1 مقدمه
پهپاد عمودپرواز کابلی (پهپاد سیمی) یکی از انواع جدید معرفی شده است که در این مقاله تشریح خواهد شد. امروزه استفاده از پرنده‌های بدون سرنشین و مزایای متنوع آنها بر هیچ‌کس پوشیده نیست. پهپاد کوتاه شده عبارت پرنده هدایت پذیر از دور است. در حالت کلی می‌توان انواع پهپادها را به دو دسته اصلی بال ثابت و بال متحرک تقسیم کرد. یکی از رایج‌ترین پیکربندی‌ها در دسته پهپادهای بال متحرک، پرنده‌های عمود پرواز الکتریکی چند موتوره (MultiRotor) هستند.
اساسا عمودپروازها به دلیل عدم نیاز به باند پرواز، امکان پرواز در باد در مقایسه با بال‌ثابت‌های هم وزن خود و همین‌طور جابه‌جایی آسان، به سرعت در حال گسترش هستند اما ظرفیت حمل بار و مداومت پروازی کم، دو نقطه ضعف اساسی است که برای آنها ذکر می‌شود. این نقاط ضعف ناشی از محدودیت‌های باتری‌ها به عنوان تامین کننده توان این گونه از پهپاد‌هاست.
یکی از طرح‌های خلاقانه در زمینه بهبود مداومت و توان پرنده‌های عمودپرواز، استفاده از انتقال مستقیم انرژی الکتریکی به صورت کابلی است. در این نوع از پهپادها، انرژی الکتریکی که محدود کننده اصلی مداومت پروازی است، از طریق سیم به پرنده منتقل می‌شود. به این سبب پرنده می‌تواند از نظر تئوری به صورت نامحدود در ارتفاع باقی بماند. تنها مسئله در این طرح، مقید بودن پرنده به یک ایتسگاه زمینی بوده که البته خود می‌تواند مانند یک ماشین متحرک باشد. شکل 1 نمایش مفهومی عملیات پهپاد سیمی است.
به‌صورت مفهومی می‌توان گفت پرنده سیمی برای تمامی ماموریت‌های کم تحرکی که نیاز به ارتفاع و مداومت دارند کاملا راهگشا و مناسب است. در ادامه به برخی از این ماموریت‌ها اشاره می‌شود.
شکل 1 نمایش مفهومی عملیات پهپاد سیمی
2 انواع ماموریت‌های پهپاد عمود پرواز سیمی
همانطور که در بخش 1 اشاره شد، پهپاد عمود پرواز سیمی برای تمامی ماموریت‌هایی که نیاز به ارتفاع و مداومت بالا دارند مناسب است. در حالت کلی برای این دسته از پهپادها در سه حوزه نظامی، انتظامی و غیرنظامی کاربردهایی وجود دارد که در ادامه به مهمترین آنها پرداخته می‌شود.
2-1 کاربردهای نظامی
در این بخش به کاربردهای بالقوه‌ای که پهپاد عمود پرواز سیمی می‌تواند برای نیروهای نظامی کشور داشته باشد، پرداخته می‌شود.
2-1-1 نظارت و دیده‌بانی
برای نیروهای نظامی اهمیت دیده‌بانی در صحنه عملیات بر هیچ کس پوشیده نیست؛ به گونه‌ای که نیروها همواره می‌کوشند در صحنه نبرد با تسلط بر نقاط مرتفع یا ساختمان‌ها، اشراف کامل بر منطقه عملیات داشته باشند. یکی از کاربردهای مهم پرنده سیمی استفاده از آن به عنوان دکل دیده‌بانی با پشتیبانی از دوربین‌های مختلف دید در روز و شب است. متناسب با نیاز می‌توان پرنده‌های متنوعی با این کاربرد توسعه داد. لازمه این نوع کاربری، پشتیبانی از انواع محموله‌های مرئی و دید در شب، مقاومت در برابر باد و مقاومت در برابر نفوذ رادیویی است.
2-1-2 دکل اردوگاه‌های مقطعی
استقرار یک دکل دیده‌بانی در یک اردوگاه کاری دشوار، زمان‌بر و پر هزینه است، حال آنکه در موارد بسیاری این اردوگاه‌ها ممکن است دائمی نباشد. در این شرایط با استفاده از یک پرنده کابلی می‌توان دوربین مناسبی را برای مدت طولانی در ارتفاع 100 متری مستقر کرد.
بسیاری از ایستگاه‌های مرزی در مناطق صعب العبور هستند و از این رو حمل تجهیزات دکل به این مناطق بسیار سخت خواهد بود. همچنین این پایگاه‌ها در شرایط ویژه نیاز به دید مناسب از اطراف خود دارند. در این موارد وجود یک پرنده کوچک در ارتفاع بالا که نتوان آن را به راحتی ساقط کرد، می‌تواند راهگشا باشد.
2-1-3 سامانه دیده‌بانی نیروهای زمینی
یکی از معضلات مهم نیروهای زمینی اشراف اطلاعاتی به محدوده اطراف یک کاروان نظامی در مناطق خطرناک عملیاتی است به طوری که در موارد بسیاری در جنگ‌های اخیر منطقه همین نقطه ضعف موجب کمین خوردن و از دست رفتن کاروان‌ها شده است. برای این منظور می‌توان از یک سامانه پهپاد سیمی نصب شده بر روی یک خودرو فرماندهی استفاده کرد. همچنین می‌توان با نصب انواع سامانه‌های راداری یا آنتن‌های سامانه‌های دفاع فعال، امنیت خودرو‌های حامل را بهبود بخشید.
این پهپاد باید توانایی دنبال کردن ماشین با سرعت مطلوب کاروان را داشته باشد. همچنین در ارتفاع 20 تا 50 متری از سطح زمین قرار گرفته و یک دید 360 درجه به خدمه ماشین بدهد.
شکل 2 نمونه‌ای از پهپاد عمودپرواز سیمی مستقر در ماشین گشتی
2-1-4 رله مخابراتی
یکی دیگر از کاربردهای مهم پهپادهای سیمی استفاده به عنوان رله مخابراتی است. دو مساله مهم در این ماموریت وجود دارد، موضوع اول ارتفاع استقرار و موضوع دوم توان زیاد مورد نیاز است. برای این کاربری لازم است پرنده بتواند در ارتفاع بالا مستقر شده و توان مورد نیاز محموله را تامین کند. همچنین باید در برابر اختلالات مخابراتی مقاوم باشد که با توجه به امکان وجود فیبرنوری برای ارتباط با پرنده، این سامانه برای این کاربری گزینه مناسبی خواهد بود.
شکل 3 شماتیک ایجاد شبکه مخابراتی با استفاده از پهپاد
2-1-5 سامانه جمینگ منطقه‌ای
از این سامانه می‌توان به عنوان بستری برای ایجاد اغتشاش و آلودگی نویزی منطقه‌ای استفاده کرد. الزامات این سامانه ارتفاع بالا، مقاومت در برابر اختلالات فرکانسی و تامین توان محموله است.
2-2 کاربردهای انتظامی
منظور از کاربردهای انتظامی، کاربردهایی است که برای نظم‌دهی عمومی می‌توان به آنها اشاره کرد. در موارد متعدد، کاربردهای نظامی و انتظامی مشابه هستند و به منظور اختصار از تکرار آنها خودداری شده و در ادامه صرفا به کاربردهای دیگر این سامانه اشاره می‌شود.
2-2-1 نظارت ترافیکی و اطلاع‌رسانی
این سامانه می‌تواند در مقاطع مختلف به منظور نظم‌دهی، نظارت و کنترل ترافیکی مورد استفاده قرار گیرد. این سامانه می‌تواند به دوربین‌های نظارتی مرئی، دوربین دید در شب، سامانه بلندگوی اخطار و اطلاع رسانی و همچنین LED پرقدرت به منظور اعلام اخطار یا روشنایی در شب، مجهز شود. در واقع مکان اتصال محموله به گونه‌ای طراحی شود که همه یا بخشی از تجهیزات اشاره شده روی پهپاد قرار گیرد. در شکل 4 نمونه‌هایی از این کاربردها نشان داده شده است.
شکل 4 نمایش برخی کاربردهای انتظامی پهپاد سیمی
2-2-2 کنترل مرز
در ایران و در مناطق مختلف مرزی همواره مشکلات متعددی برای پایگاه‌ها وجود دارد. بعضا به دلیل صعب العبور بودن یا مسافت‌های طولانی امکان استقرار دکل دیده‌بانی در آن مناطق وجود ندارد. بسته به نیاز می‌توان از کاربرد دکل دیده‌بانی در آن مناطق از سامانه پهپاد سیمی استفاده کرد.
2-3 کاربردهای غیر نظامی
پهپاد سیمی می‌تواند در ابعاد بزرگ درست شده تا بتواند علاوه بر حمل سیم برق، شلنگ مایع فشار قوی نیز حمل کند. با اضافه شدن این توانایی به این پهپاد، مجموعه‌ای از کاربردها برای این سامانه قابل تصور است که در ادامه به آن پرداخته می‌شود.
2-3-1 کاربردهای آتش نشانی
علاوه بر اینکه از سامانه‌های دیده‌بانی و مجهز به دوربین سیمی می‌توان برای تسلط به منطقه آتش و همچنین کنترل عملیات استفاده کرد، از سامانه‌ای که می‌تواند علاوه بر حمل سیم، شلنگ نیز حمل کند، می‌توان برای کردن مایع آتش خاموش کن یا پرتاب کپسول‌های آتش خاموش کن استفاده کرد. شکل 5 نمونه ای از پهپاد عملیات اطفای حریق را نشان می‌دهد.
شکل 5 نمونه ای از پهپاد عملیات اطفای حریق
2-3-2 یخ‌ردایی پره‌های توربین بادی
نشست ذرات، برف یا یخ زدگی مایع، یکی از عواملی است که عملکرد پره‌های توربین بادی را به شدت کاهش می‌دهد. از سامانه پهپاد سیمی به همراه شلنگ می‌توان برای شست و شو و یخ زدایی این پره‌ها استفاده کرد. باید توجه داشت که دسترسی به این پره‌ها در حالت عادی کاری بسیار دشوار است.
2-3-3 شست و شوی مقره‌های خطوط انتقال توان
در خطوط انتقال یا ایستگاه‌های انتقال توان بر روی دکل‌ها مقره‌هایی برای جلوگیری از اتصال سیم‌ها به بدنه ایستگاه وجود دارد که گرد و خاک و یخ زدگی می‌تواند عملکرد آنها را مختل کرده، موجب ورود صدمات قابل توجه به این ایستگاه‌ها شده و همچنین باعث اتلاف انرژی برق شود. به همین منظور لازم است به صورت دوره‌ای این مقرره‌ها شست و شو شوند. در ایران این مهم اغلب به وسیله نفرات و با بالا رفتن از دکل انجام می‌شود که خطرات جانی را به دنبال دارد. در دنیا راهکارهای دیگری نظیر شست و شو به وسیله جرثقیل‌های آبپاش و شست و شو به وسیله هلی کوپترهای مجهز به سامانه‌های آب پاش نیز مطرح است. امروزه می‌توان عملیات شست و شو را با استفاده از سامانه دکل کابلی انجام داد.
2-3-4 شست و شوی ساختمان‌ها
به طور مشابه می‌توان از این سامانه به منظور شست و شوی ساختمان‌های بلند که در حال حاضر توسط نفرات و با سرعت پایین و خطر بالا انجام می‌شود نیز استفاده کرد.
3 پیچیدگی‌های پروژه سیمی
اجزای مهم و تکنولوژیک سامانه پهپاد عمود پرواز سیمی شامل زیرسیستم‌های زیر است:
- سامانه پروازی
- سامانه تامین توان زمینی
- سیم انتقال برق
- سامانه مبدل هوایی
هر یک از این سامانه‌ها باید متناسب با نیاز و ماموریت مدنظر برای سامانه، طراحی و ساخته شود.
3-1 سامانه پروازی
این سامانه علاوه بر توانمندی‌های عادی یک پهپاد عمودپرواز باید دارای ویژگی‌های زیر باشد:
- – تمامی زیرسامانهها باید بتوانند در مدت زمان طولانی عملیات انجام دهند.
- – باید در تمامی زیرسامانهها انواع سنسورهای کنترل جریان، ولتاژ و دما قرار داده شود تا بتوان وضعیت سلامت پرنده را در مدت زمان طولانی زیر نظر داشت.
- – کنترلر پرنده باید توانایی کنترل وضعیت با توجه به نیروها و ممان‌های وارده از طرف سیم و دیگر تجهیزات (نازل خروجی سیال) را داشته باشد.
- – کابل و تجهیزات به طور مناسب مهار شده باشد تا اغتشاش نامتعارفی به پرنده وارد نکند.
- – پرنده بتواند با دقت بالا در موقعیت ایستگاه زمینی خود ثابت مانده و جابجا نشود.
3-2 سامانه تامین توان زمینی
وظیفه این ماژول تبدیل برق زمینی (که معمولا به صورت متناوب و با ولتاژ معمول است) به برق با ولتاژ بالا، برای ارسال از طریق کابل به پرنده است. دلیل استفاده از ولتاژ بالا، کاهش ضخامت سیم و در نتیجه کاهش وزن آن است. هر چه ارتفاع استقرار پرنده بالاتر باشد، باید از ولتاژ بیشتری در خط انتقال استفاده کرد تا هم وزن سیم و هم اتلاف در سیم کم شود.
ما در شرکت آوا پس از تحقیق و توسعه‌ی تکنولوژی‌های متنوع، بسته به کیفیت، زمان و هزینه مد نظر کارفرما می‌توانیم منبع زمینی با تکنولوژی مطلوب را طراحی و تولید کنیم.
3-3 کابل انتقال توان
ویژگی اصلی این کابل این است که باید توانایی تحمل برق مستقیم با ولتاژ بالا را داشته باشد که برای این منظور سیمی با آلیاژ ویژه و روکشی نازک و خاص با قابلیت عایق تا 6000 ولت طراحی و ساخته شد. همچنین با توجه به ضخامت کم، کابل باید توانایی تحمل کشش زیادی را داشته باشد که به این منظور از یک روکش بافته کولار-کربن برای تحمل کشش در این کابل استفاده شده است. همچنین بسیار مناسب است که این کابل دارای فیبر نوری برای انتقال اطلاعات باشد. فیبر نوری بسیار سبک و ایمن است. منظور از ایمنی این است که در فضاهای آلوده سیگنالی و وجود نویز، مشکلی در ارسال داده مابین ایستگاه کنترل زمینی و پرنده وجود نخواهد داشت.
ما در شرکت آوا کابل را متناسب با ماموریت و نیاز کارفرما، در ابعاد و وزن‌های مختلف تولید می‌کنیم. کابل تولیدی متناسب با نیاز کاربر، مغزی متفاوت و شخصی‌سازی شده خواهد داشت. به تعداد مورد نیاز رشته فیبر نوری در آن قرار خواهد گرفت و به منظور تقویت استحکام کششی آن رشته‌های کولار یا کربن به دور آن بافته می‌شود. در شکل 6 یک نمونه از کابل‌های تولیدی با سه رشته مغزی و روکش کولار نشان داده شده است.
شکل 6 نمونه سیم تولید شده در شرکت آوا
3-4 سامانه مبدل هوایی
ویژگی خاص این مبدل تبدیل برق با ولتاژ بالا به برق مستقیم با ولتاژ مورد نیاز پرنده است. ویژگی خاص این مبدل این است که باید در عین وزن کم توان بالایی داشته باشد. این سامانه که یکی از گلوگاه‌های اصلی سامانه مذکور است پس از بیش از دو سال تحقیق و توسعه در شرکت آوا، در تکنولوژی‌های مختلف و با طیفی از ولتاژ‌های ورودی تولید شده و متناسب با ماموریت مورد نظر، از نمونه متناسب آن بر روی سامانه بهره‌برداری می‌شود.
4 جمع‌بندی
در این سند پهپاد عمود پرواز سیمی معرفی شده و انواع ماموریت‌های نظامی، انتظامی و غیر نظامی آن نام برده شد. همچنین پیچیدگی‌های طراحی آن نیز نام برده شد. شرکت طراحی پیشرفته آوا شریف در حال حاضر بر روی این پیچیدگی‌ها تحقیق و توسعه انجام داده است و راه حل هر کدام را شناسایی و محصولات متنوعی در حوزه پرنده‌های کابلی طراحی و تولید کرده است.