Дроны, или беспилотные летательные аппараты (БПЛА) сейчас используются в самых разных сферах жизни людей, от военных операций до съёмки дней рождения с воздуха. Ещё в 2016 году в США число лицензий, выданных на управление дронами, превысило число лицензий пилотов «обычного» авиатранспорта, а в 2020 году Федеральное управление гражданской авиации (FAA) сообщило, что общее количество коммерческих и потребительских дронов в стране достигло 1,7 млн единиц.

Так почему же дроны ещё не стали нормой жизни для бизнеса и обычных пользователей? Обсудим основные проблемы и технологические ограничения современных БПЛА, но сперва поговорим о том, для чего они в принципе нужны.

Птицы одного полёта

Скажем сразу, что в этой статье мы не планируем подробно останавливаться на военных и боевых БПЛА — по своей конструкции эти летательные аппараты намного ближе к классическим самолётам (или крылатым ракетам), поэтому список сильных и слабых сторон для них будет сильно отличаться от аналогичных параметров у коммерческих дронов, доступных для пользователей или бизнеса.

Итак, что же такое дрон? Само название происходит от английского drone, что можно перевести и как «трутень», и как «гул» или «жужжание». Термин отлично подходит для классических дронов-коптеров, но впервые был применён к беспилотным самолётам-мишеням ещё в 30-х годах прошлого века. В зависимости от сферы применения, конструкция дрона может различаться, но общими знаменателями остаются наличие пропеллеров, которые необходимы для полёта и маневрирования в воздухе (в зависимости от их количества устройство может также называться моно- би- три- квадро- и т. д. коптером) и система связи, позволяющая управлять устройством дистанционно.

Армейский беспилотник CH-4. Источник: Zerbout / Wikimedia Commons

Подробный разбор всех возможных способов использования дронов — дело неблагодарное просто потому, что человеческая фантазия продолжает придумывать их практически постоянно. К примеру, ещё в 2018 году на открытии Олимпийских игр в Южной Корее Intel продемонстрировала грандиозное световое шоу (точнее, его запись) с синхронным полётом более тысячи дронов, которое попало в Книгу рекордов Гиннесса. В целом же сферы применения БПЛА можно разделить на несколько крупных групп:

• Дела войны: дроны не просто активно используются в военных целях, они фактически были разработаны именно как альтернатива летательным аппаратам с пилотами, например, для удалённой бомбардировки наземных целей. В современных условиях активно применяются дроны-камикадзе, которые мало чем отличаются по своему принципу действия от крылатых ракет, дроны-разведчики и наводчики для сбора сведений и корректировки огня ракетных войск, а также дроны связи. Эффективность БПЛА как была в очередной раз доказана во время недавнего конфликта в Нагорном Карабахе.
• Логистика и транспорт: в эту группу входят, в основном, проекты различных компаний по доставке грузов на малые расстояния (так называемая доставка «последней мили»), например, программа Amazon Prime Air предусматривает доставку малогабаритных посылок получателям в течение 30 минут с момента заказа. Большая их часть в данный момент находится на стадии разработки из-за серьёзных законодательных и технических ограничений. Также сюда можно отнести применение дронов в качестве беспилотных такси в городах. Подобный проект уже несколько лет рассматривается властями города Дубай в качестве альтернативы наземному транспорту и вертолётам.
• Потребительские дроны — самая, пожалуй, широкая группа, в неё входит огромное количество устройств, от совсем дешёвых и миниатюрных до аппаратов стоимостью в несколько тысяч долларов. Используются эти БПЛА в первую очередь в рекреационных целях: с их помощью ведётся фото- и видеосъёмка, включая оригинальные селфи, устраиваются спортивные соревнования и бьются рекорды скорости.
• Сельское хозяйство и промышленность — учитывая высокую маневренность дронов и возможность установки на них дополнительного оборудования, эти устройства всё чаще начинают использоваться для решения сельскохозяйственных задач, например, для оценки качества посевов или опрыскивания полей, создания трёхмерных карт местности и ведения аэрофотосъёмки. Также дроны могут применяться для проведения осмотров крупных промышленных объектов.

К примеру, Toshiba разработала систему с использованием дронов, которая способна оценивать состояние промышленных структур, снимая их на встроенную камеру БПЛА. В системе применяется технология проведения измерений при помощи 3D лазера наземного базирования, которая позволяет разработать оптимизированный маршрут для дрона, охватывающий все ключевые точки объекта, БПЛА с камерой, а также технологии распознавания изображения, необходимые для оценки состояния конструкций (например, мест образования ржавчины) на объекте.

Периодические облёты объекта дронами помогают отслеживать динамику его состояния и своевременно выявлять проблемные детали конструкции, которые требуют ремонта или замены. При этом система избавляет технический персонал от необходимости лично проводить такие проверки, подвергая себя риску. Использовать систему предполагается на крупных объектах, которые могут представлять опасность в случае аварий, например, на нефтеперерабатывающих заводах или электростанциях. (*Данный проект прекращён в 2019 году.)

Построение трёхмерной карты и маршрута для дрона, фото: Toshiba

• Правоохранительные органы — это сравнительно новые пользователи дронов, но они входят во вкус, ведь полицейские дроны могут применяться, помимо прочего, для поиска пропавших людей в местности со сложным рельефом, анализа мест преступления, наблюдения за преступниками во время захвата заложников и большими группами людей в публичных местах.

На честном слове и… — основные проблемы современных дронов и как их решить

Перспективы использования дронов можно смело назвать колоссальными, но мы не видим пролетающие в небе эскадрильи БПЛА каждый день. Почему? По целому ряду причин, только часть из которых может быть устранена в ближайшее время. Условно эти причины можно разделить на несколько основных групп:

• Законодательство и контроль. В большинстве стран до сих пор не введены законодательные нормы, которые позволили бы владельцам дронов без особых проблем запускать их устройства в любом удобном месте, не опасаясь штрафов и судебного преследования. Связано это в первую очередь с тем, что реальных систем контроля за перемещением дронов существует крайне мало, а добраться БПЛА может практически куда угодно. Дроны могут, например, парализовать работу целого аэропорта, как произошло в 2018 году в лондонском Гатвике, когда неизвестные в течение двух суток выводили на взлётно-посадочные полосы группу БПЛА, не давая самолётам приземляться или взлетать. Интересно, что местные власти не смогли разобраться с проблемой существующими на тот момент методами, так как дроны использовали нестандартные частоты и просто заглушить сигнал от оператора или сбить их не удавалось.

Чтобы избежать подобных ситуаций, во многих странах введена жёсткая процедура регулирования и регистрации БПЛА, что с одной стороны позволяет выявить нарушения закона, а с другой сильно тормозит развитие коммерческих дронов. Например, заявленная в 2016 году и уже описанная выше служба Amazon Prime Air до сих пор не введена в эксплуатацию из-за ограничений Федерального управления гражданской авиации. Более того, компании даже испытания своих дронов пришлось изначально проводить в более лояльных в этих вопросах Канаде и в Великобритании.

Решение данной проблемы — вопрос, скорее, времени, а не усилий отдельных компаний или правительств. Та же FAA постепенно ослабляет ограничения для БПЛА на территории США, а законодательства различных стран совершенствуются, чтобы пользователи и бизнес могли наслаждаться новыми технологиями (в рамках закона) без риска. Ещё один вариант, который поможет ускорить принятие более мягких законов, — это использование новых технологий, позволяющих лучше контролировать перемещение дронов и идентифицировать их для последующей «работы» с владельцами.

• Конструкция и материалы: дрон по определению не может быть бронированным и неуязвимым: такая машина будет либо совершенно неподъёмной, либо обойдётся конечному пользователю в сумму, за которую легко можно купить «обычное» пилотируемое средство. Поэтому создатели дронов постоянно балансируют между весом и прочностью, ценой и качеством. Чаще всего в конструкции коммерческих дронов используется пластик, композитные материалы на основе углепластика, алюминий и литий-ионные батареи для питания пропеллеров и внутренних систем. Здесь бы самое время вспомнить дрон «Почты России», который обошёлся бюджету в миллион рублей и разбился во время тестового полёта, и задуматься, какие материалы применялись в его конструкции.

Но если отбросить шутки, то проблемы надёжности дронов — вопрос эволюции технологий. Уже сейчас существуют дроны, которые намного лучше защищены от ударов и падений (в первую очередь от них страдают пропеллеры, которые делают из более мягких материалов, чтобы избежать травм пользователей). Также ведутся работы по замене самих двигателей и пропеллеров на более надёжные решения. Например, стартап Sentient Blue предлагает заменить их на гибрид миниатюрного турбореактивного двигателя на ископаемых видах топлива с высокой плотностью энергии и мотор-генератора, питающего большинство систем БПЛА. По данным разработчика такая система значительно повышает надёжность и одновременно позволяет резко повысить дальность автономных перелётов дронов.

• Автономность: одной из основных причин падения дронов (помимо аварий) можно назвать низкий уровень заряда батареи, который не позволяет своевременно вернуть «в гнездо» слишком далеко улетевший аппарат. Ограничения конструкции в данном случае почти те же, что и в предыдущем пункте, ведь бо́льшая ёмкость батареи почти всегда равна большему её весу. Значит, в корпус дрона поместится меньше полезных систем или конструкторам придётся увеличивать его габариты. И не факт, что такое увеличение не нивелирует все преимущества от роста ёмкости батареи. Это достаточно серьёзный ограничивающий фактор для развития дронов, потому что идей нового оборудования и сфер применения устройств традиционно больше, чем идей для новых источников питания.

Преимущества батарей SCiB для дронов, изображение: Toshiba

Как вариант многие компании предлагают отказаться от традиционных литий-ионных батарей и воспользоваться другими технологиями. Например, южнокорейская компания MetaVista в 2019 году провела испытания дрона с водородным двигателем, который смог продержаться в воздухе более 10 часов, что само по себе рекорд для отрасли.

А Toshiba в свою очередь развивает идеи батарей SCiB собственной разработки, применение которых позволит резко снизить количество отходов и влияние на экологию за счёт долгого времени службы, даёт возможность заряжать дроны намного быстрее и использовать их в условиях низких температур, которые крайне негативно влияют на ёмкость литий-ионных аккумуляторов.

• Риск взлома и человеческий фактор. Отсутствие пилота на борту дрона, несомненно, снижает риск человеческих потерь в случае аварии и позволяет сильно уменьшить габариты устройств, но такой подход создаёт целый ряд проблем, связанных с их безопасностью. В первую очередь, как и любое устройство с беспроводной связью с пользователем, их можно взломать, чтобы перехватить управление либо просто перекрыть/заглушить канал связи и поймать неуправляемый дрон механическими средствами. Также хакеры используют подмену GPS-координат, чтобы направить дрон в нужную им локацию. Более того, сам дрон может стать источником вредоносного ПО и вектором атаки на незащищённые устройства пользователей. Вторая половина проблемы с человеческим фактором — это необходимость в операторе. Несмотря на то, что современные дроны уже умеют совершать простые манёвры в воздухе без участия «пилота» и даже возвращаться на стартовую локацию в случае потери сигнала от оператора, такая автономия не гарантирует их сохранности. Например, автопилот на базе данных GPS чаще всего не учитывает особенности рельефа и просто прокладывает маршрут до стартовой точки по прямой.

Итог — столкновение с не нанесенными на внутреннюю карту деревьями или столбами и авария почти гарантированы. Более того, в некоторых странах законодательно запрещено управлять дронами, которые находятся вне прямого поля зрения оператора, что дополнительно снижает степень их автономности в полёте. Решения проблем из этой группы зависят как от конструкторов устройств, так и от пользователей. Развитие систем защиты базовых станций и дронов поможет избежать взлома, но не менее важна цифровая гигиена оператора, своевременное обновление прошивки устройств и смартфонов или планшетов, которые часто используются в качестве базовой станции и пульта управления БПЛА.

Выводы и прогнозы

Общество всегда опасалось новых идей, но назвать дроны и БПЛА в целом чем-то новым уже не получается. В конце концов, появились они значительно больше века назад. Компании по всему миру активно заинтересованы в том, чтобы дроны продолжали летать, что можно заметить и по количеству новых стартапов, и по стабильному росту спроса на дроны в потребительском и коммерческом секторах — по прогнозам аналитиков этот рынок к 2025 году увеличится более чем вдвое по сравнению с 2020 годом (с 20,8 млрд до 51,97 млрд долларов США). Соответственно, решение большинства описанных в статье проблем — это только вопрос времени и совершенствования новых технологий.