Nr wniosku: 175140, nr raportu: 19785. Kierownik (z rap.): dr hab

Nr wniosku: 175140, nr raportu: 19785. Kierownik (z rap.): dr hab. inż. Przemysław Norbert Herman
Sterowce wydają się archaicznym środkiem transportu, a w ich historii występuje kilka ciemnych kart. Niestety często,
pierwszym skojarzeniem jest sterowiec LZ-129 Hindenburg, a dokładniej jego tragicznie zakończony 17-ty
transatlantycki lot 6 maja 1937 roku z Frankfurtu w Niemczech do Lakehurst w stanie New Jersey w Stanach
Zjednoczonych Ameryki Północnej. Warto jednak wspomnieć, że tragedię tę przeżyły 62 osoby ze wszystkich 97
znajdujących się wtedy na pokładzie. Dodatkowo, należy pamiętać, że gazem nośnym Hindenburga był wodór, który po
połączeniu z tlenem jest, łagodnie mówiąc, dość niebezpieczną mieszanką.
Wykonawcy projektu "Nowe algorytmy sterowania robotów latających", dostrzegli jednak pewne istotne zalety tego
środka transportu. Po pierwsze, w kwestii absolutnie kluczowej, czyli bezpieczeństwa, zamiast wodoru możliwe jest
wykorzystanie helu, który jest gazem niepalnym i bezpiecznym dla człowieka. Jest on między innymi wykorzystywany w
mieszankach oddechowych do nurkowań głębokich. Jego wyporność jest zbliżona do wodoru i wynosi w przybliżeniu 1
kilogram na metr sześcienny objętości. Wspomniany Hindenburg był zresztą projektowany z myślą o wykorzystaniu
właśnie helu, jednak z powodów politycznych, Niemcy nie miały w owym czasie dostępu do technologii pozyskiwania
wystarczających ilości tego gazu.
Kolejnym krzywdzącym mitem na temat sterowców jest ich rzekoma powolność. Maksymalna prędkość przelotowa
maszyn z poczatku XX wieku wynosiła nawet ponad 130 km/h. Może to nie robić wrażenia, gdy porównamy sterowce do
samolotów, jednak gdy spojrzymy na nie jako na alternatywę dla transportu naziemnego, lub wodnego. Wygląda to już
zdecydowanie korzystniej. Jednak czy przyjęcie takiej perspektywy jest uprawnione? Według wykonawców projektu,
zdecydowanie tak.
Wniosek taki wypływa z analizy energetycznej. W dużym uproszczeniu, jeden litr oleju napędowego zawiera w
sobie porcję energii, która przy zachowaniu nieosiągalnego w praktyce współczynnika 100% zamiany energii chemicznej
na mechaniczną pozwalałaby na utrzymanie ładunku 10 ton (przybliżona ładowność samochodu ciężarowego) w
powietrzu przez około 40 sekund. Taki sam ładunek, sterowiec o długości około 70 metrów jest w stanie unosić w
powietrzu nawet przez kilka dni, nie zużywając na to dodatkowej energii. Efekt ten jest osiągnięty dzięki wykorzystaniu
siły wyporności, tej samej która utrzymuje statki na powierzchni wody. Dla porównania wspomniany już Hindenburg
miał 245 metrów długości, natomiast przybliżone spalanie helikoptera Eurocopter EC135 ważącego wraz z pasażerami
około 2 ton, to 220 litrów na godzinę (jest ono bardzo podobne niezależnie od prędkości jaką osiąga helikopter).
Odnosząc to do naszego przykładu, przy sprawności tego akurat helikoptera na jednym litrze paliwa, 10 ton w powietrzu
można by utrzymać przez około 4 sekundy.
Powyższy tok rozumowania przedstawia uzasadnienie podejścia porównującego sterowce ze środkami transportu
naziemnego, lub wodnego. W tym zestawieniu, wartość prędkości przelotowej na poziomie 130 km/h stawia sterowce na
pierwszym miejscu. Dodatkowo należy pamiętać, że nie potrzebują one specjalnej infrastruktury (np. dróg),
ani specjalnych uwarunkowań terenowych (zbiorniki wodne w przypadku transportu wodnego). Zamierzoną trasę mogą
pokonywać właściwie po najkrótszej możliwej ścieżce, natomiast dzięki możliwości pionowego startu, nie potrzebują
również pasów startowych, co znacząco obniża koszty powstania i utrzymania infrastruktury.
Oczywiście sterowce również musza zużywać energię, aby się przemieszczać. W dodatku, dużym utrudnieniem są
zmienne warunki atmosferyczne. Jednak już w 1957 roku sterowiec należący do służb patrolowych północno
wschodniego wybrzeżą New Jersey (USA) dowiódł, swojej odporności na śnieg, zamarzający deszcz, mróz i inne
trudności. Monitorował on wybrzeże przez 10 dni, wyjątkowo trudnych warunków atmosferycznych, które
uniemożliwiały wykorzystanie innych pojazdów patrolowych.
Wiatr jednakże, wciąż pozostaje podstawowym utrudnieniem i pokonanie zakłóceń oraz oporów jakie generuje, jest
według wykonawców projektu podstawowym problemem stojącym na przeszkodzie spopularyzowania tego środka
transportu. Pozytywnym symptomem jest dynamiczny rozwój technologii elektrycznych silników lotniczych oraz baterii
słonecznych. Połączenie to, w przypadku sterowców, które mogą się unosić ponad linią chmur i dysponują dużą
powierzchnią, na której można umieścić baterie słoneczne wydaje się rozwiązaniem bardzo obiecującym. Co potwierdzają
chociażby udane loty wykonane przez zasilany bateriami słonecznymi samolot Solar Impulse.
Dodatkowo, wiatr może być również sprzymierzeńcem. Od wielu lat różne kierunki wiatru na różnych wysokościach, z
powodzeniem wykorzystują piloci balonów na gorące powietrze.
W związku z tym, autorzy projektu, postanowili odpowiedzieć na pytanie, czy możliwe jest opracowanie takiego
algorytmu sterowania, który umożliwiłby samodzielny przelot sterowca zadaną trasą, niezależnie od występujących
trudności atmosferycznych, co ważne, bez ingerencji człowieka. I to właśnie element autonomii daje nadzieję, na realny
powrót do tego niesłusznie zapomnianego środka transportu. W ostatnich latach ogromne środki zarówno ludzkie, jak i
finansowe kierowane są w stronę autonomizacji transportu, zarówno ludzi (autonomiczne samochody), jak i towarów
(autonomiczne samochody ciężarowe). Zadanie to jest wyjątkowo trudne, z racji przymusu interakcji pojazdów
drogowych z ludzmi. Co w dużym uproszczeniu sprowadza się do próby przewidzenia wszystkich możliwych ludzkich
Nr wniosku: 175140, nr raportu: 19785. Kierownik (z rap.): dr hab. inż. Przemysław Norbert Herman
zachowań, a przynajmniej tych dotyczących poruszania się po drogach publicznych. W powietrzu ten problem
praktycznie nie występuje.
Jednym z najwazniejszych wyników zrealizowanego projektu, jest zakończona sukcesem budowa sterowca dzięki
któremu udało się eksperymentalnie, na prawdziwym obiekcie, zweryfikować opracowane specjalnie dla opisanego
zadania algorytmy sterowania. Dotychczas, sterowiec wykonał ponad 250 samodzielnych lotów, w trakcie których był
poddawany różnego rodzaju zakłóceniom. Dzięki temu w znaczący sposób poprawiono algorytmy opracowywane
teoretycznie i testowane symulacyjnie. Materiały pokazujące przebieg eksperymentów są sukcesywnie dodawane na
stronie internetowej http://autonomous.airshi.ps/ .
Można powiedzieć, że przeprowadzone prace dają twierdzącą odpowiedź na zadane przez autorów projektu pytanie. Tak,
możliwe jest opracowanie algorytmu sterowania, pozwalającego na przebycie przez sterowiec zadanej mu trasy, bez
ingerencji człowieka, również w obecności dużych, nieprzewidywalnych zakłóceń.