Autonomiczne samoloty

Mało kto zdaje sobie sprawę, że już teraz wsiadając na pokład samolotu, w dużej mierze oddajemy swoje życie w ręce komputera pokładowego. Nowoczesne maszyny, w tym najpopularniejsze modele, takie jak Boeing 737 czy Airbus A320, są wyposażone w zintegrowany system zarządzania lotem (Flight Management System, FMS), który potrafi sterować samolotem bez udziału pilota. Podczas typowego lotu autopilot, będący częścią FMS, jest uruchamiany od razu po starcie – na wysokości ok. 300–400 m. Zazwyczaj działa przez cały czas, gdy samolot znajduje się w powietrzu. Kontroluje fazy wznoszenia i zniżania oraz pracę samolotu na wysokości przelotowej. Nowoczesne wersje autopilota wbudowanego w oprogramowanie FMS potrafią także wylądować bez ingerencji ze strony pilota, jeśli lotnisko jest wyposażone w odpowiednią infrastrukturę

Autopilot prowadzi samolot na podstawie planu lotu, który jest wgrywany do pamięci systemu podczas przygotowywania maszyny do startu. Plan zawiera zestaw punktów nawigacyjnych – podobnie jak w przypadku nawigacji samochodowej, oczywiście z tą różnicą, że punkty są zdefiniowane w trzech wymiarach. Trasa zależy od przebiegu korytarzy powietrznych, a także innych parametrów, np. siły i kierunku wiatru. Po wgraniu trasy lotu komputer dokonuje jej optymalizacji, tak aby maksymalnie wykorzystać możliwości samolotu.

Po starcie, który wciąż odbywa się wyłącznie w trybie manualnym, kontrolę nad maszyną przejmuje komputer. Niektóre linie lotnicze wręcz zakazują pilotom posługiwania się wolantem poza fazą startu i lądowania, gdyż oprogramowanie FMS bardziej ekonomicznie gospodaruje paliwem. Od momentu uruchomienia autopilota sterowanie samolotem nie odbywa się z użyciem wolantu i pedałów, ale poprzez interfejs elektroniczny. Jeśli niezbędna jest korekta kursu, pilot wprowadza ją do komputera, a następnie autopilot wykonuje manewry. Poza tym dobiera również kluczowy parametr lotu, czyli ciąg silników (służy do tego tzw. autothrust). Kapitan ogranicza się jedynie do ustawiania pożądanej prędkości i pułapu.

Wprowadzenie nowoczesnych systemów FMS wyposażonych w zaawansowane modele autopilota w dużej mierze zautomatyzowało lotnictwo cywilne. Dzięki temu samolotami pasażerskimi kieruje tylko dwóch pilotów – role nawigatora oraz inżyniera pokładowego, którego zadaniem dawniej było monitorowanie pracy silników i innych systemów pokładowych, przejęło oprogramowanie.

Mimo zaawansowania współczesnych autopilotów udział człowieka jest wciąż niezbędny. Kapitanowie muszą być gotowi przejąć stery w kluczowych momentach, ponieważ komputery wciąż nie potrafią wykazać się ludzką inwencją w nieoczekiwanej sytuacji. Na przykład takiej jak awaria, która miała miejsce 15 stycznia 2009 roku nad Nowym Jorkiem. Airbus A320 w pod zderzeniu ze stadem dzikich gęsi nagle stracił ciąg w obydwu silnikach. Pilotujący maszynę kapitan Chesley Sullenberger podjął błyskawiczną decyzję o wodowaniu maszyny w rzece Hudson, czym ocalił życie ponad 150 pasażerów. Z kolei nadmierne poleganie na autopilocie było przyczyną katastrofy samolotu Airbus A330 w czerwcu 2009 roku. Gdy autopilot wyłączył się w wyniku awarii prędkościomierza w czasie przelotu przez chmurę burzową nad południowym Atlantykiem, piloci stracili orientację i nie potrafili właściwie przejąć kontroli nad samolotem. Doprowadziło to do katastrofy, w której zginęło 228 osób.

Według współczesnych prognoz ok. 2025 roku kolejna generacja autopilota pozwoli na autonomiczne działanie samolotu na całej trasie. Technologie są już opracowywane. Jedną z nich jest ILS CAT IIIc, czyli naziemny system wspierający lądowanie, który pozwoli na przyziemienie bez widoczności, a także będzie potrafił prowadzić samolot po płycie lotniska do miejsca postoju. Obecnie używany ILS CAT IIIb wymaga widoczności poziomej na dystansie 46 metrów, aby pilot widział światła na pasie startowym i mógł bezpiecznie kołować. Większym wyzwaniem jest automatyzacja startu, gdyż w tej fazie lotu niezbędna jest wnikliwa obserwacja pasa startowego i reagowanie na nieprzewidziane sytuacje, np. nagłe podmuchy wiatru. Jednak i to się może zmienić, szczególnie że samochody autonomiczne i drony są już wyposażane w systemy optyczne i laserowe takie jak LIDAR (patrz ramka „Jak latający robot widzi świat”), które umożliwiają tworzenie cyfrowego obrazu otoczenia zrozumiałego dla komputera.

Mimo to samoloty pasażerskie nie zostaną w przewidywalnej przyszłości całkowicie pozbawione ludzkiej załogi. Na przeszkodzie we wprowadzeniu w pełni autonomicznych samolotów pasażerskich stoją preferencje pasażerów. Według raportu szwajcarskiego banku UBS tylko 17 proc. badanych zgodziłoby się kupić bilet na bezpilotowy samolot, nawet przy założeniu niższej o 10 proc. ceny.

Dlatego mimo zaawansowanej technologii samoloty pasażerskie będą miały pilota. Bardziej prawdopodobne jest natomiast ograniczenie liczebności sterujących samolotem do jednej osoby, szczególnie na krótszych trasach. Elektroniczni piloci mogą być potrzebni też ze względu na niedobory wykwalifikowanych członków załóg. W raporcie UBS czytamy, że w związku z gwałtownym rozwojem lotnictwa cywilnego do 2035 roku może zabraknąć aż 600 tys. wyszkolonych pilotów. Dlatego traktowanie zaawansowanego autopilota, tak jak dzisiejszego zastępcy kapitana maszyny, może okazać się koniecznością. Człowiek może szybciej zniknąć z samolotów cargo, które wykonują blisko 10 proc. wszystkich lotów.

Obiekcje pasażerów na pewno nie będą hamowały rozwoju autonomicznych samolotów przeznaczonych dla lotnictwa wojskowego. Projektowany obecnie B-21 Raider, bombowiec strategiczny Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych, który ma wejść do służby w połowie kolejnej dekady, ma uczestniczyć w misjach zarówno z pilotem na pokładzie, jak i w trybie autonomicznym. W przypadku tego statku powietrznego, zdolnego do wykonywania uderzeń nuklearnych, będzie się to wiązało zapewne z nadzorem operatora naziemnego, choć wiele innych maszyn projektowanych dla wojska ma działać w pełni autonomicznie.

Przykładem takiego projektu jest MQ-25 Stingray, duży autonomiczny dron przystosowany do startów z lotniskowców, którego głównym zadaniem będzie tankowanie załogowych myśliwców F-18 Hornet. Amerykańska marynarka opracowuje też autonomiczną maszynę bojową przeznaczoną do wsparcia myśliwców taktycznych F-18 i F-35. Informacje o celach samolot otrzyma od pilota koordynującego akcję lub operatora powietrznego centrum dowodzenia. Jednostka posłuży też jako platforma rozpoznawcza, np. wykrywając wrogie myśliwce oraz stanowiska obrony przeciwlotniczej. Efektywność robotycznego skrzydłowego (tak wojskowi nazywają tego drona) została udowodniona w czasie testów niewykrywalnego dla radarów prototypu Northrop Grumman X-47 B. Maszyna przeprowadziła bezpiecznie najtrudniejsze manewry, w tym start z katapulty, automatyczne lądowanie na płynącym lotniskowcu, a także poruszanie się po zatłoczonym pokładzie startowym.

Systemy autonomicznego lotu dla maszyn wojskowych są intensywnie rozwijane także przez europejskie firmy zbrojeniowe, np. BAE Systems. Ten brytyjski koncern zmodyfikował mały samolot pasażerski Jetstream 31, który przekształcono w platformę testową systemu obserwacji otoczenia samolotu przeznaczonego dla bezzałogowych dronów wojskowych. Maszyna oprócz standardowych czujników ma kamerę, której obraz jest przetwarzany przez autopilota. Pozwala to na unikanie przeszkód w postaci chmur burzowych, a także statków powietrznych z wyłączonymi transponderami.

Choć na pokładzie przebywają technicy i piloci, w czasie lotów testowych maszyną steruje się z ziemi. Rola operatora ogranicza się do wyznaczenia trasy przelotu w komputerze i oznaczenia ewentualnych celów. Informacje są przesyłane łączem satelitarnym do komputera w samolocie – o tym, jak prowadzić samolot, decyduje już autopilot. W przyszłości samolot będzie wyposażony w system pozwalający wybrać bezpieczne miejsce do lądowania i posadzić samolot na płycie lotniska bez udziału pilota. Powstający w Warton system sterowania zostanie wykorzystany we francusko-brytyjskim programie Future Combat Air System. W jego ramach powstaje bezzałogowy samolot bojowy, który ma wykonywać misje u boku nowoczesnych europejskich myśliwców Eurofighter oraz Dassault Rafale.

Równie intensywnie jak systemy dla dużych samolotów rozwijane są miniaturowe autonomiczne drony. Startup Near Earth Autonomy tworzy kwadrokoptery wyposażone w inteligentny system, który pozwala na realizowanie rozmaitych zadań bez udziału człowieka, a nawet bez wsparcia nawigacyjnego ze strony systemu GPS. Dzięki nawigacji wykorzystującej technologię LIDAR (patrz ramka) drony mogą także poruszać się w zamkniętych przestrzeniach. W związku z tym można ich użyć do skomplikowanych zadań, takich jak automatyczny nadzór kopalni, ochrona budynków czy ocena szkód po katastrofach. Podobnie jak w przypadku autopilota samolotu pasażerskiego drony wyposażone w system Near Earth Autonomy potrafią poruszać się po wyznaczonej ścieżce, co pozwala wykorzystać je do tworzenia map, przeprowadzania inspekcji instalacji naziemnych, np. rurociągów, czy w rolnictwie. W przyszłości drony będą mogły samodzielnie zaopatrywać odległe placówki, a nawet pełnić rolę dźwigów na budowach. W tym ostatnim zastosowaniu przydadzą się testowane koncepcje rojów dronów, mogących łączyć siły w celu przemieszczenia ciężkiego obiektu – tak samo jak robią to niektóre gatunki mrówek.

O tym, że technologia NEA jest obiecująca, najlepiej świadczy fakt, że w rozwój firmy w jesienią 2017 roku zainwestował lotniczy gigant Boeing. Niewykluczone więc, że rozwiązania autonomicznego sterowania przeznaczone dla małych dronów znajdą się w przyszłości w oprogramowaniu autopilota popularnych samolotów pasażerskich Boeing 737 czy 787 Dreamliner.

DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), amerykańska agencja wojskowa odpowiadająca za pozyskiwanie innowacyjnych technologii dla wojska (stworzyła m.in. ARPANET, prekursora internetu), współfinansuje projekt robota ALIAS, który może pełnić funkcję drugiego pilota w dowolnym statku powietrznym. System jest nieinwazyjny, nie wymaga więc modyfikacji urządzeń zainstalowanych przy fotelu drugiego pilota, co pozwala zamiennie korzystać z pomocy człowieka i maszyny. Robot jest wyposażony w system rozpoznawania wizualnego, który potrafi identyfikować urządzenia w kokpicie. System syntezy i rozpoznawania mowy pozwala komunikować się z robotem za pomocą języka naturalnego. Maszyna potrafi też uczyć się, dzięki czemu przystosowanie jej do obsługi nowego samolotu trwa 30 dni. System został już przetestowany w samolotach Cessna Caravan, Boeing 737 oraz w wojskowym helikopterze Bell UH-1.

Autonomiczne drony są wyposażone w wiele sensorów, pozwalających na samodzielne odnalezienie się w złożonym otoczeniu. Najważniejszy jest czujnik laserowy LIDAR (Light Detection and Ranging), który skanując przestrzeń kilkaset razy na sekundę, na bieżąco tworzy mapę 3D otoczenia drona. Dzięki temu oprogramowanie może sterować statkiem powietrznym tak, aby omijał przeszkody. Na youtube’owym kanale firmy Near Earth Autonomy dron potrafił sam wybrać lądowisko w sytuacji, gdy wcześniej wyznaczone miejsce zostało zajęte. Jeśli dron operuje w otwartej przestrzeni, dane z własnego czujnika mogą być uzupełniane pomiarami GPS. Dodatkowo maszyny mają głowicę do obserwacji w podczerwieni FLIR oraz kamerą pracującą w świetle widzialnym.

System zarządzania lotem FMS, którego integralną częścią jest autopilot, monitoruje otoczenie samolotu, korzystając z zestawu czujników, które pozwalają komputerowi określić położenie samolotu w przestrzeni, a także prędkość względem Ziemi.

Najważniejszym sensorem jest bezwładnościowy system nawigacji. To urządzenie złożone z żyroskopów, akcelerometrów i magnetometrów pozwala precyzyjnie określić położenie samolotu względem miejsca startu. W typowej maszynie pasażerskiej są trzy takie urządzenia. To z nich dane są odczytywane i agregowane przez komputer.

Pozwala to określić precyzyjnie lokalizację samolotu bez zewnętrznych pomocy nawigacyjnych. Te dane są uszczegóławiane odczytami GPS, a także danymi z innych elementów infrastruktury nawigacyjnej, na przykład radiolatarni VOR czy kierunkowych nadajników VHF, które są wykorzystywane w systemach ILS (Instrument Landing System). Wszystkie informacje są integrowane i filtrowane przez system FMS, dzięki czemu autopilot ma bardzo precyzyjne dane o położeniu maszyny. Informacje są uzupełniane danymi z innych czujników takich jak prędkościomierze czy wysokościomierze. Na podstawie informacji z czujników autopilot kontroluje powierzchnie sterowe samolotu (stery wysokości, stery kierunki i lotki) i utrzymuje zdefiniowany kurs samolotu. Komputer może sterować samolotem dzięki temu, że we współczesnych maszynach cały proces odbywa się za pomocą sygnałów elektronicznych (fly-by-wire). W samolotach Airbus 320 za jego działanie odpowiadają dwa niezależne obwody kontrolowane aż przez siedem komputerów. W podobny sposób system FMS steruje pracą silników (służy do tego tzw. autothrust).

Działanie autopilota jest nadzorowane przez załogę, która obserwuje jego pracę na wielofunkcyjnych ekranach LCD, prezentujących wszystkie dane na temat samolotu. Zarówno komputery FMS, jak i podsystemy autopilota są zdublowane na wypadek awarii.

Amerykańskie siły zbrojne testują drony Perdix o masie zaledwie 290 gramów i są na tyle małe, że można je wypuszczać z wyrzutni flar albo zasobników podwieszanych pod kadłubem. Roboty te działają jako inteligentny rój. Kilkadziesiąt miniaturowych dronów potrafi negocjować odległości między sobą i ustawiać się w szyku, np. w linii lub kręgu, bez powodowania kolizji. Urządzenia o rozpiętości skrzydeł 30 cm poruszają się z prędkością 110 km/h i są przeznaczone do celów rozpoznawczych, ale armia nie wyklucza w przyszłości innych zastosowań. Można wyobrazić sobie, że podobne drony uzbrojone w ładunek wybuchowy o mocy granatu wyszukują uzbrojonych wrogich żołnierzy i wysadzają się w ich pobliżu. Obecnie takie zastosowanie autonomicznych dronów byłoby politycznie trudne do zaakceptowania, ale wybuch większego konfliktu mógłby szybko zniwelować ograniczenia związane z etycznymi aspektami użycia tego typu broni.