Veicolo aereo senza equipaggio (Unmanned aerial vehicle)

Un veicolo aereo senza pilota (UAV), noto anche come sistema aereo senza pilota (UAS), e comunemente indicato come drone aereo o semplicemente drone, è un velivolo che opera senza pilota umano, equipaggio o passeggeri a bordo, basandosi invece sul controllo remoto o sul funzionamento autonomo. Inizialmente sviluppati nel corso del XX secolo per operazioni militari ritenute "noiose, sporche o pericolose" per il personale umano, gli UAV sono diventati risorse indispensabili per la maggior parte delle forze armate nel XXI secolo. Man mano che si verificavano progressi nelle tecnologie di controllo e i costi diminuivano, la loro applicazione si espanse in modo significativo in numerosi settori non militari. Queste diverse applicazioni comprendono fotografia aerea, copertura estesa di aree, agricoltura di precisione, monitoraggio di incendi boschivi e fiumi, sorveglianza ambientale, osservazione meteorologica, attività di polizia e sorveglianza, ispezioni delle infrastrutture, operazioni di contrabbando illecito, consegne di prodotti, intrattenimento e corse competitive di droni.

Un veicolo aereo senza pilota (UAV) o un sistema aereo senza pilota (UAS), comunemente noto come drone aereo o semplicemente drone, è un velivolo senza pilota umano, equipaggio o passeggeri a bordo, ma è piuttosto controllato a distanza o è autonomo. Gli UAV furono originariamente sviluppati nel corso del ventesimo secolo per missioni militari troppo "noiose, sporche o pericolose" per gli esseri umani, e nel ventunesimo erano diventati risorse essenziali per la maggior parte delle forze armate. Con il miglioramento delle tecnologie di controllo e la diminuzione dei costi, il loro utilizzo si è esteso a molte applicazioni non militari. Questi includono la fotografia aerea, la copertura dell'area, l'agricoltura di precisione, il monitoraggio degli incendi boschivi, il monitoraggio dei fiumi, il monitoraggio ambientale, l'osservazione meteorologica, le attività di polizia e sorveglianza, le ispezioni delle infrastrutture, il contrabbando, le consegne di prodotti, l'intrattenimento e le corse di droni.

Una sfida significativa riguarda l'integrazione della tecnologia dei droni aerei nella legislazione esistente sulla privacy.

Terminologia

Vari termini vengono utilizzati per descrivere velivoli che operano senza occupanti umani.

Un veicolo aereo senza equipaggio (UAV) è formalmente definito come un "veicolo aereo a motore che non trasporta un operatore umano, utilizza le forze aerodinamiche per fornire il sollevamento del veicolo, può volare autonomamente o essere pilotato a distanza, può essere sacrificabile o recuperabile e può trasportare un carico utile letale o non letale". Il termine UAV è spesso associato ad applicazioni militari. Mentre i missili dotati di testate non sono generalmente classificati come UAV poiché il veicolo stesso costituisce una munizione, alcuni missili a elica sono spesso chiamati colloquialmente "droni kamikaze" dal pubblico e dai media. Inoltre, la relazione tra UAV e aeromodelli telecomandati rimane ambigua in alcune giurisdizioni legali. La Federal Aviation Administration (FAA) degli Stati Uniti attualmente classifica qualsiasi velivolo senza pilota come UAV, indipendentemente dal suo peso. Designazioni simili includono aereo a pilotaggio remoto (RPA) e veicolo aereo a pilotaggio remoto (RPAV).

Gli UAV o gli RPAV possono anche essere concettualizzati come componenti integrali di un sistema aereo senza pilota (UAS), che comprende inoltre un controllore a terra e un sistema di comunicazione che collega con l'aereo. Il Dipartimento della Difesa (DoD) e la Federal Aviation Administration (FAA) degli Stati Uniti hanno adottato formalmente il termine UAS nel 2005, come delineato nella loro Unmanned Aircraft System Roadmap 2005-2030. Questa terminologia è stata adottata anche dall'Organizzazione per l'aviazione civile internazionale (ICAO) e dall'Autorità britannica per l'aviazione civile, ed è utilizzata nella tabella di marcia dell'Unione europea sulla gestione del traffico aereo (ATM) del cielo unico europeo (SES) (SESAR Joint Undertaking) per il 2020. Questa designazione sottolinea l'importanza di elementi che vanno oltre l'aereo stesso, comprese le stazioni di controllo a terra, i collegamenti dati e altre apparecchiature di supporto essenziali. I termini correlati includono sistema di veicoli aerei senza pilota (UAVS) e sistema di aeromobili a pilotaggio remoto (RPAS). Attualmente sono in uso una moltitudine di termini simili. In base alle nuove normative in vigore dal 1 giugno 2019, il governo canadese ha adottato il termine RPAS per indicare "un insieme di elementi configurabili costituiti da un aereo a pilotaggio remoto, la sua stazione di controllo, i collegamenti di comando e controllo e qualsiasi altro elemento di sistema richiesto durante le operazioni di volo."

Nel discorso generale, "drone" viene spesso applicato sia agli UAV militari che civili, mentre i documenti tecnici e normativi spesso preferiscono termini come UAV, UAS, RPAS o aerei senza equipaggio. Il termine drone ha radici storiche nell'aviazione, con le prime applicazioni che si riferiscono ad aerei bersaglio volati a distanza utilizzati per esercitazioni di artiglieria su corazzate, esemplificati dall'idrovolante biplano Fairey Queen degli anni '20 e dal biplano de Havilland Queen Bee degli anni '30. Esempi successivi includevano l'Airspeed Queen Wasp e il Miles Queen Martinet, infine sostituiti dal GAF Jindivik. Questo termine continua ad essere ampiamente utilizzato. Oltre al software, i droni autonomi integrano una serie di tecnologie avanzate, come il cloud computing, la visione artificiale, l’intelligenza artificiale, l’apprendimento automatico, l’apprendimento profondo e i sensori termici, consentendo loro di eseguire missioni senza intervento umano. Per scopi ricreativi, un drone per fotografia aerea è definito come un velivolo dotato di funzionalità video in prima persona, funzioni autonome o entrambe.

Il descrittore "senza equipaggio" viene occasionalmente utilizzato come alternativa a "senza pilota" quando si fa riferimento agli UAV.

Tipi di classificazione

I veicoli aerei senza pilota (UAV) possono essere classificati in modo simile ad altri velivoli, in base a configurazioni di progettazione come peso o tipo di motore, altitudine massima di volo, autonomia operativa e ruoli specifici. Il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti classifica gli UAV in cinque classi distinte.

Ulteriori metodologie di classificazione per gli UAV comprendono:

Autonomia e resistenza

Gli UAV sono generalmente classificati in cinque classi in base alla portata operativa e alle capacità di resistenza.

Dimensione

Gli UAV sono generalmente raggruppati in quattro categorie di dimensioni, determinate dal fatto che almeno una dimensione (lunghezza o apertura alare) soddisfi limiti specifici predefiniti.

Peso

I droni sono classificati in cinque classi in base al loro peso.

L'Organizzazione del Trattato del Nord Atlantico (NATO) utilizza un sistema di classificazione comparabile.

Grado di autonomia

I droni possono essere classificati anche in base al livello di autonomia dimostrato durante le operazioni di volo. L'Organizzazione per l'aviazione civile internazionale (ICAO) distingue gli aerei senza pilota come a pilotaggio remoto o completamente autonomi. Alcuni UAV incorporano livelli intermedi di autonomia; ad esempio, un veicolo potrebbe essere principalmente pilotato a distanza ma dotato di una funzione autonoma di ritorno alla base. Alcuni progetti di aeromobili consentono il volo opzionale con o senza pilota, comprendendo aeromobili con equipaggio convertiti in UAV a pilotaggio opzionale (OPV). Le operazioni di volo degli UAV possono variare dal controllo remoto da parte di un operatore umano, designato come aeromobile a pilotaggio remoto (RPA), a varie modalità autonome, inclusa l'assistenza del pilota automatico, culminando in velivoli completamente autonomi che operano senza intervento umano.

Altitudine

Durante gli eventi del settore, come il forum ParcAberporth Unmanned Systems, gli UAV sono stati classificati in base all'altitudine utilizzando le seguenti classificazioni:

• Portabile: in grado di raggiungere un'altitudine di 2.000 piedi (600 m) e una portata di circa 2 km.
• Vicino: progettato per altitudini fino a 1.500 m (5.000 piedi) e un raggio d'azione fino a 10 km.
• Tipo NATO: operativo ad altitudini fino a 3.000 m (10.000 piedi) con una portata che si estende fino a 50 km.
• Tattico: raggiungere un'altitudine di 5.500 m (18.000 piedi) e possedere una portata approssimativa di 160 km.
• MASCHIO (altitudine media, lunga durata): capace di raggiungere altitudini fino a 9.000 m (30.000 piedi) e distanze superiori a 200 km.
• HALE (High Altitude, Long Endurance): operativo a quote superiori a 9.100 m (30.000 piedi) con un raggio di azione indefinito.
• Ipersonico: caratterizzato da volo ad alta velocità, supersonico (Mach 1–5) o ipersonico (Mach 5+), raggiungendo altitudini di 50.000 piedi (15.200 m) o livelli suborbitali, con una portata superiore a 200 km.
• Orbitale: progettato per l'orbita terrestre bassa (Mach 25+).
• Cis-Lunare: capace di trasferimento Terra-Luna.
• Sistema di guida del vettore assistito da computer (CACGS) per UAV

Criteri compositi

La classificazione dei sistemi aerei senza pilota (UAS) da parte dell'esercito americano esemplifica un approccio basato su criteri compositi, classificando gli UAV in base al peso, all'altitudine massima e alla velocità.

Tipo di ascensore

FFLO

L'Organizzazione per l'aviazione civile internazionale (ICAO) classifica gli aeromobili Solo sollevamento in avanti con il designatore di tipo FFLO, che si riferisce a droni ad ala fissa simili ad aerei.

VFHC

L'ICAO classifica gli aeromobili con capacità di volo verticale/hover con il codice identificativo VFHC, che denota i droni che utilizzano pale rotanti sia per il sollevamento che per la propulsione.

Fonti di alimentazione

I veicoli aerei senza pilota (UAV) possono essere classificati in base alla loro potenza o fonte di energia, un fattore che influenza in modo critico la loro durata operativa, la portata e l'impronta ecologica. Le classificazioni principali sono:

• Alimentati a batteria (elettrici): questi UAV utilizzano batterie ricaricabili, garantendo un funzionamento silenzioso e requisiti di manutenzione ridotti, anche se spesso con durate di volo limitate. La loro firma acustica minima li rende adatti per l'impiego urbano e le missioni discrete.
• Alimentati a carburante (combustione interna): operando con carburanti convenzionali come benzina o diesel, questi UAV generalmente raggiungono tempi di volo prolungati ma tendono ad essere più rumorosi e richiedono una maggiore manutenzione. Sono comunemente utilizzati in scenari che richiedono una resistenza prolungata o notevoli capacità di carico utile.
• Ibrido: integrando sia le fonti di energia elettrica che quelle a carburante, gli UAV ibridi tentano di ottimizzare le prestazioni e l'efficienza sfruttando i vantaggi di entrambi i sistemi. Questa configurazione facilita una maggiore versatilità nei profili di missione e una maggiore adattabilità alle diverse esigenze operative.
• Celle a combustibile a idrogeno: le celle a combustibile a idrogeno presentano il potenziale per durate di volo prolungate rispetto alle batterie, oltre a un funzionamento più nascosto (privo di firma termica) rispetto ai motori a combustione. La sostanziale densità energetica insita nell'idrogeno lo posiziona come un'alternativa praticabile e promettente per le future tecnologie di propulsione degli UAV.
• A energia solare: i veicoli aerei senza equipaggio (UAV) dotati di pannelli solari possiedono il potenziale per durate di volo prolungate, in particolare ad alta quota, convertendo in modo efficiente l'energia solare. Tali UAV a energia solare sono particolarmente adatti per missioni di resistenza prolungate e varie applicazioni di monitoraggio ambientale.
• A propulsione nucleare: sebbene la propulsione nucleare sia stata studiata per velivoli più grandi, la sua integrazione nei veicoli aerei senza pilota (UAV) rimane in gran parte un concetto teorico, principalmente a causa di sostanziali preoccupazioni sulla sicurezza e di complessi ostacoli normativi. Mentre la ricerca in questo settore continua, è necessario superare sfide considerevoli prima che possa avvenire l'implementazione pratica.

Storia

XIX secolo

I primi veicoli aerei senza pilota

Il primo impiego documentato di un veicolo aereo senza pilota in combattimento ebbe luogo nel luglio 1849, coinvolgendo una portaerei, un precursore delle moderne portaerei, durante la prima applicazione offensiva della potenza aerea nell'aviazione navale. Le forze austriache, impegnate nell'assedio di Venezia, tentarono di schierare circa 200 palloncini incendiari contro la città assediata. Mentre la maggior parte dei palloncini sono stati lanciati da terra, una parte è stata lanciata anche dalla nave austriaca SMS Vulcano. Almeno un ordigno esplosivo ha raggiunto con successo la città; tuttavia, uno spostamento della direzione del vento dopo il lancio fece sì che la maggior parte dei palloni non raggiungesse gli obiettivi previsti, alcuni addirittura tornarono alla deriva sopra le posizioni austriache e la nave di lancio Vulcano.

Nel 1903, l'ingegnere spagnolo Leonardo Torres Quevedo presentò un sistema radiocomandato, denominato Telekino, all'Accademia delle Scienze di Parigi. Questa innovazione è stata concepita per facilitare i test dei dirigibili mitigando al contempo i rischi per il personale umano.

20° secolo

Progressi sostanziali nella tecnologia dei droni sono iniziati nel XX secolo, concentrandosi inizialmente sulla creazione di obiettivi pratici per l'addestramento militare. Il primo tentativo di produrre un veicolo aereo senza pilota (UAV) fu "Aerial Target" di AM Low nel 1916. Low verificò che il monoplano di Geoffrey de Havilland raggiunse il volo controllato il 21 marzo 1917, utilizzando il sistema radio di Low. In seguito a questa dimostrazione di successo nella primavera del 1917, Low fu riassegnato nel 1918 alla Royal Navy per sviluppare lance a motore veloci controllate da aerei, note come D.C.B., destinate agli assalti alle navi e alle infrastrutture portuali. Aiutò anche il Wing Commander Brock nella preparazione per il Raid di Zeebrugge. Questi sforzi aprirono la strada a ulteriori innovazioni britanniche senza pilota, culminate nello schieramento di oltre 400 bersagli aerei de Havilland 82 Queen Bee entro il 1935.

Nel 1915, Nikola Tesla concettualizzò una flotta di veicoli aerei da combattimento senza equipaggio. Questi primi progressi stimolarono anche la creazione del Kettering Bug di Charles Kettering di Dayton, Ohio, e dell'aereo automatico Hewitt-Sperry. Entrambi furono inizialmente progettati come velivoli senza equipaggio in grado di trasportare un carico utile esplosivo su un bersaglio specifico. Lo sviluppo continuò durante la prima guerra mondiale, durante la quale la Dayton-Wright Airplane Company ideò un siluro aereo senza pilota progettato per esplodere in un momento predeterminato.

Nel 1935, Reginald Denny, un attore cinematografico e appassionato di modellini di aeroplani, fu pioniere nello sviluppo del primo veicolo in scala a pilotaggio remoto.

Durante la fine degli anni '30, i ricercatori sovietici condussero esperimenti che coinvolgevano il controllo remoto del Tupolev. Bombardieri TB-1.

Seconda Guerra Mondiale

Nel 1940, Reginald Denny fondò la Radioplane Company, portando alla nascita di ulteriori modelli di veicoli aerei senza pilota (UAV) durante la seconda guerra mondiale. Questi venivano impiegati sia per l'addestramento dei cannonieri antiaerei che per l'esecuzione di missioni di attacco. La Germania nazista costruì e dispiegò diversi velivoli UAV durante il conflitto, tra cui l'Argus As 292 e la bomba volante V-1 a reazione. L'Italia fascista sviluppò anche una variante specializzata di droni telecomandati del Savoia-Marchetti SM.79, sebbene il suo dispiegamento operativo fu precluso dall'armistizio con l'Italia.

Periodo del dopoguerra

Dopo la Seconda Guerra Mondiale, i progressi nei veicoli aerei senza equipaggio (UAV) includevano modelli come l'americano JB-4, che utilizzava la guida televisiva e radiocomandata, l'australiano GAF Jindivik e il Teledyne Ryan Firebee I del 1951. Contemporaneamente, aziende come Beechcraft introdussero offerte come il Modello 1001 per la Marina degli Stati Uniti nel 1955. Questi primi sistemi funzionavano in gran parte come velivoli telecomandati fino al Epoca della guerra del Vietnam. Nel 1959, l'aeronautica americana iniziò a pianificare lo spiegamento di aerei senza equipaggio, spinta dalle preoccupazioni per le perdite di piloti nello spazio aereo ostile. Questa pianificazione subì un'accelerazione in seguito all'abbattimento di un aereo U-2 da parte dell'Unione Sovietica nel 1960, portando alla rapida istituzione di un programma UAV altamente classificato con nome in codice "Red Wagon". L'incidente del Golfo del Tonchino dell'agosto 1964, che coinvolse forze navali degli Stati Uniti e del Vietnam del Nord, segnò il debutto operativo di UAV americani altamente classificati, tra cui il Ryan Model 147, Ryan AQM-91 Firefly e Lockheed D-21, in missioni di combattimento durante la guerra del Vietnam. Quando il governo cinese ha mostrato pubblicamente fotografie di UAV statunitensi abbattuti attraverso Wide World Photos, la posizione ufficiale degli Stati Uniti è stata "no comment".

Durante la Guerra di logoramento (1967-1970) in Medio Oriente, le agenzie di intelligence israeliane hanno condotto prove sui primi veicoli aerei tattici senza equipaggio (UAV) dotati di telecamere da ricognizione. Questi UAV hanno catturato e trasmesso con successo immagini da oltre il Canale di Suez. Questo periodo segnò lo sviluppo iniziale e i test di combattimento di UAV tattici in grado di operare su piste corte, distinguendoli dalle loro controparti più pesanti, alimentate da jet.

Durante la guerra dello Yom Kippur del 1973, Israele dispiegò veicoli aerei senza equipaggio (UAV) come esche, spingendo le forze avversarie a spendere costosi missili antiaerei. A seguito di questo conflitto, diversi membri principali del primo team di sviluppo degli UAV fondarono un'impresa startup focalizzata sulla commercializzazione della tecnologia UAV. Questa azienda fu successivamente acquisita da Tadiran, che alla fine portò alla creazione del primo UAV israeliano locale.

Nel 1973, l'esercito americano riconobbe formalmente il suo dispiegamento di veicoli aerei senza equipaggio (UAV) nel sud-est asiatico durante la guerra del Vietnam. Questo conflitto provocò la morte di oltre 5.000 aviatori statunitensi e più di 1.000 dispersi o catturati. La 100a ala di ricognizione strategica dell'USAF ha condotto circa 3.435 missioni UAV, subendo la perdita di circa 554 UAV a causa di vari fattori. Il generale George S. Brown, comandante dell'Air Force Systems Command, nel 1972 affermò che "L'unica ragione per cui abbiamo bisogno degli UAV è che non vogliamo spendere inutilmente l'uomo nella cabina di pilotaggio". Nello stesso anno, il generale John C. Meyer, comandante in capo dello Strategic Air Command, affermò: "lasciamo che i droni eseguano i voli ad alto rischio... il tasso di perdite è alto, ma siamo disposti a rischiare di più... salvano vite umane!"

La guerra dello Yom Kippur del 1973 vide danni significativi inflitti agli aerei da combattimento israeliani dalle batterie di missili terra-aria fornite dai sovietici schierate da Egitto e Siria. Ciò ha spinto Israele a sviluppare lo IAI Scout, noto come il primo veicolo aereo senza equipaggio (UAV) in grado di effettuare la sorveglianza in tempo reale. Le immagini dell'intelligence e le esche radar generate da questi UAV furono determinanti nella completa neutralizzazione da parte di Israele delle difese aeree siriane all'inizio della guerra del Libano del 1982, prevenendo qualsiasi perdita di piloti. Inoltre, nel 1987, Israele ha utilizzato gli UAV per dimostrazioni di super-agilità e volo controllato post-stallo all'interno di simulazioni di volo di combattimento. Queste simulazioni incorporavano funzionalità avanzate come design senza coda, tecnologia invisibile, controllo di volo con vettorizzazione della spinta tridimensionale e sterzo a reazione.

Veicoli aerei senza equipaggio del dopo Guerra Fredda

Gli anni '80 e '90 hanno visto la maturazione e la miniaturizzazione delle tecnologie rilevanti, portando a un crescente interesse per i veicoli aerei senza equipaggio (UAV) tra gli alti vertici militari statunitensi. Il governo degli Stati Uniti ha fornito finanziamenti al Centro antiterrorismo (CTC) della CIA, che mirava a combattere il terrorismo attraverso la tecnologia avanzata dei droni. Negli anni '90 il Dipartimento della Difesa americano assegnò un contratto alla AAI Corporation in collaborazione con l'azienda israeliana Malat. La Marina degli Stati Uniti successivamente si è procurata l'UAV AAI Pioneer, un prodotto di questo sviluppo congiunto. Numerosi UAV di questo tipo furono schierati durante la Guerra del Golfo del 1991, dimostrando il loro potenziale come piattaforme di combattimento più efficienti e capaci che potevano essere schierate senza mettere in pericolo gli equipaggi. Mentre le generazioni iniziali servivano principalmente a ruoli di sorveglianza, alcuni modelli, come il General Atomics MQ-1 Predator, erano armati e in grado di lanciare missili aria-terra AGM-114 Hellfire.

Gli anni 2000

CAPECON, un'iniziativa dell'Unione Europea focalizzata sullo sviluppo di veicoli aerei senza equipaggio (UAV), è stata attiva dal 1 maggio 2002 al 31 dicembre 2005.

Nel 2012, l'aeronautica degli Stati Uniti (USAF) utilizzava 7.494 UAV, che costituivano quasi un terzo della sua flotta aerea totale. Anche la Central Intelligence Agency ha schierato UAV. Entro il 2013, almeno 50 nazioni avevano adottato la tecnologia UAV, con paesi come Cina, Iran, Israele, Pakistan e Turchia che sviluppavano le proprie varianti autoctone. La continua espansione dell'uso dei droni e la loro diffusa proliferazione hanno impedito la compilazione di un inventario completo dei sistemi UAV.

Nel 2006, la Federal Aviation Administration (FAA) degli Stati Uniti ha autorizzato l'utilizzo di veicoli aerei senza pilota all'interno dello spazio aereo civile, soggetto a normative specifiche. Questa decisione ha stabilito il quadro giuridico fondamentale per l'implementazione dei droni consumer negli Stati Uniti.

Nel 2013, DJI ha introdotto il Phantom, il suo primo modello di drone completamente assemblato. Al prezzo di $ 629, il Phantom è stato posizionato come un dispositivo entry-level, offrendo un'esperienza significativamente più user-friendly rispetto alle alternative del mercato contemporaneo. Il DJI Phantom è ampiamente considerato come uno dei droni consumer di maggior impatto mai sviluppati. La sua combinazione di convenienza, accessibilità e software intuitivo ha rapidamente dominato il mercato dei droni consumer, attirando sia gli hobbisti che i professionisti e rendendo popolare il moderno fattore di forma dei droni per la fotografia aerea tra il grande pubblico. Nel 2017, DJI da sola deteneva oltre il 75% della quota di mercato globale dei droni consumer.

Secondo quanto riferito, un drone Kargu 2 ha attaccato e attaccato un obiettivo umano in Libia nel corso del 2020, come dettagliato in un rapporto del marzo 2021 del gruppo di esperti sulla Libia del Consiglio di sicurezza delle Nazioni Unite. Questo incidente segna potenzialmente il primo caso documentato di un sistema d'arma letale autonomo che attacca gli esseri umani.

La tecnologia avanzata dei droni, in particolare il Bayraktar TB2 turco, ha contribuito in modo significativo ai risultati militari dell'Azerbaigian nella guerra del Nagorno-Karabakh del 2020 contro l'Armenia.

Anche i veicoli aerei senza equipaggio (UAV) sono parte integrante delle missioni della NASA. L'elicottero Ingenuity, un UAV autonomo, ha operato su Marte dal 2021 al 2024. Dal 2024, la navicella spaziale Dragonfly è in fase di sviluppo, con l'obiettivo di raggiungere ed esplorare Titano, la luna di Saturno. La sua missione principale prevede un'ampia esplorazione della superficie, espandendo così l'area di ricerca oltre ciò che i precedenti lander potevano coprire. Come UAV, Dragonfly faciliterà l'esame di composizioni del suolo potenzialmente diverse. Il lancio del drone è previsto per il 2027, con un tempo di transito stimato di sette anni verso il sistema saturniano.

I progressi nella miniaturizzazione stanno inoltre favorendo lo sviluppo di piccoli UAV, che possono essere schierati individualmente o come parte di una flotta, consentendo il rilevamento efficiente di vaste aree in un periodo di tempo relativamente breve.

Il 13 aprile 2024, la Guardia rivoluzionaria iraniana e i gruppi alleati dell'Asse della Resistenza hanno avviato attacchi contro Israele, lanciando circa 300 droni su una distanza di circa 1.500 chilometri.

I dati di GlobalData indicano che si prevede che il mercato globale dei sistemi aerei senza equipaggio militare (UAS), una componente sostanziale del settore degli UAV, raggiungerà un tasso di crescita annuo composto del 4,8% nel prossimo decennio. Questa traiettoria suggerisce un quasi raddoppio della valutazione di mercato, da 12,5 miliardi di dollari nel 2024 a circa 20 miliardi di dollari entro il 2034.

La guerra russo-ucraina

L'invasione russa dell'Ucraina nel 2022 è stata ampiamente caratterizzata come il primo conflitto su vasta scala volto a integrare ampiamente i veicoli aerei senza pilota (UAV) commerciali e di consumo nelle operazioni militari. Nello specifico, quadricotteri e droni con visuale in prima persona (FPV), dotati di sensori ed esplosivi, sono stati schierati per diverse missioni e applicazioni tattiche. La diffusa disponibilità e l'accessibilità economica dei droni consumer e dei piccoli UAV hanno radicalmente rimodellato la guerra moderna, favorendo l'emergere di nuove strategie offensive e difensive.

Durante il conflitto, sia l'Ucraina che la Russia hanno ampiamente utilizzato piccoli droni consumer per la sorveglianza tattica, le operazioni di attacco e la diffusione della propaganda. Questi droni di consumo sono stati acquistati attraverso vari canali, tra cui acquisizioni governative, singoli hobbisti e donazioni internazionali a sostegno di entrambi i belligeranti. Spesso questi droni erano gestiti da appassionati di droni civili reclutati nelle forze armate. La loro diffusa adozione è stata attribuita alla loro convenienza, prestazioni elevate, affidabilità e disponibilità commerciale. Nonostante i tentativi da parte dei produttori di limitare l’applicazione militare dei prodotti di consumo, tali sforzi hanno avuto un impatto limitato, poiché donatori e acquirenti hanno aggirato le restrizioni spedendo droni oltre confine tramite intermediari e modificando il loro software. In Ucraina, i piccoli UAV commerciali e i droni FPV sono diventati una componente onnipresente e indispensabile dello sforzo bellico.

Progettazione

Gli aerei con e senza equipaggio dello stesso tipo generalmente presentano architetture fisiche comparabili. Le distinzioni chiave emergono nella cabina di pilotaggio, nei sistemi di controllo ambientale e negli apparati di supporto vitale. Alcuni UAV, progettati per trasportare carichi utili significativamente più leggeri di un essere umano adulto (ad esempio, telecamere), possono di conseguenza essere sostanzialmente più piccoli. Nonostante trasportino armamenti consistenti, gli UAV militari armati possiedono in genere una massa inferiore rispetto ai loro equivalenti con equipaggio dotati di armi simili.

I piccoli UAV civili non dispongono di sistemi critici per la vita, consentendo la costruzione con materiali più leggeri e meno robusti e geometrie non convenzionali, e l'impiego di sistemi di controllo elettronico meno rigorosamente convalidati. La configurazione quadricottero ha guadagnato importanza per i piccoli UAV, un progetto raramente adottato per l'aviazione con equipaggio. La miniaturizzazione consente l'utilizzo di tecnologie di propulsione meno potenti, come motori elettrici compatti e batterie, che sono poco pratiche per gli aerei con equipaggio.

I sistemi di controllo UAV spesso divergono da quelli impiegati negli aerei con equipaggio. Nelle operazioni remote controllate dall’uomo, i finestrini della cabina di pilotaggio sono quasi universalmente soppiantati da collegamenti di telecamere e video, mentre i controlli fisici della cabina di pilotaggio sono sostituiti da comandi digitali trasmessi via radio. Il software del pilota automatico è integrato sia negli aerei con equipaggio che in quelli senza equipaggio, anche se con diversi set di funzionalità.

Configurazione dell'aereo

Gli UAV possono adottare configurazioni distinte rispetto agli aerei con equipaggio, principalmente a causa dell'assenza di una cabina di pilotaggio e dei relativi finestrini e della mancanza di requisiti di ottimizzazione per il comfort umano. Tuttavia, alcuni UAV derivano da prototipi pilotati o sono progettati per operazioni pilotate facoltativamente. Inoltre, la sicurezza aerea presenta un vincolo meno stringente per gli aerei senza pilota, offrendo ai progettisti una maggiore libertà sperimentale. Di conseguenza, i progetti degli UAV sono generalmente incentrati sui carichi utili a bordo e sui sistemi di supporto a terra associati. Queste considerazioni hanno portato a un'ampia gamma di configurazioni di cellule e motori nel settore degli UAV.

Nelle applicazioni di volo convenzionali, i design dell'ala volante e del corpo alare misto sono configurazioni preferite in numerosi casi d'uso, grazie alla loro leggerezza intrinseca, alla bassa resistenza aerodinamica e alle caratteristiche invisibili. Le varianti più grandi, in particolare quelle che ospitano carichi utili variabili, spesso incorporano una fusoliera e un gruppo di coda distinti per garantire stabilità, controllo e assetto, nonostante la notevole diversità nelle configurazioni delle ali.

Per le applicazioni che richiedono volo verticale o stazionamento, il quadricottero senza coda, con il suo sistema di controllo relativamente semplice, è un progetto prevalente per gli UAV più piccoli. Le configurazioni multirotore con sei o più rotori sono osservate più frequentemente negli UAV più grandi, dove la ridondanza è una considerazione di progettazione primaria.

Propulsione

I motori convenzionali a combustione interna e a reazione continuano ad essere impiegati negli UAV che richiedono capacità di autonomia estesa. Al contrario, la propulsione elettrica le ha ampiamente sostituite per le missioni a corto raggio. Il record per il volo UAV più lungo attraverso l'Oceano Atlantico settentrionale è detenuto da un aeromodello o UAV alimentato a benzina, costruito in legno di balsa e pelle di mylar. Manard Hill ha stabilito questo record nel 2003, quando uno dei suoi progetti ha attraversato 1.882 miglia attraverso l'Oceano Atlantico con meno di un litro di carburante.

Oltre ai tradizionali motori a pistoni, alcuni UAV utilizzano il motore rotativo Wankel. Questo tipo di motore offre un elevato rapporto peso/potenza, abbinato ad un funzionamento più silenzioso e fluido. Inoltre, sono state avanzate affermazioni riguardanti una maggiore affidabilità e un raggio operativo esteso.

I piccoli UAV utilizzano prevalentemente batterie ai polimeri di litio (Li-Po), mentre alcuni veicoli più grandi sono passati alle celle a combustibile a idrogeno. Le celle a combustibile con membrana a scambio protonico alimentate a idrogeno offrono numerosi vantaggi per gli UAV, tra cui durate di volo prolungate rispetto alle batterie ricaricabili agli ioni di litio, un costo totale di proprietà inferiore rispetto alle batterie primarie al litio metallico e caratteristiche invisibili superiori rispetto ai motori termici.

La densità energetica delle attuali batterie ai polimeri di litio (Li-Po) è significativamente inferiore a quella della benzina o dell'idrogeno. Tuttavia, i motori elettrici offrono vantaggi quali costi inferiori, peso ridotto e funzionamento più silenzioso. Sono attualmente in fase di sviluppo configurazioni avanzate multimotore e multielica, con l'obiettivo di migliorare sia l'efficienza aerodinamica che quella propulsiva. In questi complessi sistemi di alimentazione, è possibile utilizzare circuiti di eliminazione della batteria (BEC) per centralizzare la distribuzione dell'energia e mitigare i problemi termici, in genere gestiti da un'unità microcontroller (MCU).

Ornitotteri – Propulsione alare

Gli ornitotteri ad ali battenti, progettati per emulare il volo degli uccelli o degli insetti, sono stati impiegati con successo come micro-UAV. Le loro intrinseche capacità stealth li rendono adatti a missioni di ricognizione.

I microveicoli aerei senza equipaggio (UAV) di peso inferiore a un grammo, ispirati alle mosche, hanno dimostrato la capacità di aderire alle superfici verticali, sebbene richiedano un cavo di alimentazione. Ulteriori iniziative di ricerca stanno replicando i meccanismi di volo osservati negli scarafaggi e in altre specie di insetti.

Sistemi di controllo computer

Le capacità computazionali degli UAV sono progredite parallelamente ai progressi nella tecnologia informatica, inizialmente utilizzando controlli analogici prima di passare ai microcontrollori e successivamente alle architetture system-on-a-chip (SOC) e computer a scheda singola (SBC).

I sistemi hardware contemporanei progettati per il controllo degli UAV sono spesso designati come controller di volo (FC), scheda controller di volo (FCB) o pilota automatico. L'hardware di controllo standard per i sistemi UAV integra generalmente un microprocessore primario, un processore secondario o di sicurezza e vari sensori, inclusi accelerometri, giroscopi, magnetometri e barometri, all'interno di un modulo unificato.

Nel 2024, l'Agenzia dell'Unione europea per la sicurezza aerea (EASA) ha stabilito la base di certificazione inaugurale per un controllore di volo UAV, in particolare per l'autopilota di Embention, in conformità con ETSO-C198. La certificazione di questi sistemi di controllo di volo UAV ha lo scopo di semplificare l'integrazione degli UAV nello spazio aereo regolamentato e consentire operazioni di droni in ambienti sensibili.

Architettura

Sensori

I sensori di posizione e movimento forniscono dati critici sullo stato operativo del velivolo. I sensori esterocettivi sono responsabili dell'elaborazione delle informazioni esterne, come le misurazioni della distanza, mentre i sensori espropriocettivi stabiliscono correlazioni tra stati interni ed esterni.

I sensori non cooperativi possiedono la capacità di rilevare autonomamente i bersagli, rendendoli essenziali per garantire la separazione e prevenire le collisioni.

I gradi di libertà (DOF) quantificano sia la quantità che la sofisticazione dei sensori integrati: 6 DOF denota tipicamente la presenza di giroscopi e accelerometri a 3 assi, che formano un'unità di misura inerziale standard (IMU); 9 DOF incorpora un'IMU aumentata con una bussola; 10 DOF include inoltre un barometro; e 11 DOF generalmente integra un ricevitore GPS (Global Positioning System).

Oltre ai sensori di navigazione, gli UAV (o UAS) possono essere dotati di vari strumenti di monitoraggio, tra cui telecamere RGB, multispettrali e iperspettrali o sistemi LiDAR, che facilitano l'acquisizione di misurazioni o osservazioni specializzate.

Attuatori

Gli attuatori UAV comprendono regolatori elettronici digitali di velocità, che regolano i giri del motore al minuto (RPM) e sono collegati a motori/motori ed eliche; servomotori, utilizzati principalmente in velivoli ad ala fissa ed elicotteri; sistemi d'arma; meccanismi di attuazione del carico utile; diodi emettitori di luce (LED); e altoparlanti.

Software

Gli UAV contemporanei operano su uno stack software completo, che va dal firmware di basso livello che gestisce direttamente gli attuatori ai moduli avanzati di pianificazione del volo. A livello fondamentale, il firmware si interfaccia direttamente con i sensori, come le unità di misurazione inerziale (IMU), e invia comandi agli attuatori, compresi i motori. Il software di controllo, spesso definito pilota automatico, ha il compito di calcolare le velocità dell'attuatore in base alla velocità desiderata del veicolo. Data la sua diretta interazione hardware, questo software è critico in termini di tempo e spesso viene eseguito su microcontrollori. Inoltre, questo software può gestire le comunicazioni radio per gli UAV privi di piena autonomia. Un esempio notevole di tale pilota automatico è PX4.

A un livello gerarchico successivo, gli algoritmi di autonomia determinano la velocità richiesta in base a obiettivi di ordine superiore. Ad esempio, è possibile impiegare tecniche di ottimizzazione della traiettoria per calcolare un percorso di volo verso una destinazione specifica. Questo particolare componente software non è intrinsecamente critico in termini di tempo e spesso funziona su un computer a scheda singola che utilizza un sistema operativo come Linux, che consente vincoli temporali più flessibili.

L'apprendimento per rinforzo profondo è stato esplorato per la sua applicazione nel controllo di volo degli UAV, in particolare per quanto riguarda la navigazione all'interno di ambienti tridimensionali continui e il miglioramento delle capacità decisionali autonome. Allo stesso tempo, l’automazione guidata dall’intelligenza artificiale (AI) viene progressivamente integrata nei sistemi anti-UAS (C-UAS). Questa integrazione mira a mitigare il carico cognitivo dell'operatore correlando automaticamente i dati elettronici di rilevamento dei droni con le telecamere di tracciamento fisico, consentendo così il tracciamento dei bersagli "a mani libere".

Principi del circuito

Gli UAV utilizzano architetture di controllo che possono essere classificate come ad anello aperto, ad anello chiuso o ibride.

• Un sistema a circuito aperto fornisce un segnale di controllo diretto (ad esempio per accelerazione, decelerazione, cambi di direzione o regolazioni dell'altitudine) senza integrare il feedback derivato dai dati del sensore.
• Un sistema a circuito chiuso integra il feedback del sensore per modificare dinamicamente il comportamento, come ridurre la velocità in risposta a un vento in coda o salire a un'altitudine specifica. Il controller Proporzionale-Integrale-Derivativo (PID) è un meccanismo ampiamente adottato in questi sistemi. Occasionalmente viene implementato anche il controllo anticipato, che può mitigare la necessità di estesi aggiustamenti a circuito chiuso.

Comunicazioni

I veicoli aerei senza equipaggio (UAV) utilizzano la comunicazione radio per il controllo e lo scambio di dati, inclusi i video. Inizialmente, gli UAV erano dotati esclusivamente di funzionalità di uplink a banda stretta; la funzionalità downlink è stata introdotta successivamente. Questi primi collegamenti radio bidirezionali a banda stretta facilitavano le operazioni di comando e controllo (C&C) e trasmettevano dati di telemetria relativi allo stato del sistema dell'aereo all'operatore remoto.

Le applicazioni UAV contemporanee spesso richiedono la trasmissione video. Di conseguenza, i collegamenti a banda larga vengono ora utilizzati per consolidare tutti i tipi di dati, inclusi C&C, telemetria e traffico video, anziché fare affidamento su canali di comunicazione separati. Queste connessioni a banda larga sono in grado di utilizzare tecniche di qualità del servizio (QoS) e di supportare il traffico TCP/IP, che può quindi essere instradato tramite Internet.

I segnali radio provenienti dall'operatore possono essere trasmessi da diverse fonti, tra cui:

• Controllo a terra, che comprende un operatore umano che utilizza un trasmettitore/ricevitore radio, uno smartphone, un tablet, un computer o, nel suo senso tradizionale, una stazione militare di controllo a terra (GCS).
• Un sistema di rete remoto, esemplificato da collegamenti dati duplex satellitari utilizzati da alcune entità militari. Inoltre, la trasmissione video digitale a valle tramite reti mobili è diventata disponibile nei mercati di consumo e i collegamenti in salita diretti per il controllo UAV su reti mesh cellulari e LTE sono stati dimostrati con successo e sono attualmente in fase di sperimentazione.
• Un altro velivolo, che funziona come relè o stazione di controllo mobile, un concetto noto in contesti militari come teaming con equipaggio senza pilota (MUM-T).

Gli standard di rete contemporanei hanno incorporato considerazioni specifiche per i droni, portando all'inclusione di ottimizzazioni pertinenti. Ad esempio, lo standard 5G impone una riduzione della latenza del piano utente a 1 millisecondo, ottenuta attraverso l'implementazione di comunicazioni ultra affidabili e a bassa latenza.

Il coordinamento da UAV a UAV è facilitato dalla tecnologia di comunicazione Remote ID. I messaggi ID remoti, che includono le coordinate dell'UAV, vengono trasmessi e consentono una navigazione senza collisioni.

Autonomia

Il grado di autonomia integrato negli UAV presenta notevoli variazioni. I produttori di UAV spesso incorporano funzionalità autonome specifiche, tra cui:

• Autolivellamento: questa funzione fornisce la stabilizzazione dell'assetto lungo gli assi di beccheggio e rollio.
• Mantenimento dell'altitudine: il velivolo mantiene un'altitudine costante utilizzando i dati derivati dalla pressione barometrica e/o dal sistema di posizionamento globale (GPS).
• Hover/mantenimento della posizione: questa funzionalità garantisce beccheggio e rollio stabili, una direzione di imbardata coerente e un'altitudine costante, mantenendo una posizione geografica fissa attraverso l'uso del sistema GNSS (Global Navigation Satellite System) o di sensori inerziali.
• Modalità senza testa: questa funzione consente al controllo del beccheggio di essere relativo alla posizione del pilota, anziché essere orientato con gli assi intrinseci del veicolo.
• Modalità spensierata: comporta il controllo automatico del rollio e dell'imbardata durante il movimento orizzontale.
• Decollo e atterraggio: queste operazioni vengono eseguite utilizzando diversi sensori e sistemi basati su aeromobili o a terra.
• Failsafe: questa funzione avvia una procedura automatica di atterraggio o ritorno alla posizione di partenza se il segnale di controllo viene perso.
• Ritorno a casa: prevede che l'UAV ritorni al punto di decollo, spesso salendo inizialmente a un'altitudine più elevata per aggirare potenziali ostacoli come alberi o edifici.
• Follow-me: questa funzione consente all'UAV di mantenere una posizione relativa rispetto a un pilota in movimento o ad un altro oggetto designato, utilizzando il GNSS, il riconoscimento delle immagini o un faro di homing.
• Navigazione waypoint GPS: comporta l'utilizzo del GNSS per guidare l'UAV verso una posizione intermedia predeterminata lungo una traiettoria di volo.
• Orbita attorno a un oggetto: questa funzione è analoga alla modalità Follow-me ma implica il girare continuamente attorno a un bersaglio specificato.
• Acrobazie aeree preprogrammate: include l'esecuzione di manovre aeree predefinite come rollio e looping.
• Consegna preprogrammata: si riferisce alle operazioni di consegna automatizzate, in genere eseguite da droni di consegna specializzati.

Un metodo per quantificare le capacità autonome si basa sulla terminologia OODA (Observe, Orient, Decide, Act), come proposto in un rapporto del 2002 dell'US Air Force Research Laboratory.

L'autonomia completa è ottenibile per compiti particolari, come il rifornimento in volo o la sostituzione della batteria a terra.

Funzionalità aggiuntive attualmente disponibili o in fase di sviluppo comprendono il volo collettivo, l'evitamento delle collisioni in tempo reale, il wall seguendo, il centraggio dei corridoi, la localizzazione e mappatura simultanea (SLAM), lo sciame, la radio cognitiva e l'apprendimento automatico. In questo quadro, la visione artificiale contribuisce in modo significativo a garantire automaticamente la sicurezza del volo.

Considerazioni sulle prestazioni

Busta di volo

Gli UAV possono essere programmati per eseguire manovre aggressive o per atterrare/appollaiarsi su superfici inclinate, per poi ascendere in luoghi con un migliore accesso alla comunicazione. Alcuni UAV sono in grado di controllare il volo utilizzando diversi modelli di volo, inclusi i modelli VTOL (Vertical Takeoff and Landing).

Inoltre, gli UAV sono in grado di appollaiarsi su superfici verticali piane.

Resistenza

La resistenza degli UAV non è limitata dai vincoli fisiologici inerenti ai piloti umani.

I motori rotativi Wankel sono spesso utilizzati in numerosi veicoli aerei senza pilota (UAV) di grandi dimensioni grazie alle loro dimensioni compatte, al peso minimo, alle vibrazioni ridotte e al rapporto peso/potenza superiore. Un vantaggio chiave è che i rotori del motore sono impermeabili al grippaggio; inoltre, il motore resiste al raffreddamento rapido durante la discesa e funziona in modo efficiente senza richiedere una miscela di carburante arricchita per un raffreddamento ad alta potenza. Queste caratteristiche contribuiscono collettivamente a ridurre il consumo di carburante, estendendo così il raggio operativo o aumentando la capacità di carico utile.

Meccanismi di raffreddamento efficaci sono fondamentali per garantire la resistenza prolungata dei droni. Il surriscaldamento, che spesso porta a guasti al motore, rappresenta la causa principale dei malfunzionamenti operativi dei droni.

Le celle a combustibile a idrogeno, sfruttando l'idrogeno come fonte di energia, offrono il potenziale per prolungare significativamente la resistenza operativa dei piccoli UAV, estendendo i tempi di volo di diverse ore.

Per i microveicoli aerei, la resistenza più efficace è stata dimostrata dagli UAV ad ali battenti, con gli aerei convenzionali al secondo posto, e i multirotori che mostrano la resistenza più bassa, principalmente attribuibile al loro Reynolds inferiore. numero.

Gli UAV a energia solare, un concetto inizialmente introdotto dall'AstroFlight Sunrise nel 1974, hanno dimostrato con successo durate di volo che coprono diverse settimane.

I satelliti atmosferici a energia solare, o "atmosat", progettati per operare ad altitudini superiori a 20 chilometri (circa 12 miglia o 60.000 piedi) per durate fino a cinque anni, potrebbero potenzialmente eseguire missioni in modo più economico e con maggiore versatilità rispetto a satelliti convenzionali in orbita terrestre bassa. Le potenziali applicazioni comprendono il monitoraggio meteorologico, il ripristino in caso di disastro, l'imaging della Terra e i servizi di comunicazione.

Ulteriori soluzioni potenziali per migliorare la resistenza degli UAV includono UAV elettrici alimentati dalla trasmissione di energia a microonde o da raggi laser.

Un'ulteriore applicazione per gli UAV ad alta resistenza prevede la sorveglianza persistente di un campo di battaglia (ad esempio, ARGUS-IS, Gorgon Stare, Integrated Sensor Is Structure) per registrare eventi per periodi estesi, consentendo la successiva analisi retrospettiva delle attività sul campo di battaglia.

Il drone militare britannico PHASA-35, attualmente in una fase di sviluppo avanzata, presenta una fragilità strutturale che rende l'attraversamento delle turbolente dodici miglia iniziali dell'atmosfera un'impresa pericolosa. Ciò nonostante, ha mantenuto con successo una stazione a 65.000 piedi per un periodo continuo di 24 ore. Nel 2023, lo Zephyr di Airbus ha raggiunto un'altitudine di 70.000 piedi e ha sostenuto un volo per 64 giorni, con una resistenza target di 200 giorni. Queste altitudini operative sono sufficientemente prossime allo spazio vicino per classificare queste piattaforme come "pseudo-satelliti" per quanto riguarda le loro capacità funzionali.

Affidabilità

I miglioramenti dell'affidabilità sono diretti a tutti i componenti dei sistemi UAV, incorporando principi di ingegneria della resilienza e metodologie di tolleranza ai guasti.

L'affidabilità individuale comprende la robustezza dei controllori di volo, con l'obiettivo di garantire la sicurezza evitando ridondanze superflue per ottimizzare costi e peso. Inoltre, la valutazione dinamica dell’inviluppo di volo facilita lo sviluppo di UAV resistenti ai danni, impiegando analisi non lineari con circuiti di controllo o reti neurali progettati su misura. Il quadro normativo per la responsabilità del software UAV si sta allineando sempre più agli standard di progettazione e certificazione stabiliti per il software avionico con equipaggio.

La resilienza dello sciame riguarda il sostegno delle capacità operative e la riconfigurazione dinamica dei compiti in caso di guasti di singole unità all'interno di uno sciame.

Applicazioni

Negli ultimi anni, i droni autonomi hanno avviato un impatto trasformativo in diversi settori applicativi. La loro capacità di operare oltre la linea visiva (BVLOS) consente di massimizzare la produzione, ridurre costi e rischi, migliorare la sicurezza e la protezione del sito, garantire la conformità normativa e la protezione del personale umano, in particolare durante le crisi di salute pubblica come le pandemie. Inoltre, questi sistemi vengono utilizzati per attività orientate al consumatore, tra cui la consegna di pacchi, esemplificata da Amazon Prime Air, e il trasporto critico di forniture sanitarie.

I veicoli aerei senza pilota (UAV) possiedono una moltitudine di applicazioni in settori civili, commerciali, militari e aerospaziali, tra cui:

Applicazioni generali

Attività ricreative, operazioni di soccorso in caso di calamità, indagini archeologiche, conservazione della biodiversità e dell'habitat, applicazione della legge, prevenzione della criminalità e attività antiterrorismo.

Applicazioni commerciali

Sorveglianza aerea, produzione cinematografica, reportage giornalistici, indagini scientifiche, rilevamento del territorio, logistica delle merci, operazioni minerarie, processi produttivi, gestione forestale, coltivazione di energia solare, applicazioni di energia termica, gestione portuale e pratiche agricole.

Applicazioni militari

Nel 2020, diciassette nazioni possedevano UAV armati, con oltre 100 paesi che utilizzavano UAV per scopi militari. I primi cinque paesi a sviluppare progetti UAV autoctoni sono stati Turchia, Stati Uniti, Cina, Israele e Iran. Importanti produttori di UAV militari includono Baykar, General Atomics, Elbit Systems, Rafael Advanced Defense Systems, Lockheed Martin, Northrop Grumman, Boeing, Turkish Aerospace Industries, IAIO, CASC e CAIG. La Cina ha notevolmente ampliato la propria presenza nel mercato degli UAV militari a partire dal 2010. Allo stesso modo, all'inizio degli anni 2020, anche la Turchia ha aumentato sostanzialmente la propria presenza nel mercato degli UAV militari.

All'inizio degli anni 2010, le aziende israeliane si concentravano prevalentemente sui sistemi UAV (Unmanned Aerial Vehicle) di sorveglianza compatti. Nel 2014, Israele rappresentava il 60,7% delle esportazioni globali di UAV in volume, superando significativamente la quota del 23,9% degli Stati Uniti. Dal 2010 al 2014 sono stati commercializzati a livello internazionale 439 droni, in aumento rispetto ai 322 del quinquennio precedente; tuttavia, solo 11 (2,5%) di questi 439 erano varianti armate. Allo stesso tempo, gli Stati Uniti hanno utilizzato oltre 9.000 UAV militari nel 2014, di cui oltre 7.000 erano UAV in miniatura RQ-11 Raven. Dal 2010, i produttori cinesi di droni hanno avviato notevoli esportazioni verso il mercato militare globale. Tra il 2010 e il 2019, tra le 18 nazioni che hanno acquisito droni militari, le prime 12 hanno acquistato i loro sistemi dalla Cina. Questo cambiamento di mercato si è intensificato negli anni '20, guidato dai progressi tecnologici e produttivi della Cina nelle capacità dei droni, ulteriormente esacerbato dall'accresciuta domanda di mercato derivante dalla guerra russo-ucraina e dalla guerra di Gaza.

I micro UAV ornitotteri ad ali battenti, progettati per imitare uccelli o insetti, possiedono capacità stealth intrinseche che offrono un potenziale significativo per missioni segrete di intelligence e ricognizione, rendendoli obiettivi difficili per intercettazione.

I veicoli aerei da sorveglianza e ricognizione senza pilota vengono impiegati per una serie di scopi operativi, tra cui ricognizione, attacchi offensivi, operazioni di sminamento e tiro al bersaglio.

L'inizio della guerra russo-ucraina ha accelerato un sostanziale aumento nello sviluppo di veicoli aerei senza pilota (UAV). L’Ucraina, in particolare, ha creato la piattaforma Brave1 per favorire la rapida creazione di sistemi UAV innovativi. Entro il 2025, sia l’Ucraina che la Russia avevano istituito comandi militari dedicati per gli UAV, designati come Forze dei sistemi senza pilota. In particolare, l'Ucraina ha dimostrato applicazioni innovative degli UAV, come la fornitura di barelle mediche flessibili o biciclette elettriche per facilitare l'evacuazione del personale ferito dalle zone di combattimento, una capacità non osservata nello schieramento della Russia.

Applicazioni civili

Il mercato dei droni civili, che comprende sia il settore dell'aviazione commerciale che quello generale, è controllato prevalentemente da imprese cinesi. Nel 2018, il produttore cinese DJI da solo deteneva il 74% della quota di mercato civile, mentre nessun altro concorrente superava il 5%. Entro il 2023, queste aziende manterranno collettivamente oltre il 70% della quota di mercato globale, nonostante l’escalation dei controlli e le sanzioni imposte dagli Stati Uniti. Ad esempio, il Dipartimento degli Interni degli Stati Uniti ha messo a terra la sua flotta di droni DJI nel 2020 e il Dipartimento di Giustizia ha successivamente vietato la spesa di fondi federali per l’acquisizione di DJI e altri UAV di fabbricazione straniera. Dopo DJI sul mercato ci sono l'azienda americana 3D Robotics, le aziende cinesi Yuneec e Autel Robotics e l'azienda francese Parrot. Si prevede che entro il 2025, le aziende cinesi di droni deterranno il 90% della quota di mercato globale degli UAV, con la sola DJI che rappresenta l'80% di questo mercato mondiale.

Entro maggio 2021, la Federal Aviation Administration (FAA) degli Stati Uniti aveva registrato 873.576 UAV, di cui il 42% classificato per uso commerciale e il 58% per scopi ricreativi. I dati di NPD nel 2018 hanno indicato una crescente preferenza dei consumatori per i droni dotati di funzionalità avanzate, evidenziata da una crescita del 33% in entrambi i segmenti di mercato superiori a 500 e 1.000 dollari.

Il mercato degli UAV civili rimane nascente se confrontato con la sua controparte militare. Allo stesso tempo, nuove imprese stanno emergendo sia nei paesi sviluppati che in quelli in via di sviluppo. Numerose start-up in fase iniziale si sono assicurate sostegno e capitale da parte di investitori, come nel caso degli Stati Uniti, e di enti governativi, come visto in India. Le istituzioni accademiche forniscono spesso iniziative di ricerca, programmi di formazione o corsi di laurea in questo campo. Inoltre, le organizzazioni private offrono corsi di formazione sia online che di persona per operazioni UAV ricreative e commerciali.

I droni di livello consumer sono ampiamente adottati dalle organizzazioni di polizia e militari di tutto il mondo, principalmente per la loro intrinseca convenienza economica. Dal 2018, l’esercito israeliano ha schierato gli UAV DJI per operazioni di ricognizione leggera. I droni DJI sono stati utilizzati anche dalla polizia cinese nello Xinjiang dal 2017 e dai dipartimenti di polizia americani in tutta la nazione dal 2018. Durante l’invasione russa dell’Ucraina, sia le forze ucraine che quelle russe hanno ampiamente utilizzato droni commerciali DJI. Questi droni DJI civili sono stati acquisiti attraverso vari canali, tra cui appalti pubblici, singoli hobbisti e donazioni internazionali a sostegno sia dell’Ucraina che della Russia sul campo di battaglia. Spesso questi droni erano gestiti da appassionati di droni civili reclutati nelle forze armate. L'adozione diffusa dei droni DJI è attribuita alla loro leadership di mercato, all'accessibilità economica, alle prestazioni superiori e alla comprovata affidabilità.

Applicazioni di intrattenimento

I droni vengono utilizzati anche negli spettacoli notturni per scopi artistici e pubblicitari, offrendo vantaggi significativi rispetto ai fuochi d'artificio tradizionali, tra cui una maggiore sicurezza, un ridotto inquinamento acustico e un migliore impatto ambientale. Possono servire come sostituto o complemento agli spettacoli pirotecnici per mitigare le spese finanziarie associate ai festival. Inoltre, i droni possono integrarsi con i fuochi d'artificio trasportandoli, consentendo così la creazione di nuove espressioni artistiche.

Veicoli aerei senza pilota vengono utilizzati anche in eventi di corse competitive, che possono incorporare funzionalità di realtà virtuale.

Fotografia aerea

I droni sono particolarmente adatti per l'acquisizione di immagini aeree nel campo della fotografia e della cinematografia e sono ampiamente utilizzati in questi campi. I droni compatti semplificano le operazioni consentendo a un singolo individuo di gestire sia il pilotaggio che il funzionamento della telecamera, eliminando così la necessità di un intricato coordinamento tra personale separato. Al contrario, i droni più grandi dotati di telecamere cinematografiche professionali necessitano in genere di un pilota di droni dedicato e di un operatore di ripresa separato responsabile della gestione degli angoli di ripresa e delle regolazioni dell’obiettivo. Ad esempio, il drone cinematografico AERIGON, impiegato nella produzione cinematografica professionale, richiede un team operativo di due persone. Inoltre, i droni facilitano l'accesso a luoghi pericolosi, remoti o altrimenti inaccessibili.

Monitoraggio ambientale

I sistemi aerei senza equipaggio (UAS) o i veicoli aerei senza equipaggio (UAV) offrono vantaggi sostanziali per il monitoraggio ambientale consentendo l'acquisizione di nuovi dati di rilievo a risoluzioni spaziali e temporali molto elevate o ultra elevate. Questa capacità consente di colmare l’attuale disparità tra i dati derivati ​​dal satellite e le osservazioni sul campo da terra. Di conseguenza, ciò ha stimolato un’ampia ricerca e lo sviluppo di applicazioni volte a migliorare la caratterizzazione degli ecosistemi naturali e agricoli. Le applicazioni principali includono:

• Effettuazione di rilievi topografici per la generazione di ortomosaici, modelli digitali di superfici e modelli tridimensionali.
• Monitoraggio degli ecosistemi naturali per facilitare la valutazione della biodiversità, la mappatura degli habitat, l'identificazione di specie esotiche invasive e l'analisi del degrado dell'ecosistema derivante da specie invasive o altri disturbi.
• Implementare l'agricoltura di precisione, che sfrutta tutte le tecnologie disponibili, compresi gli UAV, per ottimizzare l'utilizzo delle risorse e aumentare la produttività (ad esempio, attraverso l'ottimizzazione di fertilizzanti, pesticidi e irrigazione).
• Conduzione del monitoraggio dei fiumi, per il quale sono stati sviluppati vari metodi di velocimetria delle immagini per valutare il flusso, consentendo una caratterizzazione accurata dei campi di velocità del flusso bidimensionali.
• Valutazione dell'integrità strutturale di diverse infrastrutture, come dighe, ferrovie o altre costruzioni pericolose, inaccessibili o su larga scala, per il monitoraggio completo degli edifici.
• Rilevamento di minerali associati al drenaggio acido delle miniere; Gli UAV dotati di telecamere iperspettrali possono generare mappe dettagliate di minerali proxy (ad esempio goethite, jarosite) indicative di valori di pH specifici in ambienti naturali, minerari attivi e post-minerari, compresi i siti bonificati.
• Esecuzione di misurazioni di gas in situ in ambienti potenzialmente pericolosi, come i pennacchi vulcanici.

Queste attività di monitoraggio possono essere eseguite utilizzando varie tecniche di misurazione, tra cui fotogrammetria, termografia, imaging multispettrale, scansione 3D sul campo, rilevamento di gas e generazione di mappe dell'indice di vegetazione delle differenze normalizzate.

Pericoli geologici

Gli UAV sono emersi come uno strumento ampiamente adottato per indagare sui rischi geografici, in particolare sulle frane. Vari tipi di sensori, inclusi radar, ottici e termici, possono essere integrati con gli UAV per monitorare diverse proprietà geologiche. Gli UAV facilitano l'acquisizione di immagini raffiguranti varie caratteristiche della frana, come fessure trasversali, radiali e longitudinali, creste, scarpate e superfici di rottura, anche all'interno di regioni inaccessibili della massa instabile. Inoltre, l'elaborazione delle immagini ottiche ottenute dagli UAV consente la generazione di nuvole di punti e modelli tridimensionali, da cui è possibile estrarre queste proprietà specifiche. L'analisi comparativa di nuvole di punti acquisite a diversi intervalli temporali consente l'identificazione di alterazioni conseguenti alla deformazione di frana.

Esplorazione mineraria

Gli UAV possono contribuire all'identificazione di nuovi depositi minerali o alla rivalutazione di quelli esistenti, affrontando la crescente domanda di materie prime, inclusi metalli grezzi critici (ad esempio cobalto, nichel), elementi di terre rare e minerali per batterie. Utilizzando una gamma completa di sensori (ad esempio imaging spettrale, Lidar, magnetometri, spettroscopia di raggi gamma), analoghi a quelli utilizzati nel monitoraggio ambientale, i dati derivati dagli UAV possono generare mappe dettagliate delle caratteristiche geologiche della superficie e del sottosuolo, migliorando così l'efficienza e la precisione delle attività di esplorazione mineraria.

Studi sull'agricoltura, la silvicoltura e l'ambiente

La crescente domanda globale di produzione alimentare, unita all'esaurimento delle risorse, alla diminuzione dei terreni agricoli e a una crescente scarsità di manodopera agricola, richiede l'adozione di soluzioni agricole avanzate e intelligenti oltre ai metodi convenzionali. Di conseguenza, l’industria dei droni agricoli e della robotica è pronta per progressi significativi. I droni agricoli sono stati determinanti in tutto il mondo nello stabilire pratiche agricole sostenibili, promuovendo così una nuova era di metodologie agricole. Questo contesto ha stimolato l'emergere di numerose innovazioni sia negli strumenti che nelle tecniche, consentendo una caratterizzazione precisa degli stati della vegetazione e facilitando la distribuzione accurata di nutrienti, pesticidi o semi nei campi.

Anche i veicoli aerei senza pilota (UAV) sono oggetto di studio per la loro potenziale utilità nel rilevamento e nella soppressione degli incendi boschivi, comprendendo sia ruoli di osservazione che l'impiego di dispositivi pirotecnici per l'innesco controllato del ritorno di fiamma.

Inoltre, gli UAV sono ampiamente utilizzati per la fauna selvatica. rilevamento, compreso il monitoraggio degli uccelli marini nidificanti, delle foche e persino delle tane dei vombati.

Applicazioni per le forze dell'ordine

Le forze dell'ordine utilizzano i droni per varie applicazioni, tra cui operazioni di ricerca e salvataggio e sorveglianza del traffico.

Aiuti umanitari

I droni si stanno dimostrando sempre più utili negli aiuti umanitari e negli interventi di soccorso in caso di calamità, poiché svolgono una vasta gamma di funzioni come la consegna di cibo, medicine e forniture essenziali in regioni remote, nonché la mappatura di immagini pre e post disastro.

Sicurezza e protezione

Minacce poste dagli UAV

Incidenti fastidiosi

I veicoli aerei senza pilota (UAV) rappresentano molteplici minacce alla sicurezza dello spazio aereo, tra cui collisioni involontarie o interferenze con altri velivoli, atti deliberati dannosi e la possibilità di distrarre i piloti o i controllori del traffico aereo. La prima collisione registrata tra un drone e un aereo è avvenuta a metà ottobre 2017 a Quebec City, in Canada. Successivamente, il primo caso documentato di collisione di un drone con una mongolfiera si è verificato il 10 agosto 2018 a Driggs, Idaho, Stati Uniti. Nonostante nessun danno significativo al pallone o lesioni ai suoi tre occupanti, il pilota del pallone ha segnalato l'evento al National Transportation Safety Board, esprimendo il desiderio che "questo incidente aiuti a creare un dialogo sul rispetto della natura, dello spazio aereo e delle regole e dei regolamenti". Inoltre, le operazioni non autorizzate di UAV all'interno o in prossimità dei principali aeroporti hanno portato a interruzioni prolungate del traffico aereo commerciale.

Nel dicembre 2018, i droni hanno provocato sostanziali interruzioni operative all'aeroporto di Gatwick, rendendo necessario il dispiegamento dell'esercito britannico.

Negli Stati Uniti, l'utilizzo di un UAV in prossimità di un incendio è soggetto a una multa massima di 25.000 dollari. Nonostante ciò, nel corso del 2014 e del 2015, il supporto aereo antincendio in California è stato impedito in più occasioni, in particolare a Lake Fire e North Fire. Di conseguenza, i legislatori della California hanno proposto un disegno di legge che autorizza i vigili del fuoco a disattivare gli UAV che invadono lo spazio aereo limitato. Successivamente, la Federal Aviation Administration (FAA) ha imposto la registrazione della maggior parte degli UAV.

Vulnerabilità della sicurezza

Nel 2017, i droni erano stati impiegati per la consegna illecita di materiale di contrabbando nelle strutture correzionali.

L'interesse per la sicurezza informatica degli UAV è aumentato in modo significativo in seguito all'incidente di dirottamento del flusso video di UAV Predator del 2009, in cui i militanti islamici hanno utilizzato attrezzature poco costose e disponibili in commercio per intercettare feed video da un UAV. Un ulteriore rischio intrinseco riguarda il potenziale dirottamento o disturbo in volo degli UAV. Diversi ricercatori di sicurezza hanno rivelato pubblicamente le vulnerabilità degli UAV commerciali, fornendo occasionalmente codice sorgente completo o strumenti per replicare i loro attacchi. Durante un seminario dell'ottobre 2016 sugli UAV e la privacy, i ricercatori della Federal Trade Commission hanno dimostrato la loro capacità di compromettere tre distinti quadricotteri consumer e hanno sottolineato che i produttori di UAV potrebbero migliorare la sicurezza attraverso misure fondamentali come la crittografia del segnale Wi-Fi e la protezione tramite password.

Applicazioni aggressive

Numerosi UAV sono stati equipaggiati con carichi pericolosi o si sono schiantati intenzionalmente contro obiettivi. Tali carichi utili hanno compreso, o potrebbero potenzialmente comprendere, esplosivi, agenti chimici, materiali radiologici o rischi biologici. Inoltre, gli UAV che in genere trasportano carichi non letali potrebbero essere compromessi e riutilizzati per obiettivi dannosi. Per mitigare queste minacce, i sistemi anti-UAV (C-UAS), che vanno dalle capacità di rilevamento alla guerra elettronica e agli UAV dedicati progettati per l'interdizione, sono attualmente in fase di sviluppo e implementazione da parte di vari stati.

Questi progressi si sono concretizzati nonostante le sfide inerenti. J. Rogers, in un'intervista del 2017 con A&T, ha articolato un importante discorso in corso sulle strategie ottimali per contrastare i piccoli veicoli aerei senza pilota (UAV), indipendentemente dal fatto che il loro dispiegamento derivi da fastidi ricreativi o da intenzioni più malevole, come quelle di entità terroristiche.

Contromisure

Sistemi aerei contro-senza pilota

La proliferazione di applicazioni dannose per veicoli aerei senza pilota (UAV) ha stimolato lo sviluppo di tecnologie per sistemi aerei senza pilota (C-UAS). Progressi significativi negli algoritmi di apprendimento automatico basati sul deep learning hanno consentito il tracciamento e il rilevamento automatico preciso degli UAV utilizzando sistemi di telecamere commerciali. Inoltre, le metodologie di reidentificazione facilitano il riconoscimento automatico degli UAV attraverso diversi punti di vista della telecamera e specifiche hardware. Le soluzioni commerciali C-UAS, incluso l'Aaronia AARTOS, sono state implementate in importanti aeroporti internazionali. Una volta rilevati, gli UAV possono essere neutralizzati tramite mezzi cinetici, come missili, proiettili o altri UAV, o tramite metodi non cinetici, inclusi laser, microonde o disturbi delle comunicazioni. Anche i sistemi missilistici antiaerei, esemplificati dall’Iron Dome, vengono potenziati con capacità C-UAS. Inoltre, è stato proposto l'impiego di sciami di UAV intelligenti per contrastare UAV singoli o multipli ostili.

A livello globale, è emersa una gamma diversificata di soluzioni di sistemi aerei senza pilota (C-UAS) per mitigare la crescente minaccia posta dagli UAV piccoli e tattici. Questi sistemi spesso incorporano strategie multilivello, integrando radar, sensori elettro-ottici, rilevamento di radiofrequenze e tecnologie di disturbo. Esempi degni di nota includono i sistemi di Elbit Systems, come la suite ReDrone™, che offre configurazioni sia fisse che portatili per il rilevamento e la mitigazione dei droni in contesti civili e militari. Il sistema Red Sky 2 di Elbit integra ulteriormente più sensori ed effettori, progettati specificamente per salvaguardare posizioni strategiche dalle minacce aeree a bassa quota. Altri innovatori, come AirSight, si concentrano sugli aspetti di integrazione del software e dei sistemi del C-UAS, utilizzando l'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico per analizzare i dati dei sensori per il rilevamento dei droni e la valutazione delle minacce in contesti operativi complessi, come evidenziato dal loro sistema AirGuard V3.18.

Regolamento

Le autorità di regolamentazione globali stanno sviluppando attivamente soluzioni di gestione del traffico dei sistemi aerei senza pilota per facilitare una migliore integrazione degli UAV nello spazio aereo esistente.

L'utilizzo di veicoli aerei senza pilota è soggetto a una crescente regolamentazione da parte delle autorità nazionali dell'aviazione civile, con quadri normativi che variano considerevolmente in base alle dimensioni dei droni e all'applicazione prevista. L’Organizzazione per l’aviazione civile internazionale (ICAO) ha avviato indagini sulla tecnologia dei droni già nel 2005, culminate in un rapporto del 2011. La Francia è stata tra i primi ad adottarlo, stabilendo un quadro nazionale ispirato da questo rapporto, con i principali organismi aeronautici come la Federal Aviation Administration (FAA) e l’Agenzia dell’Unione europea per la sicurezza aerea (EASA) che successivamente hanno implementato normative simili. Nel 2021, la FAA ha imposto l'identificazione remota per tutti gli UAV utilizzati a fini commerciali e per tutti gli UAV di peso pari o superiore a 250 grammi, indipendentemente dal loro scopo. Questo regolamento pubblicizza le posizioni dei droni e dei controllori, insieme ad altri dati pertinenti, dal decollo allo spegnimento; tuttavia, questa regola è attualmente oggetto di contestazione nella causa federale in corso RaceDayQuads v. FAA.

Certificazione UE dei droni: etichetta di identificazione della classe

L'etichetta di identificazione della classe svolge un ruolo fondamentale nella regolamentazione dei droni e nella supervisione operativa. Questa etichetta funziona come un meccanismo di verifica, confermando che i droni all’interno di una classe designata aderiscono a rigorosi standard di progettazione e produzione stabiliti dagli organismi di regolamentazione. Tali standard sono fondamentali per garantire la sicurezza e l'affidabilità dei droni in diversi settori e applicazioni industriali.

Offrendo questa garanzia ai consumatori, l'etichetta di identificazione della classe promuove una maggiore fiducia nella tecnologia dei droni, promuovendo così un'adozione più ampia in vari settori. Questo processo, di conseguenza, stimola la crescita e il progresso dell'industria dei droni e facilita l'integrazione dei droni nei quadri sociali.

Controlli esportazione

Il regime di controllo della tecnologia missilistica impone restrizioni in numerosi paesi sull'esportazione di veicoli aerei senza pilota (UAV) o tecnologia correlata in grado di trasportare un carico utile di 500 kg su una distanza minima di 300 km.

Riferimenti

Riferimenti

Citazioni

Fonti

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