Miesięcznik informatyków i menedżerów IT sektora publicznego

Michał Zawadzak

Wady i zalety poszczególnych kategorii dronów

Specyficzne zastosowania bezzałogowych statków powietrznych wymagają urządzeń o odpowiedniej konstrukcji i wyposażeniu. Przedstawiamy typy dronów oraz omawiamy, które ich rodzaje stosować m.in. w transporcie, rolnictwie czy ochronie środowiska.

Wingtra – płatowiec pionowego startu. Fot. Wingtra

Najpopularniejszą kategorią bezzałogowych statków powietrznych (dalej: BSP) są wielowirnikowce (MR). Ta klasa urządzeń obejmuje statki powietrzne unoszące się w powietrzu dzięki sile nośnej wytwarzanej przez kilka (przeważnie cztery i więcej) wirników. Najczęściej stosowanym materiałem do ich wykonania są włókna węglowe oraz kompozyty. Wielowirnikowce to najpopularniejsza kategoria BSP wykorzystywana w lotnictwie cywilnym. Wpływ na to ma przede wszystkim możliwość pionowego startu i lądowania niemal w każdych warunkach, bez konieczności zapewnienia specjalnego lądowiska. W zależności od wielkości konstrukcji wielowirnikowca do startu wystarczy niewielka powierzchnia utwardzonego podłoża, mniejsze konstrukcje mogą startować również z ręki. Drugą zaletą decydującą o popularności tej klasy BSP jest łatwość w pilotażu oraz przewidywalność lotu. Dzięki możliwości zawisu w miejscu oraz obrotu w zawisie względem osi pionowej MR może swobodnie zmieniać kierunek oraz w dowolnym momencie zatrzymać się w locie. Standardowo jest wyposażony w układ akcelerometrów i żyroskopów (IMU) do podstawowej stabilizacji lotu, a dodatkowo też w barometr, GPS oraz czujniki, np. wizyjne sensory i sonary.

Multirotory mogą być wyposażone w osłony śmigieł lub pełną klatkę osłaniającą całego drona. Dzięki temu (i np. dodatkowym kamerom, lidarom, sonarom) mogą wykonywać loty również w pomieszczeniach lub w jaskiniach, korytarzach kopalni itp. Do wad bezzałogowców klasy MR należą przede wszystkim krótkie (w stosunku do innych konstrukcji) czasy lotów przy zastosowaniu popularnych ogniw li-pol napędzających konstrukcje elektryczne. Istnieją na rynku pionierskie konstrukcje MR napędzane np. wodorem o znacznie dłuższych czasach lotu, ale nie zostały one jeszcze w pełni skomercjalizowane (podobnie jak wielowirnikowce elektryczne ładowane indukcyjnie w locie). Ich drugą znaczącą wadą jest brak możliwości kontynuowania lotu po wystąpieniu awarii napędu w przypadku najpopularniejszych quadrocopterów (czterowirnikowców). Dla bezpieczeństwa ludzi i mienia na ziemi zaleca się stosowanie co najmniej sześciu wirników, które w przypadku awarii jednego, a nawet dwóch (niesąsiadujących ze sobą) napędów potrafią utrzymać się w powietrzu (wciąż jest to zależne od tego, czy producent wdrożył odpowiednie algorytmy sterowania na wypadek takich sytuacji). Dodatkowo dostępne są systemy spadochronowe dla tej klasy BSP, które spowalniają upadek maszyny. Z racji dodatkowej wagi tych systemów, wpływu na skracanie czasu lotu oraz dodatkowych kosztów nie są one jednak powszechnie stosowane.

Samolot to też dron

Drugą pod względem popularności kategorią BSP w zastosowaniu cywilnym są samoloty (A). Obejmuje ona płatowce, wytwarzające siłę nośną głównie na powierzchni skrzydeł oraz kadłuba. Jako napęd wykorzystywane są tu silniki elektryczne lub spalinowe, pojedyncze lub zwielokrotnione w zależności od konstrukcji. Zaletą samolotów bezzałogowych jest przede wszystkim długi czas lotu. Dodatkowo ważnymi ich cechami są osiąganie dużych prędkości lotu w poziomie oraz możliwość swobodnego lotu ślizgowego w sytuacji awarii napędu – samolot w sposób kontrolowany jest w stanie szybować do ziemi.

Cywilne BSP tej klasy są wykonywane z lekkich kompozytów, często – przy małych i lekkich konstrukcjach – stosuje się pianki typu EPP (spieniony polipropylen) wzmacniane elementami z włókien węglowych, dzięki czemu zachowują lekką masę i elastyczność przy zmniejszonych kosztach produkcji. Cechami, które powodują, że nie są one tak popularne jak wielowirnikowce, są trudniejsze operowanie w locie bez możliwości zatrzymania w zawisie i brak możliwości pionowych startów i lądowań w dowolnym terenie (szczególnie w obszarach zabudowanych). W zależności od wielkości płatowca do startów wykorzystywany jest utwardzony pas startowy, przenośne wyrzutnie lub praktykowany jest wyrzut z ręki. Do lądowania używane są spadochrony – hamujące lub standardowe do swobodnego opadania. Samoloty mogą lądować na utwardzonym pasie lub w terenie przygodnym na spodzie – bez podwozia. Statki te są bardziej wrażliwe na silny wiatr, prądy termiczne, turbulencje – tym samym lot w trybie automatycznym wymaga większego planowania w oparciu o wiele czynników znanych z dużego lotnictwa załogowego.

Obecnie można zaobserwować trend do łączenia najlepszych cech obydwu wyżej opisanych rodzajów BSP poprzez tworzenie samolotów klasy VTOL (Vertical Take Off and Landing), które w locie poziomym zachowują swoje cechy właściwe płatowcom, a zarazem pozwalają na start i lądowanie w pionie w dowolnym terenie – zarówno otwartym, jak i silnie zabudowanym.

Pozostałe typy dronów

Śmigłowce (H) to bezzałogowce pionowego startu i lądowania, w których siła nośna wytwarzana jest przez główny wirnik, napędzany elektrycznie lub spalinowo. Jako klasa cywilnych BSP są mało popularne z kilku względów, m.in. są trudniejsze w sterowaniu niż wielowirnikowce. Do wytworzenia odpowiedniej siły ciągu do koniecznego udźwigu konstrukcji i akcesoriów potrzebują wirnika o znacznej średnicy – rzędu kilkuset cm, a to stwarza większe zagrożenie przy starcie i lądowaniu, wymaga zarazem więcej miejsca. Zaletami śmigłowców są natomiast większa skuteczność takiego napędu przekładająca się na duży udźwig i dłuższe czasy lotów uzyskane przy masie podobnej do masy wielowirnikowców. Minusem natomiast jest brak redundancji napędu. Teoretycznie jest możliwość lotu w trybie autorotacji w przypadku awarii silnika, jednak w praktyce jest to trudne do osiągnięcia i nie minimalizuje znacząco ryzyka powstania strat na ziemi. Zastosowanie systemu spadochronowego jest możliwe, ale rzadko spotykane. Najczęściej bezzałogowe śmigłowce są używane do celów cywilnych w rolnictwie precyzyjnym przy nalotach na niskich wysokościach i nad terenami pól uprawnych – z dala od terenów zurbanizowanych.

Z kolei aerostaty (AS) to jedyna klasa BSP, która do lotu wykorzystuje siłę wyporu gazów lżejszych niż powietrze. Zaliczamy do nich balony oraz sterowce. Z racji swojej dużej bezwładności, niewielkich prędkości lotu, podatności na różne czynniki pogodowe oraz kosztów eksploatacji – można uznać je za najrzadziej użytkowane BSP w lotnictwie cywilnym. Zaletą jest możliwość pozostawania w locie na uwięzi w jednym miejscu przez długi czas, co można wykorzystać do stałego monitoringu. Niemniej brak możliwości precyzyjnego sterowania w locie poziomym ogranicza znacząco użyteczność tych statków powietrznych.

Drony w geodezji

Geodezja to dziedzina nauki, w której często i chętnie sięga się po bezzałogowce do pozyskania zdjęć z powietrza. Jest to zarazem na tyle szeroka dziedzina, że nie ma możliwości wskazania jednej klasy bezzałogowca, który sprawdzi się jednakowo dobrze w każdym zadaniu, a te mogą być różne: od stworzenia ortofotomap, poprzez tworzenie modeli 3D obiektów, po inwentaryzację, prace ewidencyjno-katastralne i więcej. Ponadto znaczenie ma powierzchnia obszaru, który ma zostać utrwalony przy użyciu sensorów zamontowanych na dronie.

Do niewielkich obszarów, nad którymi nalot trwa do kilkunastu minut, częściej stosowane są wielowirnikowce, a do nalotów na większe obszary – z racji swoich długich czasów lotu na jednym akumulatorze oraz większych prędkości – używane są zwykle płatowce. Znaczenie ma również stopień zurbanizowania terenu. W terenie zabudowanym lepszym rozwiązaniem będzie wielowirnikowiec pozwalający bezpiecznie wystartować i wylądować pionowo na mocno ograniczonej powierzchni. Samoloty wymagają miejsca do przyziemienia oraz szczegółowego zaplanowania ścieżki podejścia do lądowania.

[...]

Autor jest współpracownikiem Urzędu Lotnictwa Cywilnego, redaktorem portalu swiatdronow.pl, ekspertem rynku systemów bezzałogowych oraz instruktorem nauki pilotażu bezzałogowych statków powietrznych.

Pełna treść artykułu jest dostępna w papierowym wydaniu pisma. Zapraszamy do składania zamówień na prenumeratę i numery archiwalne.
 
 

Polecamy

Biblioteka Informacja Publiczna

Specjalistyczne publikacje książkowe dla pracowników administracji publicznej

więcej