M@hdi42
14th December 2013, 09:09 PM
درس هايي از برنامه ي توسعه ي پهپـاد در ناسـا
درس هايي از برنامه ي توسعه ي پهپـاد در ناسـا
استيون اس. ويگنر، مدير پروژه - مركز تحقيقات ناسـا ايمز، كاليفرنيا
سوسن ام. شونونگ، مدير پروژه
ترجمه: عليرضا عليحسيني
چكيده
در طول تابستان 2002 ناسـا دو مأموريت آزمايشي پهپادها را به انجام رساند. اين مأموريتها در راستاي اثبات امكان استفاده از پهپادها در انجام مأموريتهاي خطير تحقيقات علمي (تحقيقات جوّ) شكل گرفتند. يكي از اين مأموريتها مربوط به مطالعهي جريان برق در تودههاي متراكم ابر (ACES: Cumulus Electrification Study) بود كه با موفقيت انجام گرفت. در اين مأموريت، آذرخشهايي كه در نزديكي جزاير غربي فلوريدا در فصل توفان صورت ميگيرد، با استفاده از پهپاد بلند پرواز آلتوس اندازهگيري شد. در ديگر مأموريت، پهپاد خورشيدي پثفايندر، تصاوير دقيقي را از مزارع قهوهي كائوآي تهيه كرد تا به كمك آنها بتوان زمان مناسب براي برداشت محصول را تشخيص داد.
در اين مقاله، درسهايي در رابطه با استفاده از پهپادها در مأموريتهاي تحقيقاتي در حوزههاي زير ارائه گرديده است:
عملكرد دو پهپـاد مذكور؛
محمولههاي لازم براي دريافت دادههاي كنترل از راه دور؛
عمليات در فضاي (منطقه) هوايي ملّي؛
مديريت عمليات.
همچنين در اين مقاله، توضيحاتي در رابطه با برنامههاي توسعهي فنّـاوري در آينده و مأموريتهاي ناسـا در زمينهي هواپيماهاي بدون سرنشين ارائه ميشود.
پيشزمينـه
گزارش تحقيقاتي ناسـا (گزارش برنامهي توسعهي علمي پهپاد، كد NRA 00-OES-02) در سال 2000 ارائه گرديد. اهداف اين برنامهي تحقيقاتي عبارت بود از:
هدايت تحقيقاتِ با كيفيت بالا كه از قابليتهاي منحصر به فرد پهپادها استفاده ميكند؛
اثبات سودمندي و مفيد بودن پهپادها براي مشاهدات و اندازهگيريهاي جوّي؛
اعتمادسازي نسبت به پهپادها از طريق برنامههاي توسعهاي مفيد و تحقيقاتي.
انتخاب دو مأموريتي كه پيشتر ذكر شدهاند، بر اساس معيارهاي گزارش تحقيقات ناسـا، شامل ارزش تحقيقاتي، اهميت منحصر به فرد پهپاد، ريسك و هزينه صورت گرفته است. لازم به ذكر است كه مجوزهاي اين دو مأموريت در بهار 2001 داده شد و در اواسط سال 2002 دو عمليات آزمايشي پيش از به كارگيري نهايي انجام گرفت. اين مقاله، درسهايي را از فاز قبل از توسعه و فاز توسعه نشان ميدهد. شايان ذكر است كه تحليل دادههاي فاز قبل از توسعه، هنوز در حال پيشرفت است.
مطالعهي جريان برق در تودههاي متراكم ابر توسط تيمي از مركز پرواز فضايي مارشال ناسـا (MSFC: NASA Marshall Space Flight Center) هدايت ميشد. آنها از پهپاد جنرال اتميكس آلتوس براي تعقيب ميدانهاي الكتريكي و ديگر اندازهگيريها در مجاورت توفانهاي آذرخشي استفاده كردند. لازم به ذكر است كه پايگاه عمليات آنها، مركز هوايي- دريايي جزاير غربي فلوريدا (NAFKW: Naval Air Facility Key West ) بود.
از طرف ديگر، آزمايش بهينهسازي برداشت محصول به كمك پهپادها توسط دانشگاه كلارك و تيمي از مركز تحقيقات ايمز ناسـا رهبري ميشد. آنها براي تعيين ميزان رسيدگي مزارع قهوه در مناطق اختصاصي، پهپاد پثفايندر پلاس خورشيدي را بر فراز مزارع قهوه در كائوآي به پرواز درآوردند تا اين پهپاد اطلاعاتي را توسط علائم مرئي و نامرئي به دست آورد. اين اطلاعات براي بهينهسازي برداشت محصول مورد استفاده قرار ميگرفت. گفتني است كه اين پهپاد از طريق پايگاه موشكي در جزيرهي كائوآي پرتاب شد.
مدارك و مستندات مربوط به درسهايي از توسعهي پهپادها در ناسـا، توسط تيمهاي تحقيقاتي با كمك اطلاعاتي كه از سازندگان اين پهپادها اخذ شده، آماده شدهاند (گزارشهايي تحت عنوان "درسهايي كه آموخته شد"، از جمله گزارشهاي استاندارد در ناسا ميباشد كه پس از انجام هر پروژه توسط كارشناسان تهيه ميشود و طي آن تجربيات تيم مكتوب ميشود – مترجم).
اهداف اين گزارش به قرار زير است:
ارائهي راهنمايي براي كاربران آيندهي پهپادها در استفاده از اين وسايل براي مقاصد تحقيقاتي و كاربردي؛
شناسـايي نيازها و ارائهي پيشنهادهايي براي توسعه و تحقيق در زمينهي سيستمها، حسگرها و سامانههاي پهپادها؛
ايجاد پسخور به سازندگان و خدمات دهندگان پهپادها براي مأموريتهاي آينده.
دستاوردهاي تحقيقاتي
هر دو مأموريت مزارع قهوه و مطالعهي جريان برق در تودههاي متراكم ابر، در رسيدن به اهداف تحقيقاتي و كاربردي ناسـا بسيار سودمند بود. در آگوست سال 2002، سيزده پرواز براي آزمايش مطالعهي جريان برق در تودههاي متراكم ابر توسط پهپاد آلتوس انجام شد. اين پروازها، بيش از سي ساعت اطلاعات هواسنجي (آب و هوايي) و ميدان مغناطيسي را در مجاورت توفانهاي آذرخشي جنوب فلوريدا جمعآوري كردند. پهپاد آلتوس به خاطر قابليتهاي ارتفاعي و مداومت پروازياش قادر به پرواز در اطراف و بالاي جو است. اين پهپاد همچنين اثرات الكتريكي كمي در محيط اطراف ميگذارد و خصوصيات قابل قبولي براي مأموريتهاي هواشناسي دارد. از خصوصيات منحصر به فرد پهپاد آلتوس، ميتوان به قابليت تعيين موقعيت پهپاد بر روي يك نمايشگر در شرايط واقعي جوّ اشاره كرد. لازم به ذكر است كه نرمافزاري كه براي اين نمايشگر بهكار ميرود توسط مركز پرواز فضايي مارشال ناسـا توسعه داده شده است و هماكنون براي ديگر كاربران اين پهپاد و يا هواپيماهاي ديگر قابل دسترس است. يك نما از صفحهي اين نمايشگر در شكل 1 نشان داده شده است. جزييات بيشتر در رابطه با آزمايشهاي تحقيقاتي در مراجع 1 و 2 آمده است.
http://up.arteshi.com/uploads/138183002834389_fig1.jpg
شكل 1 - نمايشگر اين نرمافزار موقعيت پهپاد آلتوس را نسبت به جو اطراف نمايش ميدهد.
مأموريت پرواز بر فراز مزارع قهوه، براي اثبات ارزش پهپاد با مداومت پروازي زياد و سرعت كم در كاربردهاي مشاهدات مناطق دور دست (كنترل از راه دور) طراحي شده بود. در سپتامبر 2002 آزمايش به طور خاص بر روي مناطق كشاورزي متمركز شده بود. پهپاد پثفايندر پلاس به خاطر پرواز آهستهاش قادر بود عكسهاي هوايي از مزارع قهوهي كائوآي بگيرد. حتّي اگر در روزي 70% آسمان پوشيده از ابر باشد، با دستكاري در هواپيما براي گشايش در ابرها، در دورهي چندين ساعته ميتوان تصاوير هوايي را گرفت. شاخصهاي مربوط به رسيدن محصولات، از تصاوير زمان واقعي استخراج ميشود. مالكان مزارع مستقيماً از اين دادهها براي برنامهريزي در مورد زمان برداشت محصولاتشان استفاده ميكنند. در شكل 2 نمايي از مزرعهي قهوهاي كه از تركيب عكسهاي مختلف به وجود آمده، نمايش داده شده است. جزئيات بيشتر در رابطه با آزمايش، در مراجع 3 و 4 قابل دستيابي است.
http://up.arteshi.com/uploads/138183013112300_fig2.jpg
شكل 2- مزارع قهوه در كائوآي - تركيبي از تصاوير با وضوح بالا
طراحي و عمليات محموله
در هنگام پرواز پهپاد، از آنجا كه خلباني در پشت صفحه كنترل نيست تا وسايل اندازهگيري را كنترل كند، محمولهي حسگر به صورت خودكار و از راه دور كنترل ميشود. در واقع سسيتمهاي خودكار، حسگرها را در مواقع نياز فعال ميكنند و اطلاعات اخذ شده توسط آنها را ثبت ميكنند. در هر دو آزمايش مزارع قهوه و مطالعهي جريان برق در تودههاي متراكم ابر، حسگرها از راه دور و يا به عبارتي توسط فرامين صادره از زمين كنترل ميشدند. براي پهپاد آلتوس (مأموريت مطالعهي جريان برق در تودههاي متراكم ابر)، سيگنالهاي فرمان از طريق سيستم انتقال اطلاعات هواپيما و براي پهپاد پثفايندر (مأموريت پرواز بر فراز مزارع قهوه)، سيگنالهاي فرمان مستقيماً توسط شبكهي بيسيم، به حسگرهاي هواپيما منتقل ميشده است.
به دليل نبود نيروي انساني متخصصي كه در كنار صفحهي كنترل هواپيما قرار بگيرد و وضعيتها را چك كند، آلات دقيق را روشن يا خاموش كند و يا اطلاعات را جمعآوري كند، تمام اين فرايندها بايد به صورت خودكار طراحي شده و پيش از پرواز توسط تجهيزات پيشرفتهاي آزمايش شوند. اين يك فعاليت مهم در پروژههاي تحقيقاتي پهپادها است. به علاوه، اگر دادههاي شرايط واقعي در روي زمين مورد نياز و يا مطلوب باشند، آنگاه سيستم انتقال داده نيز مورد نياز خواهد بود.
خوشبختانه پيش از اين مأموريتها و براي هر دو آزمايش، نمونههاي اوليهاي از محمولههاي حسگر توسط هواپيماهاي سرنشيندار و بدون سرنشين آزمايش بود و عملكرد مناسب آنها از راه دور به اثبات رسيده بود. اين مسأله سبب شد تا مرحلهي طراحي نهايي، به دليل وجود آشنايي قبلي با اين حسگرها، آسانتر گردد.
محمولهي پهپاد آلتوس شامل انواعي از حسگرهاي الكتريكي، مغناطيسي و نوري براي به دست آوردن ديدي جزئي از فرآيندهاي الكترومغناطيسي، در طي وقوع يك سيكل آذرخش، ميباشد. به علاوه بسياري از محصولاتي كه در مشاهده و يا پيشبيني وضعيت هوا به كار گرفته شدند (محصولاتي نظير رادار هواشناسي دبليواسآر-88دي، تصاوير ماهوارهي جياُ اياِس و اطلاعات صاعقههايي كه از ابرها به زمين برخورد ميكنند) توسط شبكهي جهاني اينترنت، كه در پروژهي مطالعهي جريان برق در تودههاي متراكم ابر مورد استفاده قرار گرفته بود، حاصل شدند. اين دادهها در كنار دادههاي وضعيت هواپيما براي برنامهريزي مأموريت و اجراي آن به كار گرفته شدند. تركيب دادهها در برنامهريزي براي مأموريت و نيز مشاركت خلبانان و متخصصين پرواز در ايستگاه زميني يكي از نقاط روشن و قابل توجه در تجربيات مربوط به آزمايش اين هواپيماها بود.
براي پهپاد پثفايندر (مأموريت مزارع قهوه)، محمولهي سيستمي شامل دو دوربين ميشد كه يكي دوربيني با كيفيت تصويري بالا و ديگري دوربين مادون قرمز بود. اين دوربينها براي پوشش كامل طيفي و فاصلهاي به صورت همزمان و نيز براي جبران خطاهاي يكديگر در دادههاي اوليه، انتخاب شده بودند. اين محمولهها، متناسب با شرايط خاص ناحيهي استراتوسفر از نظر فشار و دماي محيط، و نيز متناسب با محدوديتهاي شديدي كه در رابطه با توان مصرفي، حجم و وزن آنها وجود داشت و براي انجام عمليات از دور طراحي شده بودند. كاهش حجم محمولهها بزرگترين چالش براي اين پروژه بود و لذا موفقيت در اين عمليات، بزرگترين دستاورد محسوب ميشد. در مورد دوربينهايي كه در مأموريت مزارع قهوه به كار ميروند، لازم بود تا بر روي يك سيستم سرنشيندار تست شوند. استفاده از هواپيماهاي سرنشيندار و يا سايتهايي كه براي تست چنين سيستمهايي طراحي نشده بودند، خود همراه با مسائل و مشكلات زيادي بود كه حل آنها به زمان زيادي نياز داشت.
يكپارچهسازي محموله و تست آن با پهپاد بايد در قالب يك مأموريت واقعي انجام گيرد؛ چرا كه فقط در اين شرايط ميتوان عملكرد آلات دقيق، كنترل و فرمان، تداخل سيگنالهاي هواپيما و محموله و نيز دريافت اطلاعات را مورد بررسي قرار داد. تيم مطالعهي برق در تودههاي متراكم ابر، تست محموله را يك ماه قبل از مأموريت اصلي توسط هواپيمايي ديگر انجام داد. از طرف ديگر، تيم مزارع قهوه، در جنوب كاليفرنيا و در روي زمين، دستگاهها را بر روي پثفايندر پلاس سوار كرد. تست اختلال در سيگنال نيز چندين ماه قبل از مأموريت انجام شد و چند روز قبل از آزمايش پرواز در كائوآي مورد بررسي مجدد قرار گرفت.
عملكرد سامانه
مركز پرواز فضايي مارشال، براي آزمايش مطالعهي جريان برق در تودههاي متراكم ابر، پهپاد جنرال اتميكس آلتوس را كه پيش از اين در آزمايش اسبيآيآر با بار مشابه به پرواز درآورده شده بود، برگزيد. اين پهپاد، قدرتش را از موتور پيستوني توربوشارژ دوگانه (dual turbocharged) براي رسيدن به ارتفاع 60000 پا ميگيرد. پهپاد آلتوس قادر است در ارتفاع بيش از 50000 پا براي مدت 5 تا 6 ساعت پرواز كند و نيز ميتواند بيش از 150 كيلوگرم بار را حمل كند. اين پهپاد در شكل 3 نشان داده شده است.
آلتوس، در آزمايشهاي انجام شده عملكرد خوبي را به نمايش گذاشت؛ از اين حيث كه توانست به ارتفاع مورد نظر برسد و مداومت پروازي و برد كافي را براي رسيدن به آذرخشهايي كه بر فراز جنوب فلوريدا رخ ميدهد (از پايگاه مأموريت مستقر در پايگاه هوايي دريايي جزاير غربي)، از خود نشان داد. موتور آلتوس يكي از معدود موتورهايي است كه شركت ژنرال اتميكس آن را قابل مقايسه با موتور ماشينهاي مسابقه ميداند. اما تعمير و نگهداري اين موتور بسيار سخت و قابليت اطمينان آن نسبتاً پايين ميباشد. به طوري كه زمان بسيار زياد و فرصتهاي خوبي كه ميتوانست براي پروازهاي علمي و تحقيقاتي مورد استفاده قرار گيرد، به دليل كار بر روي موتور هواپيما و آمادهسازي آن از دست رفت.
http://up.arteshi.com/uploads/138183025121134_fig3.jpg
شكل 3- پهپاد آلتوس
دانشگاه كلارك، براي آزمايش بهينهسازي برداشت محصول در مزارع قهوه، پهپاد پثفايندر پلاس خورشيدي را برگزيد. اين پهپاد قبلاً از پايگاه موشكي پياِمآراِف به پرواز در آمده بود و در واقع، چندين پرواز موفقيتآميز براي ديگر خريداران، قبل از مأموريت مزارع قهوه انجام گرفته بود. پثفايندر پلاس ميتواند در ارتفاع بالاتر از 60000 پا پرواز كند. امّا در مأموريت مزارع قهوه، از آنجا كه ميخواست تصاوير دقيقي از مزارع قهوه بگيرد، فقط تا ارتفاع 21000 پا پرواز كرد. اين پهپاد بر فراز كائوآي در شكل 4 نشان داده شده است.
در روز پرواز، پثفايندر پلاس بدون عيب پرواز كرد و مانور دقيقي را به اجرا درآورد. پرواز اين پهپاد و گرفتن تصوير از بالاي ابرها، موفقيت مهمي در مديريت مزارع قهوه محسوب ميشد. تمام عملياتي كه اين پهپاد انجام داد با موفقيت همراه بود. از طرف ديگر اين پهپاد داراي بالهاي سبكي است كه محدوديتهاي زيادي را براي پرواز آن ايجاد ميكنند. شرايط آب و هوايي در پايگاه پياِمآراِف، باعث لغو چندين فرصت پروازي اميدواركننده شد. از هر دو يا سه پروازي كه اميد ميرفت با موفقيت انجام شود، تنها يك پرواز تحقيقاتي به طور كامل انجام شد.
http://up.arteshi.com/uploads/138183035811478_fig4.jpg
شكل 4- پهپاد پث فايندر پلاس بر فراز منطقه ي كائوآي
برخي از درسهايي كه از عملكرد اين پهپاد گرفتيم، عبارتند از:
اگر پهپادها قبلاً آزمايش شوند، اطلاعات و آگاهيها براي مأموريتهاي تحقيقاتي افزايش مييابد؛
شرايط پرواز مانند شرايط آب و هوايي، از پارامترهاي تأثيرگذار در پرواز برخي پهپادها در يك روز مشخص هستند؛
براي موفقيت، داشتن يك تيم پرواز با تجربه و با عمق فكري مناسب، لازم است. اين تيم شامل تكنسينها، خلبانان و مديران پروژه ميباشد؛
براي موفقيت و ايمني آزمايش، دادههاي كامل از عملكردهاي قبلي پهپاد لازم است؛
بحث و گفتگو با ارائهدهندگان قبلي اين گونه درسها در خصوص ريسكها و كاهش ريسك، براي آماده شدن در اين زمينه و اجتناب از مشكلات و مسائل تكراري، بسيار سودمند است؛
يكپارچهسازي محموله با پهپاد و تست اختلال در سيگنال بايد تا حد امكان جلوتر از انجام مأموريت اصلي انجام شود؛
به دليل اينكه اين پهپادها توسط كشتي به محل پرتاب منتقل شدهاند (به جاي اينكه تا آنجا پرواز كنند)، ميبايد در مورد نحوهي انتقال با كشتي و مسائل مرتبط با آن تدابير لازم انديشيده شود.
پرواز در منطقه ي هوايي ملي
پهپادهاي جنرال اتميكس آلتوس و پثفايندر پلاس در هر دو مأموريت مطالعهي جريان برق در تودههاي متراكم ابر و مزارع قهوه، از پايگاههاي نظامي به سمت منطقهي هوايي محدودي به پرواز درآمدند و سپس به منطقهي هوايي ملّي منتقل شدند. اين پايگاهها همگي در يك منطقه انتخاب شده بودند؛ زيرا آنها بر اين عقيده بودند كه بايد دسترسي به برنامههاي اداره شده توسط ناسـا آسانتر گردد. دليل ديگر، آسان كردن پرتاب و فرود در منطقهي انحصاري بود تا پهپاد بتواند به منطقهي هوايي كنترل شده توسط كنترل ترافيك هوايي (ATC: Air Traffic Control) برسد.
مجوز پرواز در منطقهي هوايي ملّي(كنترل نشده توسط ارتش) توسط ادارهي هوانوردي فدرال (FAA: Federal Aviation Administration) داده ميشود. اين اداره در حال آشنا شدن بيشتر با پهپادها است و در بسياري از ناحيهها به كار با تيمهاي پهپاد براي كسب گواهينامهي اختيار (COA: Certificate of Authorization) ، متمايل شده است. اين گواهينامه تعيين ميكند كه پهپاد در كجا و تحت چه شرايطي قادر است به منطقهي هوايي ملّي وارد شود. در هر دو منطقهاي كه اين آزمايشها انجام گرفت، آزمايشهاي قبلي پهپاد مجاز شناخته شده بودند. پروازهاي قبلي هواپيماي خورشيدي از پايگاه پياِمآراِف توسط مركز هونولولو، و پروازهاي پيشين پهپاد آيروسوند در طول برنامهي Crystal-FACE در سال 2001 توسط مركز ميامي مجاز شناخته شده بودند.
همكاري با ادارهي هوانوردي فدرال در هر دو مورد موفقيتآميز بود؛ زيرا تيم تحقيقاتي، در ابتدا براي حل شرايط لازم پرواز، با اين اداره به بحث و گفتگو پرداخت. براي مأموريت مطالعهي جريان برق در تودههاي متراكر ابر، اگر چه ژنرال اتميكس گواهينامهي اختيار را مطالبه كرد، اما تيم تحقيقاتي صميمانه در مورد مقاصد پرواز با آنها به بحث و گفتگو پرداخت تا آنان را مطمئن سازد كه ميتوانند دادههاي تحقيقاتي لازم را به دست آورند. براي مأموريت مزارع قهوه كه توسط پثفايندر ساخت آيرووايرنمنت انجام شد، تيم تحقيقاتي يك رايزن (كارمند سابق ادارهي هوانوردي فدرال) را استخدام كرد تا فرايند اخذ گواهينامهي اختيار را طي كند. مسؤولين آيرووايرنمنت در گذشته، خودشان اين تقاضا را اعلام ميكردند، اما راههايي كه توسط تيم تحقيقاتي نيز پيگيري شد، موفقيتآميز بود.
اين برنامه نشان داد كه اگر تيمي بسيار خوب كار كند و بتواند ارتباطات خوبي را برقرار كند، بقا مييابد؛ زيرا ادارهي هوانوردي فدرال ميتواند منعطف عمل كند. در واقع ادراهي هوانوردي فدرال، به منظور كمك به انجام برنامههاي تحقيقاتي، استثنائاتي را از برنامههاي پروازي تاييد شده در شرايط واقعي در طي هر دو آزمايش پذيرفت. در طول يكي از پروازهاي بعديِ مطالعهي جريان برق در تودههاي متراكر ابر، ادارهي هوانوردي فدرال به آلتوس اجازه داد تا قبل از رسيدن به ارتفاع 40000 پا (محدوديت قانوني) تا منطقهي هوايي ملّي پرواز كند به طوري كه سامانهي پهپاد بتواند سريعتر به توفان آذرخشيِ در حال گسترش بر فراز علفزارهاي جنوب غربي فلوريدا برسد. در پرواز قبلي، وسايل آنچنان خوب كار كرده بودند كه ادارهي هوانوردي فدرال به راحتي اين استثنائات را پذيرفت. در طي پرواز پثفايندر پلاس بهتر بود كه براي گرفتن تصاوير، ابري در آسمان نباشد. اگر چه به دليل وجود ابرها بر فراز مزارع قهوهي كائوآي اين خواسته برآورده نشد، اما ادارهي هوانوردي فدرال به اين پهپاد اين اجازه را داد تا براي گرفتن تصاوير بهتر، مسيرهاي تصادفي ديگري را كه پيش از پرواز تعيين نشده بودند بر فراز مزارع طي كند. مسير پرواز واقعي، در شكل 5 نشان داده شده است.
در تعيين يك پايگاه براي عملياتهاي پرواز پهپاد، بررسي تجربههاي تيمهاي UAVSDP جالب توجه است. تا به حال هواپيماهاي خورشيدي ساخت شركت آيرووايرنمنت (پثفايندر، پثفايندر پلاس، سِنتريون و هليوس) فقط از پايگاههاي نظامي (پايگاه اِدواردز اِياِفبي و پايگاه پياِمآراِف) به پرواز در آمده بودند. تيم پهپاد آلتوس، در ابتدا قصد داشت تا اين پهپاد را از پايگاه پاتريك اِياِفبي به پرواز در آورد. اين انتخاب تا يك اندازه به خاطر موقعيت اين پايگاه بود. اما به دليل اينكه براي ناسـا برقراري ارتباط با بخش نظامي سادهتر از بخش غيرنظامي است، پهپاد آلتوس، سرانجام از تأسيسات هوايي دريايي جزاير غربي فلوريدا به پرواز درآمد. از آنجا كه نيروي دريايي با پهپادها و عملياتهاي هواپيمايي ناسـا آشنا بود، تيم تحقيقاتي ميتوانست مجوز پرواز را نسبتاً آسانتر به دست آورد. البته اين گمان كه تأسيسات نظامي، پايگاههاي خوبي براي عمليات هستند مورد ترديد قرار دارد.
http://up.arteshi.com/uploads/138182957433853_fig5.jpg
شكل 5- مسير پرواز پهپاد پثفايندر پلاس بر فراز مزارع قهوهي كائوآي
بر اساس تجربيات كسب شده در اين برنامه، عيبهاي ناگفتهي پرواز از پايگاه نظامي، معرفي ميشوند. برخي از مشكلات بالقوه عبارتند از:
برنامهريزيها در معرض لغوشدن هستند؛ كارمندان اين پايگاهها مكرراً در تغيير هستند؛ نگرانيهاي امنيتي ممكن است افزايش يابد؛ دريافت فركانسهاي راديويي مشكل هستند؛ قواعد ميتواند به طور ناگهاني تغيير كند؛
تأسيسات نظامي قادر به بررسي كامل مسائل مرتبط با آزمايش پرواز نيستند؛
براي اعضاي تيم بايد خط اختصاصي اينترنت فراهم كرد؛ زيرا خطوط اينترنت نظامي داراي فيلترهاي متعددي است.
مديريت مأموريت
برنامهريزي مأموريت، همواره مهمترين قسمت از مأموريت تحقيقاتي است. اين گفته مخصوصاً براي پهپادها، كه آزمايشها و تجربههاي محدودي در مورد آنها وجود دارد، صادق است. يك تيم تحقيقاتي براي آمادگي كامل در انجام مأموريت، نياز به آشنايي نزديك با پهپاد، عملكرد آن و خدماتدهندگان آن دارد. در مورد برنامهي UAVSDP، هردو تيم تحقيقاتي به طرحهاي كاربردي، قبل از ارائهي طرح نهايي نياز داشتند. اين طرحهاي كاربردي، اكثر موضوعات برنامهريزي مأموريت را فهرستبندي كردند و بنابراين تعدادي از اين برنامهريزيها حتّي قبل از شروع پروژهها انجام شدند. طرحهاي كاربردي ميتوانستند به عنوان يك الگو براي فعاليتهاي برنامهريزي مأموريت در آينده مورد استفاده قرار گيرند.
برخي از درسهاي ويژه كه در اين رابطه آموخته شد:
وظايف و نقش هر واحد را پيش از شروع پروژه و در فاز پروپوزال مشخص كنيد؛
تعهدات و مسؤوليتها را در پروپوزال تعيين كنيد؛
مواردي كه اعضا و متخصصين ميتوانند نه! بگويند را تعيين كنيد؛
اگر مواردي كه اعضا و متخصصين ميتوانند نه! بگويند، يا ديگر عملياتهاي مأموريتي بر پايهي مأموريتهاي قبلي بنا شده باشند، بايد در اين معيارها براي داشتن ارتباط در مأموريت جاري، تجديد نظر شوند.
به دليل ماهيت برنامههاي ناسـا، هر تيم توسط بازپرس ويژه (PI: Principal Investigator) كه مسؤول تمام جوانب مديريت مأموريت بود، رهبري ميشد. همچنين براي اين آزمايشها «مدير مأموريت» توسط ناسـا براي تعامل با تيم متخصصين تعيين نشده بود و بازپرس ويژه با مدير پروژه و ديگر اعضاي تيم همكاري ميكرد. تيم بازپرس ويژه، مستقيماً با فراهمكنندگان پهپاد و ساير پيمانكاران مواجه بود. اگرچه تمام اعضاي تيم در هر دو آزمايش، براي رسيدن به موفقيت به صورت يك كميته در آمده بودند، امّا براي هر دو تيم، مسألهي مديريت مأموريت چالشهاي خاصي را ايجاد كرده بود.
در اينجا نكاتي براي مديريت پروژهي مأموريتهاي آيندهي پهپادها آمده است. اول اينكه وجود يك مدير پروژهي تمام وقت در تيم تحقيقاتي براي به كار بردن تمام آرايشهاي مأموريت، ضروري است. به همين نحو يك مدير پروژهي تمام وقت در تيم پهپاد، حداقل در طول دورهي قبل از توسعه و دورهي توسعه، تعيين كننده است. همچنين، داشتن يك گروه مشترك در وسايل پرواز مهم است. ارتباطات مكرر، حياتي هستند و نيز ساختمان (مكان) تيم، ضروري است. مديريت پروژهي نظامدار (يعني گزارش پيشرفت كار و دستاوردها، طرحها، ريسكها و تخفيفها، برنامهريزيها و بودجهها) براي اين پروژهها لازم بوده است و نقشي تعيين كننده در موفقيت ايفا ميكند.
سخن آخر
آنچه در پي ميآيد، مهمترين درسهايي است كه توسط تيمهاي پروژه، عنوان شده است:
پهپادها ميتوانند، سامانههاي منحصر به فردي را براي تحقيقات و موارد كاربردي عرضه كنند؛
سيستمهاي پهپاد هنوز رشد نكردهاند و مأموريتها براي موفقيت، نياز به توجه دقيق و برنامهريزي دارند؛
آلتوس و ساير پهپادهاي از اين دست براي عملياتي نظامي نيز قابل استفادهاند، در حالي كه هواپيماهاي خورشيدي ممكن است براي استفادههاي معمولي، نسبت به آب و هوا حساس باشند؛
تعامل بازپرس ويژه و خلبان در روي زمين، آسانتر و سودمندتر است؛
ابزارهاي تجسم پرواز به صورت زمان واقعي [نمايش مناسب شرايط هواپيما در مركز زميني - مترجم]، در پروازهاي آينده نقش حياتي دارند؛
آماده كردن طرح اجراي كامل مأموريت و دنبال كردن آن؛
شروع پروژه پس از كسب تمامي موافقتنامههاي لازم؛
محمولههاي پهپاد بايد براي عمليات خودكار يا كنترل از راه دور طراحي شوند، و ممكن است به آزمايشهاي زيادي نياز داشته باشند. پيشنهاد ميشود از محمولههايي استفاده شود كه قبلاً كاركرد مناسب خود را نشان دادهاند؛
ارتباطات در داخل و خارج تيم، به عنوان كليد موفقيت تلقي ميشود.
آينده: اثبات توانمندي ها و توسعه ي فنّـاوري
ناسـا قصد دارد تا اثبات توانمندي و توسعهي پهپادها را براي حفظ نقش كليدي آنها در آيندهي تحقيقات زمينشناسي ادامه دهد. دنبالهي تلاشهاي فنّـاوري، بر روي دستيابي روتين به منطقهي هوايي ملّي متمركز شده است و دنبالهي مأموريتهاي تحقيقاتي، براي اثبات ارزش منحصر به فرد پهپادها در كنترل از راه دور، علوم جوّي، مديريت سوانح و تحقيق در مورد دگرگونيهاي آب و هوايي، ادامه خواهند يافت.
در طول يك دوره از برنامهي UAVSDP، برخي نيازهاي فنّاورانه و سيستمي مشخص شدهاند. ملزومات سيستمي عبارتند از:
يك پهپاد بايد بتواند تا 60000 پا با مداومت پروازي زياد (حداقل 24 ساعت) و ظرفيت حمل بار كافي (100 پوند) پرواز كند؛
عملياتهاي پهپاد، كم هزينهتر باشد؛
گزينههاي فروشندگان پهپادهاي تجاري (غيرنظامي)، بيشترگردد؛
قابليت اطمينان پهپادها براي ارتفاعات بلند و مداومت پروازي زياد، بهبود يابد؛
سيستمهاي هواپيما (براي بررسي ايمني) به طور كامل مستندسازي گردد؛
دسترسي به منطقهي هوايي ملّي، آسانتر گردد؛
خلبانان آموزش ديدهي بيشتر، تدارك ديده شوند.
به علاوه، ملزومات فنّـاوري مرتبط با پهپادهاعبارتند از:
فراهم ساختن سيستمهاي پشتيبان در تمام سيستمهاي هواپيما؛
مقاومسازي سيستمهاي الكتريكي هواپيما براي كاربردهاي هواسنجي؛
استفاده از فنّـاوريهاي پيشرفته براي حسگرهاي پيشرفته؛
سيستمهاي ارتباطات داده با پهناي باند زياد؛
سيستمهاي فراتر از افق (Over The Horizon) براي حذف محدوديت مأموريتها از پرواز در محدودهي در خط ديد. اين سيستمها بايد پوشش و نرخ انتقال اطلاعات مناسبي داشته باشند، و نيز قابل دسترس و كوچك باشند؛
توسعهي فنّـاوري براي دسترسي آسان به منطقهي هواي ملّي.
قدرداني
نويسندگان اين مقاله، از تيم مطالعهي برق در تودههاي ابر مركز فضايي مارشال ناسـا، تيم پهپاد مزارع قهوهي دانشگاه كلارك، كاركنان جنرال اتميكس و آيرووايرنمنت، و اعضاي گروه تحقيقاتي زيرمداري ناسـا به خاطر اطلاعات با ارزش گرفته شده و بحث و گفتگو راجع به درسهاي توسعهي پهپادها، قدرداني ميكنند.
منابع: وبگاه موسسه رها (www.raha.co.ir (http://www.raha.co.ir))
پورتال هوافضای ایران
http://www.iranhavafaza.com/index/article/40
درس هايي از برنامه ي توسعه ي پهپـاد در ناسـا
استيون اس. ويگنر، مدير پروژه - مركز تحقيقات ناسـا ايمز، كاليفرنيا
سوسن ام. شونونگ، مدير پروژه
ترجمه: عليرضا عليحسيني
چكيده
در طول تابستان 2002 ناسـا دو مأموريت آزمايشي پهپادها را به انجام رساند. اين مأموريتها در راستاي اثبات امكان استفاده از پهپادها در انجام مأموريتهاي خطير تحقيقات علمي (تحقيقات جوّ) شكل گرفتند. يكي از اين مأموريتها مربوط به مطالعهي جريان برق در تودههاي متراكم ابر (ACES: Cumulus Electrification Study) بود كه با موفقيت انجام گرفت. در اين مأموريت، آذرخشهايي كه در نزديكي جزاير غربي فلوريدا در فصل توفان صورت ميگيرد، با استفاده از پهپاد بلند پرواز آلتوس اندازهگيري شد. در ديگر مأموريت، پهپاد خورشيدي پثفايندر، تصاوير دقيقي را از مزارع قهوهي كائوآي تهيه كرد تا به كمك آنها بتوان زمان مناسب براي برداشت محصول را تشخيص داد.
در اين مقاله، درسهايي در رابطه با استفاده از پهپادها در مأموريتهاي تحقيقاتي در حوزههاي زير ارائه گرديده است:
عملكرد دو پهپـاد مذكور؛
محمولههاي لازم براي دريافت دادههاي كنترل از راه دور؛
عمليات در فضاي (منطقه) هوايي ملّي؛
مديريت عمليات.
همچنين در اين مقاله، توضيحاتي در رابطه با برنامههاي توسعهي فنّـاوري در آينده و مأموريتهاي ناسـا در زمينهي هواپيماهاي بدون سرنشين ارائه ميشود.
پيشزمينـه
گزارش تحقيقاتي ناسـا (گزارش برنامهي توسعهي علمي پهپاد، كد NRA 00-OES-02) در سال 2000 ارائه گرديد. اهداف اين برنامهي تحقيقاتي عبارت بود از:
هدايت تحقيقاتِ با كيفيت بالا كه از قابليتهاي منحصر به فرد پهپادها استفاده ميكند؛
اثبات سودمندي و مفيد بودن پهپادها براي مشاهدات و اندازهگيريهاي جوّي؛
اعتمادسازي نسبت به پهپادها از طريق برنامههاي توسعهاي مفيد و تحقيقاتي.
انتخاب دو مأموريتي كه پيشتر ذكر شدهاند، بر اساس معيارهاي گزارش تحقيقات ناسـا، شامل ارزش تحقيقاتي، اهميت منحصر به فرد پهپاد، ريسك و هزينه صورت گرفته است. لازم به ذكر است كه مجوزهاي اين دو مأموريت در بهار 2001 داده شد و در اواسط سال 2002 دو عمليات آزمايشي پيش از به كارگيري نهايي انجام گرفت. اين مقاله، درسهايي را از فاز قبل از توسعه و فاز توسعه نشان ميدهد. شايان ذكر است كه تحليل دادههاي فاز قبل از توسعه، هنوز در حال پيشرفت است.
مطالعهي جريان برق در تودههاي متراكم ابر توسط تيمي از مركز پرواز فضايي مارشال ناسـا (MSFC: NASA Marshall Space Flight Center) هدايت ميشد. آنها از پهپاد جنرال اتميكس آلتوس براي تعقيب ميدانهاي الكتريكي و ديگر اندازهگيريها در مجاورت توفانهاي آذرخشي استفاده كردند. لازم به ذكر است كه پايگاه عمليات آنها، مركز هوايي- دريايي جزاير غربي فلوريدا (NAFKW: Naval Air Facility Key West ) بود.
از طرف ديگر، آزمايش بهينهسازي برداشت محصول به كمك پهپادها توسط دانشگاه كلارك و تيمي از مركز تحقيقات ايمز ناسـا رهبري ميشد. آنها براي تعيين ميزان رسيدگي مزارع قهوه در مناطق اختصاصي، پهپاد پثفايندر پلاس خورشيدي را بر فراز مزارع قهوه در كائوآي به پرواز درآوردند تا اين پهپاد اطلاعاتي را توسط علائم مرئي و نامرئي به دست آورد. اين اطلاعات براي بهينهسازي برداشت محصول مورد استفاده قرار ميگرفت. گفتني است كه اين پهپاد از طريق پايگاه موشكي در جزيرهي كائوآي پرتاب شد.
مدارك و مستندات مربوط به درسهايي از توسعهي پهپادها در ناسـا، توسط تيمهاي تحقيقاتي با كمك اطلاعاتي كه از سازندگان اين پهپادها اخذ شده، آماده شدهاند (گزارشهايي تحت عنوان "درسهايي كه آموخته شد"، از جمله گزارشهاي استاندارد در ناسا ميباشد كه پس از انجام هر پروژه توسط كارشناسان تهيه ميشود و طي آن تجربيات تيم مكتوب ميشود – مترجم).
اهداف اين گزارش به قرار زير است:
ارائهي راهنمايي براي كاربران آيندهي پهپادها در استفاده از اين وسايل براي مقاصد تحقيقاتي و كاربردي؛
شناسـايي نيازها و ارائهي پيشنهادهايي براي توسعه و تحقيق در زمينهي سيستمها، حسگرها و سامانههاي پهپادها؛
ايجاد پسخور به سازندگان و خدمات دهندگان پهپادها براي مأموريتهاي آينده.
دستاوردهاي تحقيقاتي
هر دو مأموريت مزارع قهوه و مطالعهي جريان برق در تودههاي متراكم ابر، در رسيدن به اهداف تحقيقاتي و كاربردي ناسـا بسيار سودمند بود. در آگوست سال 2002، سيزده پرواز براي آزمايش مطالعهي جريان برق در تودههاي متراكم ابر توسط پهپاد آلتوس انجام شد. اين پروازها، بيش از سي ساعت اطلاعات هواسنجي (آب و هوايي) و ميدان مغناطيسي را در مجاورت توفانهاي آذرخشي جنوب فلوريدا جمعآوري كردند. پهپاد آلتوس به خاطر قابليتهاي ارتفاعي و مداومت پروازياش قادر به پرواز در اطراف و بالاي جو است. اين پهپاد همچنين اثرات الكتريكي كمي در محيط اطراف ميگذارد و خصوصيات قابل قبولي براي مأموريتهاي هواشناسي دارد. از خصوصيات منحصر به فرد پهپاد آلتوس، ميتوان به قابليت تعيين موقعيت پهپاد بر روي يك نمايشگر در شرايط واقعي جوّ اشاره كرد. لازم به ذكر است كه نرمافزاري كه براي اين نمايشگر بهكار ميرود توسط مركز پرواز فضايي مارشال ناسـا توسعه داده شده است و هماكنون براي ديگر كاربران اين پهپاد و يا هواپيماهاي ديگر قابل دسترس است. يك نما از صفحهي اين نمايشگر در شكل 1 نشان داده شده است. جزييات بيشتر در رابطه با آزمايشهاي تحقيقاتي در مراجع 1 و 2 آمده است.
http://up.arteshi.com/uploads/138183002834389_fig1.jpg
شكل 1 - نمايشگر اين نرمافزار موقعيت پهپاد آلتوس را نسبت به جو اطراف نمايش ميدهد.
مأموريت پرواز بر فراز مزارع قهوه، براي اثبات ارزش پهپاد با مداومت پروازي زياد و سرعت كم در كاربردهاي مشاهدات مناطق دور دست (كنترل از راه دور) طراحي شده بود. در سپتامبر 2002 آزمايش به طور خاص بر روي مناطق كشاورزي متمركز شده بود. پهپاد پثفايندر پلاس به خاطر پرواز آهستهاش قادر بود عكسهاي هوايي از مزارع قهوهي كائوآي بگيرد. حتّي اگر در روزي 70% آسمان پوشيده از ابر باشد، با دستكاري در هواپيما براي گشايش در ابرها، در دورهي چندين ساعته ميتوان تصاوير هوايي را گرفت. شاخصهاي مربوط به رسيدن محصولات، از تصاوير زمان واقعي استخراج ميشود. مالكان مزارع مستقيماً از اين دادهها براي برنامهريزي در مورد زمان برداشت محصولاتشان استفاده ميكنند. در شكل 2 نمايي از مزرعهي قهوهاي كه از تركيب عكسهاي مختلف به وجود آمده، نمايش داده شده است. جزئيات بيشتر در رابطه با آزمايش، در مراجع 3 و 4 قابل دستيابي است.
http://up.arteshi.com/uploads/138183013112300_fig2.jpg
شكل 2- مزارع قهوه در كائوآي - تركيبي از تصاوير با وضوح بالا
طراحي و عمليات محموله
در هنگام پرواز پهپاد، از آنجا كه خلباني در پشت صفحه كنترل نيست تا وسايل اندازهگيري را كنترل كند، محمولهي حسگر به صورت خودكار و از راه دور كنترل ميشود. در واقع سسيتمهاي خودكار، حسگرها را در مواقع نياز فعال ميكنند و اطلاعات اخذ شده توسط آنها را ثبت ميكنند. در هر دو آزمايش مزارع قهوه و مطالعهي جريان برق در تودههاي متراكم ابر، حسگرها از راه دور و يا به عبارتي توسط فرامين صادره از زمين كنترل ميشدند. براي پهپاد آلتوس (مأموريت مطالعهي جريان برق در تودههاي متراكم ابر)، سيگنالهاي فرمان از طريق سيستم انتقال اطلاعات هواپيما و براي پهپاد پثفايندر (مأموريت پرواز بر فراز مزارع قهوه)، سيگنالهاي فرمان مستقيماً توسط شبكهي بيسيم، به حسگرهاي هواپيما منتقل ميشده است.
به دليل نبود نيروي انساني متخصصي كه در كنار صفحهي كنترل هواپيما قرار بگيرد و وضعيتها را چك كند، آلات دقيق را روشن يا خاموش كند و يا اطلاعات را جمعآوري كند، تمام اين فرايندها بايد به صورت خودكار طراحي شده و پيش از پرواز توسط تجهيزات پيشرفتهاي آزمايش شوند. اين يك فعاليت مهم در پروژههاي تحقيقاتي پهپادها است. به علاوه، اگر دادههاي شرايط واقعي در روي زمين مورد نياز و يا مطلوب باشند، آنگاه سيستم انتقال داده نيز مورد نياز خواهد بود.
خوشبختانه پيش از اين مأموريتها و براي هر دو آزمايش، نمونههاي اوليهاي از محمولههاي حسگر توسط هواپيماهاي سرنشيندار و بدون سرنشين آزمايش بود و عملكرد مناسب آنها از راه دور به اثبات رسيده بود. اين مسأله سبب شد تا مرحلهي طراحي نهايي، به دليل وجود آشنايي قبلي با اين حسگرها، آسانتر گردد.
محمولهي پهپاد آلتوس شامل انواعي از حسگرهاي الكتريكي، مغناطيسي و نوري براي به دست آوردن ديدي جزئي از فرآيندهاي الكترومغناطيسي، در طي وقوع يك سيكل آذرخش، ميباشد. به علاوه بسياري از محصولاتي كه در مشاهده و يا پيشبيني وضعيت هوا به كار گرفته شدند (محصولاتي نظير رادار هواشناسي دبليواسآر-88دي، تصاوير ماهوارهي جياُ اياِس و اطلاعات صاعقههايي كه از ابرها به زمين برخورد ميكنند) توسط شبكهي جهاني اينترنت، كه در پروژهي مطالعهي جريان برق در تودههاي متراكم ابر مورد استفاده قرار گرفته بود، حاصل شدند. اين دادهها در كنار دادههاي وضعيت هواپيما براي برنامهريزي مأموريت و اجراي آن به كار گرفته شدند. تركيب دادهها در برنامهريزي براي مأموريت و نيز مشاركت خلبانان و متخصصين پرواز در ايستگاه زميني يكي از نقاط روشن و قابل توجه در تجربيات مربوط به آزمايش اين هواپيماها بود.
براي پهپاد پثفايندر (مأموريت مزارع قهوه)، محمولهي سيستمي شامل دو دوربين ميشد كه يكي دوربيني با كيفيت تصويري بالا و ديگري دوربين مادون قرمز بود. اين دوربينها براي پوشش كامل طيفي و فاصلهاي به صورت همزمان و نيز براي جبران خطاهاي يكديگر در دادههاي اوليه، انتخاب شده بودند. اين محمولهها، متناسب با شرايط خاص ناحيهي استراتوسفر از نظر فشار و دماي محيط، و نيز متناسب با محدوديتهاي شديدي كه در رابطه با توان مصرفي، حجم و وزن آنها وجود داشت و براي انجام عمليات از دور طراحي شده بودند. كاهش حجم محمولهها بزرگترين چالش براي اين پروژه بود و لذا موفقيت در اين عمليات، بزرگترين دستاورد محسوب ميشد. در مورد دوربينهايي كه در مأموريت مزارع قهوه به كار ميروند، لازم بود تا بر روي يك سيستم سرنشيندار تست شوند. استفاده از هواپيماهاي سرنشيندار و يا سايتهايي كه براي تست چنين سيستمهايي طراحي نشده بودند، خود همراه با مسائل و مشكلات زيادي بود كه حل آنها به زمان زيادي نياز داشت.
يكپارچهسازي محموله و تست آن با پهپاد بايد در قالب يك مأموريت واقعي انجام گيرد؛ چرا كه فقط در اين شرايط ميتوان عملكرد آلات دقيق، كنترل و فرمان، تداخل سيگنالهاي هواپيما و محموله و نيز دريافت اطلاعات را مورد بررسي قرار داد. تيم مطالعهي برق در تودههاي متراكم ابر، تست محموله را يك ماه قبل از مأموريت اصلي توسط هواپيمايي ديگر انجام داد. از طرف ديگر، تيم مزارع قهوه، در جنوب كاليفرنيا و در روي زمين، دستگاهها را بر روي پثفايندر پلاس سوار كرد. تست اختلال در سيگنال نيز چندين ماه قبل از مأموريت انجام شد و چند روز قبل از آزمايش پرواز در كائوآي مورد بررسي مجدد قرار گرفت.
عملكرد سامانه
مركز پرواز فضايي مارشال، براي آزمايش مطالعهي جريان برق در تودههاي متراكم ابر، پهپاد جنرال اتميكس آلتوس را كه پيش از اين در آزمايش اسبيآيآر با بار مشابه به پرواز درآورده شده بود، برگزيد. اين پهپاد، قدرتش را از موتور پيستوني توربوشارژ دوگانه (dual turbocharged) براي رسيدن به ارتفاع 60000 پا ميگيرد. پهپاد آلتوس قادر است در ارتفاع بيش از 50000 پا براي مدت 5 تا 6 ساعت پرواز كند و نيز ميتواند بيش از 150 كيلوگرم بار را حمل كند. اين پهپاد در شكل 3 نشان داده شده است.
آلتوس، در آزمايشهاي انجام شده عملكرد خوبي را به نمايش گذاشت؛ از اين حيث كه توانست به ارتفاع مورد نظر برسد و مداومت پروازي و برد كافي را براي رسيدن به آذرخشهايي كه بر فراز جنوب فلوريدا رخ ميدهد (از پايگاه مأموريت مستقر در پايگاه هوايي دريايي جزاير غربي)، از خود نشان داد. موتور آلتوس يكي از معدود موتورهايي است كه شركت ژنرال اتميكس آن را قابل مقايسه با موتور ماشينهاي مسابقه ميداند. اما تعمير و نگهداري اين موتور بسيار سخت و قابليت اطمينان آن نسبتاً پايين ميباشد. به طوري كه زمان بسيار زياد و فرصتهاي خوبي كه ميتوانست براي پروازهاي علمي و تحقيقاتي مورد استفاده قرار گيرد، به دليل كار بر روي موتور هواپيما و آمادهسازي آن از دست رفت.
http://up.arteshi.com/uploads/138183025121134_fig3.jpg
شكل 3- پهپاد آلتوس
دانشگاه كلارك، براي آزمايش بهينهسازي برداشت محصول در مزارع قهوه، پهپاد پثفايندر پلاس خورشيدي را برگزيد. اين پهپاد قبلاً از پايگاه موشكي پياِمآراِف به پرواز در آمده بود و در واقع، چندين پرواز موفقيتآميز براي ديگر خريداران، قبل از مأموريت مزارع قهوه انجام گرفته بود. پثفايندر پلاس ميتواند در ارتفاع بالاتر از 60000 پا پرواز كند. امّا در مأموريت مزارع قهوه، از آنجا كه ميخواست تصاوير دقيقي از مزارع قهوه بگيرد، فقط تا ارتفاع 21000 پا پرواز كرد. اين پهپاد بر فراز كائوآي در شكل 4 نشان داده شده است.
در روز پرواز، پثفايندر پلاس بدون عيب پرواز كرد و مانور دقيقي را به اجرا درآورد. پرواز اين پهپاد و گرفتن تصوير از بالاي ابرها، موفقيت مهمي در مديريت مزارع قهوه محسوب ميشد. تمام عملياتي كه اين پهپاد انجام داد با موفقيت همراه بود. از طرف ديگر اين پهپاد داراي بالهاي سبكي است كه محدوديتهاي زيادي را براي پرواز آن ايجاد ميكنند. شرايط آب و هوايي در پايگاه پياِمآراِف، باعث لغو چندين فرصت پروازي اميدواركننده شد. از هر دو يا سه پروازي كه اميد ميرفت با موفقيت انجام شود، تنها يك پرواز تحقيقاتي به طور كامل انجام شد.
http://up.arteshi.com/uploads/138183035811478_fig4.jpg
شكل 4- پهپاد پث فايندر پلاس بر فراز منطقه ي كائوآي
برخي از درسهايي كه از عملكرد اين پهپاد گرفتيم، عبارتند از:
اگر پهپادها قبلاً آزمايش شوند، اطلاعات و آگاهيها براي مأموريتهاي تحقيقاتي افزايش مييابد؛
شرايط پرواز مانند شرايط آب و هوايي، از پارامترهاي تأثيرگذار در پرواز برخي پهپادها در يك روز مشخص هستند؛
براي موفقيت، داشتن يك تيم پرواز با تجربه و با عمق فكري مناسب، لازم است. اين تيم شامل تكنسينها، خلبانان و مديران پروژه ميباشد؛
براي موفقيت و ايمني آزمايش، دادههاي كامل از عملكردهاي قبلي پهپاد لازم است؛
بحث و گفتگو با ارائهدهندگان قبلي اين گونه درسها در خصوص ريسكها و كاهش ريسك، براي آماده شدن در اين زمينه و اجتناب از مشكلات و مسائل تكراري، بسيار سودمند است؛
يكپارچهسازي محموله با پهپاد و تست اختلال در سيگنال بايد تا حد امكان جلوتر از انجام مأموريت اصلي انجام شود؛
به دليل اينكه اين پهپادها توسط كشتي به محل پرتاب منتقل شدهاند (به جاي اينكه تا آنجا پرواز كنند)، ميبايد در مورد نحوهي انتقال با كشتي و مسائل مرتبط با آن تدابير لازم انديشيده شود.
پرواز در منطقه ي هوايي ملي
پهپادهاي جنرال اتميكس آلتوس و پثفايندر پلاس در هر دو مأموريت مطالعهي جريان برق در تودههاي متراكم ابر و مزارع قهوه، از پايگاههاي نظامي به سمت منطقهي هوايي محدودي به پرواز درآمدند و سپس به منطقهي هوايي ملّي منتقل شدند. اين پايگاهها همگي در يك منطقه انتخاب شده بودند؛ زيرا آنها بر اين عقيده بودند كه بايد دسترسي به برنامههاي اداره شده توسط ناسـا آسانتر گردد. دليل ديگر، آسان كردن پرتاب و فرود در منطقهي انحصاري بود تا پهپاد بتواند به منطقهي هوايي كنترل شده توسط كنترل ترافيك هوايي (ATC: Air Traffic Control) برسد.
مجوز پرواز در منطقهي هوايي ملّي(كنترل نشده توسط ارتش) توسط ادارهي هوانوردي فدرال (FAA: Federal Aviation Administration) داده ميشود. اين اداره در حال آشنا شدن بيشتر با پهپادها است و در بسياري از ناحيهها به كار با تيمهاي پهپاد براي كسب گواهينامهي اختيار (COA: Certificate of Authorization) ، متمايل شده است. اين گواهينامه تعيين ميكند كه پهپاد در كجا و تحت چه شرايطي قادر است به منطقهي هوايي ملّي وارد شود. در هر دو منطقهاي كه اين آزمايشها انجام گرفت، آزمايشهاي قبلي پهپاد مجاز شناخته شده بودند. پروازهاي قبلي هواپيماي خورشيدي از پايگاه پياِمآراِف توسط مركز هونولولو، و پروازهاي پيشين پهپاد آيروسوند در طول برنامهي Crystal-FACE در سال 2001 توسط مركز ميامي مجاز شناخته شده بودند.
همكاري با ادارهي هوانوردي فدرال در هر دو مورد موفقيتآميز بود؛ زيرا تيم تحقيقاتي، در ابتدا براي حل شرايط لازم پرواز، با اين اداره به بحث و گفتگو پرداخت. براي مأموريت مطالعهي جريان برق در تودههاي متراكر ابر، اگر چه ژنرال اتميكس گواهينامهي اختيار را مطالبه كرد، اما تيم تحقيقاتي صميمانه در مورد مقاصد پرواز با آنها به بحث و گفتگو پرداخت تا آنان را مطمئن سازد كه ميتوانند دادههاي تحقيقاتي لازم را به دست آورند. براي مأموريت مزارع قهوه كه توسط پثفايندر ساخت آيرووايرنمنت انجام شد، تيم تحقيقاتي يك رايزن (كارمند سابق ادارهي هوانوردي فدرال) را استخدام كرد تا فرايند اخذ گواهينامهي اختيار را طي كند. مسؤولين آيرووايرنمنت در گذشته، خودشان اين تقاضا را اعلام ميكردند، اما راههايي كه توسط تيم تحقيقاتي نيز پيگيري شد، موفقيتآميز بود.
اين برنامه نشان داد كه اگر تيمي بسيار خوب كار كند و بتواند ارتباطات خوبي را برقرار كند، بقا مييابد؛ زيرا ادارهي هوانوردي فدرال ميتواند منعطف عمل كند. در واقع ادراهي هوانوردي فدرال، به منظور كمك به انجام برنامههاي تحقيقاتي، استثنائاتي را از برنامههاي پروازي تاييد شده در شرايط واقعي در طي هر دو آزمايش پذيرفت. در طول يكي از پروازهاي بعديِ مطالعهي جريان برق در تودههاي متراكر ابر، ادارهي هوانوردي فدرال به آلتوس اجازه داد تا قبل از رسيدن به ارتفاع 40000 پا (محدوديت قانوني) تا منطقهي هوايي ملّي پرواز كند به طوري كه سامانهي پهپاد بتواند سريعتر به توفان آذرخشيِ در حال گسترش بر فراز علفزارهاي جنوب غربي فلوريدا برسد. در پرواز قبلي، وسايل آنچنان خوب كار كرده بودند كه ادارهي هوانوردي فدرال به راحتي اين استثنائات را پذيرفت. در طي پرواز پثفايندر پلاس بهتر بود كه براي گرفتن تصاوير، ابري در آسمان نباشد. اگر چه به دليل وجود ابرها بر فراز مزارع قهوهي كائوآي اين خواسته برآورده نشد، اما ادارهي هوانوردي فدرال به اين پهپاد اين اجازه را داد تا براي گرفتن تصاوير بهتر، مسيرهاي تصادفي ديگري را كه پيش از پرواز تعيين نشده بودند بر فراز مزارع طي كند. مسير پرواز واقعي، در شكل 5 نشان داده شده است.
در تعيين يك پايگاه براي عملياتهاي پرواز پهپاد، بررسي تجربههاي تيمهاي UAVSDP جالب توجه است. تا به حال هواپيماهاي خورشيدي ساخت شركت آيرووايرنمنت (پثفايندر، پثفايندر پلاس، سِنتريون و هليوس) فقط از پايگاههاي نظامي (پايگاه اِدواردز اِياِفبي و پايگاه پياِمآراِف) به پرواز در آمده بودند. تيم پهپاد آلتوس، در ابتدا قصد داشت تا اين پهپاد را از پايگاه پاتريك اِياِفبي به پرواز در آورد. اين انتخاب تا يك اندازه به خاطر موقعيت اين پايگاه بود. اما به دليل اينكه براي ناسـا برقراري ارتباط با بخش نظامي سادهتر از بخش غيرنظامي است، پهپاد آلتوس، سرانجام از تأسيسات هوايي دريايي جزاير غربي فلوريدا به پرواز درآمد. از آنجا كه نيروي دريايي با پهپادها و عملياتهاي هواپيمايي ناسـا آشنا بود، تيم تحقيقاتي ميتوانست مجوز پرواز را نسبتاً آسانتر به دست آورد. البته اين گمان كه تأسيسات نظامي، پايگاههاي خوبي براي عمليات هستند مورد ترديد قرار دارد.
http://up.arteshi.com/uploads/138182957433853_fig5.jpg
شكل 5- مسير پرواز پهپاد پثفايندر پلاس بر فراز مزارع قهوهي كائوآي
بر اساس تجربيات كسب شده در اين برنامه، عيبهاي ناگفتهي پرواز از پايگاه نظامي، معرفي ميشوند. برخي از مشكلات بالقوه عبارتند از:
برنامهريزيها در معرض لغوشدن هستند؛ كارمندان اين پايگاهها مكرراً در تغيير هستند؛ نگرانيهاي امنيتي ممكن است افزايش يابد؛ دريافت فركانسهاي راديويي مشكل هستند؛ قواعد ميتواند به طور ناگهاني تغيير كند؛
تأسيسات نظامي قادر به بررسي كامل مسائل مرتبط با آزمايش پرواز نيستند؛
براي اعضاي تيم بايد خط اختصاصي اينترنت فراهم كرد؛ زيرا خطوط اينترنت نظامي داراي فيلترهاي متعددي است.
مديريت مأموريت
برنامهريزي مأموريت، همواره مهمترين قسمت از مأموريت تحقيقاتي است. اين گفته مخصوصاً براي پهپادها، كه آزمايشها و تجربههاي محدودي در مورد آنها وجود دارد، صادق است. يك تيم تحقيقاتي براي آمادگي كامل در انجام مأموريت، نياز به آشنايي نزديك با پهپاد، عملكرد آن و خدماتدهندگان آن دارد. در مورد برنامهي UAVSDP، هردو تيم تحقيقاتي به طرحهاي كاربردي، قبل از ارائهي طرح نهايي نياز داشتند. اين طرحهاي كاربردي، اكثر موضوعات برنامهريزي مأموريت را فهرستبندي كردند و بنابراين تعدادي از اين برنامهريزيها حتّي قبل از شروع پروژهها انجام شدند. طرحهاي كاربردي ميتوانستند به عنوان يك الگو براي فعاليتهاي برنامهريزي مأموريت در آينده مورد استفاده قرار گيرند.
برخي از درسهاي ويژه كه در اين رابطه آموخته شد:
وظايف و نقش هر واحد را پيش از شروع پروژه و در فاز پروپوزال مشخص كنيد؛
تعهدات و مسؤوليتها را در پروپوزال تعيين كنيد؛
مواردي كه اعضا و متخصصين ميتوانند نه! بگويند را تعيين كنيد؛
اگر مواردي كه اعضا و متخصصين ميتوانند نه! بگويند، يا ديگر عملياتهاي مأموريتي بر پايهي مأموريتهاي قبلي بنا شده باشند، بايد در اين معيارها براي داشتن ارتباط در مأموريت جاري، تجديد نظر شوند.
به دليل ماهيت برنامههاي ناسـا، هر تيم توسط بازپرس ويژه (PI: Principal Investigator) كه مسؤول تمام جوانب مديريت مأموريت بود، رهبري ميشد. همچنين براي اين آزمايشها «مدير مأموريت» توسط ناسـا براي تعامل با تيم متخصصين تعيين نشده بود و بازپرس ويژه با مدير پروژه و ديگر اعضاي تيم همكاري ميكرد. تيم بازپرس ويژه، مستقيماً با فراهمكنندگان پهپاد و ساير پيمانكاران مواجه بود. اگرچه تمام اعضاي تيم در هر دو آزمايش، براي رسيدن به موفقيت به صورت يك كميته در آمده بودند، امّا براي هر دو تيم، مسألهي مديريت مأموريت چالشهاي خاصي را ايجاد كرده بود.
در اينجا نكاتي براي مديريت پروژهي مأموريتهاي آيندهي پهپادها آمده است. اول اينكه وجود يك مدير پروژهي تمام وقت در تيم تحقيقاتي براي به كار بردن تمام آرايشهاي مأموريت، ضروري است. به همين نحو يك مدير پروژهي تمام وقت در تيم پهپاد، حداقل در طول دورهي قبل از توسعه و دورهي توسعه، تعيين كننده است. همچنين، داشتن يك گروه مشترك در وسايل پرواز مهم است. ارتباطات مكرر، حياتي هستند و نيز ساختمان (مكان) تيم، ضروري است. مديريت پروژهي نظامدار (يعني گزارش پيشرفت كار و دستاوردها، طرحها، ريسكها و تخفيفها، برنامهريزيها و بودجهها) براي اين پروژهها لازم بوده است و نقشي تعيين كننده در موفقيت ايفا ميكند.
سخن آخر
آنچه در پي ميآيد، مهمترين درسهايي است كه توسط تيمهاي پروژه، عنوان شده است:
پهپادها ميتوانند، سامانههاي منحصر به فردي را براي تحقيقات و موارد كاربردي عرضه كنند؛
سيستمهاي پهپاد هنوز رشد نكردهاند و مأموريتها براي موفقيت، نياز به توجه دقيق و برنامهريزي دارند؛
آلتوس و ساير پهپادهاي از اين دست براي عملياتي نظامي نيز قابل استفادهاند، در حالي كه هواپيماهاي خورشيدي ممكن است براي استفادههاي معمولي، نسبت به آب و هوا حساس باشند؛
تعامل بازپرس ويژه و خلبان در روي زمين، آسانتر و سودمندتر است؛
ابزارهاي تجسم پرواز به صورت زمان واقعي [نمايش مناسب شرايط هواپيما در مركز زميني - مترجم]، در پروازهاي آينده نقش حياتي دارند؛
آماده كردن طرح اجراي كامل مأموريت و دنبال كردن آن؛
شروع پروژه پس از كسب تمامي موافقتنامههاي لازم؛
محمولههاي پهپاد بايد براي عمليات خودكار يا كنترل از راه دور طراحي شوند، و ممكن است به آزمايشهاي زيادي نياز داشته باشند. پيشنهاد ميشود از محمولههايي استفاده شود كه قبلاً كاركرد مناسب خود را نشان دادهاند؛
ارتباطات در داخل و خارج تيم، به عنوان كليد موفقيت تلقي ميشود.
آينده: اثبات توانمندي ها و توسعه ي فنّـاوري
ناسـا قصد دارد تا اثبات توانمندي و توسعهي پهپادها را براي حفظ نقش كليدي آنها در آيندهي تحقيقات زمينشناسي ادامه دهد. دنبالهي تلاشهاي فنّـاوري، بر روي دستيابي روتين به منطقهي هوايي ملّي متمركز شده است و دنبالهي مأموريتهاي تحقيقاتي، براي اثبات ارزش منحصر به فرد پهپادها در كنترل از راه دور، علوم جوّي، مديريت سوانح و تحقيق در مورد دگرگونيهاي آب و هوايي، ادامه خواهند يافت.
در طول يك دوره از برنامهي UAVSDP، برخي نيازهاي فنّاورانه و سيستمي مشخص شدهاند. ملزومات سيستمي عبارتند از:
يك پهپاد بايد بتواند تا 60000 پا با مداومت پروازي زياد (حداقل 24 ساعت) و ظرفيت حمل بار كافي (100 پوند) پرواز كند؛
عملياتهاي پهپاد، كم هزينهتر باشد؛
گزينههاي فروشندگان پهپادهاي تجاري (غيرنظامي)، بيشترگردد؛
قابليت اطمينان پهپادها براي ارتفاعات بلند و مداومت پروازي زياد، بهبود يابد؛
سيستمهاي هواپيما (براي بررسي ايمني) به طور كامل مستندسازي گردد؛
دسترسي به منطقهي هوايي ملّي، آسانتر گردد؛
خلبانان آموزش ديدهي بيشتر، تدارك ديده شوند.
به علاوه، ملزومات فنّـاوري مرتبط با پهپادهاعبارتند از:
فراهم ساختن سيستمهاي پشتيبان در تمام سيستمهاي هواپيما؛
مقاومسازي سيستمهاي الكتريكي هواپيما براي كاربردهاي هواسنجي؛
استفاده از فنّـاوريهاي پيشرفته براي حسگرهاي پيشرفته؛
سيستمهاي ارتباطات داده با پهناي باند زياد؛
سيستمهاي فراتر از افق (Over The Horizon) براي حذف محدوديت مأموريتها از پرواز در محدودهي در خط ديد. اين سيستمها بايد پوشش و نرخ انتقال اطلاعات مناسبي داشته باشند، و نيز قابل دسترس و كوچك باشند؛
توسعهي فنّـاوري براي دسترسي آسان به منطقهي هواي ملّي.
قدرداني
نويسندگان اين مقاله، از تيم مطالعهي برق در تودههاي ابر مركز فضايي مارشال ناسـا، تيم پهپاد مزارع قهوهي دانشگاه كلارك، كاركنان جنرال اتميكس و آيرووايرنمنت، و اعضاي گروه تحقيقاتي زيرمداري ناسـا به خاطر اطلاعات با ارزش گرفته شده و بحث و گفتگو راجع به درسهاي توسعهي پهپادها، قدرداني ميكنند.
منابع: وبگاه موسسه رها (www.raha.co.ir (http://www.raha.co.ir))
پورتال هوافضای ایران
http://www.iranhavafaza.com/index/article/40