Khái lược về máy bay không người lái

Nguyễn Huy Minh | 22/10/2016 07:40

Máy bay không người lái có lịch sử phát triển khá lâu dài và hiện là ứng dụng khoa học kỹ thuật quan trọng của nhiều quốc gia trên thế giới, trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Máy bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicle - UAV) là dạng không có phi công trên máy bay, có thể bay do trạm kiểm soát dưới mặt đất điều hành, có thể tự bay do được lập trình trước hoặc theo một hệ thống động lực tự động hóa phức tạp hơn. Có một số định nghĩa khác về máy bay không người lái, nhưng người ta vẫn quen với thuật ngữ UAV hơn cả.

Những ứng dụng của UAV trên thế giới trước tiên được nhìn thấy trong mục đích quân sự của các cuộc chiến tranh công nghệ cao, tuy nhiên gần đây, người ta thường bắt gặp chúng trong những ứng dụng cho mục đích nghiên cứu khoa học và mục đích dân sự. UAV ngày càng phát triển cả về số lượng cũng như trình độ khoa học, nhất là trong những trường hợp mà con người khó tiếp cận hoặc nguy hiểm.

Black Hornet Nano, một trong số những UAV siêu nhỏ hiện nay, dài 10cm, nặng 16gr bao gồm cả pin, được trang bị camera, có khả năng vận hành trong 20 phút, tốc độ 18km/h.

1. Vật thể bay không người điều khiển đã có từ thời thượng cổ, một dạng nguyên thủy của UAV có trong truyền thuyết vùng Ai Cập - Hy Lạp; Diều và Tàu lượn cũng đã có từ thời cổ xưa ở nhiều nước trên thế giới. Tuy nhiên, có lẽ nên coi “Đèn trời Khổng Minh” (180 - 234 sau CN) dùng trinh thám và dọa kẻ địch là loại UAV đầu tiên được ghi nhận trong lịch sử. Trong hàng không hiện đại thì UAV xuất hiện và thành công trước máy bay có phi công. Chiếc UAV gắn động cơ đầu tiên thành công là chiếc Aerodrome No.5, cất cánh ngày 6.5.1896 tại Virginia. UAV này do Samuel Pierpont Langley (USA) chế tạo (máy bay có người lái đầu tiên của anh em nhà Wright tới ngày 17.12.1903 mới cất cánh thành công, bay được 37m trong 12 giây).

Chiếc UAV sơ khởi, tự điều khiển đầu tiên được tạo ra từ việc phát triển một con quay hồi chuyển bởi Lawrence và Elmer Sperry (USA) trong năm 1916 cũng là thiết bị đầu tiên có kiểm soát độ cao. Sau đó hai người đã phát triển Máy bay Khu trục không người lái (Aerial Torpedo), có thể mang một tải trọng nổ đến mục tiêu, đã bay được một khoảng cách hơn 30 dặm.

Mẫu UAV phản lực ký hiệu XQ-2, có thể coi là ông nội của UAV hiện đại, ra đời vào năm 1951 do Cty Teledyne Ryan Aeronautical ở San Diego chế tạo theo đặt hàng của Bộ Quốc phòng Mỹ. Ban đầu chỉ để làm mục tiêu bay huấn luyện, sau đó chuyển thành trinh sát với mẫu AQM-34 nổi tiếng với 34.000 phi vụ trong chiến tranh Việt Nam. Có thông tin cho rằng Trung Quốc có được mẫu UAV này là nhờ Việt Nam chuyển cho họ những chiếc bị bắn rơi ở Miền Bắc, trên cơ sở đó họ nghiên cứu, sao chép và tạo ra chiếc WZ-5 (Chim thần) vào năm 1981 và sau đó xuất khẩu dưới tên CH-1.

Các thế hệ UAV hiện đại đều được sinh ra sau chiến tranh Việt Nam. Mỹ đưa UAV sử dụng thực tế trong chiến tranh vùng Vịnh năm 1991, đánh dấu sự tiến triển một cách nhanh chóng của UAV quân sự. Cũng sau chiến tranh Việt Nam, Mỹ và Israel phát triển UAV nhỏ hơn và rẻ hơn, trang bị động cơ nhỏ tương tự như của xe máy hoặc xe trượt tuyết, truyền hình ảnh video về căn cứ của nhà khai thác. Đây cũng là lúc việc nghiên cứu chế tạo UAV lưỡng dụng quân sự - dân sự bắt đầu và từ 1990 trở thành kỷ nguyên của UAV dân sự và thương mại.

Helios, loại UAV bay cao nhất.

Hiện tại, UAV đang phát triển với tốc độ chưa từng có. Phải kể tới Bay nhanh nhất (D-21, 4 lần tốc độ âm thanh, USA), Bay cao nhất (Helios, 96.500 ft, USA), Nhỏ nhất (Black Widow, 6 inch, USA), Bay lâu nhất (Heron, 52 giờ, Israel), Bay xa nhất (RQ-4 Global Hawk, 8.580 dặm, USA). Chuyến bay xuyên Đại Tây Dương đầu tiên do UAV Aerosonde (USA) thực hiện năm 1998, chuyến bay xuyên Thái Bình Dương đầu tiên do RQ-4 Global Hawk (USA) thực hiện năm 2001.

Trong quân sự hiện nay, các hệ thống không người lái được các tư lệnh chiến trường ưa chuộng và đánh giá cao nhờ tính linh hoạt và bền bỉ của chúng. Với việc thực thi các nhiệm vụ như giám sát, báo hiệu thông minh (SIGINT), chỉ định mục tiêu chính xác cao, phát hiện mìn, trinh sát hóa học, sinh học, phóng xạ hạt nhân (CBRN)… hệ thống không người lái đóng góp quan trọng cho cuộc chiến chống khủng bố toàn cầu.

Hệ thống UAV thường có giá thấp hơn nhiều so với máy bay có người lái. Ban đầu người ta còn dự trù làm những hệ bay rất rẻ tiền, dùng một lần rồi bỏ, tuy nhiên đến năm 2011 thì khả năng này là không thật hiện thực. Các bộ cảm biến tiên tiến trang bị trên các hệ thống UAV rất đắt tiền và không thể dùng một lần rồi bỏ được, hơn nữa, tổn thất quá cao có thể phủ nhận lợi thế chi phí vì phải mua một số lượng lớn UAV thay thế.

Theo tính năng công nghệ và phạm vi hoạt động, người ta có thể thấy có các UAV nhỏ và siêu nhỏ, bay dưới 300m luồn lách trong thành phố hoặc ngay trong các tòa nhà, chui vào trong các hành lang, mang theo các thiết bị thu phát nghe nhìn và chỉ nặng dưới 100gr. Trong khi đó, UAV chiến thuật có thể mang tên lửa tìm diệt chính xác cao, sử dụng kết nối vệ tinh hoặc một nền tảng riêng nào đó. Còn UAV chiến lược có thể có trọng lượng cất cánh lên đến 12.000 kg, trần bay cao đến 20.000m; chiếc Global Hawk có thể bay lâu đến 35 giờ hoặc chiếc Helios của NASA dùng năng lượng pin mặt trời, đạt được trần bay cao đến 30.000m. Chiếc Helios đã được dùng để quan sát trái đất, lập bản đồ và cảnh báo môi trường.

2. Mỹ là nước dẫn đầu thế giới trong mọi phân khúc của máy bay không người lái, tuy nhiên, so với số tiền đã chi cho máy bay chiến đấu và tên lửa thì số đã đầu tư cho UAV chỉ là phần rất bé nhỏ, khoảng 8%. Nhưng nay tình hình đã thay đổi do yêu cầu lớn của cuộc chiến tranh chống khủng bố. Chương trình UAV phóng từ tàu ngầm hoặc từ chiến hạm đã vạch ra lộ trình tương lai đầy tham vọng đối với UAV quân sự. Sử dụng UAV trong hàng loạt các tác vụ an ninh nội địa, phi quân sự cũng đã và đang gia tăng mạnh mẽ ở Mỹ, chẳng hạn giao UAV giám sát thực thi pháp luật thường xuyên, theo dõi xe tải vận chuyển hàng hóa nguy hiểm hoặc tìm kiếm các vụ cháy rừng. Trong khi đó, tất cả các quốc gia trong Liên minh Châu Âu hoặc là đang sử dụng UAV hoặc đã và đang lập kế hoạch mời thầu trang bị UAV trong tương lai.

Ở Canada UAV đã được sử dụng vào nhiều mục đích như lấy mẫu khí trong khí quyển, nghiên cứu hải dương, địa vật lý, thăm dò khoáng sản, tiếp sức viễn thông, tuần tra biên giới, kiểm tra đường dây điện và đường ống dẫn từ xa, cảnh báo thời tiết, giám sát và điều hành phòng cháy chữa cháy… Luật Canada quy định UAV là thiết bị bay chuyên nghiệp, phải có giấy chứng nhận hoạt động bay đặc biệt. Người sở hữu phải gửi trước đơn mô tả rõ ràng hành trình các chuyến bay sẽ được thực hiện.

Vào năm 2007, cảnh sát vùng Keno đã tạo ra một tiền lệ là lần đầu tiên dùng những bức ảnh do UAV chụp để trình ra trước tòa án làm bằng chứng. Cảnh sát đã sử dụng Draganflyer do 2 hãng của Canada thiết kế và chế tạo, cất-hạ cánh thẳng đứng, gắn Camera và GPS. Chất lượng hình ảnh cao, nhờ máy ảnh có bộ giảm rung và công nghệ ổn định hình ảnh. Các chuyến bay thường từ 5-15 phút, vận hành bởi ba điều hành viên mặt đất, trong đó có một sĩ quan an toàn hàng không.

Nga thừa hưởng di sản khá đồ sộ của ngành công nghiệp hàng không Liên Xô cũ, chẳng hạn từ thập kỷ 1950 đã viện trợ dòng UAV LA-17 cho Trung Quốc. Tuy vậy, ngành công nghiệp UAV hiện đại thì Nga có vẻ chậm chân. Mãi đến năm 2012 Bộ quốc phòng Nga mới loan báo UAV chiến đấu do Nga chế tạo dự định đưa vào phục vụ cuối năm 2014. Hiện nay có vài chục công ty Nga đang phát triển và sản xuất UAV mini, như ENICS ở Kazan chế tạo Eleron, AERO Zala ở Izhevsk sản xuất Strekoza và Lastochka, STTs tại St Petersburg với sản phẩm dòng Orlan... Nga đang chế tạo các UAV tiệm cận với những UAV tốt nhất trên thế giới, ví dụ Dozor - 600 do Công ty Tranzas phát triển chắc không kém hơn so với chiếc Predator của Mỹ về đặc tính chiến đấu.

Ngành công nghiệp UAV Trung Quốc có nguồn gốc từ những năm 1950 hiện đang mở rộng và rất đa dạng. Rất ít thông tin của các cơ sở quốc doanh phát triển chế tạo UAV công bố công khai nên đã hạn chế sự hiểu biết chi tiết về ngành công nghiệp này của Trung Quốc. Bản chất kép quân sự - dân sự của công nghệ UAV đã dẫn đến sự đan xen giữa giới Đại học, các Viện khoa học, Quân giải phóng nhân dân Trung Quốc (PLA), các doanh nghiệp quốc phòng của nhà nước và khu vực tư nhân. Các Công ty quốc phòng của Trung Quốc không phải đối mặt với những hạn chế xuất khẩu như ở các nước xuất khẩu UAV hàng đầu, chẳng hạn như Mỹ và Israel. Kết quả là Trung Quốc có thể trở thành một nhà cung cấp UAV quan trọng, đặc biệt là cho các nước đang phát triển. Điểm đáng chú ý là Trung Quốc đã và đang phát triển mạnh mẽ UAV cho dân sự, phi quốc phòng, bao gồm thực thi pháp luật, giám sát hàng hải, viễn thám, phục vụ nông nghiệp và hỗ trợ/cứu trợ thảm họa nhân đạo.

Nhật Bản nổi bật từ rất sớm trong việc phát triển các công nghệ tinh vi, thông minh trang bị cho các loại UAV trung bình, nhỏ, siêu nhỏ và giúp chúng toàn phần tự chủ (Autonomous). Người Nhật gọi đó là các Robot bay. Yamaha Motor bắt đầu phát triển UAV lên thẳng với động cơ của xe máy dùng để phun hóa chất nông nghiệp từ năm 1983. Năm 1989 đánh dấu thành công đầu tiên trên thế giới trong việc sử dụng UAV lên thẳng để rải phân bón và cho đến tháng 12.2002 đã có 1.281 chiếc được sử dụng cho công việc phun hóa chất trên khắp Nhật Bản. Bắt đầu từ năm 1998, các UAV được trang bị cảm biến GPS và thành công đầu tiên là chuyến bay tự động độc lập thám sát hoạt động núi lửa Usu trong tháng 4.2000. Trong số các quốc gia tiên tiến sở hữu UAV cánh quạt ngang, Nhật Bản có thị phần lớn nhất chứ không phải là Mỹ.

Indonesia bắt đầu chương trình tự phát triển UAV trong năm 2004, chế tạo thành công Wulung và được biết chiếc UAV này đã được quân đội đặt hàng cho mục đích giám sát. Nó có thể bay tối đa trong 4 giờ với bán kính lên tới 120 km, đạt độ cao lên đến 3.650m, hệ thống điều khiển có tầm kiểm soát lên tới 73 km. Wulung sử dụng động cơ đốt xăng 2 thì, vỏ được chế tạo từ vật liệu composite, thiết kế tinh vi và có những khả năng khác biệt khi so sánh với một số loại UAV khác. Ngoài chụp ảnh trên không và phát hiện cháy rừng, Wulung còn có thể làm mưa nhân tạo để góp sức dập lửa.

3. Những tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ đã tạo điều kiện chế tạo ra những hệ thống thiết bị bay ngày càng nhỏ hơn (smaller UAV - SUAV) nhưng lại mạnh mẽ hơn. Giờ đây UAV/SUAV không chỉ thực hiện các nhiệm vụ thông tin tình báo, giám sát và trinh sát (ISR), mặc dù điều này vẫn còn là một trong những nhiệm vụ chính, mà vai trò đã mở rộng sang các khu vực khác. Chỉ nói riêng trong quân sự thôi thì UAV đã nhận lãnh việc tấn công điện tử (EA), nhiệm vụ đánh phá, trấn áp hoặc phá hoại sức mạnh phòng không của đối thủ…

Trị giá của UAV có thể từ vài nghìn USD đến hàng chục triệu USD. Phần đắt tiền nhất, khác biệt nhất của UAV so với kỹ thuật hàng không thông thường chính là lĩnh vực Điều khiển tự động hóa và Avionics. Đây cũng là lĩnh vực non trẻ và đang có sự nhảy vọt trong những năm gần đây. Chất lượng và giá cả của UAV được đánh giá bởi khả năng Toàn phần tự chủ của hệ điều hành. Một số UAV phiên bản đầu tiên không có gì phức tạp, chỉ đơn giản là máy bay do một phi công (còn gọi là điều hành viên - Operator) sử dụng sóng điện từ điều khiển liên tục suốt chuyến bay. Phiên bản tinh vi về sau thì cấy ngay vào trong thiết bị những hệ thống điều khiển và dẫn đường tạo công năng độc lập, giúp con người chỉ cần can thiệp rất ít và UAV có thể tự chủ hoàn toàn.

So với sản xuất phần cứng của UAV, lĩnh vực công nghệ tự chủ hoạt động độc lập (Autonomous technology) hãy còn khá mới mẻ và chưa phát triển được bao nhiêu. Do đó Autonomous technology đang và có thể sẽ tiếp tục là nút cổ chai cho sự phát triển UAV tương lai. Giá trị tổng thể và tốc độ mở rộng của thị trường UAV tương lai tùy thuộc vào những tiến bộ sẽ đạt được trong lĩnh vực Autonomous technology (Tụ hợp cảm biến/ Sensor fusion, Truyền thông/ Communications, Hoạch định chuyển động/ Motion planning, Khởi tạo quỹ đạo bay/ Trajectory Generation, Phân bổ nhiệm vụ và lịch trình/ Trajectory generation, Các chiến thuật hợp tác/ Cooperative tactics…).

Công nghệ tự chủ đã, đang và có thể sẽ tiếp tục được coi là phần mở rộng hơn của ngành điều khiển học. Mục tiêu cuối cùng trong sự phát triển của công nghệ tự chủ là để công nghệ thay thế cho con người phi công. Vẫn còn phải chờ xem liệu sự phát triển tương lai của công nghệ tự chủ đạt được như thế nào, nhận thức về công nghệ và quan trọng nhất, không khí chính trị xung quanh việc sử dụng công nghệ đó. Tất cả những điều đó sẽ vạch ra giới hạn để sự phát triển và sự hữu dụng của công nghệ tự chủ áp dụng vào UAV.

UAV không bị phụ thuộc vào những hạn chế tâm, sinh lý của con người phi công, chúng có thể được thiết kế để tối đa hóa thời gian ứng trực và hoạt động. So với số tiền đã chi cho tên lửa và máy bay chiến đấu thì con số đã đầu tư cho UAV chỉ là phần bé nhỏ. Mỹ đã lập ra một lộ trình để thực hiện các mức độ tự chủ cần có của UAV cũng như dự đoán xu hướng tương lai đạt được cho khoảng thời gian 2005 - 2030. Xu hướng của kiểm soát tự chủ độc lập chia làm nhiều giai đoạn khác nhau, mức khởi đầu là việc điều khiển từ xa giản đơn ở cấp 1 và tiến tới cấp độ 10 là kiểm soát tự trị hoàn hảo cả đám như các chuyến bay hình thành của côn trùng và các loài chim.

Hiện tại, UAV đã ở mức có thể hoạch định lại quỹ đạo hành trình ngay khi đang bay dựa vào cảm ứng thị giác và máy tính nhúng, đang tiến đến giai đoạn có thể tự tránh được chướng ngại vật. Mặc dù còn ở mức độ nghiên cứu, các chuyến tự chủ bay tập thể của 2 hay nhiều chiếc UAV cũng đã được thực hiện, tức là hầu như đạt tới mức 4 hoặc 5 sự tự chủ toàn phần. Sự hoàn hảo không người lái được kỳ vọng sẽ đạt được tương tự như một quá trình tiến hóa. Một điểm then chốt quan trọng cho việc thực hiện điều này là CPU, với tốc độ xử lý phát triển theo cấp số nhân như định luật Moore dự báo.

Công nghệ UAV đã trưởng thành ở mức cho phép chúng có khả năng trở thành gia sản then chốt trong các liên minh quân sự, các quốc gia chủ chốt toàn cầu. Để dễ hiểu về thị trường UAV và tiềm năng tương lai, hãy liên hệ rằng nó giống như giai đoạn sơ khởi của máy bay và sự hình thành ngành hàng không hiện nay. Công nghệ UAV được các chuyên gia đánh giá là ngành có tăng trưởng năng động nhất trong công nghiệp hàng không vũ trụ ở thập kỷ này.

Một nghiên cứu của Tập đoàn Teal cho biết rằng thị trường thế giới dành cho việc nghiên cứu, phát triển và mua sắm UAV là 6 tỉ USD trong năm 2011, sẽ tăng gấp đôi trong 10 năm tới và lưu ý rằng con số này không bao gồm Chiến đấu cơ không người lái (Unmanned combat aerial vehicles - UCAV). Theo khảo sát của Frost & Sullivan, số lượng hệ thống UAV triển khai trên toàn cầu năm 2004 là khoảng 1.000 thì đến 2008 đã tăng đến 5.000, phần lớn sự tăng trưởng này là do nhu cầu của Mỹ.

4. Nhiều năm sau khi một số nhóm các nhà kỹ thuật nghiệp dư, các nhà khoa học công nghệ quân - dân sự trong các cơ quan khác nhau âm thầm nghiên cứu thị trường và kỹ thuật chế tạo cũng như việc thử nghiệm một số mẫu UAV nguyên chiếc hoặc Modul nhập về Việt Nam theo các con đường khác nhau, từ năm 2013 Việt Nam đã nhận thấy việc phát triển và ứng dụng UAV là thực sự hữu ích, cần thiết và khả thi. Trên cơ sở đó đã định hướng những đề án trung hạn với tầm nhìn dài hạn cho lĩnh vực mới mẻ, hiện đại, đã, đang và sẽ có những đóng góp đặc biệt cho kinh tế quốc dân, an ninh và quốc phòng của đất nước.

Sẽ không dễ dàng đánh giá thị trường Việt Nam cho từng loại hình ứng dụng UAV dân sự và thương mại, vả lại đây là vấn đề còn rất mới, thị trường nước ta hầu như chưa có khái niệm cụ thể. Hy vọng rằng, với mức độ hội nhập toàn diện vào nền kinh tế và khoa học kỹ thuật thế giới, thị trường này của Việt Nam cũng sẽ không khác nhiều so với mức trung bình trên thế giới hiện nay.

-------

(*) Bài viết sử dụng tư liệu do TS Nguyễn Trọng Tĩnh - Viện trưởng Viện Vật lý ứng dụng và thiết bị khoa học, Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam - cung cấp

Nguyễn Huy Minh