Znani leteči predmeti
Dandanes bi verjetno težko našli koga, ki v zraku še ni videl brenčeče naprave s štirimi propelerji. Letalniki, brezpilotni zrakoplovi, troti (droni), multikopterji in kar je še teh izrazov, so nenadoma osvojili vse. Uporablja jih staro, mlado, zagonska podjetja in multinacionalke. Povzročili so korenito modernizacijo zakonodaje po vsem svetu, v prihodnosti pa si obetamo tudi korenito spremembo vsakdanjega življenja.
Takšna in drugačna brezpilotna plovila oziroma letalniki se morda zdijo novejši izum, a se moramo zanje v resnici, kot za številne druge velike preboje, zahvaliti vojski. Težko bi določili en sam trenutek v zgodovini, ki bi ga označili kot rojstvo brezpilotnih zrakoplovov. Avstrijci so že sredi 19. stoletja spuščali nad Benetke z eksplozivom napolnjene balone, a to niso bili letalniki v današnjem smislu besede. V prvi svetovni vojni in po njej so brezpilotna letala uporabljali kot zračne torpede. Med drugo svetovno vojno so se uporabljala že sorazmerno pogosto, v glavnem za enkratne napade. Po vojni se je razvoj preusmeril k letalnikom za večkratno rabo, ki bi jih lahko uporabljali namesto vohunskih letal. V vietnamski vojni so opravili na tisoče izvidniških misij, bili mnogokrat sestreljeni in tako prihranili življenja pilotov, za katere bi se sestrelitve gotovo končale precej slabše.
Današnja vojaška brezpilotna letala so nadvse izpopolnjena. Delijo se v tri skupine: mini, taktična in strateška. Prva so namenjena izvidniškim nalogam v bližini, taktična lahko letijo več ur in imajo domet več sto kilometrov, strateška pa naložena z orožjem letijo po več dni. Krmilijo jih piloti tisoče kilometrov stran, njihova služba pa ni nič kaj prijetna. CIA je že leta 2002 prvikrat uporabila brezpilotno letalo Predator za uboj sovražnika in odtlej je ta praksa samo še intenzivnejša.
Vojaška brezpilotna letala imajo bolj malo skupnega z letalniki, ki jih lahko kupimo po internetu in s katerimi danes sosedje brenčijo okoli. Razvoj teh komercialnih letalnikov, ki so večinoma multikopterskega dizajna, je doživel silovit pospešek konec prvega desetletja. Največji izdelovalci so kitajski DJI, francoski Parrot in ameriški 3D Robotics, a podjetij, ki izdelujejo različne letalnike, je danes domala sto.
Fizika
Leteti je bil od nekdaj človekov sen in do danes smo ga že zelo dobro uresničili. Poznamo štiri glavne načine, kako neko plovilo obstane v zraku. Če je lažje od zraka, ga tam drži zračni vzgon, kot balone in cepeline. Če odmetava snov, navadno plin, gre za raketo. Tretja skupina so letala, ki imajo nepremična krila in letijo, ker se premikajo skozi okoliški zrak, katerega odrivanje s krili ustvarja vzgon. Četrta in za nas najpomembnejša skupina pa so helikopterji, ki imajo »vrteča se krila«, torej rotor z elisami. Mednje sodijo tudi letalniki, ki so v zadnjem času tako priljubljeni.
Odvisno od smeri vrtenja propelerja se uporabljajo različne elise.
To, da uporabljajo helikoptersko izvedbo, ni presenetljivo, saj so mehansko zelo preprosti. Imajo več elektromotorjev, ki poganjajo vsak svoj propeler. Za razliko od leta ne potrebujejo zahtevnih mehanskih delov za upravljanje med letom, saj lahko vse manevre izvajamo s spreminjanjem hitrosti vrtenja posameznih propelerjev. Razvoj elektronike in baterij v zadnjem času je omogočil, da dosegajo zavidljive čase letenja, obenem pa sta krmiljenje in navigacija enostavna.
Na najbolj priljubljenih kvadrikopterjih so lahko štirje propelerji nameščeni v sestavi × ali +, med katerima je razlika minimalna. Za to, da kvadrikopter miruje, se morajo vse sile nanj izničiti. Kadar je parkiran na tleh, težo izniči sila tal, na nebu pa to funkcijo opravljajo rotorji. Z vrtenjem porivajo zrak navzdol, zato po tretjem Newtonovem zakonu zrak kvadrikopter poriva kvišku. Če si podrobno ogledamo rotorje, bomo videli, da se dva vrtita v smeri urnega kazalca, preostala dva pa v drugo smer. Razlog je spet Newton. Če bi se vsi vrteli v isto smer, bi se celoten kvadrikopter vrtel v nasprotno smer tako hitro, da bi izničil vrtilno količino zaradi rotorjev. Tako pa se ta učinek izniči že s samimi rotorji. Iz istega vzroka imajo tudi zaresni helikopterji glavni propeler in zadnji rotor.
Vdori
Pri letenju gre lahko marsikaj narobe, četudi imamo najboljše namene in varnostne prakse. Ker pa imajo letalniki računalnik in povezavo v svet, to kar kliče po nepovabljenih obiskovalcih. Resna afera je izbruhnila leta 2009, ko je postalo jasno, da so posnetki z ameriških vojaških brezpilotnih letal Predator nezaščiteni. Ker so videoprenos pošiljali nešifriran, so uporniki več let s programsko opremo, ki stane zgolj nekaj deset dolarjev, prestrezali posnetke iz Predatorja nad Irakom. Predatorji so bili v rabi vse od leta 1995 in so poldrugo desetletje leteli brez šifriranega prenosa podatkov.
Zato je iluzorno pričakovati, da bi bili domači letalniki kaj bolje zaščiteni. Raziskovalci ameriške Zvezne komisije za trgovino (FTC) so oktobra lani na delavnici pokazali, kako enostavno je vdreti v tri komercialne letalnike (izdelovalcev Parrot, DBPower in Cheerson), ki so naprodaj v ZDA. Podrobnosti ranljivosti niso razkrili, znano pa je, da so prestregli videoposnetek in dva jim je uspelo tudi sklatiti z neba s prevzemom nadzora. Omenjeni letalniki niso uporabljali šifriranja in so se pogovarjali po odprti povezavi Wi-Fi, kar je že samo po sebi velik varnostni spodrsljaj.
Glavna prednost kvadrikopterjev je enostavno upravljanje. Če se vsi štirje propelerji vrtijo enako in ustrezno hitro, potem letalnik lebdi. Če njihovo hitrost povečamo, se začne vzpenjati, če jo zmanjšamo, pa spuščati. Pomemben je tudi zasuk okrog treh osi (sprememba Eulerjevih kotov), ki ga v letalstvu označujejo kot nagib (roll), naklon (pitch) in odklon (yaw), saj z njim krmarimo plovila. Vse tri zasuke dosegamo zgolj s spremembo hitrosti vrtenja posameznih motorjev. V sestavi X za nagib ali naklon sosednja propelerja povečata hitrost, nasprotna dva pa jo zmanjšata; za odklon hitrost povečata nasprotna propelerja, druga dva pa jo zmanjšata. Vsi manevri temeljijo na preprostem dejstvu, da se skupna vrtilna količina ohranja, rezultanta sil pa povzroči pospešek. Kvadrikopterji imajo tako ali tako ustrezen vmesnik za krmiljenje, o čemer več v sosednjem članku.
Kvadrikopter bo v zraku, dokler bo imela baterija kaj energije. Če mu želimo avtonomijo podaljšati, lahko vzamemo večjo baterijo, a dobitki niso linearni. Zmogljivejša baterija je namreč tudi težja, zato nadaljnje povečevanje zmogljivosti prinaša čedalje manjše povečanje avtonomije. Elektromotorji imajo visoke izkoristke, litij-ionske baterije že zelo spodobne zmogljivosti in visoka razmerja med uskladiščeno energijo in maso, a čudežev ne gre pričakovati. Tako na oko velja, da naj bo masa baterije med polovico in dvema tretjinama celotne vzletne mase.
Premike okrog treh glavnih osi imenujemo nagib (roll), naklon (pitch) in odklon (yaw). Slika: NoRunway.com
Sestavni deli
Za usklajeno delovanje letalniki potrebujejo kopico komponent, ki so zaradi napredka elektronike postale dostopne vsakomur. Za upravljanje se uporablja oddajnik (TX), ki z letalnikom komunicira po prosti frekvenci 2,4 ali 5,8 GHz. Ukaze sprejema sprejemnik (RX) na letalniku, ki komunicira z osrednjim računalnikom. Ta je zaradi miniaturizacije danes v obliki SoC (System-on-a-Chip) in SBC (single board computer). Dešifrira upravljavčeve ukaze in jih preračuna v spremembo hitrosti vrtenja posameznih propelerjev. Če želimo namreč letalnik krmiliti, moramo ob spreminjanju hitrosti vrtenja propelerjev paziti, da je skupni vzgon ves čas zadosten, da letalnik ostane v zraku. Letalnik ima zato še nekaj senzorjev, ki spremljajo dogajanje in poročajo osrednjemu računalniku, ki ustrezno kompenzira vrtenje propelerjev. Vsak elektromotor, ki vrti posamezen propeler, ima še poseben krmilnik hitrosti vrtenja, ki fino regulira tok na posameznem elektromotorju, da je hitrost vrtenja res konstantna.
Različni letalniki imajo tudi različne možnosti upravljanja.
Letalniki načeloma letijo v treh glavnih načinih: GPS, atti in manualni. Prvi je mogoč, ko naprava vidi dovolj satelitov (ponavadi šest), da pozna lokacijo. S krmilnikom v bistvu določamo, kam želimo letalnik spraviti. Način atti deluje, ko ni signala GPS. Pri krmiljenju nam še vedno pomaga računalnik, s krmilnikom pa reguliramo kót letalnika. V manualnem načinu moramo za vse poskrbeti sami, saj letalnik ne bo sam vzdrževal niti horizontalnega (GPS) niti vertikalnega (atti) položaja.
Današnji letalniki segajo od igrač do profesionalnih izdelkov.
Propelerji imajo različne elise, odvisno od tega, v katero smer se vrtijo. Dva propelerja se venomer vrtita v smeri urnega kazalca, dva pa v nasprotni. Zato morajo biti tudi elise zrcalne, da vsi kvadrikopter kljub nasprotni smeri vrtenja tiščijo kvišku. Pogosto se pojavi vprašanje, kako ugotoviti, za katero smer vrtenja je namenjena posamezna elisa. Pomaga nam Bernoullijev princip, saj mora propeler zrak odrivati navzdol. Sprednji (vodilni) rob elise je debelejši, zadnji rob pa tanjši.
Najtežji del kvadrikopterja pa je gotovo baterija, od nje sta odvisna domet in avtonomija. Zaradi omejitev glede mase in zmogljivosti se največkrat uporabljajo litij-polimerne baterije (Li-Pol). Dražji kvadrikopterji imajo še cel kup dodatne opreme, denimo sprejemnike GPS, kamere, radarje in lidarje, različno zmogljive sisteme za stabilizacijo, sistem za avtomatično vrnitev domov ob izgubi signala, padalo za pristanek v sili itd. Cene boljših modelov se začnejo pri 500 evrih in se hitro povzpnejo do več tisočakov.
Letalnike uporabljajo tudi dostavne službe. Slika: DPDgroup
Kaj početi z njimi
Z letalniki lahko počnemo marsikaj, pri čemer raba še zdaleč ni omejena zgolj na ljubiteljsko. Poplave leta 2014 v prestolnici smo si lahko ogledali iz zraka, saj so na internetu čudoviti videoposnetki, ki jih je s svojim letalnikom napravil Ergyn Žječi. Nasploh so letalniki priljubljeni za snemanje, saj omogočajo odlične posnetke iz zraka. V primerjavi s helikopterji imajo številne prednosti, saj so manj moteči za okolico, niso glasni (pomembno za videoposnetk), lahko jih vodimo bliže do želene točke, predvsem pa so cenejši. A seveda tudi manj zanesljivi od helikopterjev. V preteklosti so bili v tujini že odmevni primeri, ko so radovedneži svoje letalnike vodili na primer nad požari in s tem nevarno ovirali gašenje iz zraka.
Prepovedana območja
Uporaba letalnikov je povsem prepovedana na tako imenovanih »no-fly« območjih. V Sloveniji je to na primer v coni letališča (CTR) znotraj radija 5 kilometrov od referenčne točke (ARP), na večji razdalji pa nad višino 50 metrov. Na ta seznam po svetu sodijo še razni vojaški in drugi državni objekti. Ko je leta 2015 neki nadobudni Američan poizkušal z letalnikom preleteti Belo hišo in pristal na trati pred poslopjem, so v delu objekta razglasili preplah. To je razumljivo, saj letalniki ponujajo povsem novo razsežnost terorističnih napadov – manjšo količino eksploziva lahko pripeljejo tja, kamor sicer ni mogoče priti.
Zaradi tega so izdelovalci v svoje leteče ptice dodali seznam prepovedanih območij, kamor GPS letalnika ne pusti. Eden najbolj priljubljenih izdelovalcev, DJI, je vgradil programsko opremo, ki letalniku omeji dosegljivo višino, ko se približa letališču na osem kilometrov, na oddaljenosti dobrih dveh kilometrov pa avtomatično pristane. Seznam se sproti dopolnjuje in zajema tudi druga območja, ki niso letališča, denimo omenjeno Belo hišo. Temu se pravi »geofencing«.
Skeptiki poudarjajo, da tak ukrep ne bo preprečil terorizma, in to je verjetno res. Če lahko odklenemo telefone, lahko tudi letalnike. Toda po drugi strani bo preveč zanesenim amaterjem preprečil, da bi nalašč ali pomotoma delali zmedo na Brniku, to pa je tudi pomembno.
Resno pa se z njimi spogledujejo tudi podjetja. Ko je Amazon leta 2013 napovedal, da bodo z letalniki dostavljali lahke pakete v gosto naseljenih predelih ZDA, smo se sprva zgolj nasmehnili. DHL je že leta 2014 začel preizkusno uporabljati letalnike za dostavo paketov na severnomorski otok Juist. Do danes je DHL predstavil že tretjo generacijo svojih letalnikov, ki so v Bavarskih Alpah med januarjem in marcem 2016 uspešno prestali testiranje in dostavili dobrih 130 paketov. Konec minulega leta je tudi francoska pošta uvedla letalnike, ki bodo enkrat na teden na fiksni trasi med krajema Saint-Maximin-La-Sainte-Beaume in Pourrie`res v departmaju Va prenašali pakete. Amazon je tudi že patentiral številne z letalniki povezane iznajdbe (celo leteča skladišča) in je pilotne dostave v Veliki Britaniji že izvedel.
Letalnik Ehang 184 lahko pelje celo človeka (a ga ta ne more upravljati iz kabine).
Letalniki so tudi zelo uporabni za različne preglede iz zraka. Nokia je, denimo, razvila take, ki se uporabljajo za pregled baznih postaj in anten, da vzdrževalcem ni treba plezati gor. Uporabljajo se za različne namene nadzora in spremljanja rasti poljščin, položaja čred, kakovosti zraka, nadzora infrastrukture, spremljanja požarov, v filmski in oglaševalski industriji, pri gradnji, pri nudenju prve pomoči ob naravnih katastrofah in drugod. Kitajci so celo izdelali letalnik Ehang 184, ki lahko pelje enega človeka. Skratka, načini uporabe so mnogoteri.
Varnost
Letalniki so nevarni, ker letajo in lahko padejo na koga ali na kaj. Za vso škodo, ki jo povzročijo, ste odgovorni sami, četudi je v letalnik pihnil orkanski veter ali ga je napadla jata ptic. Zato se splača zavarovati odgovornost, to je za letalnike z maso nad 20 kilogramov sploh obvezno (glej niže).
Na slalomu v Madonni di Campiglio 22. decembra 2015 je letalnik skorajda padel na Marcela Hirscherja. Slika: ORF
Najprej moramo poskrbeti, da nam letalnika kdo ne sklati namenoma – brezžično krmiljenje pač prinaša možnosti bodisi vdorov bodisi zlonamernih interferenc. Pred leti so celo vojaška brezpilotna letala video posredovala nešifriran (glej okvir), danes pa so površno zaščiteni le še letalniki za rabo doma. Večina jih sicer uporablja nekakšno šifriranje, a varnostno podjetje Department 13 je januarja letos pokazalo, da je ta izvedba slaba, saj jo je z vzvratnim inženirstvom razvozlalo in prevzelo nadzor nad letalniki Parrot, DJI in 3D Robotics.
Tudi če je zaščita trdna, je mogoče ukaze upravljavca z motilcem preprosto preglasiti. Lahko pa se vam tudi zgodi, da letalnik vodite onkraj dosega signala. Če ima letalnik nastavljeno funkcijo RTH (return to home), se bo v takem primeru najprej dvignil na višino 20 metrov (to je pomembno, ker se med RTH cenejši letalniki ne izogibajo oviram!), poizkusil uloviti signal, potem pa bo odletel naravnost proti domu in tam pristal. Podobno se zgodi, če se RTH sproži zaradi kritično nizkega stanja baterije. Če pa zmanjka signala GPS, kar se v kakšnih soteskah, med poslopji ali v gozdu lahko zgodi, bo letalnik z načina GPS preklopil na Atti. Tedaj ga boste morali sami spraviti domov.
Številni letalniki imajo tudi zaporo vstopa v omejen zračni prostor (geofencing), možnost avtomatičnega pristajanja in vzletanja, shranjevanja vseh parametrov leta, redundanco, možnost Carefree (ki poskrbi, da je levo vedno levo z gledišča upravljavca, ne glede na orientacijo letalnika) itd.
Nekateri imajo tudi padala, za večje pa jih naša zakonodaja zahteva. Padalo se mora biti sposobno odpreti tudi brez vira napajanja in letalnik dovolj upočasniti, da je njegova kinetična energija pod 79 J. To pomeni, da 10 kilogramov težak letalnik pada s hitrostjo 14 kilometrov na uro. Tako hitrost bi dosegel pri prostem padu z višine 80 centimetrov.
Zakonodaja
Letalniki ali brezpilotni zrakoplovi, kot jih imenuje naša zakonodaja, so nevarni predmeti, zato z njimi ne more kar vsakdo početi, kar se mu zljubi. Najodmevnejši incident se je zgodil 22. decembra 2015 na slalomu v Madonni di Campiglio, ko je letalnik strmoglavil na smučarsko progo in za vsega nekaj decimetrov zgrešil Marcela Hirscherja. Nizkih in neprimernih preletov je bilo po vsem svetu že na stotine, zato je logično, da so jih države hitro regulirale. Tudi le kilogram težek letalnik, ki pade z višine 20 metrov, lahko povzroči veliko škode.
Letalnik, ki je pristal na trati pred Belo hišo, je povzročil hud preplah. Slika: US Secret Service
Pri nas je razvoj letalnikov pristojne kar malo prehitel, saj smo prve predpise dobili šele lani. Agencija za civilno letalstvo (CAA) je direktivo o varnosti izdala maja lani, kar je nenavadno. Slovenske direktive so v našem pravnem redu podrejeni predpisi, a drugega predpisa za letalnike ni bilo. Julija lani smo potem dobili Uredbo o sistemih brezpilotnih zrakoplovov, ki je skupaj s SNU in NA (Sprejemljivi načini usklajevanja in navodila k Uredbi) nadomestila Direktivo in celovito ureja uporabo letalnikov v Sloveniji.
Cene boljših modelov se začnejo pri 500 evrih in se hitro povzpnejo do več tisočakov. Če zmanjka signala GPS, boste letalnik domov morali spraviti sami.
Prosto lahko uporabljamo le letalnike, ki so lažji od pol kilograma, če z njimi ne izvajamo letalske dejavnosti. To po domače pomeni, da letimo kar tako zase; snemanje iz zraka, oglaševanje, nadzor, znanstvenoraziskovalno letenje in podobno pa šteje kot letalska dejavnost. Za težje zrakoplove se do mase 150 kilogramov uporablja omenjena Uredba.
Za uporabo takih letalnikov potrebujemo potrdilo, ki ga izda CAA, način pridobitve in zahteve pa so odvisne od tega, kaj bomo z letalnikom počeli in kje. Področje, kjer letimo, se razdeli v razrede I (brez objektov in ljudi), II (pomožni objekti), III (stanovanjski, gospodarski, rekreacijski objekti) in IV (ožja urbana središča). Letalniki pa se glede na maso delijo v razred 5 (lažji od pet kilogramov), razred 25 (med 5 in 25 kilogrami) in razred 150 (med 25 in 150 kilogrami). Iz kombinacije razreda področja in zrakoplova se določi, v katero kategorijo dejavnosti sodi posamezen let – A, B, C in D (glej tabelo).
Od te črke je odvisno, kako moramo prijaviti let, ali potrebujemo izpit in kakšne varnostne mehanizme mora imeti letalnik. Za letenje v najenostavnejši kategoriji zadošča izjava operaterja, da je s pravili seznanjen, in elektronska prijava leta prek obrazca na CAA 12 ur pred vzletom. Za kategoriji C in D mora imeti upravljavec opravljen poseben izpit pri CAA, za D pa mora dobiti še posebno dovoljenje, saj zgolj priglasitev leta ne zadostuje več. Prav tako je treba izvesti oceno učinkov v zvezi z varstvom osebnih podatkov in jo na obrazcu poslati informacijskemu pooblaščencu.
Zrakoplove, ki so težji od 20 kilogramov, je treba obvezno zavarovati. Priporočljivo pa je to storiti tudi za lažje, saj sicer škodo, ki bi jo povzročili tretjim osebam, krijemo sami. Pozabiti pa ne smemo še na nekaj omejitev. Leteti je dovoljeno samo podnevi (dan se začne 30 minut pred sončnim vzhodom in konča 30 minut po zahodu), vsa prevozna sredstva z ljudmi imajo absolutno prednost (in se jim moramo umikati, kakor vemo in znamo), od vseh ljudi in objektov mora biti letalnik oddaljen vsaj 30 metrov in ne sme se dvigniti nad 150 metrov. Zagrožene globe so odvisne od kršitve, so pa približno tako visoke kot za prometne prekrške, to pa v Sloveniji ni poceni.