È una mosca! È un bug! È un microplano!

Quasi tutti noi abbiamo desiderato prima o poi di essere una mosca sul muro, ma nessuno vuole essere schiacciato. Un'opzione più sicura potrebbe essere quella di comandare una flotta di mosche intelligenti in grado di cercare e segnalare informazioni critiche mentre rimaniamo al sicuro dal pericolo. Con questa idea in mente, gli ingegneri del Lincoln Laboratory del MIT stanno ora sviluppando un microveicolo aereo, un aereo spia semi-autonomo abbastanza piccolo da poter essere tenuto nel palmo della tua mano.

L'idea di produrre il primo aereo in miniatura per la raccolta di informazioni è stata proposta tre anni fa al Lincoln Lab, dove i ricercatori hanno cercato un modo per fornire accesso diretto ai dati di ricognizione per i soldati che prestano servizio in piccole unità militari, come quelle schierate in contesti urbani. Hanno immaginato un sistema di sorveglianza portatile in grado di informare rapidamente i soldati di pericoli imminenti e invisibili. Nelle aree urbane, ad esempio, un tale sistema potrebbe consentire ai soldati di vedere oltre la collina e dietro l'angolo, afferma William R. Davis, che gestisce il programma di micro-veicoli del Lincoln Lab. Le versioni avanzate potrebbero fiutare armi nucleari, biologiche e chimiche in un terreno ostile, valutare i danni in battaglia o monitorare le crisi degli ostaggi o le situazioni di stallo in stile Waco.

Questa storia faceva parte del nostro numero di ottobre 1997

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Basandosi in gran parte sui concetti delineati al Lincoln Lab, la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) ha lanciato quest'anno un programma da 35 milioni di dollari per sviluppare prototipi di microveicoli, sollecitando proposte preliminari da parte dell'industria e del mondo accademico. Le organizzazioni in competizione per il finanziamento includono laboratori universitari come il Georgia Tech Research Institute (GTRI), aziende aerospaziali e piccole imprese.

Allo stesso tempo, DARPA ha fornito un finanziamento iniziale al Lincoln Lab per sviluppare un prototipo completamente funzionante, che i ricercatori prevedono di completare entro tre anni. Con un peso di due once e una misura inferiore a sei pollici di lunghezza e larghezza, il veicolo prototipo volerà da 20 a 30 miglia all'ora, opererà entro un raggio fino a 3 miglia (il limite si riferisce alla portata prevista del sistema di comunicazione del veicolo) , e rimanere in volo per un massimo di un'ora. Deve anche avere capacità di ricognizione e navigazione.

In generale, afferma Milan Vilajenik, che dirige la divisione di ingegneria di Lincoln Lab, questo sarà un chip volante.

Date le sue dimensioni ridotte e i suoi limiti di peso, sollevare questo chip volante da terra e mantenerlo non sarà un'impresa da poco. Man mano che diminuisci di dimensioni, spiega Vilajenik, la tecnologia esistente è troppo grande. La maggior parte dei sottosistemi dovrà essere sviluppata.

La prima sfida consiste nel creare un design dell'ala efficiente in grado di fornire portanza e resistenza aerodinamiche sufficienti per un veicolo in questa gamma di dimensioni, in cui il comportamento aerodinamico differisce da quello di velivoli più grandi e più veloci. Il team del Lincoln Lab ha calcolato che un'imbarcazione in bilico con pale del rotore richiederebbe circa il doppio della potenza di un veicolo ad ala fissa. Per ridurre al minimo i requisiti di alimentazione, quindi, il team sta valutando diverse configurazioni ad ala fissa utilizzando eliche per la propulsione, afferma il program manager Davis.

Ma Robert J. Englar, un ingegnere di ricerca principale presso la Georgia Tech, sostiene che anche con un'elica, un'ala convenzionale non genererà abbastanza portanza per mantenere un veicolo molto piccolo e lento in movimento attraverso il flusso d'aria dirompente che probabilmente incontrerà. Georgia Tech ha presentato una proposta che Englar rifiuta di discutere, ma Sam Blankenship, coordinatore del Programma Microflyer di GTRI, afferma che gli ingegneri potrebbero aver bisogno di guardare alle ali che svolazzano di piccoli uccelli e insetti come modelli per un volo efficiente dal punto di vista energetico.

Un potente sistema di propulsione può compensare le carenze nelle prestazioni aerodinamiche, osserva Davis, ma è probabile che unità di propulsione più potenti peseranno di più e i progettisti vogliono riservare il peso per i sensori di raccolta dati e i sistemi di comunicazione. Il team del Lincoln Lab ha stabilito che su piccola scala richiesta, i motori a reazione avrebbero consumato troppo carburante, mentre le fonti di energia come le batterie avrebbero pesato troppo e avrebbero fornito troppo poca energia. Gli ingegneri di Lincoln Lab hanno identificato i motori a combustione interna e le celle a combustibile come le alternative più promettenti a breve termine e sperano di creare versioni miniaturizzate dei motori a combustione interna entro uno o due anni.

Insieme a un robusto sistema di propulsione, il minuscolo veicolo ha bisogno di un sistema di controllo del volo in modo che possa mantenere la sua rotta di fronte alla turbolenza dell'aria o alle improvvise raffiche di vento. Poiché l'aereo viaggerà fuori dalla vista delle truppe e potrebbe incontrare condizioni di volo in rapido cambiamento, un soldato non può pilotare il veicolo come un modellino di aeroplano, afferma Davis. Il suo team ha stabilito che per eseguire le manovre, il prototipo potrebbe fare affidamento su dispositivi-sensori su piccola scala che misurano la velocità, l'accelerazione e la pressione atmosferica dell'aereo e attuatori elettrici che muovono le superfici aerodinamiche dell'aereo.

Davis sottolinea che le sofisticate tecniche di microfabbricazione consentono di produrre sensori e attuatori con bassi requisiti di potenza su scala molto ridotta. Man mano che lo sviluppo del microplano matura, tuttavia, i progettisti si aspettano di sostituire questi minuscoli dispositivi, che utilizzano parti mobili e devono essere montati separatamente, con sistemi microelettromeccanici ad alta precisione che assomigliano ai chip dei computer e sono prodotti utilizzando metodi simili alla fabbricazione di microcircuiti. Questi potrebbero essere incorporati nell'ala di un microaereo, risparmiando peso prezioso e fornendo un controllo più efficiente.

Infine, i ricercatori Lincoln hanno in programma di sviluppare un sistema di imaging molto piccolo per il veicolo e una stazione di terra portatile, un computer portatile e una piccola parabola di comunicazione parabolica, per trasmettere le foto. Immaginano una telecamera a luce visibile da due grammi e un centimetro cubo posizionata sotto l'aereo e che ottiene immagini da milioni di pixel, immagini abbastanza nitide da identificare veicoli militari e personale da un'altitudine di 100 metri. La sfida nello sviluppo del sistema di imaging non consiste nel progettare o produrre singoli componenti, ma nell'integrarli senza superare i limiti di massa e potenza ristretti.

In effetti, l'integrazione di questo fitto assortimento di ricognizione, propulsione, controllo di volo e altri sottosistemi sarà l'ultimo ostacolo, osserva Vilajenik. Ad esempio, i progettisti potrebbero dover isolare un motore a combustione interna che vibra e produce calore da un sistema di imaging sensibile a tali disturbi e prevenire le interferenze elettromagnetiche tra i motori elettrici e l'antenna di comunicazione.

Man mano che gli ingegneri svilupperanno modi per comprimere più funzioni in pacchetti più piccoli nel prossimo decennio o due, si aspettano che la capacità di carico utile, la resistenza e l'autonomia aumenteranno. Il team del Lincoln Lab immagina veicoli micro aerei avanzati che svolgono compiti diversi come il rilevamento delle firme chimiche di armi non convenzionali, l'implementazione di sensori fissi per monitorare le aree non controllate e l'imaging e la registrazione dei suoni delle scene all'interno e intorno agli edifici.

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