Беспилотный надводный аппарат , беспилотное надводное судно или надводное судно без экипажа (USV), [2] [3], в просторечии называемое лодкой-дроном , кораблем-дроном [4] или морским дроном, представляет собой лодку или корабль, который работает на поверхности воды. без экипажа. [5] USV работают с различными уровнями автономности: от дистанционного управления [6] до полностью автономных надводных транспортных средств (ASV). [7]
Нормативно-правовая база для операций USV быстро меняется по мере развития технологии и ее все более частого применения в коммерческих проектах. Принципы и правила поведения в отрасли морских автономных надводных судов Великобритании 2020 (версия 4) [8] были подготовлены Рабочей группой по регулированию морских автономных систем Великобритании (MASRWG) и опубликованы Maritime UK через Общество морской промышленности. В число организаций, внесших вклад в разработку Кодекса практики MASS, входят Агентство морской и береговой охраны (MCA), Atlas Elektronik UK Ltd, AutoNaut, Fugro, Судоходная палата Великобритании , UKHO , Trinity House , Морской институт , Национальный океанографический центр , Dynautics. Limited, SEA-KIT International, Sagar Defense Engineering и многие другие. [ нужна цитата ]
К концу 2017 года Sagar Defense Engineering стала первой компанией в Индии, которая построила и поставила USV правительственной организации. [ нужна цитата ]
Еще в конце Второй мировой войны дистанционно управляемые USV использовались ВМС США для целей дронов и траления мин . [9] : 121 В двадцать первом веке достижения в системах управления БПЛА и навигационных технологиях привели к появлению БПЛА, которыми оператор может управлять дистанционно с суши или близлежащего судна: [10] БПЛА, которые работают с частично автономным управлением, и БПЛА. (ASV), которые работают полностью автономно. [9] Современные применения и области исследований для USV и ASV включают коммерческое судоходство, [11] мониторинг окружающей среды и климата, картографирование морского дна , [11] [12] пассажирские паромы , [13] роботизированные исследования, [14] наблюдение, инспекцию мостов. и другая инфраструктура, [15] военные и военно-морские операции. [9]
17 января 2022 года судну Soleil удалось совершить первое полностью автономное морское путешествие на корабле. Демонстрация, построенная MHI , проводилась при сотрудничестве Shin Nihonkai Ferry . [16] Семичасовое 240-километровое путешествие от Синмодзи на севере Кюсю до моря Ионада показало максимальную скорость 26 узлов. [17]
В августе 2022 года судно Mikage компании Mitsui OSK Lines за два дня преодолело 161 морскую милю от Цуруги до Сакаи, успешно завершив первое морское путешествие без экипажа, включающее докование автономного прибрежного контейнеровоза , в ходе двухдневных испытаний. [18]
Был разработан ряд платформ автономности (компьютерного программного обеспечения), специально предназначенных для операций USV. Некоторые из них привязаны к конкретным судам, а другие являются гибкими и могут применяться к различным корпусам, механическим и электрическим конфигурациям.
Проектирование и строительство беспилотных надводных кораблей (БКА) сложны и сложны. Необходимо проанализировать и реализовать сотни решений, касающихся целей миссии, требований к полезной нагрузке, бюджета мощности, конструкции корпуса, систем связи, контроля и управления двигательной установкой. Строители судов с экипажем часто полагаются на поставщиков силовых установок и приборов из одного источника, которые помогают экипажу управлять судном. В случае судна без экипажа (или с частичным экипажем) строителю необходимо заменить элементы человеко-интерфейса на удаленный человеко-интерфейс.
Размер беспилотных надводных кораблей варьируется от 1 метра по длине до 20+ метров, а водоизмещение варьируется от нескольких килограммов до многих тонн, поэтому двигательные установки охватывают широкий диапазон уровней мощности, интерфейсов и технологий.
Типы интерфейсов (в широком смысле) в порядке размера/мощности:
Хотя многие из этих протоколов содержат требования к двигательной установке, большинство из них не возвращают никакой информации о статусе. Обратная связь о достигнутых оборотах может поступать от тахоимпульсов или от встроенных датчиков, генерирующих CAN или последовательные данные. Могут быть установлены другие датчики, например, датчики тока на электродвигателях, которые могут указывать подаваемую мощность. Безопасность является критически важной проблемой, особенно на высоких уровнях мощности, но даже небольшой гребной винт может привести к повреждению или травме, и систему управления необходимо проектировать с учетом этого. Это особенно важно в протоколах передачи судов с дополнительным экипажем.
Частой проблемой, с которой приходится сталкиваться при управлении USV, является достижение плавного перехода от полного хода назад к полному вперед. Суда с экипажем обычно имеют стопорный режим с широкой зоной нечувствительности вокруг положения остановки. Чтобы добиться точного управления дифференциальным рулевым управлением, система управления должна компенсировать эту зону нечувствительности. Двигатели внутреннего сгорания, как правило, работают через коробку передач с неизбежным внезапным переключением при включении коробки передач, которое должна учитывать система управления. Водометы являются исключением из этого правила, поскольку они плавно проходят нулевую точку. Электроприводы часто имеют встроенную подобную зону нечувствительности, поэтому снова необходимо спроектировать систему управления так, чтобы сохранить это поведение для человека на борту, но сгладить его для автоматического управления, например, для маневрирования на малой скорости и динамического позиционирования .
USV ценны в океанографии , поскольку они более маневренны, чем заякоренные или дрейфующие метеорологические буи , но намного дешевле, чем аналогичные метеорологические корабли и исследовательские суда , [3] [24] и более гибкие, чем коммерческие суда . [3] USV, используемые в океанографических исследованиях, как правило, приводятся в движение возобновляемыми источниками энергии. Например, планеры Wave используют энергию волн для основного движения [25] , тогда как парусные дроны и парусные буи используют ветер. Другие USV используют солнечную энергию для питания электродвигателей, например Data Xplorer; продукт компаний Open Ocean Robotics и Xocean. Морские космические корабли, работающие на возобновляемых источниках энергии, имеют солнечные батареи для питания своей электроники. Срок службы USV на возобновляемых источниках энергии обычно измеряется месяцами. [26]
Еще в начале 2022 года USV преимущественно использовались для мониторинга окружающей среды и гидрографических исследований [3] , и, по прогнозам, в будущем их использование, вероятно, будет расти в мониторинге и наблюдении за очень удаленными местами из-за их потенциала для междисциплинарного использования. [3] Низкие эксплуатационные расходы были постоянной движущей силой внедрения USV по сравнению с судами с экипажем. [3] Другие факторы, способствующие внедрению USV, со временем меняются, включая снижение риска для людей, пространственно-временную эффективность, выносливость, точность и доступ к очень мелководью. [3]
USV, работающие на невозобновляемых источниках энергии, являются мощным инструментом для использования в коммерческих гидрографических исследованиях . [14] Использование небольшого USV параллельно с традиционными исследовательскими судами в качестве «умножителя силы» может удвоить охват исследований и сократить время на месте. Этот метод был использован при съемке, проведенной в Беринговом море у побережья Аляски; Автономный надводный аппарат ASV Global «C-Worker 5» собрал 2275 морских миль, что составляет 44% от общего объема проекта. Это был первый случай в геодезической отрасли, который позволил сэкономить 25 дней в море. [27] В 2020 году британский USV Maxlimer завершил беспилотное исследование морского дна площадью 1000 квадратных километров (390 квадратных миль) в Атлантическом океане к западу от Ла-Манша. [28]
Парусный дрон — это тип беспилотного надводного транспортного средства, используемого в основном в океанах для сбора данных. [29] Парусные дроны работают на энергии ветра и солнца и оснащены набором научных датчиков и навигационных инструментов. Они могут следовать по набору удаленно заданных путевых точек. [30] Парусный дрон был изобретен Ричардом Дженкинсом , британским инженером, [31] основателем и генеральным директором Saildrone, Inc. Парусные дроны использовались учеными и исследовательскими организациями, такими как Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA), для исследования морской экосистемы. , рыболовство и погода. [32] [33] В январе 2019 года был запущен небольшой флот парусных дронов для попытки первого автономного кругосветного плавания над Антарктидой. [34] Один из парусных дронов завершил миссию, преодолев 12 500 миль (20 100 км) за семь месяцев путешествия, одновременно собирая подробный набор данных с помощью бортовых приборов для мониторинга окружающей среды. [35]
В августе 2019 года SD 1021 совершил самый быстрый беспилотный перелет через Атлантику от Бермудских островов до Великобритании, [36] а в октябре совершил обратный рейс, став первым автономным транспортным средством, пересекшим Атлантику в обоих направлениях. [37] В 2019 году Вашингтонский университет и компания Saildrone создали совместное предприятие под названием The Saildrone Pacific Sentinel Experiment, в ходе которого шесть парусных дронов разместились вдоль западного побережья США для сбора данных об атмосфере и океане. [38] [39]
Saildrone и NOAA разместили пять модифицированных судов класса «Ураганы» в ключевых точках Атлантического океана перед началом сезона ураганов в июне 2021 года . В сентябре SD 1045 находился на месте, чтобы получить видео и данные изнутри урагана Сэм . Это было первое исследовательское судно, когда-либо оказавшееся в центре сильного урагана . [40] [41]
Военное использование беспилотных кораблей в форме Огненного корабля восходит к глубокой древности.
USV использовались в военных целях еще в 1920-х годах в качестве кораблей-мишеней с дистанционным управлением , после разработки DCB во время Первой мировой войны . Ко Второй мировой войне их также использовали в качестве тральщиков.
Военные применения БПЛА включают в себя механизированные морские цели и поиск мин, [42] а также наблюдение и разведку, ударные операции и блокирование зоны действия или блокировку моря . [43] Также изучаются различные другие применения. Некоторые коммерческие USV могут использовать навигацию, соответствующую требованиям COLREG . [20]
В 2016 году DARPA запустило прототип противолодочной USV под названием Sea Hunter . Турецкая фирма Aselsan произвела катера с движущимися мишенями ALBATROS-T и ALBATROS-K для ВМС Турции для использования в учениях по стрельбе. [44] [45] Первым отечественным вооруженным USV (AUSV) Турции является ULAQ , [46] разработанный Ares Shipyard , Meteksan Defense Systems и Roketsan . ULAQ имеет на вооружении 4 Roketsan Cirit и 2 UMTAS . 27 мая 2021 года он успешно завершил свои первые огневые испытания. [47] ULAQ может быть развернут с боевых кораблей. Им можно управлять дистанционно с мобильных машин, штабов, командных центров и плавучих платформ. Он будет выполнять такие задачи, как разведка, наблюдение и разведка, наземная война, асимметричная война, вооруженное сопровождение, защита сил и безопасность стратегических объектов. Генеральный директор Ares Shipyard говорит, что в стадии разработки находятся самые разные версии ULAQ, оснащенные разным вооружением. [48] Его основным пользователем будут ВМС Турции.
Кроме того, военные применения средних беспилотных надводных кораблей (MUSV) включают разведку флота, наблюдение, рекогносцировку и радиоэлектронную борьбу. В августе 2020 года L3Harris Technologies получила контракт на строительство прототипа MUSV с возможностью размещения до девяти судов. L3Harris заключила субподряд с судостроительной компанией Swiftships из Луизианы на постройку судов водоизмещением около 500 тонн. [49] Прототип планируется завершить к концу 2022 года. Это первая программа беспилотных военно-морских платформ в этом классе кораблей, которая, вероятно, сыграет важную роль в поддержке стратегии распределенных морских операций [50] ВМС США. Ранее в 2014 году Swiftships в партнерстве с Университетом Луизианы построила класс малых USV Anaconda (AN-1), а затем и Anaconda (AN-2). [51]
13 апреля 2022 года США направили в Украину неуказанные «беспилотные корабли береговой обороны» на фоне российского вторжения в Украину в 2022 году в рамках нового пакета мер безопасности. [52]
BBC выдвинула версию, что при взрыве на Крымском мосту в 2022 году был использован беспилотный надводный аппарат . [53] После взрывов на этом мосту в июле 2023 года Антитеррористический комитет России заявил, что Украина использовала беспилотные надводные транспортные средства для атаки на мост. [54]
В декабре 2023 года Россия представила свой первый БПЛА-камикадзе под названием «Одуванчик». Сообщается, что морской беспилотник может нести до 600 кг взрывчатки, имеет дальность полета 200 км и скорость 80 км/ч. Его разработала компания «Кингисеппский станок». -Строительный завод. [55]
На церемонии, состоявшейся 9 января 2024 года, TCB Marlin поступил на службу в ВМС Турции в качестве первого боевого корабля USV с бортовым номером TCB-1101 и названием Marlin SİDA. [56]
29 октября 2022 года во время вторжения России в Украину украинские вооруженные силы совершили атаку несколькими УСВ на российские военные корабли на Севастопольской военно-морской базе . По данным Минобороны России , в атаке участвовали семь БПЛА при поддержке восьми БПЛА . Это мероприятие представляет собой первое использование беспилотных надводных транспортных средств в морской войне. [57] Naval News сообщило, что ни один из двух военных кораблей, пострадавших от небольших USV, российского фрегата и тральщика, получил незначительные повреждения. Однако военный эффект от нападения на защищенную гавань Севастополя превысил прямой ущерб, поскольку он привел к тому, что ВМФ России перешел в защитный режим, «по сути заперев их в порту.... Быстро были добавлены новые средства защиты, введены новые процедуры». и активности было гораздо меньше. Самые мощные военные корабли России в войне [к середине ноября] в основном стояли в порту». [58] Военно-морской институт США сообщил, что к декабрю 2022 года «Российский флот теперь знает, что он уязвим на своей главной военно-морской базе, что заставляет его еще дальше отступать в свою оболочку, усиливая оборону и снижая активность снаружи». [59] Вторая атака USV произошла в середине ноября в Новороссийске , также на Черном море , но гораздо дальше от оккупированной Россией территории, чем Севастополь. [60]
К январю 2023 года SpaceX ограничила лицензирование своей технологии спутниковой интернет-связи Starlink коммерческим использованием, исключая прямое военное использование в системах вооружения. Ограничение ограничило одно использование конструкции БМН, использовавшейся Украиной в конце 2022 года. В то же время Россия увеличила свои возможности в области малых взрывных БМН, которые использовались для тарана украинского моста 10 февраля 2023 года. К февралю новые российские возможности были ограничены. с БМП, а также ограничения связи на предыдущих украинских БПЛА могут повлиять на баланс в морской войне. По мнению Naval News, «Черное море, похоже, снова становится более дружественным к России». [61] Однако возможность более широкого использования БПЛА для воздействия на исход конфликта еще не решена, поскольку как физические ограничения существующих технологий, так и новые возможности противодействия БПЛА могут сделать эти суда уязвимыми. [62]
4 августа 2023 года десантный корабль класса «Ропуча » «Оленегорский горняк» получил серьезные повреждения на Черноморской военно-морской базе Новороссийск после удара украинского морского беспилотника с 450 килограммами тротила. [63] На снимке он сильно накренился набок, когда его буксировали обратно в порт. [64] В то время на борту находились около 100 военнослужащих. [65]
1 февраля 2024 года ракетный корвет «Ивановец» класса «Тарантул-III» затонул в бухте Донузлав после атаки украинских БПЛА. [66]
Военно-морская война в Черном море во время войны России с Украиной привела к принятию ряда контрмер против угрозы украинских беспилотных летательных аппаратов.
Из-за атаки беспилотников на Севастопольскую военно-морскую базу в октябре 2022 года российские войска предприняли несколько заблаговременных мер противодействия. Они обучили дельфинов защищать военно-морскую базу, а также использовали различные стрелы и сети, чтобы остановить дальнейшие нападения. Основным первым изменением к середине 2023 года стало использование ослепляющего камуфляжа , который, по данным агентства Reuters , «предназначен для маскировки курса и скорости корабля в море — с целью сбить с толку современных операторов дронов-смертников и спутников и помешать им легко идентифицировать важные корабли». ", а стрельба с вертолетов может быть использована для уничтожения украинских дронов во время атаки. [67] [68]
К декабрю 2023 года усилия России по противодействию украинским БМП в Черном море расширились и включили в себя: [69]
К январю 2024 года российские средства противодействия стали более эффективными, и ВМС Украины заявили, что некоторые наступательные тактики БПЛА, которые были разработаны в 2022 и 2023 годах, не будут работать в 2024 году. и что эта военная реальность привела к переменам на украинской стороне. Украина разрабатывает автономные подводные аппараты (АНПА) для повышения наступательных возможностей против улучшенной защиты российских БПЛА. [70]
1 февраля 2024 года российский корвет «Ивановец» был потоплен беспилотниками. [71] [72] [73] [74]
Новая область исследований изучает, может ли распространение беспилотных надводных кораблей повлиять на динамику кризиса или внутривоенную эскалацию. В исследовательском отчете по этому вопросу Центра военно-морского анализа предлагаются семь потенциальных проблем, связанных с военной конкуренцией, включая случайную, преднамеренную и непреднамеренную эскалацию. [75] Хотя недавние исследования изучали влияние беспилотных авиационных систем на кризисное управление, эмпирические данные по беспилотным наземным и подземным системам тоньше, поскольку эти технологии еще не получили широкого применения. [76] Согласно статье, опубликованной Reuters , стоимость этих дронов составляет 250 000 долларов США каждый. Они используют два ударных детонатора, взятых из российских бомб. При длине 5,5 метров они оснащены камерой, позволяющей управлять ими человеку, и используют водомет для движения с максимальной скоростью 80 километров в час и автономностью 60 часов. Учитывая их относительную дешевизну по сравнению с ракетами или бомбами, их можно использовать для массированных атак. Их низкий профиль также затрудняет попадание в них. [67]
Ожидается, что в будущем эти воды пересечет множество беспилотных грузовых кораблей. [77] В ноябре 2021 года в Норвегии был спущен на воду первый автономный грузовой корабль MV Yara Birkeland . Ожидается, что полностью электрический корабль существенно сократит потребность в поездках на грузовиках. [78]
В 2021 году первые в мире городские автономные суда « Робоаты » были задействованы в каналах Амстердама , Нидерланды. Корабли, разработанные тремя институтами, могли перевозить до пяти человек, собирать отходы , доставлять товары , следить за окружающей средой и обеспечивать «инфраструктуру по требованию». [79] [80] [ нужно обновить ]
Беспилотные надводные транспортные средства также могут помочь в выращивании морских водорослей и помочь снизить эксплуатационные расходы. [81] [82]