Pilotowanie śmigłowców od zawsze uchodziło za jedno z najbardziej wymagających zadań w lotnictwie, wymagając od pilotów wyjątkowej precyzji, koordynacji i zdolności do przetwarzania wielu informacji jednocześnie. Jednak rozwój technologii, w tym systemów fly-by-wire oraz pojawienie się opcjonalnie pilotowanych i w pełni autonomicznych maszyn, radykalnie zmieniają ten obraz, otwierając nowe możliwości zarówno w lotnictwie cywilnym, jak i wojskowym, w tym w tak specyficznych zastosowaniach jak gaszenie pożarów.
Wyzwania i specyfika sterowania śmigłowcami
Śmigłowce są powszechnie uznawane za bardzo trudne w pilotażu. Wymagają od pilota doskonałej orientacji w przestrzeni i wykonywania wielu czynności jednocześnie. W przeciwieństwie do samolotów, siła nośna śmigłowca jest wytwarzana przez wirnik, co oznacza, że po jego awarii maszyna po prostu spada. Jedynym ratunkiem w takiej sytuacji jest wprowadzenie jej w autorotację, która pozwala wyhamować lot w dół przed przyziemieniem, wykorzystując energię przepływającego powietrza.
Jedną z najtrudniejszych czynności jest zawis, czyli utrzymanie śmigłowca nieruchomo w powietrzu. Wymaga to od pilota jednoczesnego kontrolowania kilku czynności naraz i doskonałej orientacji w trójwymiarowej przestrzeni, aby przeciwdziałać przemieszczaniu się statku powietrznego w trzech kierunkach. Wykonywanie zawisu na niewielkiej wysokości jest manewrem wyjątkowo niebezpiecznym, gdyż w razie błędu czy awarii brakuje zapasu wysokości lub szybkości niezbędnego do wprowadzenia maszyny w autorotację. Podobnie, pierwsza faza startu helikopterem jest trudniejsza niż w przypadku samolotu, wymagając dużej precyzji i delikatności, zanim maszyna wzniesie się na bezpieczną wysokość.
Piloci śmigłowców często muszą latać w ciasnych przestrzeniach i z niewielkimi prędkościami, co wymaga wyjątkowej delikatności i precyzji. Do dodatkowych utrudnień należy wysoki koszt zdobycia uprawnień i certyfikatów koniecznych do pilotowania śmigłowców. W USA może on przekroczyć nawet 130 tysięcy dolarów. Piloci niektórych modeli skarżą się także na duże fluktuacje zużycia paliwa, co utrudnia utrzymanie jego zapasu na poziomie zapewniającym bezpieczne lądowanie.
Ewolucja sterowania: od tradycji do fly-by-wire
System fly-by-wire i jego znaczenie
W odpowiedzi na złożoność pilotażu śmigłowców, w branży lotniczej rozwijane są zaawansowane systemy kontroli lotu. Jednym z nich jest system fly-by-wire (FBW), w którym mechaniczne połączenia między sterami a powierzchniami sterowymi są zastąpione elektroniką. Ruchy pilota na stery są przekazywane jako sygnały elektroniczne do komputerów pokładowych, które następnie interpretują te sygnały i kontrolują lotki, stery kierunku i stery wysokości. Dzięki temu pilotowanie samolotów czy śmigłowców staje się łatwiejsze, gdyż system FBW pozwala prawie wyeliminować ryzyko przypadkowego błędu pilota. W Stanach Zjednoczonych szykują się zmiany w przepisach, zgodnie z którymi każdy, nawet najmniejszy helikopter, będzie musiał być wyposażony w układ fly-by-wire.
ARTX-700: ultralekki śmigłowiec z technologią FBW
W oczekiwaniu na nowe przepisy powstał model helikoptera ARTX-700 - ultralekki helikopter sportowy, który ma być dostępny dla każdego miłośnika lotnictwa o nieco zasobniejszym portfelu. Jest to efekt współpracy dwóch amerykańskich firm lotniczych, Advanced Tactics i Rotor X. ATRX-700 to dwumiejscowy helikopter zbudowany z bardzo lekkich materiałów, wyposażony w układ fly-by-wire, co dla branży ultralekkich helikopterów jest prawdziwą rewolucją. Jego całkowita masa wynosi zaledwie 770 kg, a napędza go turbodoładowany silnik o mocy 180 KM. Prędkość przelotowa to 160 km/h, a zasięg wynosi imponujące 480 kilometrów. Producent chwali się, że układ sterowania fly-by-wire znacznie ułatwia pilotowanie i sprawia, że maszyna jest wyjątkowo stabilna podczas lotu, startów i lądowań.
W przypadku jednostek ultralekkich w USA, do ich obsługi nie jest wymagana licencja pilota; wystarczy prawo jazdy i krótkie przeszkolenie, często oferowane przez producentów.
Autonomia w lotnictwie śmigłowcowym: Optionally Piloted Vehicles (OPV)
Koncepcja OPV i jej zastosowanie wojskowe
Coraz większą rolę odgrywają tak zwane opcjonalne statki powietrzne (Optionally Piloted Vehicles - OPV), czyli platformy powietrzne pionowego startu, które mają dwie opcje zastosowania: tradycyjną załogową oraz mniej znaną, bezzałogową. Firma Sikorsky eksperymentuje z opcjonalnie pilotowanymi śmigłowcami UH-60 Black Hawk, wykorzystując je w ćwiczeniach wojskowych.
Ćwiczenia Northern Strike 25-2 i rola OPV Black Hawk
Podczas ćwiczeń Northern Strike 25-2, OPV Black Hawk wykonywał typowe zrzuty spadochronowe, podnosił ciężki ładunek podwieszony na haku pod śmigłowcem oraz symulował misję ewakuacji medycznej. Był to pierwszy przypadek, w którym jeden z żołnierzy (nie pilot) armii USA miał pełną kontrolę nad misjami wykonywanymi z udziałem OPV Black Hawk. Ten podoficer nie był lotnikiem wojskowym, co podkreśla łatwość wyszkolenia osób planowanych w wojsku do obsługi OPV.
W przypadku precyzyjnych zrzutów spadochronowych, OPV został skierowany do przelotu nad torem wyścigowym, a żołnierze na pokładzie byli odpowiedzialni za uwolnienie ładunku. Ten konkretny lot został zaplanowany i wykonany, gdy operator znajdował się na pokładzie łodzi Straży Przybrzeżnej USA. Dodatkowo, OPV Black Hawk wykonał pierwszy w historii autonomiczny lot z zewnętrznym ładunkiem zaczepionym na haku. Śmigłowiec utrzymywał lot w zawisie, podczas gdy żołnierze szybko i sprawnie przymocowali duży zbiornik na wodę o wadze jednej tony, bez potrzeby interwencji pilota. Wykonywano również misje z ładunkami podwieszonymi, takimi jak zasobniki amunicji MLRS. Misje te, często skomplikowane i trudne nawet dla doświadczonego pilota, dzięki OPV mogą być realizowane z łatwością. Operatorzy OPV twierdzą, że maszyna, gdy zostanie wprowadzona za pośrednictwem interfejsu (tabletu) i poproszona o utrzymanie 10-metrowego zawisu, utrzyma go bezbłędnie.
Podczas tych samych ćwiczeń, żołnierz użył OPV Black Hawk do przeprowadzenia symulowanego odzyskiwania personelu (MEDEVAC), w tym transferu pacjenta od ogona do ogona do pilotowanego Black Hawka na nieulepszonym lądowisku. To był pierwszy raz, kiedy nieprzeszkolony specjalnie pod tym kątem żołnierz dowodził autonomicznym odzyskiwaniem MEDEVAC z wnętrza OPV Black Hawk.
Ćwiczenia wysokościowe z wykorzystaniem policyjnego śmigłowca Black Hawk @KWPRZ
System MATRIX i program ALIAS
Sercem OPV jest system sterowania fly-by-wire sprzężony z pakietem oprogramowania do autonomicznego sterowania lotem MATRIX. Rozwój systemu oprogramowania MATRIX to zadanie realizowane od dekady, a DARPA wspierała go już na wczesnym etapie poprzez program ALIAS (Aircrew Labor In-Cockpit Automation System). Obecnie półautonomiczny OPV jest w stanie latać po ustalonych trasach, które można zaplanować przed lotem bojowym lub dopiero później w terenie. Wszystko to odbywa się za pomocą interfejsu ekranu dotykowego na urządzeniu przypominającym tablet. Śmigłowiec OPV ma zdolność automatycznego omijania przeszkód, a trasy mogą być również ręcznie zmieniane przez operatora podczas lotu. Opcjonalny Black Hawk nie wymaga stałego kontaktu z operatorem podczas wykonania misji i może działać na polecenia wielu osób w różnych momentach lotu.
System sterowania pozwala na wykonywanie określonych zadań, takich jak wydanie OPV rozkazu udania się do punktu A i utrzymywania tam lotu w zawisie na wyznaczonej wysokości. Uruchamianie i wyłączanie opcji OPV odbywa się za naciśnięciem jednego przycisku.
Ćwiczenia takie jak Northern Strike dają cenną okazję zebrania opinii użytkowników i wykorzystania ich pod kątem wprowadzania ulepszeń do pakietu oprogramowania MATRIX. Prace nad OPV wpisują się również w szerszą wizję załogowych, pilotażowych i/lub całkowicie bezzałogowych wariantów Black Hawka współpracujących ze sobą.
Rozwój w kierunku pełnej autonomii: U-Hawk
Sikorsky od lat stale rozszerza zakres lotów i możliwości swojego OPV, a prace te są obecnie uwzględniane w planie rozwoju całkowicie bezzałogowego drona pionowego startu - U-Hawk. Całkowicie bezzałogowe U-Hawki mogłyby działać jako drony-matki, dostarczając kolejne BSP atakujące przed siłami naziemnymi, a następnie lądować w strefie lądowania i wysyłać bezzałogowe pojazdy naziemne UGV (Unmanned Ground Vehicles) przed żołnierzami. Sikorsky i Lockheed Martin promują U-Hawk jako sposób na wykorzystanie potencjału starszych modeli UH-60L Black Hawk, które armia amerykańska jest w trakcie wycofywania. Konwersja wariantów L w U-Hawki została przedstawiona jako stosunkowo ekonomiczna opcja.
Wojsko twierdzi, że Black Hawk jest trwałą platformą i będzie on istniał przez kolejne ponad 50 lat. Zdolność do wykorzystania technologii MATRIX i umieszczenia jej na tych platformach ma kluczowe znaczenie dla opracowania nowych możliwości w innym przedziale cenowym. Różnica w cenie między konfiguracjami U-Hawk i OPV jest niejasna, ale Sikorsky zauważył, że OPV ma dodatkowe wymagania systemowe, ponieważ nadal jest przystosowany do lotów załogowych, co wiąże się z większymi kosztami.
Śmigłowce bezzałogowe w służbie: Straż Pożarna i misje specjalne
Autonomiczne gaszenie pożarów: współpraca Rain i Sikorsky
Cywilni klienci OPV Black Hawk, a także U-Hawków, również mogą być brani w przyszłości pod uwagę. Sikorsky zademonstrował już zdolność OPV do przeprowadzenia misji gaszenia pożarów, co obejmowało współpracę z firmą Rain, twórcą technologii gaszenia pożarów z powietrza, w celu opracowania unikalnych dodatków do oprogramowania MATRIX dla tej specyficznej roli. Firmy Rain i Sikorsky, pod koniec 2023 roku, przeprowadziły loty testowe przy użyciu autonomicznego helikoptera, który przenosi i zrzuca wodę do samoistnych pożarów na ich bardzo wczesnym etapie. Demonstracja odbyła się w siedzibie firmy Sikorsky w Stratford w Stanach Zjednoczonych.
Rain opracował algorytm tłumienia pożarów i zdolności autonomii, w której OPV Hawk wykorzystuje czujniki do wykrywania pożaru. Udało się zademonstrować autonomiczne gaszenie pożarów, w tym z wykorzystaniem OPV, który znajduje basen lub miejsce napełnienia wiadra typu Bambi. Po napełnieniu wiadra wodą, system zamontowany w śmigłowcu wystartował i skierował się w stronę ogólnego obszaru, który zespół wyznaczył jako obszar zainteresowania. Czujniki na pokładzie helikoptera następnie zidentyfikowały pożar za pomocą kamery FLIR (Forward-Looking Infrared). Następnie pakiet autonomii firmy Rain ustalił gorący punkt, ścieżkę podejścia i rozproszenie wody, a następnie nakazał OPV przelecieć trasą lotu i zrzucić wodę. To wszystko podkreśla, że Sikorsky i Lockheed Martin kontynuują systematyczne rozwijanie zdolności OPV Black Hawk, co może mieć teraz implikacje również dla rozwoju wersji całkowicie bezzałogowej U-Hawk, zdolnej do przyspieszonej, autonomicznej reakcji powietrznej na pożary.
Wielozadaniowy jednosilnikowy śmigłowiec turbinowy Airbus H125 (AS350 B3e), produkowany od 1975 roku, jest również powszechnie stosowany w misjach lotniczych z podwieszonym ładunkiem, takich jak wysokościowe prace budowlane lub ochrona przeciwpożarowa.
Polski akcent: SW-4 RUAS/OPH - bezzałogowy "Puszczyk"
Na rzeczywisty powrót do zadań specjalnych dla świdnickiego, lekkiego śmigłowca SW-4 "Puszczyk" przyszedł czas wraz z rozwojem jego bezzałogowej wersji. W dęblińskiej Szkole Orląt "Puszczyki" służą do podstawowego i zaawansowanego szkolenia wojskowych pilotów, którzy doceniają ich imponujący zasięg, łatwość w pilotażu, przestronną kabinę i doskonałą widoczność. Śmigłowiec SW-4 w bezzałogowej wersji RUAS (Rotary Unmanned Aircraft System) / OPH (Optionally Piloted Helicopter) może być wykorzystywany do realizacji różnorodnych zadań, w tym najtrudniejszych, niebezpiecznych misji obserwacyjnych, rozpoznawczych oraz transportu ważnych ładunków w warunkach bezpośredniego zagrożenia. Obsługiwany przez pilota może przewozić dowódców, patrolować istotne obszary w ramach nadzoru i działań interwencyjnych. Bezzałogowa maszyna SW-4 RUAS/OPH to obecnie jeden z najambitniejszych programów w dziedzinie śmigłowcowych BSL (Bezzałogowych Statków Latających) w Europie.
Przyszłość pilotażu i autonomii
Potencjalne korzyści i wyzwania
Wysoki poziom autonomii, jaki zespół pracujący nad nowymi zastosowaniami śmigłowców ma dzięki wykorzystaniu technologii MATRIX, sprawia, że do wykonania odpowiedzialnych i trudnych nawet dla zawodowego pilota misji może być wyznaczony „zwykły żołnierz” - operator, a nie pilot śmigłowca. Operator OPV niebędący pilotem podchodzi do maszyny, wykonuje wszystkie kontrole przed lotem, ładuje OPV zgodnie z zadaniem, a śmigłowiec podnosi się, unosi w powietrzu lub wykonuje swoje wewnętrzne operacje załadunku, a następnie startuje i odlatuje na trasę, po drodze umiejętnie unikając przeszkód.
Możliwość wykonywania misji lub tylko wstępnego ustawiania śmigłowców bez potrzeby korzystania z wyszkolonego pilota byłaby dobrodziejstwem w wielu scenariuszach, a jednocześnie pomogłaby zmniejszyć fizyczne i psychiczne obciążenie załóg śmigłowców, szczególnie podczas operacji przeprowadzanych w dużym tempie. Brak konieczności zatrudniania ludzi na pokładzie w przypadku niektórych misji pomógłby również zmniejszyć ryzyko, co mogłoby otworzyć nowe możliwości operacyjne w bardziej spornych środowiskach.
Możliwości OPV, a także bazowego oprogramowania MATRIX, rozszerzają się i ewoluują z ciągłym dążeniem do skalowalności, aby sprostać indywidualnym wymaganiom użytkowników.
tags: #helikopter #strazak #sam #na #pilota