روش های طراحی کنترل کننده برای هواپیمای بدون سرنشین(UAV)

پرنده هدایت پذیر از دور(پهپاد)، یا هواپیمای بدون سرنشین نامی است که به انواع وسایل پرنده بدون سرنشین اطلاق می شود. این وسیله پرنده از نیروهای آیرودینامیکی برای پرواز در مسیر دلخواه استفاده میکند. پهپادها یا بوسیله کنترل از راه دور یا با برنامههای پیش پروازی ریخته شده از قبل یا با سامانههای خودکار دینامیک هدایت میشوند. امروزه پهپادها به طور گسترده ای در صنایع هوایی مورد توجه قرار گرفته اند. از آنجا که هزینه طراحی و ساخت این هواپیماها برای انجام یک ماموریت مشخص در مقایسه با هواپیماهای سرنشین دار بسیار کمتر است و همچنین خطرات جانی کمتری در بر دارند، گرایش های زیادی در صنایع هوایی نظامی و غیرنظامی به سمت این رده از وسایل پرنده دیده میشود. تجربه جنگ های اخیر ایالات متحده در افغانستان و عراق و استفاده گسترده نیروهای آمریکایی از هواپیماهای بدون سرنشین قابلیتهای برتر این هواپیماها را در جنگ به وضوح مشخص کرد.


فناوری طراحی و ساخت هواپیماهای بدون سرنشین تا جایی پیش رفته که امروزه صحبت از طراحی و ساخت هواپیماهای بدون سرنشین با قیمتی در حدود ۱۰۰۰ دلار میشود. حداقل مزیت دسترسی به هواپیمای بدون سرنشین ارزان قیمت با قابلیت کنترل و هدایت نسبتا دقیق، بالارفتن توان تهاجمی و دفاعی در مقابل نیروهای مهاجم از طریق انجام عملیات انتحاری بوده و به نظر می رسد یکی از استراتژی های دفاعی مناسب در مقابل نیروهای مهاجم استفاده گسترده از این وسایل پرنده است. حذف خلبان از درون هواپیما و نشاندن یک سامانه هوشمند الکترونیکی به جای آن، اگر چه کار ساده ای نیست اما مزایای قابل توجهی را برای این رده از وسایل پرنده ایجاد نموده و دست طراحان هواپیما را در ارائه طرح های نوین و متنوع بسیار باز گذاشته است. در حالی که کوچک ترین پهپادها، موسوم به حشره مکانیکی (Insect Flying)، وزنی کمتر از ۱۰ گرم دارند، پهپادهایی با وزن بیش از ۱۰ تن هم ساخته شده اند که می توانند برای مدت بیش از یک روز در آسمان پرواز نمایند.

تنوع بسیار گسترده ای در پهپادها از نظر ابعاد و اندازه، وزن، شکل ظاهری و ویژگی های عملیاتی به چشم میخورد. کوچک ترین گروه از پهپادها، گروهی موسوم به حشرات مکانیکی (Insect Flying) هستند. پرنده های این گروه، وزنی کمتر از ۴ گرم داشته و ابعادشان در حد میلی متر (و حداکثر چند سانتی متر) است. پرواز این پرنده ها مانند حشرات از طریق بال زدن مداوم با فرکانس نسبتا بالا صورت می گیرد و قادرند مانند حشرات روی سطوح مختلف بنشینند و به پرواز درآیند. انرژی مورد نیاز حشرات مکانیکی از باتری های کوچک درونی تامین می شود که معمولا انرژی مورد نیاز برای پرواز چند دقیقه ای این پرنده ها را تامین می نماید. این وسایل که مجهز به نانودوربینهای دیجیتال هستند و عمدتا برای کارهای جاسوسی در مراکز خاص به کار می روند، تصاویر و صداهای ضبط شده را به مرکز فرماندهی خود ارسال می نمایند. تاکنون مشخصات تنها چند نمونه از حشرات مکانیکی که در مراکز دانشگاهی و تحقیقاتی طراحی و ساخته شده در منابع اطلاعاتی منتشر شده و در مورد نمونه های صنعتی و عملیاتی که احتمالا مورد استفاده سازمان های جاسوسی قرار می گیرد، اطلاعات محدودتری وجود دارد.

گروهی دیگر از پهپادها موسوم به پرندههای بالزن(Ornithopter) موجوداتی شبیه به پرنده ها هستند که از طریق بال زدن با فرکانس نسبتا پایین به پرواز درمی آیند. این پرنده ها نیز مانند حشرات مکانیکی با باتری کار می کنند و قادرند از چند دقیقه تا چند ده دقیقه در آسمان پرواز کنند. وزن این پرنده ها حدود ۱۰۰ گرم بوده و می توانند محموله ای مانند یک دوربین کوچک با وزن کمتر از ۳۰ گرم را حمل کنند. البته پرنده های بالزنی که تاکنون ساخته شده، در شروع پرواز باید توسط دست انسان به طرف بالا و جلو پرتاب شوند و پس از آن با نیروی بال های خود به حرکت درمی آیند. از این رو این پرنده ها در طول ماموریت خود باید دائما پرواز کنند؛ چراکه در صورت فرود قادر به برخاست انفرادی نیستند.

سومین گروه از پهپادها از نظر وزنی گروهی موسوم به ریزپهپادها(Micro Aerial Vehicles) هستند. پرندههای این گروه وزنی در حدود چندصد گرم دارند و ابعادشان حدود ۳۰ سانتی متر تا یک متر است. در این گروه از پرنده ها عموما از موتورهای الکتریکی استفاده می شود، اما در برخی نمونه ها از موتورهای پیستونی بنزینی هم استفاده شده است. سرعت پرواز این پرنده ها حدود ۲۰ تا ۶۰ کیلومتر در ساعت است و ارتفاع پروازشان به چندصد متر می رسد. از آنجا که کنترل این پرنده ها عموما توسط خلبان صورت می گیرد، برد پرواز آنها محدود به دامنه دید خلبان و در حد چند کیلومتر است. ریزپهپادها بیشتر برای کاربردهای تفریحی به کار گرفته می شوند؛ اگرچه پتانسیل خوبی برای کاربردهایی نظیر عکسبرداری هوایی و شناسایی دارند.

در تقسیم بندی پهپادها از نظر طیف وزنی، پس از ریزپهپادها به گروهی از پرندههای بدون سرنشین میرسیم که از نظر تعداد پرجمعیت ترین و از نظر تنوع، متنوع ترین گروه پهپادهاست. وزن پهپادهای این گروه از حدود چند کیلوگرم شروع شده و تا بیش از ۱۰ تن ادامه می یابد. معمولا وقتی صحبت از پهپاد می شود، فقط همین گروه از پهپادها مورد نظر است و گروه های قبلی (حشرات مکانیکی، بالزن و ریزپهپادها) معمولا به نام های اختصاصی خودشان و جدا از این گروه شناخته می شوند. ابعاد پرنده های این گروه مانند وزن آنها بسیار متنوع است؛ به طوری که از حدود یک متر شروع شده و تا پرنده هایی با دهانه بال حدود یکصد متر ادامه می یابد! ارتفاع پروازی این پرنده ها بسته به نوع ماموریت متفاوت بوده و از حدود چندصد متر تا بیش از یکصدهزار پا (بیش از ۳۰ کیلومتر!) تغییر می کند.

با آن که اطلاعات تاریخی در این باره خیلی مدون نیست، اما به احتمال زیاد اولین ماموریتی که برای پهپادها در نظر گرفته شده، استفاده از این پرنده ها به عنوان هدف هوایی برای آموزش نیروهای پدافندی بوده است. چراکه هم اکنون در حدود نصف پهپادهای موجود در دنیا برای این منظور ساخته می شوند. در این ماموریت پهپاد باید با سرعتی در حدود سرعت هواپیماهای جنگنده(در حدود ۵ / ۰ تا ۵ / ۱ ماخ) و در ارتفاع مشابه (از چندصد متر تا حدود ۲۰ هزار پا) پرواز نماید تا بتواند حملات هوایی دشمن را برای نیروهای پدافندی شبیه سازی کند. نیروهای پدافند نیز با هدف قراردادن پهپاد آموزش های عملی برای مقابله با حملات احتمالی را می بینند. پس از ماموریت هدف، ماموریت شناسایی از طریق پرواز بر فراز مناطق مورد نظر و عکسبرداری یا فیلمبرداری هوایی یکی از مهم ترین ماموریت های پهپادهاست.

پهپادهای شناسایی در ماموریت های نظامی، کار شناسایی نیروهای دشمن و مناطق حساس را به عهده دارند. این پهپادها در ماموریت های غیرنظامی نیز برای مراقبت از جنگل ها، مراقبت از لوله های نفت، مرزبانی و گاهی برای کمک به مدیریت ترافیک در خیابان ها و جاده ها به کار گرفته می شوند. غیر از ماموریت های فوق، پهپادها برای مقاصد دیگری ازجمله جنگ الکترونیک هوایی و رله مخابراتی نیز به کار گرفته می شوند. در سال های اخیر و با پیشرفت های ایجاد شده در صنعت هوافضا، چشمان تیزبین پهپادها به دستان قوی نیز مجهز شده اند به طوری که برخی از پهپادها با حمل سلاح می توانند پس از شناسایی اهداف، بمب و موشک های خود را به سوی آنها روانه کنند.

استفاده از پرنده های بدون سرنشین برای انواع ماموریت های غیرنظامی و نظامی در مقایسه با پرنده های سرنشیندار مزایای ویژه خود را به همراه دارد. اولین مزیت استفاده از پهپاد، کاهش خطر جانی برای خلبان، خصوصا در ماموریت های نظامی است. همچنین به دلیل نبود سرنشین داخل وسیله پرنده و حذف بسیاری از سیستم های مرتبط با خلبان و همچنین ضریب ایمنی پایین تر در طراحی و ساخت، قیمت تمام شده پهپادها در مقایسه با هواپیماهای سرنشین دار با ماموریت مشابه کمتر خواهد بود.

از دیگر مزایای پهپادها می توان به قابلیت پنهانکاری بیشتر به دلیل ابعاد کوچک تر، امکان استفاده از طرح های غیرمتعارف در ظاهر به دلیل نبود سرنشین، قابلیت استفاده در شرایط دشوار و خطرناک مانند مناطق آلوده به گازهای شیمیایی خطرناک، توانایی حمل بار بیشتر به نسبت سوخت مصرفی و پوشش دادن نقاط کور ماهواره ای برای فعالیت های جاسوسی یا مخابراتی اشاره کرد. البته در کنار این مزایا، استفاده از پهپادها همراه با محدودیت های خاص خود است که ازجمله آنها می توان به اعتمادپذیری کمتر به علت عدم وجود کنترل مستقیم توسط خلبان و نیاز به تجهیزات و سیستم های پیچیده کنترلی اشاره کرد.