Hệ thống máy bay không người lái (UAV) có dây buộc thường được quảng cáo là một giải pháp đơn giản cho các nhiệm vụ trên không có độ bền cao. Về lý thuyết, nguồn điện liên tục từ mặt đất sẽ loại bỏ hoàn toàn các giới hạn về pin. Tuy nhiên, trong các triển khai thực tế, nhiều dự án UAV có dây buộc không đáp ứng được kỳ vọng khi các hoạt động vượt ra ngoài các buổi trình diễn ngắn.
Những lý do hiếm khi liên quan đến một lỗi thành phần duy nhất. Trong hầu hết các trường hợp, nguyên nhân gốc rễ nằm ở các quyết định thiết kế cấp hệ thống, bỏ qua thực tế hoạt động trong thời gian dài.
Bài viết này phác thảo những lý do phổ biến nhất khiến hệ thống UAV có dây buộc gặp khó khăn hoặc thất bại trong các nhiệm vụ mở rộng, dựa trên kinh nghiệm kỹ thuật thực tế hơn là các giả định tiếp thị.
Trong các nhiệm vụ kéo dài, sự tích tụ nhiệt thường là vấn đề sớm nhất và bị đánh giá thấp nhất.
Các trạm điện mặt đất, mô-đun DC/DC trên không và cáp buộc đều liên tục tạo ra nhiệt. Mặc dù các chuyến bay ngắn có thể vẫn nằm trong giới hạn nhiệt chấp nhận được, nhưng hoạt động trong nhiều giờ sẽ bộc lộ những điểm yếu trong thiết kế làm mát, kế hoạch luồng không khí và lựa chọn vật liệu.
Các mô-đun điện trên không đặc biệt nhạy cảm. Ngay cả những điểm không hiệu quả nhỏ trong chuyển đổi năng lượng cũng có thể dẫn đến sự tăng nhiệt liên tục, làm giảm dần các thành phần điện tử và làm giảm độ tin cậy của hệ thống. Nếu không có biên nhiệt thích hợp, một hệ thống hoạt động tốt trong ba mươi phút có thể trở nên không ổn định sau vài giờ.
Khả năng chịu đựng lâu dài không được xác định bởi công suất đỉnh mà bởi sự cân bằng nhiệt ổn định.
Một vấn đề thường xuyên khác là sự mỏi của cáp buộc.
Trong quá trình hoạt động kéo dài, cáp buộc phải chịu những thay đổi căng thẳng liên tục, dao động do gió và uốn lặp đi lặp lại tại các điểm kết nối tời và khung máy bay. Những căng thẳng này thường không gây ra lỗi ngay lập tức, nhưng chúng tích tụ theo thời gian.
Các hệ thống dựa vào cấu trúc cáp quá cứng hoặc không đủ giảm căng thẳng thường gặp hiện tượng mòn cách điện, đứt gãy vi mô dây dẫn hoặc mất ổn định tín hiệu sau nhiều nhiệm vụ. Trong những trường hợp nghiêm trọng, sự suy giảm của cáp trở thành yếu tố hạn chế của toàn bộ hệ thống, bất kể khả năng cung cấp điện.
Cáp buộc phải được thiết kế không chỉ để đạt hiệu suất điện mà còn để có độ bền cơ học trong hàng nghìn chu kỳ hoạt động.
Sụt áp là một thách thức tiềm ẩn khác trong các hoạt động có dây buộc kéo dài.
Khi chiều dài cáp tăng lên và nhiệt độ môi trường tăng lên, điện trở điện thay đổi tương ứng. Trong các hệ thống không có biên độ điện áp đủ lớn hoặc bù thời gian thực, điều này có thể dẫn đến điện áp đầu vào không ổn định tại mô-đun trên không.
Kết quả không phải lúc nào cũng là tắt hoàn toàn. Thông thường hơn, hệ thống đi vào trạng thái không ổn định, trong đó công suất đầu ra dao động, thiết bị điện tử điều khiển đặt lại liên tục hoặc các hệ thống trên bo mạch hoạt động không thể đoán trước.
Hoạt động ổn định trong thời gian dài đòi hỏi sự phối hợp cẩn thận giữa điện áp đầu ra mặt đất, đặc tính cáp và hiệu quả chuyển đổi trên không.
Nhiều hệ thống UAV có dây buộc được lắp ráp bằng cách kết hợp các thành phần từ các nhà cung cấp khác nhau. Mặc dù mỗi thành phần riêng lẻ có thể đáp ứng các thông số kỹ thuật của nó, nhưng sự không phù hợp giữa các hệ thống con thường xuất hiện trong quá trình sử dụng kéo dài.
Các ví dụ phổ biến bao gồm các giao thức giao tiếp không tương thích, phản hồi chậm trễ giữa điều khiển lực căng tời và phản hồi bộ điều khiển chuyến bay hoặc sự phối hợp không đủ giữa giám sát nguồn và logic bảo vệ nhiệt.
Những sự không phù hợp này hiếm khi xuất hiện trong các chuyến bay thử nghiệm ngắn. Chúng chỉ trở nên rõ ràng khi hệ thống hoạt động liên tục và các sai lệch về thời gian hoặc điều khiển nhỏ tích lũy.
Một hệ thống UAV có dây buộc nên được đánh giá như một kiến trúc hoàn chỉnh, không phải là một tập hợp các bộ phận độc lập.
Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và các buổi trình diễn có kiểm soát không thể tái tạo đầy đủ môi trường hoạt động thực tế.
Các nhiệm vụ kéo dài thường liên quan đến việc thay đổi điều kiện gió, dao động nhiệt độ, bụi, độ ẩm và sự mệt mỏi của người vận hành. Các hệ thống thiếu biên độ môi trường đầy đủ có thể hoạt động tốt ban đầu nhưng suy giảm đều đặn dưới áp lực thực tế.
Bảo vệ xâm nhập, chất lượng đầu nối, khả năng chống mài mòn cáp và xử lý lỗi phần mềm đều đóng vai trò quan trọng khi các hoạt động vượt ra ngoài thời gian thử nghiệm đã lên kế hoạch.
Độ tin cậy được xác định bởi cách một hệ thống hoạt động vào ngày tồi tệ nhất của nó, không phải là buổi trình diễn tốt nhất của nó.
Các hệ thống UAV có dây buộc đáng tin cậy nhất không phải là những hệ thống có công suất được quảng cáo cao nhất hoặc chiều dài cáp dài nhất. Chúng là những hệ thống được thiết kế với sự hiểu biết rõ ràng về cân bằng nhiệt, mỏi cơ học, độ ổn định điện và sự phối hợp hệ thống con.
Hoạt động trong thời gian dài không đạt được bằng cách tối ưu hóa một thông số duy nhất. Đó là kết quả của các lựa chọn kỹ thuật thận trọng, biên an toàn đầy đủ và các giả định thực tế về cách các hệ thống thực sự được sử dụng trong lĩnh vực này.
Đối với những người điều hành đang lên kế hoạch cho các nhiệm vụ trên không liên tục, việc đánh giá sớm các yếu tố này có thể ngăn chặn việc thiết kế lại tốn kém, gián đoạn hoạt động và các lỗi không mong muốn sau này.
