Большой взлёт: за полвека до запуска уникальной технологии

Фото: Shutterstock

Небольшой полётный контроллер современного квадрокоптера непрерывно следит за положением машины и корректирует работу двигателей. На одной компактной плате выполняются операции, для которых несколько десятилетий назад требовались гораздо более крупные электронные блоки. Пользователь видит результат этой работы как почти привычное действие: аппарат поднимается, выравнивается и передаёт изображение оператору. Но между ранними беспилотными комплексами и доступными сегодня машинами лежит не одно громкое открытие, а десятилетия работы специалистов из разных областей.

Как складывалась современная беспилотная авиация, почему квадрокоптер не падает при каждом порыве ветра и какие специалисты создают подобные комплексы — в интервью для проекта «Как это работает?», реализуемого при поддержке Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий, рассказал директор Центра технологической поддержки образования МАИ по направлению «Беспилотные летательные аппараты» Андрей Лямин.

Дрон и беспилотная авиационная система — не одно и то же

Словом «дрон» обычно называют сам аппарат: корпус, крылья или раму с винтами, двигатели и установленное на борту оборудование. Беспилотная авиационная система, или БАС, устроена шире. Она объединяет воздушное судно со средствами, без которых невозможно подготовить задание, провести полёт и получить результат. Если аппарат выполняет прикладную работу, к этому комплексу добавляется полезная нагрузка – камера, тепловизор, измерительный прибор, контейнер для груза или другой инструмент.

— БАС – это не беспилотник сам по себе, а целый комплекс. В него входят беспилотное воздушное судно, системы взлёта и посадки, контроля полёта и связи. Я видел подобные аппараты в 1994 году: тогда электроника представляла собой большие шкафы, а её масса, как мне говорили, превышала семь килограммов. Сегодня размеры процессоров и других компонентов сократились, поэтому тот же круг задач можно решать на гораздо более компактной платформе. Именно развитие микроэлектроники позволило перейти к аппаратам, которые мы видим сейчас, — подчёркивает Андрей Лямин.

Во время полёта все элементы образуют непрерывную цепочку. Датчики определяют положение и движение машины, бортовой вычислитель обрабатывает показания, алгоритм выбирает необходимое действие, а контроллеры меняют работу двигателей. Одновременно наземная станция получает телеметрию – сведения о координатах, высоте, скорости, заряде аккумулятора и состоянии оборудования. Оператор видит, что происходит с аппаратом, и при необходимости корректирует маршрут.

Система не сводится к радиоуправляемой модели, которой человек командует движением джойстика. Даже если маршрут задаёт внешний пилот – оператор, управляющий машиной с земли, – множество быстрых операций выполняется автоматически: аппарат удерживает высоту, компенсирует наклон и следит за направлением. С 1 марта 2026 года требования к организации линий управления гражданскими БАС регулируются отдельными федеральными авиационными правилами. Устойчивый канал обмена данными становится таким же необходимым элементом, как исправный двигатель или заряженная батарея.

Каких технологий не хватало первым беспилотникам

Уменьшение электроники стало необходимым, но не единственным условием. Современному беспилотнику нужно быстро оценивать обстановку и столь же быстро менять режим работы двигателей. Пока вычислительные устройства были тяжёлыми, а исполнительные механизмы реагировали медленно, построить небольшой устойчивый аппарат было трудно. Конструкция могла летать, но её размеры, стоимость и ограничения не позволяли превратить разработку в массовый продукт.

Ситуацию изменило распространение бесколлекторных электродвигателей. В таких машинах нет механического узла со щётками, который передаёт ток вращающейся части двигателя и постепенно изнашивается. Переключением тока управляет электроника, поэтому двигатель получается сравнительно лёгким, долговечным и удобным для точного регулирования. Рядом с ним работает электронный регулятор оборотов: он получает команды от полётного контроллера и дозирует питание так, чтобы винт ускорился или замедлился в нужный момент.

Третьим условием стали аккумуляторы, способные запасать достаточно энергии при приемлемой массе. Для наземной машины несколько лишних килограммов могут оказаться неприятным, но решаемым дополнением. В авиации каждый добавленный грамм нужно поднять и удерживать в воздухе, расходуя на это энергию. Облегчение батарей позволило уменьшить аппараты, увеличить продолжительность полёта и освободить часть допустимой массы для камер, датчиков и грузов.

Ни одно из этих направлений не работало изолированно. Компактный процессор бесполезен без двигателя, который способен точно выполнить его команду, а хороший двигатель не поможет, если тяжёлая батарея оставит слишком мало запаса для полезной нагрузки. Большой взлёт беспилотной авиации начался в момент, когда микроэлектроника, электрические машины, накопители энергии и программное управление достигли приемлемого уровня одновременно. Именно сочетание разработок, а не появление одного «главного» изобретения, изменило отрасль.

Почему квадрокоптер не падает

Эта синергия — процессоры, регуляторы, двигатели и аккумуляторы, достигшие зрелости одновременно, — сделала возможным устойчивый полёт многомоторного аппарата.

— У самолёта есть крыло, которое создаёт подъёмную силу при движении вперёд. У мультикоптера такой постоянной опоры нет: его удерживают в воздухе двигатели и винты. Чтобы повернуть, подняться или наклониться, аппарат должен ослабить одну группу двигателей и усилить другую. Все эти изменения происходят с очень высокой скоростью, поэтому без электроники и быстрого регулирования оборотов устойчивый полёт невозможен. Именно по этой причине развитие процессоров и регуляторов двигателей оказалось для мультикоптеров принципиальным», — объясняет Андрей Лямин.

При зависании суммарная тяга винтов должна уравновешивать вес машины. Если она становится больше, квадрокоптер поднимается, если меньше – снижается. На схеме это выглядит как простое сравнение двух сил, но реальный аппарат постоянно отклоняют движение воздуха, собственная инерция и изменение нагрузки. Поэтому нужное соотношение приходится пересчитывать на протяжении всего полёта.

Маневрирование тоже происходит за счёт перераспределения тяги. Чтобы наклониться вперёд, аппарат ненадолго усиливает работу задних двигателей относительно передних. Для движения в сторону похожим образом меняется соотношение между левыми и правыми винтами. Поворот вокруг вертикальной оси создаётся другой комбинацией: часть винтов вращается по часовой стрелке, часть – против неё, а контроллер меняет соотношение создаваемых ими крутящих усилий.

Человек не смог бы вручную рассчитывать каждую такую поправку. За состоянием машины следит инерциальный измерительный модуль – небольшой блок, в который обычно входят гироскопы и акселерометры. Гироскоп определяет скорость вращения корпуса вокруг его осей, а акселерометр фиксирует ускорение по трём направлениям; совместная обработка показаний помогает системе отличать наклон от движения и оценивать положение аппарата относительно вертикали. Полётный контроллер сопоставляет эти данные с командой и постоянно вычисляет, каким двигателям следует прибавить или убавить обороты.

Так работает обратная связь: система измеряет результат собственного действия, сравнивает его с требуемым состоянием и вносит новую поправку. Если порыв ветра наклонил аппарат, датчики фиксируют отклонение раньше, чем оператор успеет оценить картинку на экране. Контроллер меняет тягу и возвращает машину к заданному положению.

Когда беспилотник перестал быть дорогим экспериментом?

Между тем, работающая технология ещё не становится массовой автоматически. Пока электронные блоки, двигатели и системы связи изготавливались небольшими сериями, каждый комплекс обходился дорого, а его подготовка требовала значительных ресурсов. Применение оправдывалось в ситуациях, где человеку было опасно находиться или где присутствие экипажа резко усложняло конструкцию. Для повседневного осмотра поля, здания или линии электропередачи такая машина долго оставалась избыточной.

Серийное производство компонентов изменило не только цену, но и сам подход к проектированию. Разработчикам больше не приходится создавать все части аппарата заново: на рынке появились разные двигатели, контроллеры, датчики, аккумуляторные ячейки и модули связи. Из них можно подбирать конфигурацию под конкретную задачу, хотя окончательное изделие всё равно требует расчётов, настройки и испытаний. Беспилотник для картографирования, доставки небольшого груза и осмотра промышленного объекта будет отличаться полезной нагрузкой, временем полёта, требованиями к связи и допустимыми условиями эксплуатации.

У специализации есть прямой инженерный смысл. Камера высокого разрешения, громкоговоритель или измерительное оборудование увеличивают массу и потребляют энергию. Если устанавливать на один аппарат всё возможное оборудование, он станет тяжелее, дороже и будет проводить в воздухе меньше времени. Значительно выгоднее заранее определить работу машины и оставить на борту только те устройства, которые для неё необходимы.

— Изначально беспилотные системы предназначались для работы там, где человеку опасно находиться, куда его невозможно отправить или где его присутствие экономически нецелесообразно. Если на борту находится человек, ему нужно обеспечить дыхание, питание и другие условия, а каждый дополнительный килограмм усложняет машину. Сейчас диапазон задач изменился: беспилотники способны не только заменять человека, но и помогать ему. Это стало возможным, когда аппараты начали производить массово, их стоимость снизилась, а выбор оборудования расширился, — констатировал специалист.

Как летающая камера превратилась в рабочий инструмент

Первые массовые гражданские аппараты многие воспринимали прежде всего как летающие камеры. Однако фотография с высоты сама по себе редко решает прикладную задачу. Для картографирования снимки нужно привязать к координатам и объединить в точную модель местности; при осмотре оборудования — найти на изображениях признаки дефекта; в сельском хозяйстве — отличить реальное изменение состояния растений от тени, разницы освещения или ошибки датчика. Ценность возникает после того, как полёт превращается в воспроизводимый способ собирать и обрабатывать данные.

По этой причине современная беспилотная отрасль развивается на пересечении авиации, телекоммуникаций и информационных технологий. Аппарат должен пройти по заданному маршруту, получить данные с известной точностью, сохранить их или передать на землю, а программная система – подготовить результат, понятный специалисту. Иногда оператору требуется изображение в реальном времени, в других случаях важнее автономность и возможность обработать большой массив уже после посадки. Одинаковый по внешнему виду беспилотник может быть лишь носителем совершенно разных технологических процессов.

Почему разработку нельзя закончить после первого полёта

Успешный взлёт подтверждает лишь то, что аппарат способен оторваться от земли. Он ещё не доказывает, что двигатель сохранит характеристики после многократных запусков, аккумулятор выдержит рабочую нагрузку, датчики не начнут выдавать ошибочные показания, а система управления правильно отреагирует на отказ отдельного элемента. Для серийного применения разработчикам необходимо знать не только предельные возможности конструкции, но и то, как она ведёт себя в обычных режимах на протяжении длительного времени. Испытания должны превратить единичный удачный результат в повторяемую и проверяемую характеристику.

Поэтому агрегаты проверяют отдельно, а затем испытывают в составе комплекса. Так, например, в 2025 году в МАИ завершили разработку двух стендов: один предназначен для винтомоторных групп, включающих двигатель, воздушный винт и связанные с ними узлы, второй – для аккумуляторных батарей и их модулей. Первый позволяет измерять тягу, электрические и механические параметры, сравнивать разные конфигурации и автоматически прекращать опыт, если показатели выходят за безопасные пределы. Второй помогает оценивать состояние батарей и сохранять историю испытаний каждого изделия в централизованной базе.

Стенд нужен не для того, чтобы заменить настоящий полёт. В воздухе на аппарат одновременно действуют ветер, температура, вибрация, изменение нагрузки и другие факторы, которые трудно полностью воспроизвести в помещении. Зато лабораторная установка позволяет контролируемо менять один параметр и наблюдать его влияние. Если во время полёта снизилась тяга, инженеру предстоит понять, связана ли проблема с винтом, двигателем, питанием, перегревом или управляющим сигналом; отдельные испытания заметно сужают поиск причины.

Что пока ограничивает возможности беспилотников

Главное ограничение электрической авиации связано с запасом энергии. Самое очевидное решение – поставить батарею большей ёмкости, однако вместе с ёмкостью обычно растёт и масса. Двигателям приходится создавать дополнительную тягу, расход увеличивается, и часть ожидаемого выигрыша исчезает. Инженер ищет не крупнейший аккумулятор, который удастся разместить в корпусе, а сочетание массы, мощности, продолжительности полёта и полезной нагрузки.

Погода усложняет этот расчёт. Ветер требует постоянной коррекции и увеличивает расход энергии, низкая температура меняет работу аккумуляторов, осадки могут повредить электронику и ухудшить видимость для камер. Аппарат, уверенно выполняющий задачу в спокойный летний день, необязательно сохранит те же характеристики зимой или в порывистый ветер. Поэтому допустимые условия эксплуатации определяются испытаниями, а не впечатлением от одного удачного запуска.

Дальность тоже зависит не только от батареи. Беспилотнику необходимы навигационные данные и связь, достаточная для передачи команд и контроля его состояния. Чем дальше аппарат уходит от наземной станции, тем сложнее поддерживать устойчивый радиоканал; рельеф, здания и помехи могут сократить практическую дальность. Для полётов за пределами прямой видимости нужны дополнительные технические и организационные решения, а внедрение БАС приходится согласовывать с общей системой использования воздушного пространства.

Наконец, автоматизация не освобождает разработчиков от требований безопасности. Алгоритму необходимо заранее определить действия при потере связи, критическом снижении заряда, отказе датчика или отклонении от маршрута. Аппарат может вернуться в точку старта, перейти на резервный канал либо выполнить посадку в разрешённой зоне, но такой сценарий должен быть заложен и проверен до начала регулярной эксплуатации. Чем больше беспилотников появляется в небе, тем важнее становится предсказуемость их поведения.

Государственная повестка и вызовы отрасли

Развитие беспилотных авиационных систем в России соответствует задачам федерального проекта «Кадры для беспилотных авиационных систем» и Стратегии развития беспилотной авиации до 2030 года (Распоряжение Правительства № 1630-р). Сегодня отрасли нужны специалисты, владеющие аэродинамикой, электроникой, программированием и связью. В МАИ открыты программы по системам управления, интеллектуальной навигации и проектированию беспилотников; для школьников и студентов действуют проектные лаборатории и центры дополнительного образования. Подготовка внешних пилотов-инструкторов уже ведётся, что подтверждает переход отрасли от единичных экспериментов к плановой кадровой политике.

Несмотря на прогресс, технология сталкивается с системными вызовами: сложность сертификации, зависимость от погодных условий, ограничения по времени полёта и нехватка унифицированных стандартов связи. Особенно остро стоит вопрос интеграции беспилотников в общее воздушное пространство, где одновременно работают пилотируемые суда, а также проблема защиты каналов управления от помех и несанкционированного доступа. Решение этих задач требует совместной работы инженеров, программистов, испытателей и системных архитекторов – именно таких специалистов готовят университеты и промышленные партнёры.

Кто создаёт беспилотную авиацию

За компактным корпусом скрывается работа специалистов, которых раньше не всегда связывали с одной отраслью. Авиационные конструкторы рассчитывают форму, прочность и компоновку аппарата; инженеры по системам управления создают алгоритмы стабилизации и движения; электронщики разрабатывают бортовые устройства и силовые преобразователи. Специалисты по связи обеспечивают обмен данными, энергетики работают с двигателями и аккумуляторами, программисты обрабатывают телеметрию и информацию с полезной нагрузки. Отдельные команды отвечают за испытания, сертификацию, техническое обслуживание и эксплуатацию.

Школьнику, которого интересует эта область, пригодятся физика, математика и информатика, однако конкретная образовательная траектория зависит от будущей роли. В МАИ действуют программы по системам управления беспилотными летательными аппаратами, интеллектуальным навигационным и информационно-измерительным системам и проектированию авиационной техники. Они различаются набором дисциплин: будущий конструктор глубже изучает аэродинамику и прочность, разработчик автоматики – математическое моделирование и управление, специалист по авионике – датчики, навигацию и электронные системы. Выбор программы поэтому лучше начинать не с общего желания «заниматься дронами», а с вопроса о том, какую часть сложного комплекса хотелось бы создавать.

Войти в сферу можно и после получения первой профессии. Программы дополнительного профессионального образования Центра БАС МАИ охватывают эксплуатацию и обслуживание аппаратов, подготовку полётных заданий и работу с наземными средствами управления. В 2025 году университет также подготовил группу внешних пилотов-инструкторов для тяжёлых беспилотников. Отрасли нужны не только разработчики новых машин, но и люди, которые умеют безопасно готовить их к полёту, оценивать состояние оборудования и обучать других специалистов.

Полвека развития беспилотной авиации нельзя свести к уменьшению электронного шкафа до размеров небольшой платы. Одновременно менялись двигатели, накопители энергии, датчики, каналы связи, вычислительные методы и представления о том, какие задачи разумно передавать машине. Летательный аппарат стал массовым тогда, когда вокруг него сформировалась целая технологическая среда – от серийного производства компонентов до подготовки операторов и правил использования воздушного пространства. Большой взлёт начался задолго до того, как беспилотники стали привычной частью неба: сначала инженерам пришлось научить множество разных систем работать как одно целое.