Drony — praktyczna nauka latania ebook

Wstęp

„Drony — praktyczna nauka latania”, to książka przeznaczona dla wszystkich osób, które chcą nauczyć się latać dronem wielowirnikowym. Przeznaczona jest zarówno dla amatorów, jak i osób które już latają dronami. Została napisana jednak z myślą o tych, którzy nie mają na co dzień żadnego wsparcia merytorycznego, praktycznego, żadnych informacji jak sterować swoim dronem i na co zwrócić uwagę. Osoby takie po kilku tygodniach, miesiącach nabierają nie tylko złych nawyków, ale dochodzą w większości do błędnego przekonania, że już panują nad swoim wielowirnikowcem.

Niektórzy operatorzy, aby podnieść swoje kwalifikacje idą na kurs nauki latania dronami, a po zdaniu egzaminu uzyskują Świadectwo Kwalifikacji. Jednak i wśród tej grupy znajduje się wiele osób, które chętnie skorzystałyby z doświadczeń innych operatorów dronów, w różnych kwestiach min. w tym jak poprawnie wykonywać figury swoim dronem, jak latać precyzyjnie, jak zoptymalizować swoje loty itd. Po skończonym kursie tak naprawdę nie mają zbyt wielu możliwości, aby uzyskać więcej informacji. W jeszcze trudniejszej sytuacji znajdują się osoby, które nigdy na takim kursie na „licencję” na drony się nie znajdą, z różnych przyczyn — nie jest im ŚK do niczego potrzebne, kurs jest zbyt drogi itp. Tacy operatorzy są „skazani” na meandry internetu, portali społecznościowych, szum informacyjny, wielość informacji, które ciągle są ze sobą sprzeczne, kolejna internetowa porada, kolejne wskazanie wyklucza następne. Ta książka powstała właśnie z myślą o takich osobach, z myślą o Większości. Warto postawić pytanie, dlaczego obecnie jest tak mało informacji na temat tego, jak latać dronem wielowirnikowym typu Phantom, Syma, JJRC, Hubsan itp? Dlaczego nie ma praktycznie na ten temat żadnych książek na polskim rynku?

Odpowiedzią może być wskazanie, że pierwszy Phantom pojawił się komercyjnie na świecie w 2013 roku, temat szeroko rozumianych dronów jest bardzo świeży, choć dynamicznie się rozwija. Mało jest w Polsce dostępnej literatury na ten temat, prawo dot. dronów dopiero się kształtuje. Operatorzy dronów w Polsce, ci nowi i ci którzy już latają, cierpią na chroniczny brak literatury dot. dronów, szczególnie takiej, z której mogliby się czegoś nowego nauczyć. A i z samą literaturą jest problem. Przykładem mogą być dwa popularne tytuły na polskim rynku, autorzy nie pochodzą z Polski. Dostępne w nich tzw. chcecklisty — w punkcie „po lądowaniu” — nakazują albo wyłączyć nadajnik a później drona albo wyłączyć drona a później nadajnik? Może są tam błędy w tłumaczeniu, a może w innych państwach różnie się to praktykuje? Trudno powiedzieć. To na pewno nie ułatwia Czytelnikowi wybrania pożądanego algorytmu. Oczywiście w tej książce jest odpowiedź na to pytanie, która jest tą właściwą na egzaminie UAVO. Ta książka ma być cegiełką, wkładem w kształtującą się w Polsce dronową rzeczywistość, ma być pomocą i odpowiedzią na wiele pytań dotyczących dronów. Powinna być traktowana jako wskazanie do tego, aby móc ciągle doskonalić swoje umiejętności jako operator drona wielowirnikowego. Celem jej jest również zachęcenie Czytelnika do jeszcze większego zgłębienia zagadnień dotyczących dronów, które zostały tu jedynie nakreślone. Po pierwsze cel i objętość książki nie pozwalały na szersze opisy, po drugie, co ważniejsze — zabieg ten został wykonany celowo, aby szczególnie osoby zaczynające przygodę z dronami, mogły w sposób nie tylko usystematyzowany, ale w sposób przede wszystkim prosty i krótki przyswoić jak najważniejsze informacje. Zapewne po przeczytaniu tego opracowania i po kliku godzinach spędzonych na treningach, Czytelnik nie tylko będzie dysponował wiedzą większą niż przeciętny operator, ale też na pewno będzie miał solidne podstawy do przystąpienia do egzaminu na „licencję” na VLOS. Celowo również starano się unikać tzw. języka fachowego, intersubiektywnego, unikano szczegółowych opisów technicznych, ponieważ taka wiedza jest dostępna w niemal każdym innym dostępnym opracowaniu. Zatem główny cel książki, to nauczyć Czytelnika latać dronem, aby był świadomy tego jak lata i aby umiał nad nim panować i przewidywać różne sytuacje. Dobrze również, jeśli będzie znał choć podstawy historii dronów, co pozwoli mu w sposób krytyczny popatrzeć na współczesną dronową rzeczywistość. „Drony — praktyczna nauka latania” można czytać wyrywkowo, jednak książka ta stanowi spójne opowiadanie, które najlepsze efekty przyniesie, jeśli zostanie przeczytana od początku do końca. Powodzenia w przyswajaniu wiedzy i w czasie ćwiczeń, pamiętając o tym, że bezpieczeństwo powinno być na pierwszym miejscu.

1. HISTORIA

1.1. Etymologia nazwy „dron”

„Drone” z angielskiego oznacza trutnia, warkot, buczenie. Patrząc się na drony amatorskie czy też profesjonalne, na ich kształt, wydawane dźwięki można zauważyć analogię do angielskiego odpowiednika tego słowa. Samo określenie „drone” czyli, po polsku dron przyjęło się w terminologii potocznej, jak również naukowej. Ale dlaczego akurat właśnie taka nazwa? Odpowiedź znajduje się na kartach historii dronów i w cale nie jest taka jednoznaczna.

Choć na początku należy zaznaczyć, że współcześnie myśląc o dronach, ma się na myśli wielowirnikowce (MR — Multirotor) typu DJI Phantom, to jednak drony pierwotnie były przeznaczone do celów militarnych, z założenia były bezzałogowe i nie były to MR, a raczej były to bezzałogowe samoloty.

Październik 1918r. Jedną z pierwszych, najbardziej znanych i wczesnych, napędzanych i bezzałogowych maszyn latających był Kettering Bug — pierwotna nazwa to „Orzeł Wolności”, „Liberty Eagle”, ale potocznie przyjęło się „robak, pluskwa, insekt Ketteringa”, mała dwupłatowa latająca „torpeda”, która leciała w ustalonym kierunku, do 120 kilometrów od punktu startowego. Produkowana na potrzeby armii amerykańskiej. Kettering Bug był zaprojektowany w celu dostarczenia mieszanki gazu fosforowego i materiałów wybuchowych, miał wiele wad konstrukcyjnych i do czasu, gdy broń osiągnęła choć odrobinę sukcesu, wojna się skończyła i produkcja nigdy się nie rozpoczęła. Jako ciekawostkę można wskazać, że Kettering to miasto w USA w stanie Ohio. Nazwa nadana na cześć Charlesa Ketteringa, piastującego przez 27 lat stanowisko wiceprezydenta General Motors — wynalazcy min. rozrusznika samochodowego czy wcześniej już wskazanego „Liberty Eagle”. Wnioski wyciągnięte z testów „Robala” doprowadziły do opracowania pierwszych pocisków kierowanych, a także sterowanych radiowo dronów.

Krok milowy w rozwoju bezzałogowców wykonała Brytyjska Królewska Marynarka Wojenna i Królewskie Siły Powietrzne, doprowadziły tą technologię do pierwszych prawdziwych sukcesów. W 1925 roku wyprodukowano i przetestowano pierwszy na świecie „pocisk samosterujący”, znany jako Larynx RAE (skrócenie słów „Long Range Gun with Lynx Engine”). Maszyna wyglądająca bardzo nowocześnie i groźnie, została wystrzelona dwa lata później z katapulty na pokładzie niszczycieli Royal Navy HMS Stronghold i Thanet. Stworzona jako broń dalekiego zasięgu. Przeciwpancerna Larynx była zasilana silnikiem Armstrong Siddeley Lynx o mocy 200 KM osiągając prędkość 200 mil na godzinę.

W 1932 r. Royal Navy dostrzegła potrzebę stworzenia realistycznego celu przeciwlotniczego do szkolenia ochrony powietrznej — takiego, który mógłby wystartować, latać tam i z powrotem przed kanonierami, który następnie można byłoby odzyskać i ponownie wykorzystać, jeśli nie zostałby zniszczony. W tym czasie latające cele były zwykle holowane przez załogowe samoloty. Należało uważać w czasie holowania takiego samolotu, aby nie doszło do wypadku — działały przecież siły bezwładności. Zbyt gwałtowny manewr pilota holującego cel, mógł się skończyć różnie. Dodatkowo, należało uważać aby w czasie strzelania, nie trafić w samolot załogowy. Dlatego samolot bezzałogowy, przedstawiałby znacznie bardziej realistyczny cel i byłby zdecydowanie bezpieczniejszym rozwiązaniem, w czasie wykonywania strzelań.

Pierwszą próbą stworzenia przez Royal Navy sterowanego radiem samolotu bez pilota, zdolnego do startu, latania i lądowania, była Fairey Queen — przerobiony model IIIF (królowa wróżek — fonetycznie), zdecydowanie niemilitarna nazwa. Fairey Queen, wariant dwupłatowca rozpoznawczego Fairey III, miał być wykorzystywany przez okręty Royal Navy jako figura bojowa w czasie strzelań. „Królowe” zostały zbudowane w ilości 3szt. i wszystkie zostały uruchomione z HMS Valiant. Pierwsze dwie były wystrzelone z rufy Valianta w kwietniu 1932 r. Niestety zostały stracone, gdyż uderzyły od razu w morze (ich loty trwały odpowiednio 18 i 25 sekund). Trzeci był udany i został odzyskany, wyłowiony z morza. Został on wciągnięty na pokład Valiant i wystrzelony ponownie w styczniu 1933 roku na Gibraltarze.

Doświadczenie z Fairey Queen doprowadziło do zapotrzebowania na samolot do treningu artylerii przeciwlotniczej, a ostatecznie do opracowania de Havilland DH-82B Queen Bee. Była to pierwsza pełna produkcja, pełnowymiarowego oraz wielokrotnego użytku, samolotu bez pilota. Dla przypadkowego obserwatora, Queen Bee wyglądała niemal jak de Havilland DH-82A Tiger Moth, ale tak naprawdę była to hybryda samolotu wykorzystującego lżejszą, bardziej pływającą konstrukcję drewnianego kadłuba z DH-60 Moth, w połączeniu z wyższym dwuściennym skrzydłem Motyla Tygrysiego. Samolot mógł być obsługiwany zdalnie przez innego pilota lub kontrolera siedzącego w innym samolocie, na okręcie wojennym lub z panelu sterowania na lądzie. Mógł działać z pasów startowych lub zostać wystrzelony z katapult. Jako ciekawostkę można wskazać, że przygotowania do wystrzelenia latającego celu DH — 82B Queen Bee, 6 czerwca 1941 r. obserwował osobiście Winston Churchill.

Królowa Pszczoła to projekt, który był cezurą dla rozwoju nowoczesnych technologii wykorzystujących systemy kontroli radiowej. Ujawnił on braki w umiejętnościach i skuteczności systemów artylerii przeciwlotniczej Royal Navy. Odnotowano  zdarzenie, kiedy podczas ćwiczeń, Królowa Pszczoła manewrowała przed całą eskadrą okrętu przez ponad godzinę, a strzelcy nie mogli jej trafić. Warto przy okazji tej historycznej wzmianki, zwrócić uwagę na rolę samego operatora tego bezzałogowca. Nie ma prawdopodobnie badań w tym zakresie, ale z dużym prawdopodobieństwem można założyć, że ówczesny wprawny operator tego pierwszego zdalnie sterowanego bezzałogowca, potrafił wykonywać manewry o dużym stopniu trudności, które już dla pilota mogłyby być bardzo niebezpieczne. Można postawić hipotezę, że trudno byłoby obarczać całą winą za brak skuteczności artylerii próbujących trafić cel żołnierzy. Na potwierdzenie tej hipotezy i wskazanie jak już wtedy istotną rolę odgrywał dobrze wyszkolony operator, należy przytoczyć historię pewnego pokazu.

Podczas demonstracji umiejętności posługiwania się DH 82B Queen Bee przez Królewską Marynarkę Wojenną, w czasie której strzelcy nie mogli jej zestrzelić, pewien wysoki rangą oficer widząc to, zareagował zwracając się do swojego podwładnego: „Na litość boską, powiedz operatorowi, by wybrał SPIN(korkociąg)”, w którym to momencie Królowa Pszczoła zanurkowała w morze, pozornie padając ofiarą strzelców. Królewska Marynarka Wojenna, Brytyjska Armia i Królewskie Siły Powietrzne wykorzystały w dużym stopniu Królową do poprawy wyników strzeleckich.

Jest całkiem prawdopodobne, że de Havilland DH-82B Queen Bee otrzymała swoją nazwę częściowo od swojego protoplasty, Fairey Queen, ponieważ ich rozwój był połączony. Geoffrey de Havilland był pasjonatem, amatorem entomologii i lubił nazywać wszystkie swoje wczesne samoloty po latających owadach (Tiger Moth, Fox Moth, Mosquito i Dragonfly), to było prawdopodobnie motywem takiej, a nie innej nazwy Królowej Pszczoły.

Królowa była z pewnością pierwszym naprawdę udanym samolotem bez pilota, którego wyprodukowano około 400 sztuk w ciągu kilku lat. Zdolność Królowej Pszczoły do latania bez pilota była w istocie bardzo zaawansowaną technologią i wielokrotnie była demonstrowana dla dygnitarzy. W 1936 r. Admirał William Harrison Standley, jeden z sygnatariuszy ówczesnego traktatu, przedstawiciel Marynarki Wojennej USA podczas Second London Naval Treaty — Drugi Londyński Traktat Morski, był świadkiem demonstracji Królowej Pszczoły podczas ćwiczeń na żywo. Po powrocie do Stanów Zjednoczonych uruchomił zrewitalizowane amerykańskie badania nad zdalnie sterowanymi samolotami, takimi właśnie jak Queen Bee, które mogłyby być wykorzystywane jako urządzenia treningowe w ten sam sposób.

Wkrótce potem Biuro Aeronautyki Marynarki Wojennej USA zleciło komendantowi porucznikowi Delmarowi Fahrneyowi poprowadzenie projektu opracowania systemu. W ciągu kilku miesięcy dwa Curtiss N2C-2 Adwent i dwa biplany szkoleniowe Stearmana zostały wyposażone w podobny sprzęt do Queen Bee. Wkrótce słowo „dron” zaczęło pojawiać się w dokumentach związanych z amerykańskim projektem. Według relacji, sam Fahrney ukuł termin „dron” odnosząc je do De Havilland Queen Bee.

Można przypuszczać, że nazwa dron — truteń, użyta przez Fahrneya miała wskazywać na historię tego typu bezzałogowego samolotu i jego nazwy, ukazując armię amerykańską i amerykański samolot Kettering Bug — pluskwa, insekt Ketteringa, jako protoplastę obecnie rozwijanych maszyn, wskazując niejako na zapożyczenie nazwy przez Anglików. Można założyć hipotezę, że przekaz mógł mieć taki sens:” ta wasza Królowa Pszczoła nazwana przeze mnie Dron to przecież nasz stary Robal Ketteringa, znany jako Liberty Eagle. Słowo dron w omawianym kontekście, jakkolwiek by na to nie patrzeć i tak nawiązuje do amerykańskiej myśli dot. bezzałogowców. Amerykański oficer zajmujący się tym tematem musiał być świetnie zorientowany w temacie historii ówczesnych bezzałogowców, gdyż to właśnie jego armia stworzyła Insekta Ketteringa. Bug z założenia jest czymś bezużytecznym, szkodliwym z takiego potocznego punktu widzenia. Truteń to przeciwieństwo królowej pszczoły i bezpośrednie do niej nawiązanie i świetna kontynuacja amerykańskiego robala. Więc to tak jakby powiedzieć: Return off the Bug, teraz nazywa się Drone.

1.2. Zarys historii wielowirnikowców

Historia zaczyna się w 1843r., kiedy to Sir George Cayley, powrócił do koncepcji Leonarda da Vinci, polegającej na użyciu trzepoczących skrzydeł jako środka napędowego. W rezultacie w 1843r. powstał model „Aerial Carriage”. Cayley w swojej karierze kilkakrotnie powracał do pionowych koncepcji lotu.

W 1907 r. powstaje słynny „Helikopter Cornu”. Statek Cornu, był eksperymentalnym śmigłowcem zbudowanym we Francji i jest powszechnie uznawany za pierwszy samolot z obrotowym skrzydłem. Samolot wzniósł się w powietrze 13 listopada 1907 roku. Zbudowany przez rowerzystę Paula Cornu, był szkieletem skonstruowanym wokół zakrzywionej stalowej rury z wirnikiem na każdym końcu, a silnik oraz pilot znajdował się w środku statku powietrznego. Moc przenoszona była na wirniki za pomocą pasa napędowego, który łączył oba wirniki i obracał je w przeciwnych kierunkach. Śmigłowiec Cornu odnotował kilka krótkich skoków, wznoszących się na 1,5 lub 2 metry (5—7 stóp) w powietrze, utrzymując się w nim przez mniej niż minutę. Cornu porzucił swój pomysł, uznając go za nieefektywny. Jak można wnioskować z wielu analiz, sama maszyna nie byłaby zdolna do wykonywania lotów, ponieważ jej konstrukcja i zastosowane rozwiązania były nietrafione. Kolejny argument dziś oczywisty, to brak urządzenia zwanego współcześnie kontrolerem lotu (FC), nie mówiąc już o ESC (Electronic Speed Control). Wszystkim musiał sterować jeden człowiek, koordynując jednocześnie pracę poszczególnych „silników”, prędkość, wysokość, kierunek itd. coś, za co współcześnie odpowiadają podzespoły elektroniczne. Jeden człowiek nie jest w stanie z taką prędkością, jak komputer dokonywać tysięcy obliczeń w ciągu jednej sekundy. To tak naprawdę, przez cały czas było powodem, że technologia wielowirnikowców nie mogła ewoluować w takim tempie, jak to się dzieje współcześnie.

W 1907 roku powstał The Gyroplane No. I. To pierwsza próba stworzenia samolotu z obrotowym skrzydłem. Został zaprojektowany przez braci Breguet przy pomocy profesora Charlesa Richet. Samolot miał odkrytą otwartą stalową ramę z siedzeniem dla pilota i elektrownią pośrodku. Z centrum struktury promieniowały cztery stalowe ramiona z rurowymi usztywnieniami.

W dniu 11 listopada 1922 r. lot wykonał „Oehmichen nr 2”, ulepszony śmigłowiec z małymi pionowo zamontowanymi wirnikami, obracającymi się w przeciwnym kierunku niż duże wirniki podnoszące. Było to prawdopodobnie pierwszy helikopter zdolny do przewozu ludzi. Jego twórcą był Étienne Oehmichen, francuski inżynier, projektant śmigłowców. Aby wyeliminować efekt momentu obrotowego, dwa zestawy wirników były napędzane zgodnie z ruchem wskazówek zegara i dwa przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

W 1922 roku powstał śmigłowiec de Bothezat, znany również jako „latająca ośmiornica” –„ Jerome-de Bothezat Flying Octopus”. Był eksperymentalnym quadrotorem zbudowanym na potrzeby armii Stanów Zjednoczonych we wczesnych latach dwudziestych. Cztery masywne wirniki pozwoliły jednostce z powodzeniem latać, co było już dużym postępem w stosunku do „Helikoptera Cornu” z 1907r., który takiej zdolności nie posiadał. Nadal jednak niewykonalne było skuteczne sterowanie tym statkiem. Armia anulowała program w 1924 roku, a samoloty zostały wyzłomowane.

W latach pięćdziesiątych dwudziestego wieku skonstruowano wojskowy wielowirnikowiec „Convertawings Model A Quadrotor”. Ten model stanowił prawdziwy przełom w historii wilowirnikowców. Poprzez zastosowanie odpowiednich rozwiązań konstrukcyjnych, udało się osiągnąć taki efekt, że statek ten dosyć łatwo się sterował. Można go było przechylać na boki, pochylać i obracać wokół własnej osi, dzięki odpowiedniemu zwiększaniu i zmniejszaniu mocy na danym wirniku. Ze względu na ograniczone możliwości redakcyjne, zainteresowanych odsyła się do wielu publikacji w tym zakresie, które szczegółowo opisują zasadę działania tego quadkoptera i jego losy.

Curtiss-Wright VZ-7 był helikopterem zaprojektowanym przez firmę Curtiss-Wright dla armii amerykańskiej. Podobnie jak Chrysler VZ-6 i VZ-8 Airgeep miał to być „latający jeep”. — powstały dwa modele w 1958 roku. Zasada działania podobna była do tej w „Convertawings”, również łatwo się nim sterowało. Ogólnie dobrze spisywał się na testach, jednak i w tym przypadku, armia amerykańska stwierdziła, że nie jest nim zainteresowana. VZ 7 latał do 51km/h, latał nisko, był zdolny do zawisu. I pomimo tego, że współcześnie może to robić wrażenie, że już wtedy skonstruowano coś na wzór dzisiejszych dronów MR, to jednak było to dla armii amerykańskiej zdecydowanie za mało. Wojskowi szukali takich statków powietrznych, które będą zdolne rozwijać dużo większe prędkości i wysokości oraz będą oczywiście niewidoczne dla radarów.

Robiąc małą dygresją, należałoby by wskazać na statek powietrzny skonstruowany w tym samym okresie co VZ- 7, a mianowicie na Avro Canada VZ-9 Avrocar. Patrząc na stawiane wymagania, łatwo zrozumieć motywy rezygnacji amerykanów z „siódemki”. Z założenia „VZ-9” latać miał z prędkością zbliżoną do 500 km/h przy osiągnięciu pułapu 3km. Testy skończyły się na osiągnięciu niecałych 60km/h i osiągnięcia pułapu 1m nad ziemią. Jako ciekawostkę można wspomnieć, że zastosowano w nim 3 silniki turboodrzutowe. Wyglądał jak UFO.

Keyence