12 мая 2012
Летающие роботы для эвакуации раненых и снабжения войск
В.А. Корсунский,
к.т.н., доцент кафедры
«Многоцелевые гусеничные машины и мобильные роботы»
МГТУ им. Н.Э. Баумана
В условиях чрезвычайных ситуаций в городской инфраструктуре с ограниченными рабочими пространствами, при ведении вспомогательных и боевых действий в труднодоступных районах все чаще вместо людей применяют дистанционно управляемые беспилотные летательные аппараты (БЛА).
В последнее время наметилась тенденция к использованию летающих роботов для нужд военной медицины и медицины катастроф с целью экстренной эвакуации раненых из опасной зоны и быстрого транспортирования в полевой госпиталь или стационар. Так как оказание помощи раненым, находящимся в тяжелом состоянии критично, по отношению ко времени, требуются медицинские силы быстрого реагирования для сохранения жизни и восстановления здоровья пострадавших, оснащенные соответствующими системами эвакуации раненых в чрезвычайных ситуациях, а также в зоне локальных конфликтов во время ведения боевых действий. Кроме того, предполагается использовать автономные БЛА для доставки оборудования и медикаментов в отдаленные труднодоступные районы или для доставки снаряжения и боеприпасов в зону ведения боевых действий.
Использование БЛА для медицинских целей в зоне локальных конфликтов позволяет обеспечить максимально быструю помощь в случае получения военнослужащими ранений, сократить боевые потери личного состава и снизить риск поражения медицинского персонала.
Перспективы использования БЛА для гражданских и военных целей в городских, полевых или морских условиях определяются наличием у системы средств для восстановления выведенного из строя персонала (раненых или погибших), который получил ранения от взрывчатых веществ или подвергся химическому, бактериологическому или радиационному воздействию.
Во время военного конфликта Израиля с Ливаном в 2007 г. военные эксперты неоднократно становились свидетелями необоснованного риска и гибели людей при проведении военных операций. Потери военнослужащих из-за несвоевременной доставки лекарственных препаратов и медицинских принадлежностей превышали допустимые нормы. Эвакуация раненых под воздействием огня противника оказалась чрезвычайно сложной задачей.
Участие в миротворческих операциях международных сил быстрого реагирования также становится все более сложным из-за активного противодействия террористов, оснащенных, как правило, новейшими видами вооружений и военной техники. Сложно оказывать и гуманитарную помощь в труднодоступных, непроходимых горных районах или джунглях.
Поэтому израильский консорциум во главе с институтом Фишера предложил проект создания одного из первых в мире БЛА для медицинских целей. Аппарат, получивший название MedUAV, предназначен для снабжения боеприпасами, медикаментами и другим необходимым оборудованием при ведении боевых действий, а также для эвакуации раненых с поля боя. Концепция летающего робота MedUAV была продемонстрирована и одобрена на израильской конференции в 2008 г. Кроме того, проект направлен на дальнейшее расширение базы знаний по медицинским роботам с целью анализа возможностей их применения на поле боя.
MedUAV (рис. 1) представляет собой летательный аппарат с вертикальным взлетом и посадкой (ВВП) — гибрид медицинского и вспомогательного робота для пополнения запасов и эвакуации раненых (CasEvac). Технология применения MedUAV позволит быстро удовлетворять материально-технические потребности медицинских частей в снабжении, защищать медицинский персонал, облегчать лечение раненых на ранней стадии поражения, стабилизировать их состояние и осуществлять быструю автономную эвакуацию на борту БЛА под воздействием огня противника.
Рис. 1
В рамках концепции был разработан дизайн аппарата и сформулированы требования к различным системам и технологиям применения MedUAV. К ним относятся эффективная система навигации в городской инфраструктуре, в лесных массивах или местах дислокации раненых, а также выбор подходящего безопасного места для посадки и взлета в автономном режиме. При этом должен осуществляться информационный обмен с медицинскими службами при минимальном операционном вмешательстве руководителей боевых соединений.
MedUAV оснащен двигателем, способным обеспечить подъем и приземление при нулевой скорости полета и поступательное движение со скоростью 280 км/ч при высоте полета до 3 км. Установленные спереди и сзади в корпусе БЛА два канальных вентилятора имеют меньшие размеры, чем обычные винты вертолетов, и более эффективные. Полезная нагрузка аппарата составляет около 500 кг (или четыре раненых) при времени непрерывного полета до трех часов с полной нагрузкой. Во время транспортирования в госпиталь находящиеся в сознании на борту БЛА раненые могут использовать каналы коммуникационной связи и подключать различные датчики для взаимодействия с врачами. Предполагается также оснащать беспилотные аппараты надежной пассивной и активной защитой. Разработчики предполагают, что время, затрачиваемое для посадки БЛА и эвакуации раненого, может быть уменьшено до 45 секунд. Это значительно повысит эффективность системы и снизит вероятность поражения медперсонала, рискующего попасть под огонь противника в случае, если погрузка раненого будет производиться обычным способом.
Безопасная доставка и погрузка раненого в БЛА может быть выполнена, например, с использованием наземного робота-санитара типа BEAR, созданного американской компанией Vecna Technologies (см. статью в МиБ № 1/2011 г.). Раненый может также транспортироваться с поля боя небольшим мобильным медицинским роботом (ММР) наземного применения, на котором могут быть установлены интеллектуальные носилки типа LSTAT. ММР вместе с раненым (либо только раненый в носилках LSTAT) может загружаться в летательный аппарат типа MedUAV для быстрого транспортирования в госпиталь. Недостатком погрузки ММР вместе с раненым является увеличение взлетного веса БЛА, хотя при этом время погрузки сокращается.
MedUAV может также использоваться в режиме барражирования для проведения различного рода разведывательных операций с целью поиска раненых и локализации их местоположения.
Другие израильские проекты создания БЛА для эвакуации пострадавших
Ряд израильских фирм продолжает поиск лучшей платформы для создания беспилотных аппаратов с целью выполнения миссий медицинской эвакуации пострадавших и раненых. Концептуальное исследование MedUAV привело к двум основным вариантам дизайна летающего робота.
Первым вариантом является воздушный аппарат вертикального взлета и посадки NRUAV двойного применения, разработанный компанией Israel Aerospace Industries (IAI), который из оперативного военного вертолета легко переоборудуется в БЛА для медицинской эвакуации. Он обладает способностью летать как с летным экипажем на борту, так и автономно в качестве беспилотного аппарата.
Второй вариант заключается в разработке инновационного БЛА для медицинских целей с вертикальным взлетом и посадкой. Идея состоит в использовании двух канальных вентиляторов вместо вертолетного пропеллера для управления воздушным беспилотным извозчиком-мулом AirMule (рис. 2). Проект летающего робота-автомобиля разработан городским управлением по аэронавтике ИзраиляUrban Aeronautics. В предложенной конструкции используется турбина, которая приводит в действие два высокоэффективных канальных вентилятора, осуществляющих вертикальный взлет и посадку аппарата. Система лопастей вентилятора, установленных в канале, создает тягу в любом направлении, что позволяет аппарату двигаться вперед, назад или вбок без разбега. Канальные вентиляторы, имеющие меньшие габаритные размеры, устанавливаются в корпусе AirMule, который защищает их от попадания осколков или непосредственного огневого воздействия со стороны противника. Установка вентиляторов спереди и сзади корпуса летающего робота позволяет при изменении их относительной скорости осуществлять поворот аппарата. Во время полета жалюзи вентиляторов открывают для уменьшения сопротивления.
Рис. 2
Вес летательного аппарата AirMule составляет 771 кг с максимальной нагрузкой 635 кг (топливо вместе с грузом). В зависимости от нагрузки время непрерывного полета аппарата при максимальной высоте равной 3,6 км может доходить до 5 часов. БЛА AirMule оснащается одноосевым турбовальным двигателем Arriel 2 французской фирмы Turbomeca с трехступенчатой турбиной, развивающими мощность около 700 кВт. Максимальный диаметр вращающихся лопастей каждого из двух канальных вентиляторов, установленных в корпусе робота, составляет 1,8 м.
Небольшие размеры (длина — 6,2 м, ширина — 2,15 м и высота — 1,8 м) и малая масса 1400 кг позволяют летающему роботу в автономном режиме приземляться на узких площадках, в том числе — на крыши зданий и сооружений.
Автоматическое управление по радиоканалу является надежным и точным, что позволяет аппарату маневрировать среди препятствий и осуществлять плавную посадку на пересеченной местности.
Фирма Urban Aeronautics при создании беспилотных мулов внедряет новые легкие композитные материалы, современные аппаратные и программные средства обеспечения автономного полета и использует оригинальную конструкцию канала, что повышает эффективность вентиляторов. Необходимо отметить то, что скорость аппарата будет невысокой, зато он легко может маневрировать вокруг препятствий.
Экспериментальные исследования по применению «летающих автомобилей» с парой канальных вентиляторов относят к 1950-м годам. Эти ранние проекты были обречены на провал из-за аэродинамических проблем, связанных с избыточным весом аппарата и слишком слабыми канальными вентиляторами. Вентилятор в кольцевом обтекателеболее эффективен для развития тяги, чем обычный вертолетный пропеллер, особенно при малой скорости. Канальный вентилятор позволяет работать более эффективно при высоких скоростях воздушного потока, при этом конструктор может варьировать размерами канала.Канальный вентилятор отличается прочностью и долговечностью, имеет высокую точность балансировки, что обеспечивает низкий уровень вибраций и шума. Безусловно, для массовых эвакуаций раненых, AirMule не является предпочтительным средством, кроме случаев, когда пострадавший находится в критическом состоянии, а также, если нет в наличии других средств оказания экстренной помощи. Огромным препятствием для внедрения AirMule является психологический фактор. Проблема заключается в преодолении естественного страха у раненых при использовании медиками для эвакуации беспилотного аппарата.
Недавно была завершена серия испытательных полетов AirMule, которая была сосредоточена на отработке систем автоматического взлета и посадки и точности парения (рис. 3).
Рис. 3
Еще одним вариантом медицинского БЛА является разработанный израильской компанией UVision Global Aero Systems беспилотник — параплан Butterfly (Бабочка). Парашют с силовой установкой (powered parachute) БЛА используется не только для торможения транспортного средства, но также для его разгона и перемещения в воздухе (рис. 4). В качестве силовой установки Butterfly используется двухцилиндровый, двухтактный двигатель Rotax 582. БЛА развивает скорость до 56 км/ч при максимальном взлетном весе 450 кг (в том числе, 250 кг полезной нагрузки). Длительность полета беспилотника Butterfly составляет от 3 до 10 ч., в зависимости от доли распределения полезной нагрузки между топливом и грузом. Разгонный и тормозной путь аппарата при взлете и посадке составляет около 50 м.
Рис. 4
Недостатком системы являются возможные колебания и раскачивание корпуса аппарата во время полета и сложность стабилизации при сильной ветровой нагрузке.Поэтому для транспортирования раненых такой аппарат представляется не очень комфортным.
Автономная система предупреждения столкновений и выбора зоны приземления вертолета
Американская самолетная корпорация Пясецкий (Piasecki Aircraft) и университет Карнеги-Меллона разработали и продемонстрировали сенсорную систему навигации, которая позволяет полноразмерным, автономным вертолетам совершать полет на низкой высоте, избегая столкновения с препятствиями. Система предназначена также для оценки и выбора подходящего места посадки БЛА на некартографированной местности и безопасного приземления с использованием самостоятельно сгенерированного пути подлета.
Выбор и оценка посадочной зоны при выполнении автономного полета полноразмерного вертолета на малой высоте являются беспрецедентными. Эта технология была разработана для вновь создаваемых беспилотных вертолетов, предназначенных для эвакуации раненых с заминированных или обстреливаемых участков сражений и для пополнения боезапасов выдвинутых вперед войсковых частей (рис. 5).
Рис. 5
Технология может также использоваться в гражданской сфере в качестве помощи пилотам вертолетов для предотвращения столкновения с препятствиями, например, линиями электропередач, и для выбора места посадки на неподготовленные площадки в чрезвычайных ситуациях, в том числе, в условиях низкой освещенности и плохой видимости.
Электронный голубь e-Juba
Разработанная южно-африканской фирмой Denel Dynamics для военных целей технология была преобразована для спасения жизней больных и пострадавших. Инженеры фирмы адаптировали военные БЛА в роботов-курьеров, наподобие почтовых голубей, которые могут быть использованы как для перевозки медицинских проб тяжело больных людей из отдаленных и труднодоступных районов в лаборатории клиник с целью тестирования, так и, например, для доставки в указанное место противоядий пострадавшим от змеиных укусов.
Большая часть грунтовых дорог становятся непроходимыми в дождь, поэтому для срочной доставки препаратов в отдаленные районы могут использоваться только воздушные транспортные средства. Поездка медработника из ближайшей лаборатории в хорошую погоду может также оказаться продолжительной, даже с использованием машин скорой помощи. Задержки при транспортировке образцов могут вызвать непредсказуемые последствия, увеличить продолжительность диагностики и время лечения различных тяжелых заболеваний. Последствия таких задержек могут быть критичными как для человека, требующего экстренной помощи, так и в случае эпидемии — для общества в целом.
Проект, предложенный фирмой Denel Dynamics совместно с национальной службой лабораторий здравоохранения (NHLS) Южной Африки, получил всестороннюю поддержку со стороны правительственных органов. В рамках проекта были успешно испытаны два различных БЛА первоначально разработанных для военных наблюдений.
БЛА предназначены для запуска с руки с территории клиники и движения по запрограммированному маршруту до назначенного места с использованием глобальной системы навигации и позиционирования (GPS) и гироскопов, управляемых микроэлектроникой.
БЛА сбрасывают свой груз в определенном месте и возвращаются назад по полетной траектории. Летательный аппарат может приземляться автоматически или с помощью оператора при дистанционном управлении.
Больший из двух БЛА получил название e-Juba (рис. 6), означающее на местном наречии голубь. Он может перевозить около 500 г полезной нагрузки и преодолевать расстояния до 40 км, сбрасывая груз при скорости ветра до 45 км/ч.
Рис. 6
Такие БЛА могут быть использованы также для доставки медикаментов (или двух порций крови для переливания) в зону боевых действий или во время стихийных бедствий и чрезвычайных ситуаций.
Концепция применения летающего робота в американском проекте Trauma Pod
Роботизированная безэкипажная система в проекте Trauma Pod представляет собой пару наземных аппаратов повышенной проходимости с гусеничным или колесным движителем и БЛА. Одна из роботизированных наземных машин (REX) доставляет пациента с поля боя, а другая — (REV) выполняет функции полевого госпиталя (рис. 7). Внутреннее пространство машины REV, входящей в состав системы Trauma Pod, сочетает в себе область интенсивного ухода за пациентом (intensive care unit — ICU) и операционный кабинет (operating room — OR), что позволяет медицинскому персоналу дистанционно (на удалении) оказывать помощь и, при необходимости, проводить на месте операцию по спасению раненых военнослужащих. После того, как система Trauma Pod будет полностью разработана, отпадет необходимость в присутствии медицинского персонала во время проведения операции (или он будет значительно уменьшен).
Рис. 7
Высококвалифицированный специалист сможет проводить все необходимые хирургические процедуры в удаленном режиме с помощью системы хирургических манипуляторов (см. статью в МиБ № 4/2011 г.). Роботизированные системы будут оказывать необходимую помощь хирургу для проведения всех этапов операции.
После проведения полного цикла терапии и оказания необходимой помощи, пациент, при необходимости, с помощью летающего робота (рис. 8) может быть срочно доставлен в госпиталь для продолжения дальнейшего лечения. Все операции по погрузке раненого и доставке его в госпиталь выполняются в безлюдном автономном режиме.
Рис. 8
