Os Micro Drones
19 set 2002, atualizado em 21 de setembro de 2002
Atualização de 18 de junho de 2005
Fonte:
http://www.aerovironment.com/area-aircraft/prod-serv/bwidpap.pdf
Com certa surpresa, descobri na web, graças ao meu amigo Christophe Tardy, o desenvolvimento dos microdrones. O leitor interessado encontrará um artigo (em inglês) em formato pdf intitulado "Desenvolvimento do Micro Voo Aéreo Viúva Negra". Em inglês, MAV ou "micro aeronave". O desempenho desses veículos deixa você... sem palavras. É verdade que na web descobrimos algo novo todos os dias. Esses objetos parecem brinquedos, mas certamente não são. A Viúva Negra tem 15 cm de envergadura. O artigo faz referência a testes realizados em agosto de 2000, ou seja, há dois anos. O objetivo é, evidentemente, militar.
A Viúva Negra
Esses testes se situam no fim de um programa de desenvolvimento que se estendeu por quatro anos. O projeto desse aparelho é impressionante:
- Envergadura: menos de 15 cm
- Peso: menos de 100 gramas
- Carga útil: 12 gramas
- Câmera de vídeo embarcada de 2 gramas transmitindo imagens coloridas à distância
- Velocidade: 55 km/h
- Tempo de voo: 30 minutos
- Propulsão elétrica, por bateria
- Raio de ação (em relação às comunicações): 2 km
- Piloto automático embarcado permitindo que uma pessoa não treinada coloque o aparelho em funcionamento. Controle de voo por microprocessador embarcado
- O sistema de controle de voo e gestão das comunicações radio pesa 5 gramas
- Os micro-motores que atuam sobre as duas superfícies de controle, uma superfície horizontal e uma superfície vertical central, pesam cada um meio grama
Foi a Rand Corporation que lançou um estudo de viabilidade de máquinas microvoadoras em 1993. É especificado que os militares consideram o desenvolvimento de veículos que atinjam esse grau de miniaturização, podendo ter o tamanho de um inseto voando ou rastejando. Dado que nossa época é a das nanotecnologias, como se surpreender com a aparição de "nanorrobôs" e uma "nanoaeronáutica"? Não há limites teóricos para essa miniaturização dos objetos, exceto as dimensões moleculares e atômicas. Para quem sabe criar "bomba de nanômetros" de alguns micrômetros de diâmetro, veículos de alguns milímetros são "gigantescos".
Várias universidades participaram desse programa de desenvolvimento de máquinas microscópicas, de uma "microaeronáutica", entre elas a da Flórida e a do Arizona. Os objetivos definidos eram conseguir levar uma carga útil de 30 gramas até um alvo situado a 600 metros de distância, com a máquina permanecendo no ar pelo menos dois minutos. No fim desse programa, uma máquina foi testada com sucesso em agosto de 2000, com as seguintes características:
- Peso: 80 gramas (...)
- Envergadura: 15 cm
- Motorização por motor elétrico acoplado diretamente à hélice (em fibra de carbono). Possui um rendimento de 83%, enquanto o motor tem um rendimento de 70%.
- Tempo de voo: trinta minutos (...)
- Velocidade: 55 km/h, o que dá uma distância teórica percorrida de 27 quilômetros e um raio de ação de 13 quilômetros.
- Capaz de retransmitir dados coletados a 1,8 quilômetros (limite atual do seu raio de ação), em 16 canais.
- Altitude de voo: 250 metros. É uma altitude típica, mas obviamente não corresponde a um teto.
- Peso do transmissor de sinal de vídeo: 1,4 grama. Resolução em modo colorido: 510 por 488 pixels.
- Potência requerida por esse transmissor: 550 milivatios.
- Potência do sinal: 100 milivatios em 2,4 gigahertz.
- Frequência de trabalho do controle remoto: 433 MHz
- Carga útil: 12 gramas
- Baixo custo total.
As baterias de lítio têm um baixo custo e são extremamente confiáveis. O voo ocorre em nove décimos do tempo a velocidade constante, o que simplifica os problemas de otimização aerodinâmica. O motor elétrico pesa 7 gramas. O grupo motopropulsor entrega uma tração de 10 gramas girando a cinco mil rotações por minuto. Os testes em uma túnel de vento de 50 x 50 cm de diâmetro resultaram em uma medição de rendimento da hélice de 83%, enquanto os cálculos em computador previam 82%. A asa é de poliestireno expandido, com um revestimento e elementos estruturais, tudo colado. Os revestimentos são de Kevlar. As superfícies verticais são de balsa. O sistema de aquisição e transferência de dados conectado durante o voo foi projetado para 16 canais. Em modo de armazenamento, todo o dispositivo cabe em uma maleta (pensa-se em James Bond).
O "mini-aviador", o construtor de modelos reduzidos (que eu fui), ficará surpreso com a forma do veículo. Sem ailerons, uma asa de alongamento muito baixo. A resposta é simples. Priorizou-se a compactação do objeto em detrimento de suas performances puramente aeronáuticas (que exigiriam um alongamento significativo). A ausência de estabilizador: os sistemas de estabilização puramente aeronáuticos são limitados ao mínimo absoluto. Este veículo é
impossível de pilotar manualmente.
Mas isso não deve surpreender e é apenas consequência dos avanços nos "sistema de controle", nos controles automáticos de atitude. O ser humano tem desempenho muito limitado nesse campo. Seus "sensores" são pouco eficientes e oferecem tempos de reação longos. Você conhece o truque do dinheiro que se coloca como na figura A, que se solta e o sujeito não consegue pegar, simplesmente porque o atraso entre a captura do sinal "dinheiro em movimento" e o da chegada da ordem "fechar a mão" é maior que o tempo de queda do dinheiro.
Próxima imagem, em
B uma aeronave que se sustenta em altitude constante e alta velocidade sobre ailerons: impossível de pilotar pelo homem.
Em C um robô fabricado por um amigo há dez anos, pilotado por um simples PC da época. Dois graus de liberdade. No equipamento móvel um tubo de PVC sustentando uma bola de peteca ou um prato cheio de copos. Retorno à posição estável ultra-rápido, sem oscilações. Capaz de suportar sem problemas turbulências atmosféricas, até certo ponto. Detalhe: esse robô foi projetado para a indústria de confeitaria, para escrever os nomes das pessoas com creme em bolos pedidos por clientes para aniversários. "Feliz aniversário, Marcel", com escolha da fonte, etc.
Sem ajuda, a empresa falhou há dez anos (normal: era muito simples e muito barato).
Você mesmo entra em seus voos de avião, sem perceber, em máquinas que não são pilotáveis pelo homem, ou muito mal. Um Boeing 747 possui um estabilizador horizontal com a área das asas de um avião de tamanho normal. No modo "estabilização aeronáutica", esse estabilizador é "deportador", compensando o momento de mergulho proveniente da asa. Isso aumenta inutilmente o consumo de querosene. Para entender tudo isso, consulte minha tirinha "O Aspirissoufle" (ex "E se voássemos?") que pode ser encontrada no
CD contendo mais de quinze tirinhas da série das Aventuras de Anselme Lanturlu
(18 euros em J.P. Petit, villa Jean-Christophe, caminho da Montagnère, 84120 Pertuis. O frete está incluso).
Uma asa normal, quando sustenta, desenvolve um momento de mergulho. A superfície horizontal (estabilizador), deportadora, compensa essa ação. Um avião "normal" não precisa ser pilotado (a não ser para colocá-lo de volta em sua trajetória quando sofre turbulência).
Aqui está um avião que uma turbulência colocou em posição de mergulho. O estabilizador horizontal, tornando-se sustentador, o devolve ao voo horizontal.
Inversamente, a turbulência colocou o avião em picada. O aumento da sustentação do estabilizador tende a devolvê-lo à sua trajetória normal:
A seguir, um avião de geometria variável. Na configuração a seguir, ele se parece com um avião clássico.
Asas dobradas (para garantir melhor penetração em supersônico), ele se torna isto:
O estabilizador deportador então faz parte da asa e, por continuidade, chegamos aos perfis em "S", autostáveis, dos aviões de asa delta como o Concorde.
Existe outra maneira de garantir um voo horizontal, consistindo em criar um momento de sustentação deslocando o centro de gravidade para trás:
.
O estabilizador traseiro pode então tornar-se sustentador. Economiza-se combustível, mas o avião torna-se muito instável, praticamente impossível de pilotar manualmente. É exatamente isso que acontece (sem que você perceba) em todos os aviões comerciais atuais para voos de longa distância. Após a decolagem e chegada à altitude de cruzeiro, o combustível é bombeado para compartimentos traseiros, o que produz o efeito desejado e o piloto é confiado ao computador de bordo. Em caso de falha desse computador, é previsto que o combustível seja imediatamente bombeado para frente para que o piloto possa recuperar o controle manual de sua máquina (o que acontecerá de qualquer forma durante a aproximação e aterrissagem). Atualmente, a sobrevivência do estabilizador traseiro e do piloto manual existem apenas para acalmar os passageiros. Aviões sem estabilizador, totalmente pilotados por computador (os "pilotos" que então não seriam capazes de pilotar manualmente) surgirão cedo ou tarde. No campo militar, eles já existem. O B2 é totalmente pilotado por computador. Desprovido de estabilizador vertical e confiado apenas às mãos de um piloto, ele se viraria instantaneamente em espiral se houvesse uma ação excessiva sobre os flaps de ponta de asa. Suas aberturas adicionais de ar no topo dos capôs dos motores exigem um controle preciso da atitude em sustentação durante o pouso, sob pena de perda de alimentação de ar dos motores. O piloto é "auxiliado por computador". Aqui estou falando dos B2 "que mostram". No meu próximo livro, explicarei por que esses vinte e um B2 baseados em Witheman são na verdade iscas, bons apenas para serem mostrados em reuniões e a senadores, servindo de telão a um hipersônico voando a 10.000 km/h, a 60 km de altitude e com um raio de ação de 20.000 km, sem reabastecimento em voo. Um "bombardeiro hipersônico antipodal". Mas isso é outra história, que nos afasta do tema de hoje: os microdrones. De passagem, um de meus contatos, bastante influente entre as pessoas que cuidam dos "programas secretos" nos EUA, confirmou minha tese sobre o B2 em 100% após uma estadia de vários meses lá. Princípios de voo (com grande uso da MHD) e planos completos do hipersônico americano nas anexos técnico-científicos do meu livro (espero: janeiro de 2003).
O microdrone Black Widow não tem perfil em "S". É impossível de pilotar manualmente. O controle de sua atitude em voo é totalmente confiado a um microprocessador embarcado que utiliza dados transmitidos por seus sensores. A velocidade é medida por um tubo de Pitot, visível na imagem. O aparelho carrega um magnetômetro micro de dois eixos que informa sua atitude em relação ao solo. Também possui um indicador de "fator de carga" (os "g" que sofre em curvas) baseado em um cristal piezoelétrico minúsculo, de peso desprezível. Com essas informações, o computador de bordo é perfeitamente capaz de garantir um voo estável em condições de turbulência média. Os lemes são uma superfície horizontal e um leme vertical (central). A posição do leme vertical se explica pelo fato de que, quando comandado, ele desempenha duas funções: controle em guinada e em rotação. Os dois lemes verticais adicionais foram acrescentados para eliminar os efeitos do "rolamento holandês", bem conhecidos dos engenheiros aeronáuticos (sou da Supaéro). Pretende-se equipar esses microdrones com navegação por GPS e um microaltímetro de radar. O controle de uma máquina assim é, para quem a utiliza (um simples soldado em um campo de batalha), limitado à sua forma mais simples. É lançado no decolagem com um sistema pneumático. A bomba é fornecida com o kit completo. É claro que o usuário dispõe de "comandos de voo" do tipo "subir", "descer", "girar"; mas o aparelho se vira para executar essas ordens, gerenciando por si mesmo suas ações de voo e sua estabilidade. As ordens dadas pelo usuário são dadas apenas para lidar com obstáculos inesperados e modificar um plano de voo pré-gravado ("ir ali seguindo tal trajetória"). Posteriormente, a câmera de vídeo será móvel. "O pássaro poderá orientar seu olhar", essas ordens sendo dadas pelo "capacete do usuário" que vê o cenário exibido (posteriormente em 3D com duas câmeras, dois "olhos" solidários do micro-drone). A imagem é exibida em uma tela de cristal líquido solidária ao capacete. A rotação da câmera é comandada pela rotação da cabeça, detectada por sensores solidários ao capacete (uma técnica há muito aprimorada). O relevo é garantido pela exibição alternada na tela das imagens "olho direito" e "olho esquerdo", sincronizada com "shutters" de cristal líquido colocados diante das pupilas. Sistema experimentado pelo autor em 1979 com um simples Apple II com duas telas comutáveis. Shutters mecânicos. Tudo montado em um capacete de bicicleta foi apelidado de "estereocicleta" (naquela época, como para tantas outras coisas na França: vox clamat in deserto).
Alguns microdrones são projetados para serem recuperáveis. Mas seu custo de produção muito baixo (em grande escala) faz com que possam ser considerados "consumíveis" e, eventualmente, destruídos durante o voo após cumprirem sua missão (se o barulho da explosão não for incômodo). Em voo, são furtivos. A propulsão elétrica faz com que a Viúva Negra não seja audível por uma orelha humana se o veículo estiver a mais de trinta metros do observador. Se a parte inferior for pintada com a cor do céu, o veículo também não será visível do solo. As paredes dos drones militares são dotadas de microcélulas "cromatóforas", semelhantes às que revestem a pele dos polvos. Estes têm três glândulas que injetam mecanicamente três produtos coloridos cuja sobreposição produz todas as cores do prisma (sistema análogo ao RVB nas telas de televisores ou... do computador que você está usando agora). Assim, um mimetismo. Os drones militares americanos são totalmente miméticos. Comportam-se "como objetos transparentes". De muito pequeno tamanho, não são detectáveis pelo radar ou serão confundidos... com pássaros. Durante os testes da Viúva Negra, ela foi acompanhada por pássaros do seu tamanho, curiosos. Os militares já possuem microdrones em forma de pássaros do tamanho de gaivotas ou rapinas, com asas batendo (não para garantir propulsão e sustentação, mas para acentuar a semelhança). Seu programa de voo imita seu comportamento. Seu revestimento é projetado para que sua "assinatura" se identifique com a de um pássaro (assinaturas de radar e térmicas). A única defesa eficaz contra esses drones: um bom pincel de micro-ondas que queime a eletrônica embarcada. A menos que esses microdrones sejam "endurecidos", que seus elementos estejam contidos em uma gaiola de Faraday.
Medidas... contramedidas... contracomedidas... etc.
Para quê servem esses microdrones? Para tudo. Evidentemente podem relatar informações, de dia ou de noite (câmera infravermelha). Podem realizar a dispersão de produtos tóxicos em massas muito pequenas (toxinas, armas bacteriológicas, incapacitantes, neurotóxicas). Podem mergulhar por uma janela aberta e levar uma carga explosiva para dentro de um edifício. Convenientemente programados, poderiam até mesmo atravessar corredores e escadas!
Já mencionamos acima estudos de microdrones rastejantes, terrestres, cujo tamanho poderia ir até o de um... inseto. Nas guerras futuras, os combatentes terão que atirar em "todo espinho em aproximação". Nunca se sabe, poderia ser um falso espinho carregando uma granada, imitando sua marcha. Um falso espinho, uma falsa cobra ou um falso pardal.
Isso não é ficção científica. Já é operacional.
A miniaturização das cargas explosivas (ver, em meu futuro livro, a menção às bombas de antimateria, onde esta é alocada em cristais) faz com que o tamanho da bomba possa diminuir com o tamanho do veículo que a transporta. Microavião ou micro "tanque", esses dois veículos poderiam transportar cargas equivalentes a dezenas de toneladas de TNT sob forma de armas "limpas", não poluentes (a aniquilação matéria-antimatéria não produz emissão de resíduos radioativos como o césio 137, e).
Durante as operações no Afeganistão, os soldados das "forças especiais" eram equipados com rifles que permitiam atirar sem se expor, interessantes para combates em ruas. Em seu videocassete você já tem seu mini-monitor colorido com zoom: usado pelos soldados como "luneta de mira". À direita da imagem, o que verá quem for mirado, ou seja... o rifle.
Visão com tela de cristal líquido.
Nem mesmo cegar o atirador atirando na tela. Ele está fora de vista, assim como as mãos do atirador. Por que se expor bêbado quando se pode fazer de outra forma?
Começamos apenas a vislumbrar a invasão da arte da guerra por tecnologias de alta tecnologia... baratas. Só a pesquisa conta. A Viúva Negra terá um custo de produção em série de apenas alguns dólares. Os drones reutilizáveis não têm trem de pouso convencional. Os estabilizadores verticais são então instalados no topo da asa, que deve, portanto, ter ailerons (controle "três eixos"). Para reestabelecer contato com o solo, basta que o drone disponha de uma superfície plana, como uma estrada ou uma pista de pouso que tenha sido desdobrada, uma faixa de um metro de largura e