Лазерные технологии придают импульс «экономике низких высот» на пути к «интеграции воздушного и космического пространства» 

Лазерные технологии придают импульс «экономике низких высот» на пути к «интеграции воздушного и космического пространства»

Будучи одной из стратегических отраслей новой экономики государственного значения, «экономика низких высот» использует свой колоссальный потенциал для преобразования городского ландшафта и промышленных структур. 2025 год в отраслевых кругах повсеместно рассматривается как «стартовый год» экономики низких высот, знаменующий собой начало подъема и стремительного взлета рынка, объем которого исчисляется триллионами. На этом переломном историческом этапе лазерные технологии — отличающиеся уникальными характеристиками, такими как высочайшая точность, широкая пропускная способность и устойчивость к помехам, — стремительно выдвинулись на первый план, став ключевым технологическим двигателем развития экономики низких высот. Они выступают не только в качестве важнейшей опоры для обеспечения безопасности полетов на малых высотах и ​​повышения операционной эффективности, но и служат мощным катализатором, устремляющим экономику низких высот в интеллектуальное и устойчивое будущее. От точной навигации и систем обхода препятствий до высокоскоростной воздушной связи; от обеспечения метеорологической безопасности в режиме реального времени до строгого поддержания порядка в воздушном пространстве — лазерные технологии всесторонне укрепляют позиции экономики низких высот, стимулируя ее качественное развитие.

Лазерное аддитивное производство: снижение весовой нагрузки на летательные аппараты низких высот

Главным вызовом, возникающим в процессе масштабного расширения экономики низких высот, является проблема «веса». Будь то перевозка пассажиров на летательных аппаратах, транспортировка грузов с помощью промышленных дронов или выполнение дальних логистических задач — реализация всех этих сценариев требует от летательных аппаратов достижения максимальной структурной эффективности. В рамках традиционных производственных процессов аэрокосмической отрасли двумя основными «китами» облегченных конструкций выступают углеродные композиты и высокопрочные алюминиевые сплавы; однако оба этих материала сталкиваются с непреодолимыми ограничениями в области обработки. Обработка композитных материалов требует активного использования пресс-форм и автоклавов, что делает изготовление сложных, нестандартных геометрических форм — так называемых «деталей сложного профиля» — чрезвычайно трудоемкой задачей. Традиционные методы, как правило, предполагают разделение подобных деталей на десятки (и более) отдельных субкомпонентов, которые затем собираются вручную; однако каждая точка соединения в этом процессе не только увеличивает общий вес конструкции, но и создает зоны концентрации напряжений, повышая тем самым риск возникновения усталостных разрушений. В этом контексте лазерное аддитивное производство предлагает убедительное решение, позволяющее обеспечить создание облегченных конструкций для летательных аппаратов, используемых в экономике низких высот. В области неметаллических композиционных материалов система лазерного аддитивного производства для создания композитов, армированных непрерывным волокном — разработанная исследовательской группой из Хуачжунского университета науки и технологий, — выделяется как одно из наиболее прорывных технологических направлений, появившихся в последние годы [1]. Разработанная этой группой система использует сложный технологический процесс, включающий роботизированное отслеживание контура, лазерный нагрев непосредственно в зоне обработки (in-situ) и уплотнение с помощью ролика для армирования и консолидации материалов. Она послойно наносит нити препрега из непрерывного углеродного волокна: лазер, расположенный перед зоной обработки, нагревает нить препрега до состояния плавления, а непосредственно за ним следует ролик, который уплотняет и формирует материал — подобно искусному портному, послойно «сшивающему» конструктивный элемент в трехмерном пространстве. Эта система позволила полностью преодолеть два основных ограничения, присущих традиционным методам обработки композитов: во-первых, она больше не ограничена рабочим объемом автоклава, позволив успешно реализовать монолитную печать крупногабаритных компонентов (класса двух метров); во-вторых, она больше не скована методами укладки волокна под фиксированными углами, обеспечивая возможность реализации произвольных криволинейных траекторий, что позволяет точно выравнивать ориентацию волокон в соответствии с траекториями главных напряжений. В ходе инженерных испытаний, проведенных корпорацией China Aerospace Sanjiang Group, авиационный обтекатель, изготовленный по данной технологии, продемонстрировал снижение массы на 44% при одновременном повышении прочности на 25%; кроме того, изделие успешно выдержало серию строгих испытаний, включавших воздействие экстремальных температурных циклов (в диапазоне от -55°C до +70°C), а также вибрационные и ударные нагрузки интенсивностью 20g. Данная система представляет собой не просто лабораторный прототип; это готовое технологическое решение, которое уже перешло на стадию мелкосерийного внедрения.

Что касается металлических компонентов, то группа исследователей из Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики (NUAA) успешно открыла новое, самобытное технологическое направление. Узловые соединения крыльев беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) служат классическим примером деталей, к которым предъявляются повышенные требования по несущей способности при минимально допустимой структурной избыточности; традиционные методы производства таких деталей часто ограничены либо сложностью доступа инструмента к обрабатываемой зоне (что делает невозможным изготовление внутренних полостей), либо наличием сварных швов, которые неизбежно снижают усталостную прочность изделия. Прорыв, достигнутый командой NUAA, заключается в глубокой интеграции технологии селективного лазерного плавления (SLM) с методами топологической оптимизации, учитывающими специфические ограничения конкретного производственного процесса [2]. Путем явного включения параметров процесса аддитивного производства — таких как минимальный угол нависания 45° и минимальная толщина стенки 0,4 мм — непосредственно в свои алгоритмы оптимизации, разработчики превратили идеальные структурные конфигурации, которые ранее были «теоретически рассчитываемыми, но практически непроизводимыми», в осязаемую реальность. В результате оптимизированный узел соединения крыла продемонстрировал снижение массы на 13,78% при одновременном уменьшении максимального эквивалентного напряжения на 4,4% — тем самым обеспечив достижение двойной цели: облегчения конструкции и повышения ее прочности в рамках единого производственного процесса.

Два вышеупомянутых примера — касающиеся, соответственно, различных материальных систем: композитов и металлов — демонстрируют, что лазерное аддитивное производство более не является лишь пассивным инструментом обработки, реагирующим на заранее заданные проектные требования; напротив, оно эволюционировало в системную производственную технологию, которая активно участвует в самом процессе формирования структурной геометрии. По мере того как лазерная печать композитов с непрерывным волокном переходит от двухметрового масштаба к пятиметровому, и по мере того как процессы селективного лазерного плавления (SLM) начинают обеспечивать прямое изготовление встроенных датчиков, конформных каналов охлаждения и структур электромагнитного экранирования внутри самих деталей, задача простого облегчения конструкции уже давно перестала быть конечной целью этой технологической эволюции. То, что действительно требуется низковысотным летательным аппаратам, — это не просто более легкие конструктивные решения, а фундаментальная производственная база, способная обеспечить масштабируемую полезную нагрузку, увеличенную продолжительность полета и быструю итеративную разработку; и именно такую ​​возможность сегодня открывает технология лазерного аддитивного производства.

**LiDAR: Определение «границ безопасности» для низковысотных применений**

После того как летательные аппараты обретают облегченную конструкцию, перед ними встает следующая задача: определить, «способны ли они выявлять безопасные траектории полета в сложной окружающей среде, изобилующей зданиями, линиями электропередачи и птицами». Традиционные системы спутниковой навигации сталкиваются с неизбежными «слепыми зонами» в низковысотном воздушном пространстве — такими как городские каньоны, эффекты многолучевого распространения сигнала и зоны отсутствия сигнала, — что может привести к потере ориентации дронами во время полета. Кроме того, возможности распознавания объектов у традиционных оптических датчиков резко снижаются в условиях интенсивного освещения, полной темноты или сильного смога. Следовательно, внедрение технологии LiDAR для обеспечения точного восприятия окружающей среды и выявления безопасных траекторий полета в сложных условиях стало необходимым предварительным условием для практической реализации низковысотных авиационных задач. Активно излучая лазерные лучи и принимая отраженные сигналы, системы LiDAR способны генерировать данные в виде трехмерных облаков точек с сантиметровой или даже более высокой точностью. Эти высокодетализированные данные не только наделяют беспилотные летательные аппараты (БПЛА) исключительным уровнем ситуационной осведомленности об окружающей среде, но и способствуют созданию подробных 3D-карт местности и препятствий, тем самым обеспечивая точную навигацию и эффективное уклонение от преград. Исследование, проведенное Хуаном и соавт. [3], демонстрирует, что данные облаков точек, полученные с помощью высокоточных лазерных сканеров, могут быть использованы для формирования «воздушных коридоров» в низковысотном воздушном пространстве. Это обеспечивает БПЛА возможности высокоточного планирования траектории полета — фактор, имеющий критическое значение для повышения безопасности полетов в сложных городских условиях.

На Рисунке 3 представлена ​​иерархическая архитектура интеллектуальной транспортной системы для низковысотного воздушного пространства. В рамках этой структуры «Физический уровень» охватывает летательные аппараты, узлы городской воздушной мобильности (UAM), системы связи, навигации и наблюдения, а также различные другие датчики. Используя лазерные методы обнаружения для генерации высокоточных 3D-облаков точек, системы LiDAR играют ключевую роль в обеспечении точной навигации и уклонения от препятствий для низковысотных БПЛА, действующих в сложных условиях. Кроме того, LiDAR демонстрирует огромный потенциал в области картографирования низковысотного пространства. Например, в сельскохозяйственном секторе данные, полученные с различных источников на базе БПЛА, были успешно применены для эффективного и точного измерения высоты посевов кукурузы, предоставив тем самым новые инструменты для управления в рамках «точного земледелия» [4]. Данные о рельефе местности, полученные с помощью высокоточных систем LiDAR, могут также способствовать исследованиям в области алгоритмов обработки «безопасных поверхностей» для полетов на малых высотах в сложном рельефе. Это позволяет планировать более плавные и безопасные траектории полета для БПЛА, существенно повышая уровень их безопасности при выполнении низковысотных операций.

Даже если летательный аппарат обладает достаточно малым весом, а его сенсорные системы — высокой точностью, влияние ветровых полей все же может «ослепить» его датчики. Характер ветровых потоков вокруг зданий, циркуляция воздуха, обусловленная эффектом «городского острова тепла», а также так называемый «эффект каньона» — все эти явления подвержены быстрым и непредсказуемым изменениям. Для низковысотных летательных аппаратов внезапный боковой ветер может оказаться достаточным для изменения пространственного положения при посадке; для сельскохозяйственных дронов ветровое поле напрямую определяет траекторию дрейфа распыляемых пестицидов. Однако традиционные механические чашечные анемометры или ультразвуковые анемометры невозможно установить непосредственно на летательный аппарат, а данные о ветре, поступающие с наземных метеорологических станций, слишком удалены от места действия, чтобы удовлетворить насущные локальные потребности. Именно здесь на помощь приходит доплеровский ветровой LiDAR, предлагающий уникальную возможность «восприятия ветрового поля в режиме реального времени». На Рисунке 4 представлены результаты применения доплеровского ветрового лидара для наблюдения за особенностями рельефа местности.

Измеряя доплеровский сдвиг частоты аэрозольных частиц в атмосфере, доплеровский ветровой лидар позволяет в режиме реального времени и с высокой точностью получать ключевые метеорологические параметры, такие как скорость и направление ветра, а также уровень турбулентности. Эти данные обеспечивают низколетящие летательные аппараты оперативной и точной метеорологической поддержкой. При оценке запасов безопасности полетов беспилотных аппаратов условия окружающей среды выступают критически важным фактором. Применение доплеровских ветровых лидаров для мониторинга ветрового поля на малых высотах позволяет получить необходимые данные для количественной оценки этих условий, тем самым обеспечивая более точную оценку и прогнозирование полетных рисков [6]. В частности, в городской среде на малых высотах — где точная метеорологическая информация оказывает существенное влияние на устойчивость полета — доплеровские ветровые лидары способны предоставлять эти критически важные данные, помогая беспилотникам преодолевать такие проблемы, как помехи сигнала, и дополнительно повышая надежность их систем позиционирования и навигации.

**Лазерные системы безопасности: стражи порядка на малых высотах**

Как только воздушное пространство открывается для использования, неизбежно возникает вопрос «порядка». Незаконные вторжения, «беспризорные» беспилотники, случайно залетевшие в запретные зоны, наблюдение с воздуха за особо важными объектами — всё это уже не просто сюжетные ходы из научно-фантастических фильмов, а реальные препятствия, которые необходимо устранить для обеспечения масштабирования экономики полетов на малых высотах. В этом контексте лазерные системы безопасности для малых высот играют двойную роль: выступая одновременно и средством обнаружения, и средством противодействия. В сфере обнаружения архитектура интегрированного зондирования и связи (ISAC) стремительно становится основным подходом [7, 8]. Наземная станция, оснащенная многоантенной решеткой, способна одновременно передавать унифицированные сигнальные потоки нескольким летательным аппаратам, находящимся в зоне ее ответственности, используя общие аппаратные и частотные ресурсы как для связи, так и для радиолокационного обнаружения. В качестве высокоточного сенсорного компонента лазерные технологии позволяют существенно повысить точность обнаружения и сопровождения целей класса «низко, медленно, малоразмерно»; кроме того, в сфере противодействия мощные лазерные системы теперь обладают возможностью осуществлять меры «жесткого поражения» (hard-kill) в отношении несанкционированных («черных») беспилотников. По сравнению с традиционными методами — такими как захват сетью или использование противодроновых ружей — лазерные средства противодействия обладают рядом неоспоримых преимуществ: высокой скоростью реагирования, минимальным сопутствующим ущербом и высокой экономической эффективностью. Данный подход призван не поощрять политику «стрельбы на поражение», а, скорее, предоставить администраторам низковысотного воздушного пространства опциональное, высокоточное и бесконтактное средство обеспечения правопорядка.

Благодаря своим возможностям высокоточного обнаружения, идентификации и сопровождения, лазерные системы обеспечения безопасности низковысотного воздушного пространства служат эффективным техническим инструментом для управления и поддержания порядка в данной зоне. Предлагаемая концепция кооперативного интегрированного зондирования и связи нацелена на использование совместных усилий множества наземных станций для преодоления ограничений, присущих традиционным методам зондирования на базе одной станции или локализации, — в частности, проблем, связанных со слиянием результатов зондирования и согласованием параметров каналов связи. Выступая в качестве высокоточного компонента зондирования в рамках этой концепции, лазерные технологии существенно повышают эффективность мониторинга полетов на малых высотах и ​​расширяют возможности по обнаружению аномальных летательных аппаратов.

Как показано на Рисунке 5, данная модель наглядно иллюстрирует базовую архитектуру реализации «интеграции зондирования и связи» посредством использования унифицированных аппаратных и частотных ресурсов. Центральная наземная станция, оснащенная многоантенной решеткой, формирует зону покрытия зондирования, представляющую собой трехмерный сектор воздушного пространства, вершиной которого служит сама станция, а радиусом — ее максимальная дальность обнаружения. При наличии в этом воздушном пространстве множества автономных летательных аппаратов, распределенных случайным образом, наземная станция одновременно устанавливает с ними каналы связи и выполняет функции радиолокационного обнаружения, излучая унифицированные сигнальные пучки. Эта модель четко визуализирует инфраструктурную основу, необходимую для выполнения задач интегрированного зондирования и связи с использованием общих аппаратных и частотных ресурсов. Более того, лазерные системы могут выступать в качестве неотъемлемого компонента данной интегрированной системы зондирования и связи, повышая точность обнаружения и сопровождения несанкционированных нарушителей или беспилотных аппаратов, совершающих «нелегальные полеты», и тем самым эффективно обеспечивая порядок в низковысотном воздушном пространстве. Поддержание такого порядка опирается на надежные технические возможности, а не исключительно на гибкие или мягкие меры регулирования.

Стремительное развитие «экономики низких высот» сопряжено с многочисленными вызовами, включая неразвитость инфраструктуры, неэффективность процессов сбора и обработки данных, недостаточную точность управления полетами и субоптимальную производительность сетей связи. В этой связи будущие научные исследования будут сосредоточены на интеграции функций зондирования, связи, вычислений и управления, с использованием уникальных возможностей «воплощенного» искусственного интеллекта (Embodied AI) в области восприятия, планирования и принятия решений для эффективного преодоления указанных проблем. Выступая в качестве «технологического двигателя», лазерные технологии продолжат стимулировать практическое внедрение легких и высокопроизводительных лазерных устройств — проходящих через непрерывный процесс итераций и эволюции, — тем самым обеспечивая технологическое усиление каждого сектора «экономики низких высот». Эта деятельность подразумевает устранение «узких мест», ограничивающих пропускную способность каналов связи в низковысотном воздушном пространстве, и создание высокоскоростных, стабильных каналов передачи данных с помощью таких технологий, как лазерная связь в свободном пространстве; существенное повышение уровня безопасности полетов за счет использования систем LiDAR для более точного обнаружения препятствий и восприятия окружающей среды (в сочетании с доплеровскими ветровыми лидарами, предоставляющими метеорологические данные в режиме реального времени); а также разработку специализированных лазерных решений, адаптированных к разнообразным сценариям применения в низковысотной сфере, с целью повышения общей адаптивности систем. Благодаря этим последовательным усилиям и инновациям лазерные технологии ускорят формирование более безопасной, эффективной и интеллектуальной экосистемы низких высот. Они обеспечат надежную техническую основу для стремительного взлета многотриллионного рынка «экономики низких высот», открывая перед человечеством новую эру трехмерного транспорта и «умных городов».