Śmigła innowacji na najwyższych obrotach
Skonstruowany niedawno na Uniwersytecie Technicznym w Delft holenderski dron, zasilany nie prądem elektrycznym, ani paliwem ropopochodnym, lecz wodorem (1), może latać bez przerwy dłużej. Waży 13 kg, ma rozpiętość skrzydeł trzy metry i napędzany jest przez dwanaście jednostek napędowych rozmieszczonych na dwóch skrzydłach. Wyposażony jest w 800-watowe ogniwo paliwowe i 6,8-litrowy zbiornik wodoru z kompozytowych materiałów. Podczas startu i lądowania, gdy silnik potrzebuje większej mocy, układ korzysta zarówno z ogniwa, jak i energii akumulatora. Po pionowym starcie na wysokości przelotowej maszyna przełącza się na zasilanie wyłącznie przez ogniwo paliwowe. Niedawno przeprowadzono testy lotów po startach z pokładu statku straży przybrzeżnej Holandii. Dron latał nad otwartym oceanem przez trzy i pół godziny.
Jak w licznych dziedzinach, wielu uważa, że najlepszym rozwiązaniem są hybrydy, w przypadku dronów; łączące napęd elektryczny ze spalinowym. np. startup Volans pracuje nad dronem do transportu stosunkowo ciężkich ładunków, do 9 kg (2). Potencjalnie jego zasięg może wynosić nawet 800 km, a maksymalna prędkość - nawet 320 km/h. Konstrukcja ma zasilany akumulatorowo silnik elektryczny, który służy do pionowego startu i lądowania oraz silnik spalinowy, który uruchamiany jest w momencie, kiedy statek znajduje się na docelowej wysokości i, w połączeniu ze skrzydłami generującymi siłę nośną, pozwala na pokonywanie dużych odległości.
Nad podobnym rozwiązaniem i jeszcze potężniejszym dronem o nazwie Chaparral (3) pracuje Elroy Air z San Francisco. Ta maszyna miałaby przenosić nawet ćwierć tony ładunku na odległość do 500 km. "Chcemy być jak pickup Ford F-150 nieba", mówił kilka lat temu w "Forbesie", szef firmy Elroy David Merrill. Sześciowirnikowy pojazd to hybryda elektryczno-spalinowa, która, według zapewnień firmy, nie potrzebuje nawet ładowania baterii (gdyż ładuje się podczas pracy silnika).
Wciąż jednak, mówiąc o układach napędowych tych nowatorskich statków powietrznych, obracamy się wokół różnego rodzaju śmigieł, części wytwarzających czasem spory hałas. Opracowywane są cichsze alternatywy. Pozbyć się ich pozwala np. napęd jonowy, który może wykorzystywać wysokonapięciowe pole elektryczne do jonizacji cząsteczek azotu i tlenu w powietrzu, co uwalnia elektrony i duże ilości dodatnio naładowanych cząsteczek azotu. Cząsteczki te są przyciągane w kierunku ujemnie naładowanej elektrody, zwykle w formie płaskiej siatki, co tworzy ciąg. Firma z Florydy o nazwie Undefined Technologies twierdzi, że dzięki technologii nazywanej "Air Tantrum" udało jej się podnieść ciąg w jonowych systemach napędowych do "niespotykanego wcześniej poziomu", co pozwalałoby na budowę bardzo cichych dronów, które wyglądają jak latające palety (4), bez ruchomych części w systemie napędowym.
Drony o napędzie jonowym brzmią futurystycznie, ale tylko dla kogoś, kto nie słyszał o pomyśle zastosowania w napędach bezzałogowców tzw. efektu Coandă, czyli zjawiska, w wyniku którego przepływający płyn (czyli również gaz, jeśli uznamy go za ciecz o bardzo małej lepkości) "przykleja się" do najbliższej mu powierzchni i pozostaje "przyklejony" mimo zmieniającej się jej krzywizny. W odniesieniu do maszyn latających, takich jak samoloty pionowego startu i lądowania oraz helikoptery nowego typu, omawiając szczegółowo projekt Jetoptera. Możliwość wykorzystania tego zjawiska do napędu dronów demonstrował internetowy hobbysta i entuzjasta Tom Stanton na niewielkich modelach unoszących się w powietrzu (5).
Nie jest wykluczone, że dla najmniejszych dronów uda się zastosować jeszcze inne techniki napędowe, np. wykorzystujące zjawiska piezoelektryczne. Na przykład koncepcyjny RoboBee X-Wing (6) ma nie tylko rozmiary pszczoły, ale również wiele cech wspólnych z owadami, a mianowicie błoniaste skrzydła, którymi macha 170 razy na sekundę. Dron ma rozpiętość skrzydeł na poziomie 3,5 centymetra i masę wynoszącą zaledwie 259 miligramów. Inżynierowie zastosowali w nim sześć małych paneli słonecznych oraz mikrosiłowniki piezoelektryczne, które pod wpływem elektryczności kurczą się i rozkurczają, co sprawia, że teoretycznie może utrzymywać się w powietrzu bez końca.
Dron, który lata tyle, ile potrzeba, bez potrzeby doładowania czy uzupełniania paliwa w zbiorniku, to byłoby coś. Zanim uda się zbudować większe wersje piezoelektrycznych napędów, można rozwiązać tę kwestię tak, jak zrobili to twórcy urządzenia PARC (Persistent Aerial Reconnaissance and Communications) z firmy CyPhy Works (znanej potem jako Aria Insights i pozyskanej przez kolejną firmę), w którym dron jest podłączony… przewodem zasilającym. Do mniejszych dronów CyPhy skonstruowała cienkie, ledwo widoczne mikrowłókna. Nawet jednak stosowanie zwykłych przewodów ma w niektórych sytuacjach uzasadnienie. Maszyna tak podłączona w ogóle nie potrzebuje lądowania. Może unosić się w powietrzu bez przerwy przez całe dni, tygodnie, a nawet miesiące. Są nieoficjalne informacje, że wojsko wykorzystuje już od dłuższego czasu system PARC (7).
Czasem jak ćma, czasem jak ptak
Ośrodki badawcze ma się rozumieć, nie skupiają się wyłącznie na poszukiwaniu nowych napędów i źródeł zasilania dronów. Jest to obszar kipiący wieloma innymi pomysłami, jeśli chodzi np. o poszukiwanie nowych "zmysłów", w jakie maszyny typu UAV można wyposażyć.
Naukowcy z Uniwersytetu Waszyngtońskiego zaprojektowali niedawno niewielkiego drona, który wykorzystuje czułki prawdziwej ćmy do wykrywania i nawigacji w kierunku źródeł wydzielania substancji chemicznych. Okazało się, że to, co natura dała ćmie, jest bardziej efektywne niż czujniki chemiczne stworzone przez człowieka. Dron automatycznie przemieszcza się w kierunku substancji chemicznych.
Konstrukcja nazwana przez twórców "smellicopterem" jest małym dronem, w którym zamontowany został czułek amputowany ćmie. Okazało się, że układ elektroniczny maszyny można zintegrować z prądami generowanymi w biologicznym elemencie. Badacze zaprogramowali drona, aby rozpoznawał określone wzorce impulsów i podążał za wzbudzającymi je sygnałami chemicznymi. Można to wykorzystywać np. w detekcji wycieków gazu i ich pochodzenia, poszukiwaniu niewypałów przez saperów itd. Niestety, usunięty z ćmy czułek "działa" najwyżej cztery godziny.
Umiejętność autonomicznego i zwinnego omijania przeszkód terenowych to kolejny etap rozwoju bezzałogowych maszyn latających. A zwinność oznacza, że słupy czy drzewa okrążać mają płynnie z odpowiednio dużą prędkością, bez zatrzymywania się czy też czekania na komendy operatora.
Andrew Barry z MIT zbudował kilka lat temu drona, który uprawia slalom pomiędzy przeszkodami przy prędkości 50 km/h. Użył stosunkowo przeciętnego skrzydlatego bezzałogowa o masie ok. pół kilograma.
Maszyna wyposażona jest w kamery na każdym skrzydle oraz dwa procesory o mocy nie większej niż te, które znaleźć można w zwykłym smartfonie. Kamery rejestrują obraz z prędkością 120 klatek na sekundę, a oprogramowanie typu open source mapuje otoczenie i analizuje głębię obrazów, aktualizując dane w tempie 8,3 milisekundy na klatkę. Zastosowany w konstrukcji prosty układ kamer i mikroprocesorów działa głównie dzięki nowatorskim algorytmom zastosowanym przez specjalistów z MIT.
Nie są nowością drony sterowane za pomocą smartfonów. Nie są też bezzałogowce latające, o konstrukcji zbliżonej do ptaków. Jednak sztucznego ptaszka sterowanego za pomocą mobilnej aplikacji, którą każdy może sobie pobrać, wcześniej nie było. Dron Bionic Bird (8) pozwala każdemu, kto ściągnie aplikację, sterować dronem-ptakiem. Konstruktorzy twierdzą, że to pierwszy tego rodzaju projekt o charakterze cywilnym, znane są bowiem prototypy UAV-ów - szpiegowskich ptaków, testowanych przez wojsko. Do sterowania mechanicznym ptaszkiem służy aplikacja smartfonowa Flying App. Maksymalny zasięg sygnału wynosi 100 metrów. Model wykonany został z włókien węglowych i wytrzymałej pianki. Dowcipnie została rozwiązana kwestia ładowania. Ładowarka ma bowiem kształt jaja, na którym umieszcza się ptaka.
Latać bezpieczniej
Niestety upowszechnienie się takich jak Bionic Bird czy innych dronów wśród amatorów stwarza coraz więcej zagrożeń, wśród których zagrożenie prywatności celebrytów narażonych na drony paparazzi nad swoimi posiadłościami to dopiero początek kłopotów (9). Najbardziej martwią się specjaliści w dziedzinie bezpieczeństwa ruchu powietrznego. Ostatnim głośnym wypadkiem tego rodzaju było wydarzenie z września ub. roku, gdy po alarmie dronowym w pobliżu brytyjskiego lotniska Stansted poderwany został wojskowy śmigłowiec Apache, który pomagał policji śledzić zagrażającego bezpieczeństwu drona i namierzyć jego operatora.
Inny znany przypadek, też z Wysp Brytyjskich, unieruchomił 140 tysięcy pasażerów po obserwacji drona w pobliżu lotniska Gatwick. Kilka miesięcy wcześniej doszło do zbliżenia maszyny bezzałogowej do samolotu EasyJet na wysokości ponad 2500 metrów, wkrótce po jego starcie z lotniska w Manchesterze. Obaj piloci airbusa A320, przewożący do 186 pasażerów w locie do Aten, widzieli drona, który zbliżał się do samolotu z prędkością ok. 500 km/h. Incydenty tego typu mają długą historię. Już na początku ubiegłej dekady zdarzył się wypadek, że pilot linii lotniczych Alitalia, przy podejściu do lądowania na lotnisku im. Kennedy’ego w Nowym Jorku, zauważył czarnego drona.
Od lat trwają prace nad systemem kontroli lotów bezzałogowych wehikułów latających. Prowadzi je m.in. NASA w swoim kalifornijskim ośrodku Moffett Field. Ma to być oddzielny system zarządzania ruchem powietrznym w przestrzeni do wysokości 200 metrów nad powierzchnią ziemi. W tej strefie ma znajdować się "korytarz powietrzny" dla dronów. Częścią systemu ma być monitoring warunków atmosferycznych, gdyż te, zwłaszcza porywiste wiatry, w przypadku małych obiektów mogą być szczególnie groźne. Inne wyzwania to stworzenie niezawodnych metod unikania kolizji z budynkami i nisko lecącymi większymi maszynami, jak np. helikoptery policyjne lub telewizyjne.
Wielu ekspertów, w tym także NASA, nie wyobraża sobie, aby zarządzaniem ruchem powietrznym rojów dronów zajmowali się ludzie, tak jak to ma miejsce obecnie w ruchu lotniczym, gdzie kontrolerzy zgromadzeni w wieżach na lotniskach lub w innych miejscach obsługują samoloty pasażerskie i inne. Przewiduje się tu raczej "bezzałogową" kontrolę lotów, czyli algorytmy komputerowe automatycznie zarządzające ruchem.
Jednym z najnowszych rozwiązań, opartym na technikach uczenia maszynowego, jest przeznaczony dla UAV-ów system stworzony przez Iris Automation o nazwie Casia. Polega on na danych wizualnych, radiowych i we wszystkich innych zakresach dostarczanych przez urządzenia wizyjne, detekcyjne, skanujące i sensory, integrując je i pozwalając "widzieć", a następnie "rozumieć, co widzi" i ostrzegać przed wszelkiego rodzaju potencjalnymi zagrożeniami w powietrzu (10). Jest to system, który opiera się na założeniu, że na bezpieczeństwie zależy operatorom dronów w nie mniejszym stopniu niż innym podmiotom wchodzącym w przestrzeń powietrzną i odpowiadającym za nią.
Operatorzy mogą do tego, jak się okazuje, wykorzystać także sieć komórkową, a w przyszłości również 5G. Pod koniec listopada 2020 r. Ericsson i Vodafone podały, że z powodzeniem przetestowały technologię, która wykorzystuje dane z sieci telefonii komórkowej do kontroli bezpieczeństwa korytarzy powietrznych dla latających jednostek bezzałogowych. Podczas próby przeprowadzonej w Niemczech dwaj europejscy giganci telekomunikacyjni wykorzystali dane z sieci telefonii komórkowej do sporządzenia map zasięgu, aby umożliwić dronowi przebywanie na obszarach o dobrej jakości sygnału w powietrzu. Pozwala to operatorom dronów na utrzymanie i optymalizację połączenia z siecią komórkową, co jest kluczowe dla kontroli lotu bezzałogowca.
Choć firmy nie mówią wyraźnie o tym aspekcie, to jednak technika ta również sprzyja zwiększeniu bezpieczeństwa lotów dronami. Zatem choć do dronów zdążyliśmy się już przyzwyczaić i nie są już żadną egzotyczną ciekawostką, nieustające poszukiwania udoskonaleń, sprawiają, iż jest to wciąż pełna innowacji pachnąca świeżością dziedzina techniki.
Mirosław Usidus
