Какие беспилотные летательные аппараты нужны украинской армии, чтобы победить в современной войне? Попробуем ответить на этот вопрос на основе опыта волонтерского опыта — наше опытно-конструкторское бюро которой вот уже год разрабатывает и производит БПЛА различных классов; а мобильные добровольческие группы постоянно занимаются боевой работой в зоне АТО. Есть опыт разработки, есть опыт обучения, есть опыт эксплуатации, опыт боевого применения. Можно подвести промежуточные итоги.
С начала войны и по сегодняшний день на фронте используются легкие разведывательные БПЛА, сконструированные почти исключительно любителями, или небольшими частными компаниями – на основе любительских конструкций. Попытки переоборудовать такие аппараты в носители оружия не увенчались успехом ввиду малой грузоподъемности БПЛА, отсутствия системы целеуказания, специальных боеприпасов для беспилотников, и небезопасности кустарных боевых систем. Заниматься созданием ударных БПЛА надо серьезно, вместе с разработкой специальных малогабаритных и легких высокоточных боеприпасов.
Успех использования БПЛА зависит не только от качества самих аппаратов, но и от подготовки пилотов, используемой модели боевого применения, соблюдения условий эксплуатации, проведения регламентных работ по поддержанию ресурса, т.е. наличия сервисной поддержки и ремонтной базы; а также необходимых условий для хранения; и от мобильности экипажа БПЛА при перемещении по фронту.
Все беспилотные летательные аппараты можно разделить на два основных класса: самолеты и коптеры (многороторные вертолеты). БПЛА, построенные по самолетной схеме имеют бОльшую дальность полета, могут значительно дольше находиться в воздухе; имеют меньшую стоимость, и проще в обслуживании. Однако для управления самолетным БПЛА надо иметь специальную подготовку (если это не полностью автоматический аппарат); и для взлета и посадки — подходящую площадку. Коптер стартует и садится вертикально; пилотировать его проще. Но он имеет ограниченный радиус боевого применения — до 10 км, зависящий от времени полета, а время полета зависит от емкости батарей. В холодное время года емкость батарей уменьшается, соответственно уменьшается полетное время и дальность. Так как подъемная сила у коптера создается только за счет вращения винтов, то выход из строя одного из двигателей, регуляторов, другой электроники может иметь фатальные последствия для аппарата. Самолетные БПЛА более живучи, универсальны — в первую очередь, из-за бОльшей дальности и бОльшего времени полета. В то же время, коптеры с успехом применяются при разведке на малых дистанциях, и в спецоперациях.
Беспилотники, построенные по самолетной схеме также можно условно разделить на два основных класса: созданные по классической самолетной схеме – с традиционным крылом и хвостовым оперением; и бесхвостки, построенные по схеме «летающее крыло». В общем случае самолеты классической схемы более устойчивы в полете, а имеющие крыло большого удлинения – летают дальше и дольше. К недостаткам можно отнести большие габариты, трудность перевозки, необходимость сборки перед вылетом и разборки после полета, что потенциально снижает уровень надежности таких аппаратов, и увеличивает время развертывания/свертывания. Летающие крылья менее подвержены поломкам в результате неудачных посадок; имеют, как правило, неразборную конструкцию при размахе крыла не более 2 метров, что уменьшает время развертывания. Для посадки летающему крылу «по самолетному» требуется меньшая площадка, так как крыло заходит на посадку по более крутой глиссаде, и быстрее гасит посадочную скорость.
Время развертывания/свертывания – важнейший параметр, определяющий живучесть комплекса БПЛА. Если беспилотник имеют малую дальность и стартует с линии фронта, или используется непосредственно в боевой обстановке, то время развертывания (готовности к старту) должно составлять считанные минуты. Для разведчика средней и большой дальности, стартующего с безопасных площадок в тылу, время развертывания может быть десятки минут.
Дальность полета беспилотника, или боевой радиус – это предельное расстояние, на которое можно запускать БПЛА для выполнения боевой задачи. Аппарат должен не просто долететь до указанной отметки на карте, но и произвести разведку заданного района, или осуществить корректировку огня артиллерии, после чего благополучно вернуться на базу. Под задачей выполнения разведки мы подразумеваем картографирование или видеосъемку района площадью не менее 3 кв. км, или нахождение над объектом не менее 15 минут в случае использования БПЛА в качестве корректировщика. При этом подразумевается, что полет происходит при среднегодовой силе ветра для данного региона; и при возвращении к месту старта остаток емкости аккумуляторных батарей или жидкого топлива составляет не менее 10%. Сила ветра прямо влияет на дальность полета, особенно для легких аппаратов весом не более 10 кг с маломощной двигательной установкой. Особенно сила ветра критична для электролетов. Дальность полета легкого ближнего разведчика обычно составляет 25-35 км.
Высота полета БПЛА, точнее — диапазон рабочих высот – это минимальная и максимальная высоты полета, в пределах которых аппарат ведет разведку. Многие разработчики стремятся сделать аппарат высотным, резонно полагая, что полеты на бОльшей высоте – более безопасны. Однако на Донбассе с октября по апрель очень мало ясных дней; погода преимущественно облачная, и нижний край облачности редко превышает 300 метров. В таких погодных условиях крупный тихоходный самолет с хорошей «зумящей» оптикой оказывается непригодным, и весьма подверженным атакам с земли.
Мы считаем, что легкий фронтовой БПЛА должен обеспечивать высоту ведения разведки в пределах 200-300 метров; для дорогостоящих, более габаритных и дальних разведчиков – 300-1500 метров в зависимости от применяемой аппаратуры разведки. При этом аппараты с двигателями внутреннего сгорания применять на низких высотах неоправданно ввиду сильного уровня шума, который демаскирует БПЛА, и теплового пятна (следа), по которому может быть наведена зенитная ракета с ИК-головкой.
Полетное время беспилотника зависит от емкости батарей или запаса жидкого топлива, и от погодных условий. В сильный ветер аппарат тратит дополнительную энергию на поддержание устойчивости в полете, и на борьбу с боковым или встречным ветром, из-за чего сокращается полетная дистанция. Правильно составленный маршрут позволяет использовать беспилотники легкого класса даже в сильный ветер в качестве разведчика. Да, при этом неизбежно будет сокращаться радиус ведения разведки, но даже легкий разведчик – до 10 кг весом – должен устойчиво летать при средней силе ветра 6-10 м/с. Для корректирровщика огня полетное время является ключевым параметром – аппарат должен иметь способность длительное время находиться в зоне барражирования, что при наличии сильного ветра затруднительно. Время полета легкого ближнего разведчика с боевым радиусом 25-35 км составляет 60-90 минут.
Выбор типа двигателя для беспилотного летательного аппарата сегодня невелик: электрический или поршневый ДВС. Турбореактивные двигатели – это экзотика, ввиду высокой стоимости, и сложности исполнения самого аппарата. Наиболее распространены электролеты. Электрический двигатель – это низкий уровень шума, отсутствие теплового следа, что делает невозможным поражение аппарата с помощью носимого ПЗРК с тепловой головкой наведения, простота обслуживания, и легкость управления. У электрических БПЛА один, но серьезный недостаток – низкая удельная энергоемкость аккумуляторных батарей, что налагает ограничение на дальность полета беспилотника. Боевой радиус электролетов редко превышает 40 км. БПЛА с двигателями внутреннего сгорания летают куда дальше – до нескольких сотен километров. Однако ДВС более капризны, имеют высокий уровень шума, и выделяют тепло, что, в большинстве случаев, не позволяет использовать беспилотники с ДВС на низких высотах.
Оптика. БПЛА ведут в основном визуальную разведку в различных оптических диапазонах. Преимущественно в видимом диапазоне – для чего используются фотоаппараты и видеокамеры; а также в инфракрасном диапазоне – с помощью тепловизора или чувствительной ИК-камеры. Выбор разведоборудования (камеры) зависит от высоты полета и выполняемых БПЛА задач. Дорогие многофункциональные и многорежимные БПЛА с большой грузоподъемностью могут нести на борту полный набор камер для ведения дневной и ночной разведки. Однако массовый фронтовой беспилотный разведчик нет смысла оснащать дорогостоящим оборудованием; камера должна быть достаточно простой в эксплуатации, надежной, и обеспечивать требуемые параметры. Если аппарат не высотный, рассчитанный на работу в диапазоне высот 200-300 метров, то оптимальной – по нашему опыту – является камера типа GoPro 4, снимающая потоковое видео в режиме 4К. Этот режим обеспечивает масштабирование полученной «картинки» на 280% без потери качества. При этом камера обеспечивает с высоты 250 метров ширину полосы разведки не менее 700 метров. Для более низких высот – до 200 метров, мы используем на микрокоптерах более миниатюрные камеры с меньшим разрешением.
Для съемок с большой высоты нужны либо камеры с очень большой матрицей, либо с длиннофокусной оптикой. На высотах 300-500 метров возможно использование двух камер: широкоугольной для получения общей картины, и длиннофокусной для детального исследования района разведки. На высотах более 500 метров следует использовать только длиннофокусную оптику, однако при этом ширина захвата будет ограниченной, и есть риск недополучения развединформации в районе пролета БПЛА. На многорежимных беспилотниках, работающих на разных высотах, устанавливают камеры с изменяемым фокусным расстоянием (камеры с зумом). Камеры с большим фокусным расстоянием или камеры с зумом необходимо ставить на гиростабилизированную платформу, иначе «картинка» будет дрожать, и трудно будет сфокусировать камеру на объекте разведки. Гиростабилизированная платформа обязательна для использования на аппаратах с ДВС, независимо от фокусного расстояния и высоты полета – ввиду высокого уровня вибраций, вносимого двигателем внутреннего сгорания. На электролетах, работающих на низких высотах, гиростабилизация, как правило, не применяется.
Отдельный вопрос: делать ли картографирование местности фотоаппаратом или снимать потоковое видео? – Картографирование имеет смысл при ведении разведки с больших высот широкоугольной камерой с большой матрицей; в других случаях предпочтительно вести видеосъемку, тем более, что «продвинутые» видеопроигрыватели позволяют работать с полученным изображением покадрово.
Ночная разведка с применением тепловизора или чувствительной ИК-камеры не получила широкого распространения по трем причинам: 1. Сложность ночного пилотирования. 2. Высокой стоимости оборудования. 3. Сложности дешифрирования полученной информации, особенно в условиях высокой плотности застройки на Донбассе. В зоне конфликта имеется множество объектов, автомобилей, людей, которые при ночной съемке трудно распознать как гражданские или военные. Тепловизор имеет смысл применять на специальных разведывательных аппаратах (как правило, коптерах), при поддержке действий спецподразделений в ночное время в ограниченном районе. Например, при штурме зданий, военных баз, штабов, и т.д. Кроме того, тепловизор может применяться для выявления целей в плотной «зеленке».
Технология изготовления планера самолета. Часто при изготовлении БПЛА применяются готовые заводские корпуса («тушки») любительских аппаратов с близкими к требуемым характеристиками и подходящими размерами. Или же планер изготавливается «с нуля» — из плотного вспененного пенопласта (EPO, EPP), или из стеклоткани. Из углепластика корпуса, как правило, не делают, так как этот материал не является радиопрозрачным, и беспилотник в углепластиковом корпусе легко засечь средствами ПВО. Аппараты, построенные на основе проверенных заводских любительских моделей, имеют заведомо известные предсказуемые характеристики, в этом плюс использования готовых корпусов. Минус в том, что такие БПЛА имеют, как правило, более низкие показатели надежности, живучести, и более капризны в эксплуатации, так как не предназначены для применения в тяжелых полевых условиях.
Из пенопласта нередко изготавливают летающие крылья. Неразборное летающее крыло размахом до 1,5 метров имеет хорошие летные характеристики, достаточно прочное и ремонтопригодное. Такой вариант отлично подходит для построения беспилотников малой и средней дальности. Из стеклопластика имеет смысл конструировать корпуса многорежимных универсальных беспилотных аппаратов, с размахом крыла 2 и более метра. Стеклопластиковый корпус обеспечивает более стабильные летные характеристики; самолет в таком корпусе меньше подвержен рискам малых поломок при транспортировке и во время взлета/посадки. Однако корпус из стеклопластика имеет заведомо бОльший вес – процентов на 40-60; более трудоемкий в изготовлении, и в случае падения или грубой посадки стеклопластиковый корпус может получить повреждения, которые неустранимы в полевых условиях, в отличие от пенопластовых конструкций.
Способы старта и посадки БПЛА зависят от массы аппарата и его конструктивных особенностей. Легкие (до 5 кг) беспилотники самолетного типа обычно стартуют с руки и садятся на брюхо. Также для облегчения старта применяется резиновый леер. Старт тяжелых БПЛА осуществляется с помощью катапульты, или на колесном шасси с подходящей площадки. Посадка – на брюхо, на парашюте, или на шасси. Приземление в посадочную сеть или с помощью тормозного леера не рассматривается как сложная в реализации задача. В целом, посадка – самый ответственный участок полета самолета, и ее успех напрямую зависит, в большинстве случаев, от мастерства пилота.
Видеоканал и радиокомандная линия управления должны обеспечивать управляемый полет БПЛА на требуемую дальность. То есть, аппаратура радиокомандной линии и видеотрансляции должна иметь необходимые мощность/чувствительность; также большое значение имеет качество изготовления антенн на требуемый диапазон. В идеале аппаратура радиосвязи должны быть защищенной, шифрованной, однако это требование практически никогда не соблюдается на уровне любительских устройств. Многие самодельные управляемые аппараты в ходе полета транслируют по видеоканалу не только «картинку», которую наблюдает оператор, но и так называемую OSD-информацию о координатах беспилотника в пространстве, расстоянии до него, скорости и высоте полета. Понятно, что такая информация демаскирует аппарат в полете — дает противнику его точные координаты, и, косвенно, координаты наземной станции.
Методы управления БПЛА: 1. Полет в ручном режиме (стабилизированный автопилотом) – по приборам (телеметрия), и по видеокартинке, транслируемой с беспилотника; 2. Полет по заранее заданной программе полета – на всем маршруте; 3. Полет по программе с возможностью оперативного вмешательства с земли, с дальнейшим возвратом к программируемому полету.
Радиоэлектронное противодействие (РЭБ), и способы борьбы с ним. Средства РЭБ представляют серьезную угрозу для малых беспилотных аппаратов, которые, как правило, не имеют полноценной альтернативной инерциальной системы управления, слабо защищены в каналах управления и передачи информации, и алгоритм управления которыми недосконален. Станции радиоэлектронного противодействия работают следующим образом: антенны сканируют воздушное пространство в поисках источника радиосигнала (БПЛА); после чего производится анализ сигнала, и принимается решение о постановке помехи: 1. по видеотракту, 2. в канале радиокомандной линии управления, 3. помехи по GPS; 4. либо делается попытка перехватить управление аппаратом. Станция РЭБ почти никогда не ставит помехи постоянно в некотором секторе неба, так как в этом случае она себя демаскирует. Очевидно, что БПЛА, который летит по программе в режиме радиомолчания, и имеет слишком малую отражающую поверхность для РЛС, может быть обнаружен только визуально, поэтому практически неуязвим для РЭБ. Противодействовать помехам по видеотракту или радиоканалу в большинстве случаев невозможно, поэтому аппарат должен быть запрограммирован таким образом, чтобы при выявлении помех, отсутствии управления с земли, или попытке вмешаться в управление, он бы переходил полностью в полет по программе в режиме радиомолчания до выхода из зоны действия РЭБ. В случае постановки помех по GPS (подмена координат), аппарат должен переходить на управление по инерциальной системе управления или по магнитному компасу.