مقدمه ای بر هواپیما های بدون سرنشینUAV

هواپیماهای بدون سرنشین (UAV: Unmanned Air vehicle) با بیش از 200 نوع پرنده‌ی مورد استفاده در جهان، همچنان یکی از فنّـاوری‌های در حال توسعه و مورد توجه ارتش و نیز برخی شرکت‌های تجاری (نظیر شرکت‌های اکتشاف معدن) می‌باشند. این هواپیماها چالش‌های دشواری را برای مراکز آزمایش و ارزیابی (T&E: Test and Evaluation) پیش رو می‌گذارند. ارتش علاقه‌مند است تا بر روی هواپیماهای بدون سرنشین کاملاً خودکار، برای کاهش ملزومات مهارت اپراتور و افزایش قابلیت اطمینان سیستم‌های تاکتیکی متمرکز شود. در این مقاله فرض می‌شود که سطح بهینه‌ای از کنترل وسیله‌ی هوایی توسط یک "نیروی انسانی در چرخه"، در مقابل عملیات کاملاً خودکار برای هدایت مأموریت‌های ویژه وجود دارد. اگر چه ممکن است خودکار بودن سیستم مناسب باشد، امّا محدودیت‌های عملی ممکن است موجب نیازهای خاصی در سیستم شود. به دلیل این محدودیت‌های عملی، سطحی از کنترل دستی برای کنترل ارتفاع و ناوبری، به کارگیری شیوه‌های اضطراری در پرواز و حفظ

فاصله‌ی عبور و مرور (مخصوصاً در محدوده‌ی هوایی غیر نظامی) مورد نیاز می‌باشد. تمام این نیازها باید به عنوان قسمتی از مجموعه‌ی سیستم آزمایش شوند. مؤلفان این مقاله، معتقدند که مأموریت هواپیماهای بدون سرنشین و محموله باید ملزومات خودکار شدن را تعیین کنند و این موارد مستقیماً بر آزمایش و ارزیابی تأثیر خواهند گذاشت. تأکید این مقاله بر این است که رویکرد نظام‌مند به هنگام توسعه‌ی سیستم هواپیماهای بدون سرنشین و طرح‌ریزی برنامه‌ی آزمایش و ارزیابی آن، لازم است. موضوعات مورد بحث در این مقاله از تجربه‌های نویسندگان در پروژه‌ی جاریِ توسعه‌ی هواپیماهای بدون سرنشین برای شرکت‌های اکتشاف معدن استرالیا به دست آمده است.

مقدمه

هواپیمای بدون سرنشین را می‌توان به این شکل تعریف کرد: "وسیله‌ی هوایی بدون اپراتور انسانیِ مستقر در کنار صفحه‌ی کنترل هواپیما که نیروهای آیرودینامیکی را برای پرواز و رسیدن به حالت مطلوب و مسیر غیر بالستیک تحت کنترل خودکار یا از راه دور به کار می‌گیرد تا محموله‌های حساس (خطرناک) و غیر حساس را حمل کند" (لَکس و سوذِرلَند، 1996، پی.2). تا چند سال اخیر، عمده‌ی کاربرد هواپیماهای بدون سرنشین در شناسایی و مراقبت‌های نظامی بوده است. امّا اخیراً گرایش‌های جدیدی به این هواپیماها به دلیل پیشرفت‌های فنّاورانه‌ی مدرن در زمینه‌ی مواد بدنه‌ی هواپیما، سیستم‌های هدایت، پیشرانه و محموله‌های تأثیرگذاری که انتظار می‌رفت دست‌یابی به آن پیچیده‌تر باشد، به وجود آمده است.

شکل1- طبقه‌بندی هواپیماهای بدون سرنشین (مطابق لَکس و سوذِرلَند،1996)

هواپیماهای بدون سرنشین مدرن، به سمت هواپیماهایی با قابلیت بالا و کنترل پرواز کاملاً خودکار گرایش دارند (وُنگ، 1997). با بیش از 200 نوع هواپیمای بدون سرنشینی که هم‌اکنون در جهان مورد استفاده قرار می‌گیرند (ویلیامز، 2002 اِی، پی. 6)، تنوعی از کاربردها شامل موارد زیر برای این پرنده‌ها وجود دارد:

• کاربردهای نظامی:

                 شناسایی؛

                 تجسس؛

                 سامانهی مسلح شده؛

                 هدف کنترل از راه دور؛

                 فریب؛

                 مخابرات و رله‌ی ارتباطی.

• کاربردهای تجاری:

                  اکتشاف معدن؛

                 ارتباطات؛

                 مراقبتهای خطوط جریان قوی؛

                 گشتزنیهای ماهی‌گیری؛

                  نظارتهای محیطی.

• کاربردهای تحقیقاتی:

                 تحقیقات جوّی؛

                هوش مصنوعی؛

                تحقیق و توسعهی سیستمهای هوافضایی.

• حرکت به سوی خودکار شدن

اگر چه سیستم طبقهبندی قابل قبولی از هواپیماهای بدون سرنشین وجود ندارد، امّا می‌توان آنها را برحسب سیستم کنترل و قابلیت استفاده‌ی مجدد طبقه‌بندی کرد (همچنان که در شکل 1 آمده است). به طور کلّی، با به وجود آمدن پیشرفت‌های فنّـاوری، روند هواپیماهای بدون سرنشین از توسعه‌ی هواپیماهای بدون سرنشین کنترل شونده از راه دور ( RPV: Remote Piloted Vehicle) به سمت توسعهی هواپیماهای خودکار بوده است. به هر حال، برخی از مأموریتهای ویژه (نظیر اکتشاف معدن)، در کنار شرایط کنترلی خاص این هواپیماها (خصوصاً برای پرواز در مناطقی که هواپیماهای مسافری پرواز می‌کنند)، نیازهای بیشتری را برای توسعه‌ی هواپیماهای کنترل از دور ایجاد کرده است.

مأموریت‌های ویژه

هواپیماهای بدون سرنشین، به طور متداول، برای مأموریت‌هایی ویژه طراحی و توسعه یافته‌اند. به منظور تعادل مشخصات پرنده با تجهیزات محموله، برایند سیستم‌های پرنده برای مأموریتهای خاص میباشد و سازگاری آنها برای انواعِ دیگرِ مأموریت، اگر غیر ممکن نباشد، مشکل است.

نمونه: اکتشاف معدن

کاربرد هواپیماهای بدون سرنشین در فعّالیتهای هوایی اکتشاف معدن یک نمونهی خوب از مأموریتهای ویژه برای پرنده‌هایی با چنین پیچیدگی است. استفاده از آرپیویها برای چنین مأموریتهایی، یک پیشرفت قابل قبول نسبت به روشهای زمین‌پیمایی سنتی (که با استفاده از هواپیمای بال ثابت و سیستمهای مبنی بر هلی‌کوپتر صورت می‌گیرد) می‌باشد. مأموریت‌هایی که به طور نمونه، به وسیله‌ی هواپیمای بال ثابت و هلی‌کوپترها صورت می‌گیرند به طور ذاتی خطرناک هستند؛ به دلیل اینکه چنین پروازهایی عموماً در ارتفاعات پایین و سرعت‌های کم صورت می‌گیرند. نمونه‌های زیادی (ماتیوس، میشل اِت آل.، 2002) ازحوادث زیان‌بار و بعضاً کشنده که در استرالیا و خارج از آن اتفاق افتاده است به عنوان یک نتیجه‌ی مستقیم از پروازهای اکتشاف معدن، وجود دارد.

هواپیماهای بدون سرنشین برای اهداف اکتشاف معدن یک چالش ویژه را پیش رو قرار می‌دهند که برای سیستم‌های توسعه داده شده‌ی دیگر و برای مأموریت‌های دیگر وجود ندارد. این وسایل ویژه برای مأموریت ارتفاع کم (ارتفاع‌های کمتر از 400 پا) طراحی شده‌اند که برای این ارتفاع، اغتشاشات، موانع زمینی و ارتباطات فرکانس رادیویی (فرکانس بالا) به عنوان یک چالش محسوب می‌شوند. البته طراحی بدنه‌ی هواپیما به گونه‌ای که حداقل تأثیر ناسازگار را روی حسگر داشته باشد، نسبتاً ساده است.

محدودیت‌ها

1- ناوبری

مأموریتهای اکتشاف معدن مبتنی بر هواپیماهای بدون سرنشین، ملزومات خاصی را مربوط به ناوبری (بر حسب دقت مسیر، انتهای پرواز و طرحریزی پرواز) میطلبد. این محدودیتها اصولاً به ایمنی پرواز و ملزومات لازم برای تهیهی دادههای دقیق زمینپیمایی مربوط میشود. از نقطه نظر ایمنی پرواز و قابلیت انجام کار، لازم است تا مکان، ارتفاع، مسیر حرکت و سرعت هواپیما را در تمام اوقات دانست. طراحی نمایشگر اصلی پرواز در پایگاه زمینی باید عمل نمایش نقشهی تهیه شده توسط جیپیاس را که این اطلاعات را به علاوهی موقعیت محل برخاست ارائه می‌دهد، فراهم کند.

تفاوت اصلی اکتشاف با هواپیماهای سرنشیندار و بدون سرنشین، در ملزوماتِ لازم برای ایمنی از سقوط در طول انجام مأموریت می‌باشد. محدودیتهای خاتمهی پرواز در بسیاری از موارد، همان محدودیتهای مربوط به موشک هستند که در آزمایش و ارزیابی به کار گرفته میشوند. در بسیاری از موارد، این محدودیتها با سطوحی از عملیات که در "نوتیس تو اِیرمن" (NOTAM) شرح داده شد مطابق خواهند بود. علاوه بر ملزومات ناوبری زمان واقعی، لازم است که امکانات برنامه‌ریزی پرواز موجود باشند تا وضعیت جغرافیایی زمین و ملزومات شبکهی زمینپیمایی را برای تهیهی پوشش فرکانسهای رادیویی (RF: Radio Frequency) بهینه برای اندازه‌گیری کنترل، تفسیر کنند. آزمایش این قابلیت‌ها به ترکیبی از آزمایش پروازهای شبیه‌سازی شده و دقیق نیاز خواهد داشت. در این فاز از آزمایش پرواز، کنترل انسانی بهترین انعطاف‌پذیری را با استفاده از فرکانس رادیویی مناسب فراهم می‌کند.

2- ارتفاع

مأموریتهای متعارف اکتشاف معدن، در ارتفاعات کم انجام میگیرد (عموماً زیر 400 پا از سطح زمین) که محمولهی حسگر، دادهها را با دقت بهینه فراهم میسازد. مشکلات فراوانی در هنگام پرواز پرنده در نزدیکی سطح زمین به وجود می‌آید که اجتناب از موانع محیطی کمترین آنها می‌باشد. همچنین برخی از چیزهایی که کمتر آشکار هستند پرواز در ارتفاعات کم را مشکل می‌کنند؛ این مشکلات شامل گردبادهای کوچک (که به ویلی- ویلیز مصطلح است) و جریانهای گردبادی شدیدی می‌شود که می‌تواند سبب از دست رفتن کنترل هواپیما شود (خصوصاً مواقعی که W/S هواپیما کم باشد). این موارد محدودیت‌های عملیاتی واقعی هستند که در موقعیت‌های بی‌شماری به وسیله‌ی سامانه‌های مبتنی بر هلی‌کوپتر و بال ثابت آزمایش شده است. در این سامانهها، از دست دادن کنترل به وسیله‌ی اپراتور آزمایش شده است. الزامات طراحی سیستم کنترل هواپیماهای بدون سرنشین دارای اهمیت ویژه‌ای است. توسعه‌ی چنین سیستم کنترلی که از عهده‌ی ترکیب‌های زیادی از ارتفاع هواپیما و مسیر پرواز برآید، بسیار پیچیده است. راه حل ساده‌تر، وارد کردن کنترل نیروی انسانی با نمایشگرهای پرواز (که اطلاعات اختصاصی را برای اجتناب از ارتفاعات پروازیِ غیر مطلوب فراهم می‌سازد) است. اگر چه هنوز انتظار میرود که از دست دادن وسیلهی هوایی در شرایط دشوار اتفاق خواهد افتاد.

جنبهی دیگر پرواز در ارتفاع کم شامل قابلیت حفظ ارتفاع نسبت به زمین است. به منظور داشتن ارتفاع ثابت نزدیک سطح زمین لازم است تا شیوه‌هایی به کار بسته شود که بتواند بر برجستگی‌های گوناگون زمین که در بسیاری مناطق زمین‌پیمایی وجود دارد، فایق آید. چنین سیستمی باید از عهده‌ی پستی و بلندی‌های زمین، بوته‌ها و درختان، تخته‌سنگ‌ها، صخره‌های برون آمده و پرت‌گاهها بر آید. این کار، برای سیستمهای کنترل خودکار، چندان ساده نیست. آزمایش‌های عملی نشان داده است که سیستم‌های کاملاً خودکار در چنین محیطهایی چندان خوب کار نمیکنند. هر چند سیستم هدایت فرمان خلبان، غیر از راهنماییهای دیداری و دست‌یاری خلبان خودکار، با موفقیت برای سال‌های زیادی در عملیات‌های مبتنی بر هلی‌کوپتر به کار گرفته شده است. این فنّاوری ممکن است به تدریج در هواپیماهای بدون سرنشین نیز مورد استفاده قرار گیرد.

باید توجه داشت که تجربه و فهم روشن از مأموریت و محیط عملیاتی پرواز برای تهیهی تصمیمهای طرح لازم است. برای نمونه، در پروژهی جاری برای اکتشاف معدن، مشخصات مأموریت هواپیماهای بدون سرنشین بر پایهی تجربهی تیم طراحی با بیش از 1000 ساعت پرواز زمینپیمایی توسط بال ثابتهای مختلف و سامانههای مبتنی بر هلی‌کوپتر که در ارتفاع پایین عمل میکردند، صورت گرفته بود (ویلیامز، 2002 اِی).

3- خرابی‌های سیستم

سیستم آرپیوی در معرض بسیاری از خرابی‌های مختلف است که میتواند شامل سیگنالهای مخابراتی آپلینک (کانال مخابراتی که سیگنالها را از ایستگاه زمینی به ماهوارهی مخابراتی یا فرستندهی هوایی منتقل میکند) و داونلینک (کانال مخابراتی که سیگنالها را از ماهوارهی مخابراتی یا فرستندهی هوایی به ایستگاه زمینی منتقل میکند) ، موتور، الکترونیک، سیستم کنترل پرواز، عمل‌گرها و مولد‌های موجود در پرنده شود. مهم‌ترین خرابی مربوط به ارتباطات آپلینک و داونلینک است که منجر به لغو پرواز بعد از یک دورهی زمانی خاص خواهد شد. مطابق گواهینامهی صلاحیت پرواز استاندارد، بیشتر خرابیهای دیگر میتوانند از طریق سیستم‌های جایگزین و پشتیبان اصلاح گردند. به عنوان مثال، واماندگی سیستم اندازه‌گیری مبتنی بر جریان هوا می‌تواند از طریق تدارک وسایل لازم اختلاف ارتفاع جیپیاس و دادههای سرعت زمینی، اصلاح گردند (این اطلاعات به قدر کافی دقیق هستند که "هواپیما را به مقصد برسانند"). به علاوه، اگر هر یک از سطوح کنترل دچار خرابی شود، آنگاه آرپیوی میتواند توسط سیستم‌های ثانویه‌ی پرواز، مأموریت خود را ادامه دهد. آزمایشهای اخیر نشان داده است که این کار به طور رضایتبخشی میتواند کاربرد شبیهساز پرواز را اثبات کند (ویلیامز ،2002اِی).

طرح نمایشگر پرواز در شکل 2 به نمایش در آمده است. این شکل، ملزومات به کار بردن میزان مناسب از دادههای پرواز به اضافهی هشدار و اخطار سیستمها را در صورت خرابی و یا خروج از حدود تعیین شده، نشان میدهد. در بعضی موارد برای راهنمایی خلبان پرواز، سه نمایشگر پشتیبان از دادهها فراهم میشود. همچنین باید به این نکته‌ی مهم باید توجه کرد که هیچ تلاشی برای کاملاً خودکار کردن سیستم صورت نگرفته است؛ بلکه تنها اقداماتی برای تهیهی میزان مناسبی از دادهها برای خلبان و تدارک میزان مناسبی از دست‌یاری خلبان خودکار، صورت گرفته است.

شکل 2- نمایش‌گر اولیه‌ی پرواز

4- مدیریت فضای هوایی

مأموریتهای اکتشاف معدن معمولاً در محیط هوایی کنترل شده و بعضاً در فضاهای دورتر اتفاق میافتد. به بیان بهتر، عملیاتها معمولاً در ارتفاع پایین صورت میگیرند تا حسگرهایی که روی وسیله‌ی پرنده نصب شده‌اند توانایی تحلیل اطلاعات را داشته باشند. با این وجود ملزوماتی وجود دارد که هواپیماهای بدون سرنشین مطابق مقررات وضع شده برای مناطق هوایی غیر نظامی عمل کنند. در استرالیا، مرجع ایمنی هوانوردی غیرنظامی (CASA: Civil Aviation Safety Authority) مقررات ویژهای را برای عملیات هواپیماهای بدون سرنشین وضع کرده است (2001). اگر چه این قانونها در جهت عملیات هواپیماهای بدون سرنشین تجاری میباشد، فعالیتهای آزمایش پرواز نیز به مجوز نیاز خواهند داشت؛ یعنی اپراتور، به گواهینامهی اپراتور سیایاسای نیاز خواهد داشت. این مسأله مستلزم آن است که اپراتور، مجوز خلبانی را با ارزیابیهای مناسبی داشته باشد و توسط مراکز تعمیر و نگهداری معتبر با مقررات عملیاتی ثابت پشتیبانی گردد. بنابراین توسعه‌ی هواپیماهای بدون سرنشینِ کاملاً خودکار، بدون توانایی استفاده از کنترلِ (نظارت) فعال برای هر یک از موانع ترافیکی، یا اتمام پرواز، کار ساده‌ای نیست. به علاوه، دارندهی گواهینامه ملزم است تا این ارزیابیها را بر روی قابلیت پرواز هواپیماهای بدون سرنشین (تا زمانی که لازمند) انجام دهد. بنابراین علی‌رغم میزان خودکار بودن کنترل هواپیماهای بدون سرنشین، اپراتور هنوز به یک سطح متعارف از مهارت و آزمایش و توانایی استفاده از کنترل فعال پرواز، در صورت لزوم، نیاز خواهد داشت.

آزمایش و ارزیابی هواپیماهای بدون سرنشین

1- نیازهای واقعی آزمایش پرواز

آزمایش پرواز هواپیماهای بدون سرنشین، ارزیابی‌های بیشتری را نسبت به ارزیابیهای معمول برای عملکرد سیستم میطلبد. در صنعت هوانوردی وسیلهی هوایی بر مبنای مشخصات پرواز، کارآیی پرواز و سودمندی ارتباطات هوایی ارزیابی می‌شود (مدرسهی آزمایش خلبانی ملّی، 1995). اگر چه پیکره‌بندی وسیلهی پرنده، مهمترین مولفهی سیستم هواپیمای بدون سرنشین است، امّا نهایتاً این عملکرد سیستم است که تعیین‌کننده‌ی توانایی سیستم در انجام موفق عملیات خواهد بود (عملکرد سیستم شامل دو پارامتر مهم هزینه‌ها و ایمنی پرواز نیز هست). بنابراین، قابلیت اطمینان سیستم، همراه با مشخصات پرواز، کارایی پرواز، و سودمندی ارتباطات هوایی، یک ارزیابی مهم عملکرد سیستم میباشد.

قابلیت اطمینان سیستم تعیین‌کننده‌ی نرخ از دست رفتن هواپیماها، کمیت تولید، ملزومات تعمیر و نگهداری و در نتیجه هزینههای عملیاتی و قابلیت دوام سیستم می‌باشد. به علاوه میزان خودکار بودن هواپیما، قابلیت اطمینان سیستم را نسبت به حوزههای مختلفِ وابسته به رشد فنّـاوری تعیین خواهد کرد. اینکه آیا کنترل خودکار میتواند قابلیت اطمینان سیستم را به طور قابل توجهی افزایش دهد به عوامل بسیاری وابسته است و نمیتوان بدون اطلاعات جزیی از سیستم در مورد آن اظهار نظر کرد. اگر چه، میتوان گفت که قابلیت اطمینان سیستم‌های پیچیده نمیتوانند بدون آزمایش ساختاری بررسی گردند. این یک معمای مهندسی کلاسیک است که در صورت فقدان دادههای قابلیت اطمینان یک سیستم، نمیتوان ارزیابی خوبی را از مسائل اقتصادی سیستم ارائه کرد. به علاوه، گردآوری دادههای قابلیت اطمینان، ریسک آزمایش پرواز را تا حد قابل توجهی کاهش میدهد. این موضوع، یکی از مهمترین مشکلات پیش روی آزمایش پرواز هواپیماهای بدون سرنشین می‌باشد.

2- چالش‌های پیش رو

علاوه بر قابلیت اطمینان سیستم، دیگر چالشهای آزمایش پرواز مربوط به حوزهای از تکنیکهای آزمایش پرواز برای هواپیماهای سرنشیندار می‌شود که میتواند در هواپیماهای بدون سرنشین به کار رود. آزمایش پرواز هواپیماهای بدون سرنشین میتواند به قسمتهای کلاسیک مشخصات پرواز، عملکرد و ارزیابی ارتباطات هوایی، که پیشتر به آن اشاره گردید، تقسیم شود. در سطح ارزیابی مشخصات پرواز، چالشها به نبود پسخورد نیروی سیستم کنترل دستی، نبود پاسخ نوسانی و ارتعاشی، و حساسیتهای کنترل طولی، سمتی و عرضی (بیشتر به دلیل اندازهی کوچک هواپیما) مربوط میشوند. این حساسیتهای کنترل، شبیه مشکلات هواپیماهای دست‌ساز خانگی (Homebuilt) کوچک است.

در زمینه‌ی عملکرد، آسیب‌پذیری بالای هواپیما از تندباد و اغتشاشات جوی باعث ایجاد مشکل در پایدارسازی هواپیما می‌شود. محدودیتهای عمودی و عرضی محدوده‌ی هوایی باعث ایجاد نیاز به تکنیک‌های جدیدی در آزمایش پرواز می‌شود. هر چند گزینه‌هایی برای افزایش محدودیت‌های عمودی از طریق NOTAM وجود دارند. با توجه به چالش‌های خلبانی هواپیماهای بدون سرنشین، یکی از مسائل مهم تعیین سطح خودکاری سیستم کنترل در هنگام طراحی آن است. این مسأله تابعی از مأموریت و محدودیت‌های مالی نیز می‌باشد. به علاوه، به دلیل طبیعت تجهیزات و محدودیتهای فنّـاوری نمایش، تهیهی قالبهای نمایش پرواز ممکن است به طور کامل از تمرینهای متداول هوانوردی پیروی نکنند. در فقدان چنین نمایش پروازهایی و حساسیتهای طبیعی کنترل (به دلیل اندازهی فیزیکی کوچک) لازم است تا این مسأله که آیا هواپیما عملکرد و مشخصات پرواز رضایت‌بخشی دارد یا نه بررسی شود. همچنین محمولهی حسگر ممکن است به نرخ اختلالات کوچک حساس باشد که این موضوع خود عاملی برای پیادهسازی خلبان خودکار میباشد. بنابراین مشخصات پرواز طولی و عرضی- سمتی هواپیما و چگونگی اجرای خلبان خودکار، تأثیرات قابل توجهی بر کیفیت دادهها و در نتیجه کارایی مأموریت خواهند داشت.

3- وسایل آزمایش

سطوح دیگری که توجه کافی به آن نشده است زیربناهای زمینی لازمی است که آزمایش پرواز و آزمایش زمینی سیستم هواپیماهای بدون سرنشین می‌باید در آن انجام شود. البته لازم به ذکر است که به دلیل وجود سیستم‌های ارتباطی از هواپیما به زمین و بالعکس، دیگر نیازی به مکان‌های خاص برای اندازه‌گیری موقعیت، ارتفاع، جهت و سرعت هواپیما نیست و می‌توان این پارامترها را به وسیله‌ی حسگرهایی که در خود پرنده نصب می‌شود مستقیماً اندازه‌گیری کرد و به مرکز زمینی ارسال نمود. ناحیه‌ی آزمایش باید در محیط هوایی کنترل شدهی غیرنظامی قرار گیرد و نباید در محیط ساختمانی و یا محیط‌هایی که دارای موانعی نظیر خطوط نیرو، سازهها و یا درختان بلند هستند باشد. زمان لازم برای انتقال به ناحیه‌ی آزمایش و برگشت از آن نیز موضوع مهمی است و نقش قابل توجهی را در انتخاب ناحیهی آزمایش بازی می‌کند؛ چرا که آزمایش و ارزیابی عملیاتی مستلزم انتقال هواپیماهای بدون سرنشین به محدوده‌ی آزمایش که معمولاً در ناحیهای دوردست واقع شده است، می‌باشد.

سطوح دیگری که معمولاً در آزمایش و ارزیابی هواپیماهای بدون سرنشین مطرح نشده است، تست تونل باد و انجام آنالیز آیرودینامیکی میباشد. در نمونهی اکتشاف معدن که در این مقاله به آن اشاره شده است، استفاده از ابزارهای مدل‌سازی آیرودینامیکی مبتنی بر نرمافزار برای تهیهی بیشترین داده به منظور توسعهی طراحی بال، کافی بود. اگر چه این ابزارهای نرمافزاری قادر نبودند تا ممانهای مفصل سطوح کنترل آیرودینامیکی (ایلرون، الیویتور و رادر) را پیشبینی کنند. ممان مفصل آیرودینامیکی یک پارامتر مهم است، زیرا کمیتی است که اندازهی بار تحمیلی بر عملگر را مشخص میکند. ممان مفصل بزرگ، به قدرت زیاد عملگر نیاز خواهد داشت و همچنین تأثیر معکوس بر قابلیت اطمینان عملگر (به دلیل کششهای متداول) خواهد گذاشت. اگر چه روشهای تونل باد میتوانند یک تقریب مرتبه اول از این پارامتر فراهم کنند، امّا به طور کلی آزمایش پرواز، قابل اطمینانترین روش است. قدرت زیاد مورد نیاز عملگر، همچنین بر قابلیت اطمینان تأثیر می‌گذارد. تیم پروژه‌ی توسعه‌ی هواپیماهای بدون سرنشین برای اکتشاف معدن، واماندگی عملگر را که در طی آزمایش سطح کنترل پیش از پرواز رخ می‌دهد، آزمایش کرده است. این واماندگی، آغازگر فعالیت‌های وسیعی برای آزمایش عملگرها در زمین بود. البته کار آزمایش عملگر همچنان در حال ادامه است و پیش از این موجب چندین تغییر که به طور بالقوه قابلیت اطمینان عملگر را بهبود خواهند بخشید، شده است.

روش‌های پیشنهاد شده

1- آزمایش پرواز

قوانین معروف و سرانگشتی در زمینهی طراحی هواپیما بیان میکند که نباید موتور آزمایش نشده در بدنهی آزمایش نشده تست شود. آزمایش و ارزیابی توسعهای سیستم هواپیمای بدون سرنشین با بدنهی آزمایش نشده و ارتباطات هوایی آزمایش نشده و ایستگاه کنترل زمینی آزمایش نشده، پیچیدهتر شده است. به علاوه، موتوری که در هواپیماهای بدون سرنشین به کار برده میشود معمولاً مبنی بر سطح فنّـاوری هواپیما است که بسته به کاربرد و شکل مأموریت، تفاوت قابل توجهی دارند. این مسأله، مجهولات دیگری را در معادلهی آزمایش وارد میکند. به طور خلاصه چهار عنصر اصلی سیستم وجود دارند که باید با تغییرات پلهای، هرکدام با میزان ریسک مختلف، تست شوند.

چگونگی نزدیک شدن به مسأله‌ی فزاینده‌ی یکپارچه‌سازی زیرسیستم‌های مختلف، با توجه به قیود فنی مختلفی که مسأله را همراه با ریسک می‌سازند، کلید موفقیت (یا عدم موفقیت) در برنامههای آزمایش پرواز است. برنامههای آزمایش به گونه‌ای طراحی می‌شوند که در ابتدا آزمایش‌های کم خطر و سپس آزمایش‌های پرخطرتر انجام گیرند.

نقشهی کلی آزمایش و ارزیابی (TAMP: A Test and Evaluation Master Plan) یک ملاک کامل به کار رفته برای هماهنگ کردن فرایند آزمایش است. تیایامپی باید آزمایش پرواز را به فازهای "آزمایش و ارزیابی توسعهای" و "آزمایش و ارزیابی عملیاتی اولیه" (IOT&E: Initial Operational T&E) تجزیه کند. آزمایش و ارزیابی توسعهای، مشخصات پرواز هواپیما، عملکرد پرواز و نمایش پرواز را در بر خواهد گرفت؛ در حالی که آزمایش و ارزیابی عملیاتی اولیه، ارزیابیهای عناصر اجرای مأموریت را شامل خواهد شد. فرم مأموریت و محدودیتها، ساختار برنامهی آزمایش را از طریق طراحی قالب آزمایش پرواز و انتخاب مهارتهای آزمایش پرواز، تعیین میکند (برای مثال، رجوع شود به ویلیامز).

شکل 3 - هواپیمای بدون سرنشین تـِرِیـنـِر

تعیین تعداد هواپیماهای لازم برای برنامهی آزمایش پروازِ نسبتاً پرخطر، مشکل است؛ زیرا دادههای قابلیت اطمینان واقعی در دسترس نیستند. در نبود این دادهها، این موضوع تا حدی با روندهای پیشین انجام شده است. به عنوان نمونه معمولاً سه بدنه برای آزمایش‌های پرواز مورد استفاده قرار می‌گیرد. در شکل 3 اولین هواپیمایی که برای شرکت در اکتشاف معدن به کار گرفته شد، آمده است.

برنامهی آزمایش زمینی جامعی در رابطه با برنامهی آزمایش پرواز وجود دارد که حوزهی اتصال دادههای فرکانس رادیویی، سیستمهای اتمام پرواز، عملکرد سیستم‌های الکترونیکی، فعالیت موتور، سازگاری‌های الکترومغناطیسی، تعادل و وزن بدنه و کیفیت نرم‌افزار نمایش پرواز را اداره می‌کند. اگر چه تمرکز این مقاله روی این مسأله نیست، اما این جنبه از آزمایش‌ها نیز باید با آزمایش و ارزیابی توسعه‌ای یکپارچه شود.

شبیهسازی در تمام این سطوح نقش مهمی را ایفا میکند. کارکرد خلبان خودکار نیز، وابسته به میزان مهارت لازم برای هدایت عناصر اجرای مأموریت، به طور پله‌ای اضافه شده است.

2- شبیه‌سازی پرواز

الگوی ریاضی هواپیماهای بدون سرنشین به طور گسترده‌ای در برنامههای توسعه‌ای استفاده شده است. یک الگو از این نمونه می‌تواند برای برنامه‌ریزی آزمایش پرواز، خرابی سیستمها، ارزیابی خلبان خودکار، توسعه‌ی شیوه‌های حالت واماندگی و اضطراری و ارزیابی مشخصات پرواز عملیاتی به کار رود. نمایی از نرم‌افزار شبیه‌سازی پرواز در شکل 4 نشان داده شده است.

نرم‌افزار شبیهسازی پرواز، این قابلیت را دارد که برجستگی‌های زمین، عوارض محل برخاست و فرود هواپیما، شرایط اتمسفر (باد، اغتشاشات و دمای هوا)، خرابی‌های تجهیزات ارتباطات هوایی و موتور مبتنی بر احتمالات آماری، و چگونگی کار خلبان خودکار را مدلسازی کند.

شکل 4 -مدل هواپیماهای بدون سرنشین "ترینـر" در محیط شبیه‌سازی

شبیه‌سازی و نمایش پروازِ هواپیما ابزاری مهم برای پاسخ به این سؤال است که: "آیا هواپیما می‌تواند در حالت کنترل دستی و تحت شرایط واقعی اتمسفر در ارتفاع پایین به درستی پرواز کند؟". نرم‌افزار شبیه‌ساز برای مأموریت اکتشاف معدن، سطح مهارت ناوبری را تحت شرایط تندباد و هوای متلاطم در خلال اجرای پرواز کم ارتفاع زمین‌پیمایی، در اختیار می‌گذارد.

علاوه بر آنچه گفته شد نرم‌افزار شبیه‌سازی پرواز، اطلاعات اضافی غیر دسترس از آزمایش پرواز را نیز فراهم می‌کند. تغییر زاویه‌ی سطوح کنترلی هواپیما، سرعت و شتاب بدنه در 3 محور متعامد توسط این نرم‌افزار قابل مشاهده و ثبت است. همچنین پارامترهای دیگری نظیر موقعیت مرکز ثقل، وزن کلی، و خواص جوّی می‌تواند در طی پرواز انفرادی تغییر یابد. به علاوه، می‌توان عناصر خطرناک برنامه‌ی آزمایش پرواز را در جزیی‌ترین حالت ممکن تأمین کرد تا آزمایش‌های بیشتر، با محدودیت‌های ایمنی کمتری صورت گیرد. در هر دو مورد، آرایش سخت‌افزار پرواز ایستگاه کنترل زمینی (GCS: Ground Control Station) واقعی، با سخت‌افزار به کار رفته در ایستگاه کنترل زمینیِ شبیه‌سازی شده، یکسان است. بنابراین، می‌توان آزمایش‌های پرواز شبیه‌سازی شده را به عنوان آزمایش سخت‌افزار در حلقه در نظر گرفت.

از دیگر مزیتهای مهم شبیهسازی پرواز این است که بررسی گسترده‌ی مشخصات پرواز، عملکرد و نمایشگرهای پرواز می‌تواند قبل از آزمایشهای واقعی انجام گیرد ‍[تا در صورت نیاز اصلاحات لازم روی هواپیما و سیستم‌های آن انجام گیرد - مترجم]. بنابراین می‌توان نتایج شبیه‌سازی و داده‌های به دست آمده از سخت‌افزار آزمایش پرواز را با هم مقایسه کرد؛ بدین ترتیب، ابزار تحلیل و طراحی سودمندی برای توسعه‌ی هواپیما در آینده فراهم خواهد شد.

جمع‌بندی

در این مقاله آزمایش و ارزیابی هواپیماهای بدون سرنشین، به خصوص آرپیویها برای مأموریتهای ویژه، از منظر سیستمی مورد بررسی قرار گرفته است. رویکرد نظام‌مند به طراحی و توسعه‌ی هواپیماهای بدون سرنشین مستلزم نگرشی خاص به مسأله است؛ نگرشی که در آن هواپیما فقط وسیله‌ای برای رسیدن به اهداف است. طراحان و آزمایش‌کنندگان هواپیماهای بدون سرنشین می‌باید به درک روشنی از مأموریت و حساسیت‌های محموله‌ی حسگر (که نیازهای اندازه، شکل و عملکرد هواپیما را به اضافه‌ی موقعیت ایستگاه کنترل زمینی و روش‌های پرتاب و بازیابی تعیین می‌کنند) برسند. آرپیویها (هواپیماهای بدون سرنشینی که توسط خلبان زمینی کنترل می‌شوند)، برای مأموریت‌های خاصی همچون اکتشاف معدن سودمند هستند.

ماتریس ریسک آزمایش پرواز در حالتی که اجزای پرنده (نظیر موتور، بدنه، سیستم الکترونیک و ایستگاه کنترل زمینی) از پیش به صورت جداگانه آزمایش نشده باشند بسیار پیچیده خواهد بود. آزمایش پرواز هواپیماهای بدون سرنشین همچنین از این نظر که تثبیت و پایداری هواپیما حول نقطه‌ی مورد نظر مشکل می‌باشد، چالش‌های بیشتری را در بر خواهد داشت. این چالش‌ها خصوصاً در حالتی که آزمایش پرنده در W/S پایین، P/W بالا و یا اینرسی کم مد نظر باشد، مضاعف خواهد شد. به علاوه، در هواپیماهای بدون سرنشین به دلیل عدم حضور انسان در پرنده، احساس شتاب، ارتعاش و ضربه به خلبان منتقل نمی‌شود که این مسأله کنترل پرنده در شرایط خاص را دشوار می‌کند.

در این مقاله همچنین چالش‌های دیگری در آزمایش و ارزیابی هواپیماهای بدون سرنشین و در مأموریت‌های خاص (مثل اکتشاف معدن) ارائه شده است. نیاز به انجام عملیات (و همچنین آزمایش پرواز هواپیما) در سرعت و ارتفاع کم و با پیروی از پستی و بلندی‌های زمین مستلزم بهره‌گیری از ابزار مدل‌سازی و شبیه‌سازی برای ارزیابی بخش‌های مختلف هواپیما می‌باشد.

مراجع

1. Civil Aviation Safety Authority 2001, Unmanned Aircraft and Rockets, draft amendments to Part 101 of the Civil Aviation Regulations, CASA, Canberra, Australia.
2. Lax, M. and Sutherland, B. 1996, An Extended Role for Unmanned Aerial Vehicles in the Royal Australian Air Force, Report 46, Air Power Studies Centre, Fairbairn, Australia.
3. Mathews, K., Mitchell, S., and Tucknell, K. 2002, Mining Exploration Related Aviation Accidents and Incidents, unpublished report, Newmont Mining Corporation, Adelaide, Australia.
4. National Test Pilot School 1995, Introduction to Performance and Flying Qualities Flight Testing, National Test Pilot School, Mojave, U.S.A.
5. Stinton, D. 1996, Flying Qualities and Flight Testing of the Airplane, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Reston, U.S.A.
6. Williams, W. 2002a, Research Into Unmanned Air Vehicles For Mining Exploration Applications - Quarterly Report, Quarter 1, Sir Ross and Sir Keith Smith Fund, Adelaide, Australia.
7. Williams, W. 2002b, Test and Evaluation Master Plan - Unmanned Air Vehicles For Geophysical Survey Missions, version 4, unpublished report, Systems Engineering and Evaluation Centre, Adelaide, Australia.
8. Wong, K. C. 1997, Aerospace Industry Opportunities in Australia Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) - Are They Ready This Time? Are We? [Online, accessed 21 May, 2002]. http://www.aero.usyd.edu.au/wwwdocs /UAV_RAeS_prez_26Nov97.PDF