست نيرو‌هاي انتظامي‌امنيتي است.
جمع‌آوري سيگنال‌ها (تجسس)
جمع‌آوري و تفسير سيگنال‌هاي الکتريکي، از جنبه‌هاي مهمي در عملياتهاي مدرن نظامي مي‌باشند. منابع و ذخاير مهم و اساسي مانند تکنولوژي قطعات ظريف و بسيار توانا، در اين زمينه در حال گسترش مي‌باشند. حال اين سؤال منطقي است که بپرسيم که آيا ميکرو پهپادها هم در اين زمينه نقشي ايفا مي‌کنند يا نه؟ البته به دلايل واضح و منطقي، کار‌هايي که در اين زمينه انجام شده است به صورت محرمانه مي‌باشد و خارج از موضوع اين گزارش مي‌باشد.
هدف ما اين است که به جاي طراحي يک حل براي يک مسأله خاص،يک بحث کلي راجع به کاربرد ميکرو پهپادها داشته باشيم؛ که اين بحث را با توضيح دادن در مورد جمع‌آوري سيگنال‌ها، توسط تلفن‌هاي سلولي (موبايل) شروع مي‌کنيم. احتمالا ً راحت‌ترين راه براي نفوذ به شبکه سيگنال‌هاي تلفن همراه استفاده از خود تلفن همراه است. تلفن همراه يک گيرنده، فرستنده و يک اسکنر مي‌باشد. يک موبايل با يک شماره سريال الکترونيکي (ESN) و يک شماره شناسايي موبايل (MIN) شناخته مي‌شود. براي استفاده از يک موبايل اين دو عدد ESN و MIN بايد بين تلفن و برج مخابراتي رد و بدل شوند. اگر اطلاعاتي که رد و بدل مي‌شوند به صورت کد و رمز در نيامده باشند- که معمولا ً اين گونه است- به دست آوردن ESN و MIN کار آساني است. در اين صورت با دانستن اين دو عدد، موبايل جمع‌کننده اطلاعات مي‌تواند گفت‌وگو‌هاي مربوط به آن تلفن را ضبط و گزارش کند. در صورتي که اطلاعات به صورت رمز در آمده باشند و الگوريتم رمزگشا هم به دست آمده باشد، همين کار‌ها را مي‌توان تکرار کرد. اگر امکان هيچ کدام از اين کار‌ها نباشد؛ مي‌توان همه سيگنال‌هاي موجود در هوا در يک منطقه را جمع‌آوري کرد و سپس همه آنها را براي پردازش به مرکز مربوطه فرستاد. براي ضبط اين مکالمات هم مشکلي نداريم زيرا امروزه فلش کارت‌هايي وجود دارند که مي‌توانند تا هشت ساعت از اين نوع مکالمات را ذخيره کنند.
از آنجايي که اين نوع موبايل‌ها، بدون باتري و بدنه در حدود 15 تا 20 گرم بيشتر وزن ندارند مي‌توان يک موبايل برنامه‌ريزي شده و اصلاح شده را بر روي ميکرو پهپاد مستقر کرد و بر فراز منطقه دلخواه به پرواز در آورد. اگر که ميکرو پهپاد در ارتفاع 1000 پايي پرواز کند، اين دستگاه 1500 مايل مربع را پوشش مي‌دهد. و اگر در ارتفاع 20000 پايي پرواز کند مي‌تواند 30000 مايل مربع را پوشش دهد. البته هر چقدر که ارتفاع زياد شود مزيت‌هايي دارد ولي به هر حال بايد از قدرت پردازش بالاتري نيز برخوردار باشيم.
هدف‌گيري
براي پيدا کردن موقعيت هدف، براي پرتاب موشک‌ها و ...، ميکرو پهپاد مي‌تواند با ارسال تصاوير موقعيت را مخابره کند و يا با قرار گرفتن بر روي هدف و ارسال موج‌هايي موقعيت هدف را به صورت دقيق مشخص نمايد.
مراقبت‌هاي زيستي- شيميايي
امروزه يکي از موضوعات قابل بررسي، کنترل و نظارت بر عوامل گسترش مواد شيميايي و زيستي است. در اين عرصه نيز ميکرو پهپادها ايفاي نقش مي‌کنند.
آشکارساز‌هاي مواد شيميايي که کوچک و از نظر تجاري موجود هستند، امروزه در اين موضوع در حال خدمات‌دهي هستند. بعضي از اين آشکارساز‌ها ممکن است که با ميکرو پهپادها سازگار باشند. براي مثال «Micro Sensor Systems»، آشکارساز کوچک HAZMATCAD را توليد کرده است که مواد شيميايي جنگي را يافته و آنها را طبقه‌بندي مي‌کند. اين آشکارساز از سنسور موج صوتي سطحي و سلول‌هاي الکتروشيميايي استفاده مي‌کند؛ و همچنين از روش‌هاي پردازش سيگنال، براي از کار انداختن آژير خطر‌ها بهره مي‌برد. اين سنسور قابليت يافتن گاز‌هاي عصبي و تاول‌زا از قبيل VX, GA, GD, GF, HD, HN3؛ عوامل بيماري‌زاي خوني مانند سيانيد هيدروژن و کلرايد سيانوژن ؛ و قابليت آشکارسازي مواد خفه‌کننده را دارند. اين سنسورها بر روي ميکرو پهپادها تعبيه مي‌شوند و مأموريت آنها اين است که مواد شيميايي مذکور را- که ممکن است به دليل فعاليت‌هاي دشمن براي توليد سلاح‌هاي شيميايي ايجاد شده باشند- يافته، شناسايي و رديابي کند.
ايجاد اختلالات راداري و مخابراتي از نزديک (اتصال به فرستنده)
بدين صورت که دستگاه‌هايي که اختلالات راداري ايجاد مي‌کنند؛ توسط ميکرو پهپادها، بدون اين که توسط رادار‌ها شناسايي شوند، به رادار‌ها متصل مي‌شوند و با توليد نويز ادامه کار دستگاه‌ها را مختل مي‌نمايند.
عملياتهاي تخريبي
ميکرو پهپادها مي‌توانند با منتقل کردن بمب‌هايي که به صورت ساعتي عمل مي‌کنند و يا بمب‌هايي که توسط فرماندهي کنترل مي‌شوند، به محل‌هاي مورد نظر، و سپس دور شدن به مقدار کافي از آن محل‌ها، عملياتهاي تخريبي را انجام دهند.
راهيابي
قابليت آنها در راهيابي در راهرو‌هاي پيچيده، جلوگيري از برخورد کردن به موانع و عمليات رله اطلاعاتي از ديگر کاربرد‌هاي ميکرو پهپادها است.
هواشناسي
حس کردن علائم زيست محيطي که در شکل زير توضيح داده شده است نيز از کاربرد‌هاي ميکرو پهپاد است. با سنسور‌هاي که در حال حرکت مي‌توانند عمل کنند و کنترل پسخوردي پرواز، ميکرو پهپادها قادرند که اندازه و شکل ابر‌هاي خطرناک را به صورت نقشه تهيه کنند و به طور بلادرنگ، موقعيت آن را دنبال و گزارش نمايند(شکل 8)).
شکل 8:استفاده از ميکرو هواپيما‌ها در آتش‌نشاني
ميکرو پهپادها کاربرد‌هايي نيز در عملياتهاي جستجو و نجات دارند. براي مثال اين وسيله مي‌تواند در صندلي پرتاب خلبان هواپيماي جنگنده تعبيه شود در اين صورت وقتي که خلبان مجبور به Punch out مي‌شود؛ ميکرو پهپاد نيز همراه با آن ر‌ها مي‌شود. بنابراين مي‌تواند به خلبان فرود آمده، اطلاعاتي در مورد منطقه بدهد و همچنين به نيرو‌هاي نجات براي نجات خلبان علامت دهد.
از ديگر مواردي که از ميکرو پهپادها استفاده مي‌شود، مي‌توان به موارد زير اشاره کرد :
عمليات تخريبي کوچک ولي دقيق (بدون انجام عمليات انتحاري) به صورت قرار گرفتن بر تجهيزات دشمن و انهدام آنها از قبيل وسايل مخابراتي، رادار و حتي سيستم‌هاي ناوبري تانک‌ها و نفربر‌ها.
پرواز انبوه: براي ايجاد اختلالات راداري
حفظ جان سربازان و عدم نياز به عمليات انتحاري
دسترسي به مکان و اهداف غير قابل دسترسي
هرچند که کاربرد‌هاي اوليه ممکن است بزرگ و دور از دسترس به نظر آيند، اما کاربرد‌هاي آخر محتمل‌تر و زمينه را براي سرمايه‌گذاري بازتر مي‌نمايند. از کاربرد‌هاي تجاري اين وسيله مي‌توان به موارد زير اشاره کرد:
- نظارت بر ترافيک
- مراقبت مرزي
- عمليات امداد و آتش نشاني
- جنگلباني
- بررسي محيط حيوانات وحشي
- بازرسي خطوط انتقال نيرو
- عکس‌برداري هوايي از زمين‌ها و املاک
