Там, где дрон шумит…

Жужжание беспилотников может отразиться на жителях населенных пунктов

ЭКСПЕРТНОЕ
МНЕНИЕ

Роботизация транспорта, в частности авиационного, получила экспоненциальный рост.
По прогнозам Fundamental Business Insights (международная компания, занимающаяся исследованиями и консалтингом рынка), объем рынка мультироторных дронов достигнет 39,87 млрд долл. к 2034 году по сравнению с 5,64 млрд долл. в 2024 году, что отражает среднегодовой темп роста более чем на 21,6% в течение прогнозируемого периода – с 2025 по 2034 год. Доход отрасли в 2025 году прогнозируется на уровне 6,74 млрд долл.
В России полеты беспилотников в городской черте по известным причинам запрещены. Однако Росавиация рассматривает вопрос использования беспилотников в городской среде. «Для запуска таких устройств необходимо обеспечить безопасность граждан, – сказал глава Росавиации Дмитрий Ядров в рамках форума–выставки «Россия». – Конечно, это придет. И будет доставка малых грузов, наверное, маркетплейсы очень активно будут это развивать, доставлять медикаменты. Может, когда–то будет доставка еды, как сейчас это делают курьеры…» В текущей ситуации он назвал развитие этого сегмента в стране преждевременным. Под текущей ситуацией подразумевается большая вероятность использования дронов в террористических целях. Но только ли этот фактор может воспрепятствовать активному развитию городской авиалогистики?

Опросы настораживают

Мировой рынок городской навигации и связи БПЛА в 2023 году был оценен в 6,9 млрд долл. и, по оценкам, зарегистрировал CAGR (от англ. Compound Annual Growth Rate – среднегодовой темп роста какого–либо показателя за период) более 17 процентов. По мнению специалистов, это связано с растущей урбанизацией и увеличением населения. С ростом объема данных, генерируемых городами, беспилотники вступают в процесс сбора информации о движении транспорта, качестве воздуха и ситуации в общественных местах, способствуя более интеллектуальному городскому планированию и управлению.
Как считают эксперты, сегмент сервисного рынка обеспечивается посредством развития в основном трех технологических факторов. Первый – совершенствование аппаратной составляющей. Это навигационные системы (GPS, визуальные навигационные системы), системы связи, датчики (лидарные, радарные, ультразвуковые датчики) и камеры. Второй – программное обеспечение навигации, связи, управления парком, анализа данных. И третий фактор – непосредственно услуги интеграции и реализации, а также обслуживания и поддержки. В 2023 году на аппаратный сегмент приходилось более 55% рынка, и, как ожидается, к 2032 году он превысит 15,5 млрд долл.
Доминирование сегмента компонентов объясняется, очевидно, их характером. Они являются основой операций БПЛА, облегчая точную навигацию, бесшовную связь и сбор данных в режиме реального времени. Растущий спрос на БПЛА подпитывается технологическими достижениями в GPS, LiDAR, радарах и камерах высокого разрешения, которые значительно повышают возможности дронов. Кроме того, с расширением применения беспилотников растет спрос на оборудование высшего уровня для обеспечения операционной эффективности и безопасности, особенно в сложных городских условиях. Этот постоянный спрос на передовое оборудование укрепляет позиции лидеров рынка.
Ведущими мировыми компаниями городской навигации и связи БПЛА аналитики называют американскую корпорацию Honeywell International Inc., британскую BAE Systems plc и китайскую частную компанию DJI, которые в 2023 году занимали более 19% рынка.
С региональной точки зрения, на долю Северной Америки на тот же период приходилось более 37% рынка. Ожидается, что к 2032 году показатель превысит 10,4 млрд долл. Регион лидирует на городском рынке навигации и связи БПЛА, чему способствуют значительные инвестиции в технологии БПЛА и поддерживающие правила, поясняют эксперты. Более того, такие страны, как США, выделяются широким распространением в таких секторах, как услуги доставки, городского планирования и мониторинга инфраструктуры.
Значительный рост рынка демонстрируют и европейские страны, включая Францию, Германию, Великобританию и Нидерланды. Движущей силой городской отрасли навигации и связи БПЛА в регионе называют сильную нормативную поддержку сегмента, надежные инвестиции в НИОКР и широкое использование в таких секторах, как инспекция инфраструктуры, наблюдение и услуги доставки.
Активно развивается рынок мультироторных дронов в Азиатско–Тихоокеанском регионе. Такие страны, как Китай, Япония и Южная Корея, характеризуются наличием большого количества производителей дронов и сильным акцентом на технологические инновации.
БПЛА не только решают городские проблемы, но и создают новые возможности. В мире наблюдается растущий спрос на более быстрые и эффективные услуги доставки. Это будет способствовать росту рынка дронов в логистике и транспортировке, отмечают эксперты. Ожидается растущее внедрение дронов в различных отраслях, таких как электронная коммерция, здравоохранение и сельское хозяйство. В мегаполисах происходит внедрение авиароботов в процесс доставки продуктов до конечного потребителя, это позволяет транспортировать товары быстро и точно, сокращая время доставки и затраты для бизнеса, и одновременно снижает нагрузку на дорожные коммуникации.
Между тем активное включение беспилотников в рынок B2C (определяет коммерческие взаимоотношения между организацией и частными лицами) имеет не только преимущества. Так, сотрудник Ланкастерского университета (Великобритания) Пол Кертон отмечает, что интеграции eVTOLs (electric Vertical Take-Off and Landing) – электрических летательных аппаратов с вертикальными взлетом и посадкой – в городскую инфраструктуру мешает в том числе настороженное отношение людей к этому виду транспорта. Например, опрос компании Airbus UTM (подразделение Airbus, которое проводит исследования в области городской воздушной мобильности) показал, что 55% респондентов обеспокоены вопросами безопасности. Еще около 50% из 1,5 тыс. опрошенных уверены, что летающие автомобили будут издавать много шума. При этом 44% респондентов поддерживают интеграцию БПЛА в городское пространство, а 41% считают eVTOLs безопасным видом транспорта.

Фактор
«мешающего звука»

Таким образом, половина опрошенного населения не приемлет звуки, издаваемые летающими роботами. Это в ходе специального исследования психоакустических свойств шума малых беспилотных летательных аппаратов подтвердило и агентство НАСА. Специалисты в течение нескольких лет изучали раздражающие факторы БПЛА, вызываемые их шумом.
Исследование включало в себя три этапа:
1. Сбор звуков с помощью полевых записей.
2. Разработка и выполнение психоакустического теста с использованием этих записей.
3. Первоначальный анализ данных, полученных в результате этого теста.
Полученные данные свидетельствуют об отсутствии паритета между уровнем шума, создаваемым зарегистрированными дронами, и уровнем шума ряда дорожных транспортных средств (которые также были зарегистрированы и включены в тест), измеренным с помощью набора современных показателей шума.
Выяснилось, что дроны действуют на нервы людям гораздо сильнее, чем любые виды наземного транспорта, даже в том случае, если громкость звука, издаваемого коптером и автомобилем, примерно одинаковая.
«Мы решили провести этот тест, не зная, что он покажет, настолько значительны различия», – отметил участник исследования Эндрю Кристиан.
Словом, аналитики НАСА пришли к однозначному и неожиданному для них самих выводу: коптеры раздражают людей, и достаточно сильно. Причем объяснения этому факту пока нет. Участники исследования сами не понимают, почему их так раздражает шум винтов коптеров. Возможно, такой эффект проявляется по той простой причине, что дроны все же пока в новинку для многих людей и шум, который они издают, привлекает внимание, выбиваясь из фоновых шумов, обычных для человека. Автомобили же давно стали частью нашей жизни, и многие из нас их просто не замечают.
Указывается, что исследование, проведенное НАСА, можно назвать вполне объективным, поскольку при прослушивании различных видов шумов испытуемым не сообщали, что именно они слышат. Громкость звука различных источников была одинаковой. Вполне может быть, что фактор «мешающего звука» может привести к неприятию дронов определенной частью населения населенных пунктов любых типов – хоть больших, хоть маленьких. А это в свою очередь приведет к замедлению внедрения коптеров для решения повседневных задач вроде доставки грузов.
Читатель спросит: почему этим вопросом занимался исследовательский центр НАСА в Лэнгли? Все просто – оказалось, что тема заинтересовала подразделение оборонных инноваций (DIU) Пентагона, который расширяет свои усилия по созданию малой беспилотной воздушной системы Blue (sUAS). В программу Blue sUAS входят самолеты с взлетной массой менее 1,4 кг. Представитель Пентагона заявил, что эта расширенная программа, получившая название Blue sUAS 2.0, нацелена на беспилотники с максимальной полной взлетной массой менее 25 кг (MGTOW). Портативные БПЛА с вертикальным взлетом и посадкой (VTOL) ближнего действия (SRR) созданы для армии США в разведывательных целях в рабочем диапазоне в три или более километров.

ИКАО
за сбалансированный подход

На одной из конференций руководителю крупного российского эксплуатанта беспилотных систем задали вопрос, касающийся степени шумового воздействия дронов. Ответ был предсказуем: «Львиная доля наших дронов на электрической тяге. В процессе эксплуатации наблюдается практически нулевое загрязнение окружающей среды. Шумовое воздействие и воздействие на экологию здесь сведено к минимуму».
Тем не менее интерес к экологоакустической проблематике достиг самых вершин международной гражданской авиации. В ИКАО проблемами сертификации БАС по шуму занимается специальная группа, в которую входят и российские специалисты. Об этом сообщили эксперты Комитета Международной организации гражданской авиации по защите окружающей среды от воздействия гражданской авиации (САЕР) Юрий Халецкий и Артур Мирзоян.
В частности, было указано, что в действующих резолюциях ИКАО подчеркивается актуальность встраивания в мировую систему воздушного транспорта новой категории воздушных судов, условно названную транспортными средствами «новой воздушной мобильности». Эта категория в Китае, Японии и США уже признана самой быстро развивающейся частью авиационного парка. Ее бурное развитие потребует создания «бесшумных» аппаратов для выполнения полетов вблизи вертипортов.
Эксперты пояснили, что в настоящее время в ИКАО ведется работа над согласованием методов сертификации по шуму для двух таких типов воздушных судов: «небольших» БАС и более «крупных» БАС, потенциально способных перевозить пассажиров на летательных аппаратах повышенной воздушной мобильности.
Появилось несколько типов беспилотников с эксплуатационными и шумовыми характеристиками, отличными от существующих самолетов и вертолетов. Это летательные аппараты вертикального взлета и посадки, которые не являются вертолетами или винтокрылыми машинами и требуют применения новых методов измерения шума, не рассмотренных в существующих стандартах ИКАО по шуму. Разработка специальных стандартов для сертификации таких БАС по шуму необходима не только органам по обеспечению летной годности для проверки их соответствия сертификационным требованиям, но и местным органам власти для оценки локального воздействия эксплуатационного шума. Такие воздушные суда могут обладать уникальными шумовыми характеристиками и эксплуатироваться в непосредственной близости от населенных пунктов и вдали от существующих аэропортов. Методы оценки локального воздействия шума, например, управления учета и планирования землепользования, могут заметно отличаться от методов, используемых для сертификации.
В ИКАО детально рассматриваются возможные проблемы шума, связанные с эксплуатацией коптеров. Из–за существенных различий в их конструкции, организации движения и, как следствие, в воздействии на население стало очевидно, что эти технические средства невозможно или неприемлемо сертифицировать по шуму в соответствии с действующими нормами для широких категорий воздушных судов, рассматриваемых в существующем Стандарте ИКАО по шуму (том I «Авиационный шум» приложения 16 к Конвенции о международной гражданской авиации). Например, гибридно–электрические системы могут включать в себя вспомогательные силовые установки или турбогенераторы с уникальными акустическими характеристиками, и наиболее интенсивные составляющие шума могут выходить за рамки частотного диапазона, регламентируемого существующими сертификационными процедурами.
В презентации ЦИАМ отмечены потенциальные проблемы шума БАС, среди которых высокая плотность быстро развивающейся сети беспилотных систем для обеспечения доступной, бесшумной и быстрой транспортировки по требованию, особый механизм генерации шума БАС, приводящий к наличию части спектра в области высоких частот за пределами традиционной максимальной частоты авиационного шума 10 кГц (до 20 кГц), отсутствие характерного для обычного авиационного шума ослабления более высоких частот в атмосфере (из–за коротких расстояний между источником и наблюдателем), отсутствие сертификационных показателей авиационного шума, учитывающих воспринимаемое раздражение, связанное с наличием нескольких тонов в шуме БАС, и многие другие.
Важным условием успешного развития новых услуг, основанных на использовании БАС, регулярно выполняющих рейсы вдали от аэропортов, является необходимость общественного признания данного вида транспорта. Сомнительно, что горожане согласятся с появлением новых тревожных факторов в городской среде, таких как визуальное загрязнение, конфиденциальность и доступность новых услуг и, конечно, безопасность, экологические проблемы, полет над охраняемой территорией, раздражающий шум...
Для снижения авиационного шума от БАС ИКАО рекомендует использовать сбалансированный подход, который предполагает рациональное сочетание четырех основных принципов: использование современных методов снижения шума в источнике, учет и планирование землепользования на прилегающих к вертипорту территориях, разработка эксплуатационных процедур по борьбе с шумом при полете дронов и введение локальных эксплуатационных ограничений по шуму от БАС. В этом контексте CAEP ИКАО уже ведет разработку стандартов, которые будут определять процедуры измерений и пределы шума на уровне воздушных судов для сертификации типа беспилотников. В масштабах страны, региона или города снижение шума у источника должно дополняться контролем местных условий эксплуатации (то есть трех других принципов сбалансированного подхода ИКАО к снижению шума). Необходимость оптимизации траекторий и частоты полетов, времени суток и установка дополнительных показателей воздействия шума – это лишь некоторые из традиционных рычагов ограничения общего влияния шума на население. По мнению ИКАО, полная приверженность местных властей международным требованиям ИКАО по шуму обеспечит объективный подход к общественному признанию БАС.
Некоторые производители БАС (Joby Aviation, EVE Air Mobility и Volocopter) уже подали заявки на сертификацию по шуму своих воздушных судов. Поскольку международного стандарта ИКАО по шуму пока не существует, национальные органы по сертификации гражданской авиации, такие как EASA (ЕС), FAA (США), ANAC (Бразилия) и JCAB (Япония), предложили для устранения существующих пробелов сертификации руководства, основанные на существующих процедурах сертификации («Руководство EASA по измерению шума систем беспилотных летательных аппаратов весом менее 600 кг», «Руководство FAA по сертификации БАС по шуму с использованием правил особой применимости» и другие). На пути к принятию международного стандарта по шуму от БАС CAEP, проанализировав существующие в мире подходы к измерению шума от БАС, к настоящему времени уже разработала специальный циркуляр для «небольших» БАС («Временные рекомендации по измерению шума для малых БАС») и разрабатывает новый циркуляр для более крупных БАС.
Авторы презентации предложили обсудить актуальные для России вопросы, требующие выработки согласованной позиции российской авиапромышленности и науки.
В частности, указывается на необходимость проведения исследований возможностей эффективной интеграции БАС в существующую и будущую транспортную систему России (первым шагом могла бы быть разработка базы данных по российским БАС). Также интеграция БАС потребует изменения всей внутригородской инфраструктуры, в частности, строительства вертипортов, которые будут служить местными транспортными узлами для пассажиров и грузов. Ужесточение сертификационных требований приведет к установке новых ограничений на шум от БАС, особенно в тех населенных районах, которые ранее не подвергались воздействию авиационного шума (ожидается, что БАС будут часто летать на коротких маршрутах на относительно малой высоте). К тому же следует срочно доработать российские нормы летной годности по сертификации ВС по шуму на местности (НЛГ 36) в части требований к шуму от БАС, поскольку без существенной адаптации использовать действующие международные стандарты по шуму для дозвуковых реактивных и винтовых самолетов для сертификации отечественных БАС по шуму не удастся. В целом необходимо разработать новые методы расчета и прогнозирования шума от БАС, а также технологии и процедуры его снижения на основных режимах полета (аналогичные по качеству используемым для обычных авиатранспортных средств).
Эксперты предлагают продолжить дискуссию по проблемам сертификации БАС по шуму в рамках Комитета по вопросам охраны окружающей среды Союза авиапроизводителей России.

Технологии активного шумоподавления

Пока специалисты высокого уровня заняты разработкой методик расчета шумового воздействия от БАС и, соответственно, способов его снижения, международные компании уже разрабатывают различные практические решения в этой области. Среди новшеств, например, использование малошумных пропеллеров, пористых материалов для посадочных площадок и оптимизация конструкции дронов.
Так, для снижения шумового загрязнения от дронов компания Amazon запатентовала технологии, позволяющие уменьшать шум винтов мультикоптеров и передавать с их помощью короткие сообщения. В патенте описывается система уменьшения шума, использующая дополнительные винты. Технология предполагает установку микрофонов у основных винтов. Система шумоподавления анализирует данные с микрофонов и активирует вторичные винты, исходя из уровня шума. Вторичные винты вращаются таким образом, чтобы создавать «антишум» – подобный подход называют «активным шумоподавлением».
Представители компании Amazon отмечают, что возможен положительный побочный эффект от вторичных винтов в виде дополнительной тяги, однако основная задача системы именно уменьшение шума.
Также в патенте описываются способы коммуникации беспилотника с наблюдателем на земле. В частности, авторы предлагают два метода: создания звукового сигнала кратковременным изменением скорости вращения роторов и установку в лопастях светодиодов для отображения различной информации. В первом случае авторы считают, что им удастся смоделировать некоторые звуки, воспринимаемые на слух как человеческая речь – например, восклицание Watch out! («Осторожно!»).
Второй метод передачи сообщений описывает фактически несколько вращающихся светодиодных дисплеев. Управляя частотой вращения винтов, можно добиться у стороннего наблюдателя ощущения статичного изображения и, таким образом, передать текстовое сообщение.
Подобные способы могут пригодиться для использования в мультикоптерах, доставляющих грузы, – дрон сможет оповестить клиента о прибытии посылки или предупредить о посадке. О возможных прототипах и перспективах реализации технологий в реально используемых беспилотниках ничего не сообщается.
Исследователи Университета Бристоля предлагают иной метод. Известно, что пористые покрытия, такие как трава или мох, могут снизить шумовое загрязнение от дронов. Присутствие такой растительности на поверхностях, в том числе крыш зданий, посадочных площадок и вертипортов, позволяет снизить уровень шума до 30 дБ на низких и средних частотах. К тому же это повышает коэффициент тяги и мощности по сравнению с твердыми поверхностями, сообщает TechXplore.
Растения хорошо поглощают громкие звуки благодаря своей пористой структуре. Этот природный эффект давно используется для снижения шума в городах, например, вдоль дорог и в парках. Теперь ученые решили использовать этот принцип для создания специальных пористых материалов, которые помогут сделать тише дроны и аэротакси.
Исследователи провели эксперименты в безэховой камере, используя толкающий винт, установленный над имитацией земли. Поверхность попеременно обрабатывалась твердыми и пористыми материалами с различной пористостью и толщиной. Микрофоны, размещенные в ближней и дальней зонах, регистрировали акустические данные, а шестиосевой датчик силы измерял аэродинамические силы. Сравнивая результаты разных конфигураций, ученые определили, что пористые поверхности заметно снижают громкость звука.
Снижение шума при использовании пористых покрытий объясняется их способностью изменять и контролировать движение воздуха. Когда винт работает рядом с такой поверхностью, материал поглощает часть энергии воздушного потока, уменьшая скорость приземного воздушного потока (быстрого потока воздуха вдоль земли) и, следовательно, ослаб-
ляя аэродинамические взаимодействия, создающие шум.
Пористая структура не только поглощает энергию потока, но и уменьшает его отражение обратно к винту. Это в свою очередь снижает количество возмущенного воздуха, повторно попадающего в винт, что тоже создает много шума.
По мнению экспертов, разработки компаний важны для развития городской аэромобильности, так как позволяют создавать более тихие летательные аппараты и разрабатывать шумопоглощающие поверхности для вертипортов. Это будет способствовать большей лояльности со стороны горожан и соблюдению городских норм.

Шамиль БАЙБЕКОВ