PODSTAWY ROBOTYKI

JW. 14.6.1

Robotyka w aeronautyce –

awionika i bezzałogowe

statki powietrzne

1. Krótka historia awioniki i latania

Awionika (z angielskiego avionics) jest połączeniem dwóch słów: awiacja i

elektronika. Najprościej mówiąc są to wszystkie wskaźniki, w które wyposażony jest samolot,

i które wspomagają pracę pilota. Kokpit współczesnej maszyny jest naszpikowany wręcz

elektroniką. Skąd potrzeba wykorzystania elektroniki w lotnictwie?? Podyktowana ona

została bardzo gwałtownym rozwojem tej dziedziny. Flyer braci Wright był kierowany bez

użycia jakichkolwiek wskaźników, jedyne dane jakie miał dostępne pilot, uzyskiwane były

przez jego zmysły. Jednak wzrost prędkości i wysokości na jakich latały samoloty w

późniejszych latach, spowodował, że zmysły ludzkie przestały wystarczać do skutecznego

pilotowania coraz większych i cięższych samolotów.

Historyczny lot samolotu Flyer konstrukcji braci Wright

Pierwszy lot braci Wright (1903 rok) odbył się z prędkością 12 km/godz. Dziesięć lat

później (rok 1913) samoloty latały już prędkościami oscylującymi w okolicy 200 km/ godz.,

kolejne dziesięć lat powoduje wzrost prędkości maszyn o kolejne 100 km/ godz.. Najszybsze

samoloty sprzed Drugiej Wojny Światowej osiągają już prędkości zbliżone do 600 km/ godz..

Wojna stała się olbrzymią siłą napędową dla lotnictwa. Jest to czas w którym do użycia

wchodzą pierwsze radary, zastosowanie znajduje silnik odrzutowy, a także rozpoczyna się

gwałtowny rozwój elektroniki.

Kokpity samolotów drugiej dekady XX wieku wyposażone były w kilka

podstawowych wskaźników takich jak wysokościomierz, prędkościomierz, busola, itp.

Kokpit samolotu Spowith Camel – konstrukcja z lat dwudziestych dwudziestego

wieku

Wraz z pojawieniem się konieczności latania w trudnych warunkach pogodowych

(noc, zachmurzenie, brak widoczności) wprowadzane były kolejne wskaźniki takie jak

sztuczny horyzont, zakrętomierz czy wariometr.

Kokpit Spitfire’a – najsłynniejszego samolotu Drugiej Wojny Światowej

W kokpicie współczesnej maszyny znajdziemy obok podstawowych wskaźników

(prędkościomierz, wysokościomierz, zakrętomierz, sztuczny horyzont, wariometr) wiele

innych monitorujących pracę silników, obraz przekazywany przez radar, wskaźniki

informujące o uszkodzeniach, ilości paliwa a także wiele innych.

Kokpit maszyny z lat siedemdziesiątych

– F-14 Tomcat

Kokpit MIGa 29 – rosyjski odpowiednik F-14

Tomcat’a

Kokpit współczesnego samolotu F-22

Kokpit współczesnego śmigłowca AH-64 Apache

Liczba wskaźników w kokpicie (kabinie) zależy od typu samolotu. W szybowcu

znajdziemy tylko ułamek liczbyi wskaźników z Boeinga 747 czy innej maszyny pasażerskiej.

Również to czy maszyna jest cywilna czy wojskowa, ma olbrzymie znaczenie.

Kabina Boeinga 747

W jaki sposób działają podstawowe wskaźniki?

2. Sztuczny horyzont

Efekt giroskopowy jest różnie wykorzystywany w

urządzeniach. W

giroskopie

swobodnym wirujące koło jest odizolowane od samolotu przez zawieszenie Cardana. Gdy

samolot przechyla się, giroskop utrzymuje pionowy kierunek, dostarczając pilotowi

sztucznego horyzontu odniesienia. W przypadku kiedy pilot jest pozbawiony widoczności,

urządzenie to pozwala na stwierdzenie jak mocno przechylony jest w danym momencie

samolot.

Sztuczny horyzont

3. Zakrętomierz

Zakrętomierz jest przyrządem żyroskopowym pokazującym kierunek oraz prędkość

kątową zakrętu. (Żyroskop to „ciało sztywne obracające się z dużą prędkością kątową wokół

osi symetrii”.) W zakrętomierzu zastosowano żyroskop o dwóch stopniach swobody. Na osi

zainstalowanej w uchylnej ramce wiruje z prędkością rzędu 20 tysięcy obr./min napędzany

elektrycznym silniczkiem masywny krążek. Zmiana położenia osi głównej żyroskopu pod

wpływem momentu sił zewnętrznych (czyli zakręcania szybowca) wywołuje precesję -

powstanie momentu sił działającego wokół osi prostopadłej do osi wirowania krążka i osi

zakrętu. To z kolei powoduje proporcjonalne do prędkości kątowej zakrętu wychylenie

wspomnianej ramki w kierunku zależnym od kierunku wirowania krążka i kierunku zakrętu.

Po przejściu do lotu prostego precesja ustaje, a ramka wraca do położenia neutralnego za

sprawą dołączonych do niej sprężynek.

Zakrętomierz

4. Wariometr

Wariometr jest przyrządem mierzącym prędkość pionową szybowca, czyli prędkość

wznoszenia lub opadania. Podobnie jak prędkościomierz, wariometr działa na zasadzie

pomiaru różnicy ciśnień. Główną częścią wariometru membranowego jest umieszczona

wewnątrz szczelnej obudowy puszka aneroidowa, do wnętrza której doprowadzone jest

ciśnienie statyczne. Puszka zaopatrzona jest w cieniutką rurkę włosowatą (kapilarę),

umożliwiającą powolny przepływ powietrza między jej wnętrzem a wnętrzem obudowy. Gdy

ciśnienie statyczne (i wysokość) jest stałe, ciśnienia na zewnątrz i wewnątrz puszki są równe -

wariometr wskazuje zero. Wznoszeniu szybowca towarzyszy spadek ciśnienia statycznego,

pojawiająca się różnica ciśnień powoduje deformację puszki i poruszenie wskazówki w górę.

W chwilę po ustaniu wznoszenia ciśnienia wewnątrz puszki i obudowy przyrządu wyrównują

się poprzez kapilarę i wskazówka wraca do położenia zerowego. Przy opadaniu ciśnienie

statyczne rośnie szybciej niż ciśnienie wewnątrz obudowy - mamy do czynienia z sytuacją

odwrotną i wskazówka opada.

Wariometr

5. Wysokościomierz

Zasada działania wysokościomierza jest dość prosta - w praktyce wysokościomierz

jest swego rodzaju barometrem. Podstawowym jego elementem jest tzw. puszka aneroidowa -

szczelnie zamknięte, elastyczne metalowe naczynie. Jak wiadomo, ciśnienie powietrza spada

wraz z wysokością. Im wyżej znajduje się szybowiec, tym większa różnica ciśnień pomiędzy

wnętrzem obudowy przyrządu (połączonym z dajnikami ciśnienia statycznego - maleńkimi

otworkami znajdującymi się na obu bokach kadłuba szybowca) a wnętrzem puszki. W wyniku

tego puszka rozszerza się i przez odpowiednią przekładnię popycha wskazówki przyrządu.

Wysokość lotu nie jest pojęciem jednoznacznym - trzeba jeszcze odpowiedzieć na pytanie:

wysokość w stosunku do czego? Dlatego też w lotnictwie określa się kilka rodzajów

wysokości. Najbardziej naturalne to wysokość względna, czyli po prostu odległość od

znajdującego się pod szybowcem podłoża. Inna wysokość względna (i ta nas najbardziej

interesuje), to wysokość mierzona względem ciśnienia lotniska, określana literami QFE. Tą

właśnie definicją wysokości posługują się statki powietrzne latające z widzialnością Ziemi (w

lotach VFR). Wysokość bezwzględna to wysokość mierzona w stosunku do aktualnie

panującego ciśnienia zredukowanego do poziomu morza (QNH). Wreszcie wysokość tzw.

standard (QNE) to wysokość mierzona w stosunku do ciśnienia atmosfery standardowej (czyli

do średniego ciśnienia na poziomie morza na 45 stopniu szerokości geograficznej przy 15

stopniach Celsjusza - 1013,2 hPa lub 760 mm Hg).

Wysokościomierz

6. Prędkościomierz

Tym, co najbardziej interesuje pilota, jest prędkość względem powietrza, gdyż to

właśnie ona decyduje o locie szybowca. Na szczęście tę właśnie prędkość stosunkowo łatwo

zmierzyć bez sięgania po wyrafinowane wynalazki najnowszej technologii, wykorzystując

fakt, że ciśnienie dynamiczne strumienia powietrza jest proporcjonalne do kwadratu jego

prędkości. W zasadzie wystarczyło by więc zastosować odpowiednio wyskalowany manometr

podłączony do skierowanej do przodu rurki. Problem jednak polega na tym, że mierzone w

ten sposób ciśnienie to ciśnienie całkowite, będące sumą ciśnienia dynamicznego i ciśnienia

statycznego, czyli ciśnienia atmosfery na danej wysokości. Wskazania przyrządu byłyby więc

silnie uzależnione od wysokości lotu. Aby otrzymać w miarę wiarygodny wynik pomiaru

ciśnienia dynamicznego, należy więc od ciśnienia całkowitego odjąć ciśnienie statyczne.

Ciśnienie całkowite doprowadzone jest do wnętrza puszki aneroidowej (podobnej jak w

wysokościomierzu), zaś ciśnienie statyczne - na zewnątrz puszki, do wnętrza obudowy

przyrządu. W ten sposób działające na puszkę siły wynikające z ciśnienia statycznego

równoważą się i deformacja puszki zależy tylko od ciśnienia dynamicznego.

Prędkościomierz

7. Osiągnięcia współczesnej awioniki

Do nowszych osiągnięć w dziedzinie awioniki należy na przykład system Fly By

Wire. System ten jest odejściem w pewnym stopniu od mechaniki i hydrauliki, wszelkie ruchy

na drążku są przetwarzane na sygnał elektryczny, nie ma tu już bezpośredniego połączenia za

pomocą cięgien, czy pomp hydraulicznych, ponad to jest to układ wspomagania decyzji

pilota, to znaczy każde podjęte działanie przez pilota jest analizowane przez komputery

pokładowe, minimalizując ryzyko wprowadzenia maszyny np. w korkociąg. Idea Fly By Wire

jest podobna do działania takich systemów jak ABS, EBD czy ASR w samochodach. Jednak

niektóre samoloty bez wspomagania komputerowego nie mogłyby być pilotowane przez

człowieka. Na przykład słynny F-117 Nighthawk, z racji swoich bardzo nieaerodynamicznych

kształtów wymaga stałego nadzoru komputerów.

F-117 Nighthawk – przykład maszyny która bez wspomagania nowoczesnej awioniki nie

nadawałaby się do pilotowania

Najdroższy samolot świata: B-2 Spirit. Maszyna ta bez komputerów wspomagających pracę

pilota byłaby najdroższą kupą złomu

Innym rozwiązaniem (które znajduje zastosowanie w samochodach) jest HUD (Head

Up Display) czyli po polsku wyświetlacz przeziernikowy. Najważniejsze wskazania

dotyczące parametrów lotu wyświetlane są na szybie przed pilotem. Takie rozwiązanie

pozwala na uzyskanie przez pilota informacji o samolocie, bez potrzeba przerywania

obserwacji otoczenia, jest to szczególnie ważne w przypadku samolotów wojskowych, gdzie

o losach misji decydują ułamki sekund.

Doskonałym przykładem jak wiele możliwości oferuje współczesna awionika jest

śmigłowiec RAH-66 Comanche.

Nowoczesny śmigłowiec AH-66 Comanche jest doskonałym przykładem maszyny

wyposażonej w zaawansowaną awionikę

System sterowania tego śmigłowca umożliwia precyzyjny lot w każdych warunkach

pogodowych. Na stanowisku obu członków załogi znajdują się po dwa wyświetlacze

ciekłokrystaliczne dostarczające obraz z kamery termowizyjnej lub radaru, a także

umożliwiające wyświetlenie mapy terenu. Całkowita eliminacja klasycznych celowników

optycznych umożliwiła przeniesienie stanowiska operatora uzbrojenia do tyłu, co z kolei

zapewniło pilotowi dużo lepszą widoczność. Obrazy i symbole z systemu wykrywania celów

mogą być wyświetlane na wyświetlaczach przeziernych wewnątrz hełmów załogi. Ponadto

Comanche wyposażony jest w łącze umożliwiające wymianę danych pomiędzy śmigłowcami,

a co za tym idzie przeprowadzenia ataku, bez możliwości obserwowania celu.

Rozwój awioniki prowadzi w dość określonym kierunku. Można to łatwo zauważyć

porównując kokpit maszyny z lat siedemdziesiątych czy osiemdziesiątych z kokpitem

maszyny współczesnej. Widać od razu, że coraz większa ilość wskaźników jest zastępowana

wielofunkcyjnymi ekranami. Ta tendencja podyktowana jest koniecznością zapewnienia

pilotom jak najwyraźniejszego przeglądu sytuacji w każdej chwili lotu. Ponadto coraz więcej

funkcji pilota przejmują komputery, wynika to z prostego faktu, że komputer wykonuje wiele

czynności szybciej i lepiej.

X-31 doświadczalna maszyna o niesamowitych zdolnościach manewrowych

Prowadzi to do idei która powstała przed Drugą Wojną Światową, a której gwałtowny

rozwój obserwujemy dzisiaj.

8. Bezzałogowe statki powietrzne (BSP) - historia

Historia BSP rozpoczyna się w okresie międzywojennym kiedy to podjęto pierwsze

próby skonstruowania zdalnie sterowanych samolotów. Do tego celu wykorzystywano

normalne samoloty zwiadowcze, w których pilota zastępowano aparaturą sterowaną drogą

radiową. Niestety stosunkowy niski poziom rozwoju aparatury zdalnego kierowania,

spowodował, że próby te zakończyły się niepowodzeniem. Pierwszy BSP z prawdziwego

zdarzenia powstał w Niemczech pod koniec Drugiej Wojny Światowej. Został skonstruowany

na bazie pocisku manewrującego V-1, w którym głowicę bojową zastąpiono modułem z

kamerą do rozpoznania optycznego. Po zakończeniu Drugiej Wojny Światowej

zainteresowanie BSP opadło, co było związane z powstawaniem coraz większej ilości maszyn

których pułap i prędkość wykraczały poza możliwości przechwycenia. Nie było potrzeby

stosowania BSP skoro załogowe samoloty były praktycznie nieuchwytne, a co za tym idzie,

nie było większych problemów z przeprowadzeniem rozpoznania z dużych wysokości.

Sytuacja uległa zmianie pod koniec lat pięćdziesiątych. USA zaczęło budować pierwsze BSP

rozpoznania lotniczego, ich próby przeprowadzane były w Wietnamie. Sukcesywnie BSP

zastępowały tradycyjne załogowe samoloty w niebezpieczniejszych zadaniach

rozpoznawczych, co pozwoliło na dość znaczące obniżenie ilości strat poniesionych w

misjach rozpoznawczych. „Koniem roboczym” jak chodzi o bezzałogowe rozpoznanie był

Firebee.

Pierwszy BSP, który z powodzeniem spełniał zadanie rozpoznania na polu bitwy

Maszyna o rozpiętości skrzydeł 9 m a długości 4 m, była zdolna do przenoszenia dość

zaawansowanej aparatury fotograficznej. Firebee napędzany był silnikiem turboodrzutowym.

Start odbywał się spod skrzydła maszyny transportowej, następnie Firebee udawał się nad cel,

wykonywał zdjęcia i po oddaleniu się znad wrogiego terytorium otwierał spadochron

hamujący, i był przechwytywany w czasie opadania, przez specjalnie przystosowany

śmigłowiec.

Lata siedemdziesiąte przynoszą gwałtowny rozwój BSP na całym świecie. Produkcją

nowych rozwiązań w tej dziedzinie zajęły się nawet kraje, które nie dysponowały własnym

przemysłem lotniczym (Indonezja, Australia, Arabia Saudyjska). Konstrukcje osiągały coraz

większy stopień komplikacji i coraz większe zróżnicowanie. BSP do celów rozpoznawczych,

zaczęto przystosowywać do współdziałania z określonymi formacjami bojowymi – na

przykład artylerią. Coraz częściej wyposażano samoloty bezzałogowe w możliwość nie tylko

przeprowadzenia rozpoznania, ale również w możliwość wskazania konkretnego celu, przez

oświetlenie go wiązką lasera na przykład, co pozwalało na przeprowadzenie bardzo

dokładnego ataku z użyciem bomb lub rakiet kierowanych laserowo. Coraz większy nacisk

zaczęto stawiać na modułowość budowy BSP, co zapewniało duże łatwiejszą obsługę w

warunkach polowych. Ogromny rozwój technik fotograficznych pozwolił na przeprowadzanie

zwiadu z coraz większych odległości i przy trudnych warunkach pogodowych. Pojawiało się

również coraz więcej BSP, których celem było nie tylko rozpoznanie, ale także

przeprowadzanie ataków.

Do jednych z najbardziej popularnych BSP lat osiemdziesiątych należały SCOUT i

MASTIFF, obie te konstrukcje są pochodzenia izraelskiego i powstały na początku lat

osiemdziesiątych.

Scout

Mastiff

Maszyny te są dość podobne jak chodzi o gabaryty i osiągi

Mastiff

Scout

Rozpiętość [m]

4,25

4,96

Długość [m]

3,3

3,68

Maksymalna masa ładunku

[kg]

37 38

Prędkość maksymalna

[km/godz.]

185 176

Długotrwałość lotu [godz.]

7,5

7

Promień działania [km]

50

50

9. Współczesny BSP - Predator

Natomiast najpowszechniejszym i odnoszącym największe sukcesy bezzałogowym

samolotem jest bez wątpienia PREDATOR.

Predator – współczesny BSP wykorzystywany do rozpoznania i wskazywania celów

dla artylerii, jednak jego możliwości są dużo większe...

Konstrukcja to rodem z USA powstała na początku lat dziewięćdziesiątych. Predator

po raz pierwszy w warunkach bojowych wykorzystany został w połowie lat

dziewięćdziesiątych w konflikcie bałkańskim. Maszyna ta wyposażona jest w specjalistyczną

aparaturę rozpoznawczą oraz ruchomą głowicę elektrooptyczną umożliwiającą pomiar

odległości oraz wskazywanie celów z wykorzystaniem lasera. Przekaz informacji odbywa się

w czasie rzeczywistym z użyciem łącza satelitarnego. Do nawigacji wykorzystany jest układ

bezwładnościowy korygowany odbiornikiem GPS. Predator może operować na pułapie do

8000 m. Prędkość maksymalna to ok. 200 km/godz., zasięg maksymalny 3700 km,

długotrwałość lotu to ok. 40 godzin. Powiada się, że Predator może odczytać ok. 5 calową

literę z odległości ok. 10000 stóp. Predatora można także wyposażyć w szereg środków

bojowych takich jak rakiety powietrze - powietrze, rakiety powietrze – ziemia, czy bomby

kierowane laserowo. Dodatkowo Predator jest przydatny do wielu zadań cywilnych takich jak

na przykład:

- koordynacja i ocena sytuacji na głównych szlakach komunikacyjnych

- monitorowanie obszarów leśnych i obszarów klęsk żywiołowych

- wsparcie informacyjne i kierowanie grupami antyterrorystycznymi

- rozpoznanie skażeń powstałych w wyniku awarii w zakładach przemysłowych

- tworzenie map

- wiele innych

Komunikacja z bezzałogowymi samolotami odbywa się drogą radiową. BSP odbywają loty

po zaprogramowanych trasach. Operator naziemny wprowadza komendy właściwie jedynie

podczas startu, lądowania, lub gdy na trasie przelotu pojawiają się jakieś przeszkody.

10. Przyszłość awioniki

YF-23 Black Widow

SU-37 Berkut

JSF – Joint Strike Fighter

Siły zbrojne przeznaczają coraz większe kwoty na badania i konstruowanie nowych

bezzałogowych samolotów. To ogromne zainteresowanie tą dziedziną wiedzy, związane jest z

rozwojem lotnictwa. Już w tej chwili testowane są konstrukcje, w których to pilot jest

ograniczeniem dla maszyny. Najlepsi piloci z wykorzystaniem najnowocześniejszych

kombinezonów, są w stanie znieść przeciążenia 12-14 g. Najnowsze maszyny są w stanie

wykonywać manewry, w których przeciążenia przekraczają 20 g. Ponadto po co ryzykować

życie pilotów do zadań, które z powodzeniem mogą wykonać BSP. Bardzo ważnym (o ile nie

najważniejszym) czynnikiem są również względy ekonomiczne. Bezzałogowe samoloty są

wielokrotnie tańsze od ich tradycyjnych odpowiedników.

Bibliografia

1. Nowa Technika Wojskowa 6/95, 3/93, 9/04

2. Raport 10/2004

3.

http://www.szybowce.enter.net.pl/instrum/instrum.htm

4.

http://www.aviation.home.pl/newbie/flightinst.html