Разведка на льду
Дирекция Севморпути развивает беспилотные технологии для оценки ледовой обстановки
Дирекция Севморпути ведет проект по созданию беспилотников для мониторинга ледовой обстановки. Это часть единой информационной экосистемы, нацеленной на упрощение и ускорение плавания по Севморпути. Пилотный образец уже прошел два этапа испытаний, финальные запланированы на ноябрь 2023 года.
В контексте информационной системы
Единая информационная экосистема будет состоять из четырех компонентов: спутниковой группировки, бортовых комплексов, дронов и единой платформы цифровых сервисов (ЕПЦС) и банка данных, где будет аккумулироваться вся информация.
Первая очередь ЕПЦС будет сдана в эксплуатацию в начале 2024 года, вторая будет готова до конца 2024 года и сдана в эксплуатацию в сентябре 2025 года.
За спутники отвечает «Роскосмос». В мае на орбиту вышел спутник «Кондор-ФКА», в июне — «Метеор-М». Оба оснащены радиолокационным оборудованием, позволяющим вести всепогодное наблюдение за ледовым покровом. Всего в 2023 году «Роскосмос» планирует запустить девять спутников. Пока спутниковые данные слишком «пунктирные» — большие временные паузы не позволяют получить полные данные о ледовой обстановке на пути следования ледоколов по СМП.
Бортовые комплексы прошли испытания на ледоколе «Урал» зимой этого года. Главный компонент установки — лидар, это сканирующий пространство лазер. Комплекс измеряет сплоченность льда, торосистость, толщину льда, ширину судоходного канала и скорость схождения его кромок. По данным на конец сентября, Дирекция Севморпути готовит техническое задание на закупку серии из пяти бортовых комплексов.
Комплекс дает информацию о положении дел в месте прохождения ледокола, но не о том, что ждет впереди на расстоянии нескольких сотен километров. Именно эти данные будут собирать дроны. Их задача — удаляться от точки старта (ледокола) на расстояние до 200 км, подниматься на высоту до 2 км и передавать радиолокационные изображения на станцию управления, где с помощью специального алгоритма данные обрабатываются и переводятся в удобный для понимания вид.
На российском рынке дронов с такими параметрами не было: модели, которые пробовали нефтегазовые компании, не выдерживали арктических условий и разбивались. Однако арктические беспилотники последние несколько лет разрабатывал Московский физико-технический институт. В частности, на выставке «Армия-2021» МФТИ показал свой тестовый аппарат. К разработчикам из вуза и обратилась Дирекция Севморпути с предложением создать комплекс для оперативной ледовой разведки.
Особенности дрона
МФТИ взял за основу беспилотник технологического партнера и глубоко его переработал. В частности, заменил детали фюзеляжа, силовую установку, топливную систему и систему управления. Аппарат совмещает в своей конструкции признаки самолета и квадрокоптера. От первого ему достались крылья и хвостовое оперение с устройствами управления. От второго — четыре винта в горизонтальной плоскости для вертикального подъема и спуска. Масса конвертоплана с оборудованием — около 60 кг, размах крыльев — 4 м. В сложенном виде он помещается в ящик размером с письменный стол. Работает конвертоплан на обычном бензине, бак рассчитан на четыре-пять часов полета. Винты взлета и посадки работают на аккумуляторах. Дрон выдерживает скорость ветра при взлете и посадке в 20 м/с, низкую температуру и осадки. Главная опасность для него, как и для других летательных аппаратов, — обледенение.
На дроне установлен радиолокатор с синтезированной апертурой. Синтезированная апертура — это метод получения высокодетальных радиолокационных изображений при помощи виртуальной антенны, создаваемой во время полета беспилотника и использующей сложные математические алгоритмы обработки данных. Радиолокатор захватывает полосу шириной 10 км. С учетом обратного пути оператор получает изображение шириной 20 км.
Принцип действия дрона такой: раз в несколько секунд он передает на станцию управления радиолокационные изображения. Станция — это два компьютера: за одним сидит пилот, за другим — оператор, принимающий изображение. Затем обработанные данные передаются на сервер геоинформационной системы, где распознается тип и характеристики льда и составляется прогноз. Формируются ледовые карты, капитану судна предлагается оптимальный маршрут.
Испытательные старты
Система прошла уже два этапа испытаний. Первые прошли на Рыбинском водохранилище в феврале этого года. Водохранилище выбрали потому, что оно большое, на нем сильные ветра, а в феврале поверхность покрыта снегом и льдом. Не Арктика, конечно, но первое приближение к ней. Кроме того, на водохранилище есть острова с деревьями, по четкости изображений которых оценивали качество передачи и обработки данных.
Аппарат поднялся при ветре 12 м/с на 1 км, пролетел 70 км и приземлился в заданной точке. Тем самым испытания подтвердили, что дрон рабочий и даже на большом расстоянии хорошо управляется, данные передаются на станцию управления.
После первых испытаний конструкцию улучшили. Аккумуляторы для взлета и посадки поместили в контейнер с подогревом. На двигатель установили обтекатель со шторками и регулятором температуры. Если снаружи будет холодно, шторки закроются, при теплой погоде или если двигатель понадобится охладить, они откроются. Кроме того, перед испытаниями на ледоколе отключили магнитный компас — из-за особенностей магнитного поля планеты в высоких широтах и в условиях работы на большом железном объекте он не работает корректно.
Второй этап испытаний прошел в конце июня на ледоколе «Таймыр». Сначала планировали проверить беспилотник с берега Обской губы. Но, когда подошло время, оказалось, что вылеты с берега затруднены, поэтому решили испытывать сразу на ледоколе.
Одной из задач было проверить, как будет вести себя беспилотник на огромном металлическом объекте, у которого есть собственное электромагнитное поле и много аппаратуры. Переотражение радиоволн и навигационных сигналов, каналы связи и электромагнитный шум могли помешать работе дрона. Плюс арктические холод и ветер и сложности космической навигации — связь со спутниками в этих широтах неустойчивая.
Пока ждали, когда «Таймыр» проведет два каравана и в его рабочем графике появится окно для проведения испытания, специалисты МФТИ собирали беспилотник и оборудование, которое он должен нести, и много раз все проверяли. Наконец, спустя два дня, «Таймыр» встал в дрейф во льдах южнее Сабетты. Сначала дрон выполнил тестовый полет вокруг ледокола налегке. Так проверили, что он может летать. Затем на дроне закрепили видеокамеру и локатор бортового обзора и отправили в маршрут на 100 км. Летел он не вперед (задачи проверить дальность полета не было), а по квадрату. Так проверили его способность работать в реальных арктических условиях (хотя в тот день испытателям с погодой повезло: +2 °С и без осадков). Аппарат передал изображение с геопривязкой и с видеокамеры, и с радиолокатора и приземлился на вертолетную площадку «Таймыра». Оба полета заняли около двух часов.
Разработчики гордятся тем, что смогли создать рабочий беспилотный комплекс, пригодный для ледовой разведки в Арктике. «Не хвалясь, мы первые в мире за семидесятыми широтами в Арктике с борта атомного ледокола эту машину подняли и, что еще важнее, посадили обратно на ледокол. И подтвердили, что в далекой Арктике летать действительно можно. Машина ловила до 15 спутников связи, вела себя достаточно устойчиво», — рассказал об итогах испытаний заместитель директора Дирекции Севморпути Максим Кулинко, курирующий проект.
Взгляд вперед
Следующая задача, которую ставят перед собой разработчики, — создать систему автоматической посадки дрона. Как пояснил заместитель исполнительного директора НТЦ мониторинга окружающей среды и экологии МФТИ Дмитрий Обухов, машина должна в автоматическом режиме взлетать с вертолетной площадки, лететь по определенному капитаном маршруту и передавать изображения, а затем самостоятельно возвращаться и приземляться. Заботой оператора будет только сложить ее и убрать в гараж. «Автоматика надежнее отрегулирует работу аппарата, на который действуют ветер, качка и другие факторы. Человеческий фактор лучше исключить. Впрочем, если возникнет какая-то нештатная ситуация, оператор сможет перехватить управление», — комментирует Дмитрий Обухов. Управление беспилотником в итоге должно стать настолько простым, чтобы с ним после обучения справлялся один из сотрудников атомного ледокола.
В ноябре пройдут финальные испытания системы. Затем — серийный заказ, прохождение сертификации или оценки соответствия (в отличие от сертификации, в ее рамках рассматривается не тип, а конкретное устройство).
После начала регулярного использования проблемой может стать несвоевременное согласование полетного задания. «Наша задача — чтобы практически мгновенно было дано разрешение на взлет с судна в определенном районе. На сегодняшний день надо подавать информацию за три-пять дней с достаточно непонятным результатом», — заявил, выступая на ВЭФ, Максим Кулинко и предложил сделать Севморпуть пилотной территорией, где можно было бы отработать ускоренный механизм выдачи разрешений на вылет.
