Fizyka w grach okiem inżyniera #5: Drony

Dość popularną zabawką dla dużych chłopców stały się ostatnio bezzałogowe statki powietrzne, popularnie zwane dronami. Już za kilkaset złotych można sprawić sobie takie cacko i pobawić się nim w weekendowe popołudnie. Jednak jeśli nie chcecie ruszać się z domu albo szkoda Wam pieniędzy na coś, co wyciągnięcie raz na jakiś czas z szafy, by pochwalić się znajomym na grillu, istnieje inna opcja. W 2007 roku wraz z premierą Call of Duty: Modern Warfare nadeszła moda na konflikty współczesne w różnego rodzaju shooterach, a ich nieodłączną częścią stały się drony. Cichy i szybki zwiad lub wsparcie ogniowe całej drużyny to główne zastosowania tych urządzeń w grach. Jednak czy to wszystko? Czego nie pokazują lub co przeinaczają gry wideo w tym temacie?Chyba największą zaletą bezzałogowych statków powietrznych w grach jest brak hałasu podczas ich pracy. W Tom Clancy's Ghost Recon: Wildlands przeciwnicy nie reagują na poczynania gracza dopóki on lub skutki jego działań nie znajdą się w polu widzenia oponentów. Podobnie z dronami, gracz może podlecieć nim bardzo blisko wrogów, ale ci nic nie zrobią, dopóki urządzenie nie znajdzie się na jego linii wzroku. Bezzałogowiec w tej grze jest typowym urządzeniem zwiadowczym, które służy do oznaczania celów. Rozwijając odpowiednie umiejętności możemy wyposażyć go w kilka ofensywnych modułów, zwiększając tym samym jego potencjał. Skoro wróg nie słyszy drona, to teoretycznie wyposażenie go w broń z tłumikiem dźwięku ma sens, bo dzięki temu możemy eliminować cele z ukrycia, bez narażania człowieka.W przypadku modeli powszechnie dostępnych mówimy o hałasie rzędu 70-80 decybeli, co możemy porównać do hałasu, jaki emituje odkurzacz. Sam byłem zaskoczony, jak te urządzenia są głośne, a dalej mówimy tylko o tych, które do wytwarzania siły nośnej wykorzystują wirniki. Amerykański dron zwiadowczo-bojowy Predator w wersji C posiada silnik turboodrzutowy, który generuje hałas na poziomie 140 decybeli. Już przy 130 decybelach niektóre organy wewnętrzne człowieka zaczynają drgać, powodując ich choroby i uszkodzenia. Oczywiście Predatory pracują na innym, znacznie większym pułapie niż drony używane przez cywili, ale warto pamiętać, że i te drugie są bardzo głośne. Główny problem stanowią wirniki nośne, które odpowiadają za wznoszenie, jak i lot w przód i tył. Może dałoby się je czymś zastąpić, tak by korzystać z dronów w sposób zaproponowany przez gry? Jednym z takich rozwiązań może być BionicOpter stworzony przez firmę Festo, w którym wirniki nośne zastąpiono skrzydłami, przez co dron prawie w ogóle nie generuje dźwięku, posiadając przy tym wszystkie cechy standardowych bezzałogowców. Może zawisnąć w powietrzu lub przyjąć prawie dowolną pozycję w przestrzeni, co w połączeniu ze wspomnianym wcześniej brakiem hałasu czyni z niego idealną maszynę do stosowania przez jednostki specjalne. Mimo, że pierwsze pokazy BionicOptera nastąpiły w 2013 roku, to dalej tradycyjne, napędzane wirnikami drony są bardziej popularne. Według badań przeprowadzonych w 2017 roku to właśnie hałas wytwarzany przez bezzałogowce jest bardziej denerwujący niż jakiegokolwiek innego pojazdu. Naukowcy twierdzą, że wpływ na to ma nowość tego dźwięku. Poza tym dron jest wolniejszy od samochodu mknącego po autostradzie, przez co musimy go dłużej słuchać, co również negatywnie wpływa na nasze odczucia. Skoro ten hałas jest tak denerwujący, to czemu dalej musimy się z nim borykać? Festo postanowiło nie komercjalizować swojego projektu, nie wiadomo dlaczego.Innym ciekawym projektem wydaje się maszyna, która przypomina… meduzę? Nie, to nie żart. Leif Ristroph i Stephen Childress w 2014 roku na łamach Royal Society Interface opublikowali projekt zatytułowany “Stabilnie zwisająca maszyna latająca przypominająca meduzę”. Naukowcy twierdzą, że maszyny pokroju BionicOptera muszą dokonywać nieustannej korekty kursu spowodowanej działaniem prądów powietrznych, przez co należy wyposażać je w dodatkowe urządzenia, które temu zapobiegną. Te zaś zwiększają ciężar całej konstrukcji, a w lotnictwie walczy się o każdy kilogram. Konstrukcja stworzona przez uczonych inspirowana jest sposobem, w jaki meduzy utrzymują się na powierzchni wody. Wygląda dość dziwacznie i aktualnie ciężko znaleźć dla niej jakieś praktyczne zastosowanie, głównie przez małe rozmiary (prototyp w 2014 roku miał zaledwie 1 centymetr szerokości). Niemniej jest to technologia warta rozwijania i podobnie jak BionicOpter może stać się kiedyś podstawą do stworzenia zupełnie nowych, cichych dronów dla wojska czy nawet cywili. Więc nie wirniki, a skrzydła? Jeśli poważnie myślimy o koncepcji jak najcichszego bezzałogowca, to uważam, że powinniśmy obrać ten kierunek. Kto wie, może kiedyś jacyś deweloperzy pokuszą się o umieszczenie takiego nietypowego drona w grze?  W trybie multiplayer do Call of Duty: Black Ops 2 gracz ma do dyspozycji wiele dronów. Znane z poprzednich części BSP, które oznacza wrogów na mapie; wprowadzony w tej części “myśliwy-zabójca” (ang. hunter-killer), który niczym samolot z papieru jest wypuszczany z ręki operatora, by wlecieć bezpośrednio w przeciwnika; szczególnie uciążliwa Gwiazda Polarna, krążąca nad polem bitwy i zdolna do automatycznego prowadzenia ognia za pomocą rakiet powietrze-ziemia. I ostatni, często niedoceniany, Smoczy ogień wyposażony w karabin maszynowy, który sieje zamęt i popłoch w szeregach wrogach. Jego największą zaletą jest mały rozmiar, co czyniło z niego trudny do zestrzelenia cel. Sam dron został stworzony w dość standardowym układzie “quad-drone” - cztery równomiernie rozłożone wirniki zapewniają mu dużą prędkość i zwrotność, co jeszcze bardziej uprzykrzało życie oponentom. Smoczy ogień miał również swoje pięć minut w kampanii single player, z tą różnicą, że tam operator nie musiał nim sterować. Dron sam wyszukiwał sobie cele warte ostrzału, ale gdy wymagała tego sytuacja, żołnierz, podobnie jak w trybie wieloosobowym, mógł przejąć nad nim kontrolę za pomocą specjalnego tabletu.O ile uzbrojenie w dużych dronach typu Predator czy Reaper nie jest niczym niezwykłym, tak karabin na mniejszej konstrukcji wydaje się mało prawdopodobny. Przede wszystkim dlatego, że w powietrzu ciężko o jakąkolwiek stabilizację, a ta jest niezbędna do celnego prowadzenia ognia. W grze, zwłaszcza takiej jak Call of Duty, nikt nie przejmuje się podmuchami wiatru, falami uderzeniowymi spowodowanymi przez wybuchy czy udźwigiem takiego drona. Skoro chcemy na nim zamontować karabin, to musimy na początku jakoś zmieścić na nim kilkaset naboi. Warto uwzględnić samą wagę broni, kamerę (przecież operator musi widzieć, w co strzela), jak i sam system redukujący odrzut podczas prowadzenia ognia. Ten ostatni efekt nie jest w ogóle wyczuwalny w grze.Załóżmy jednak, że w jakiś sposób udało się opanować odrzut i dron podczas prowadzenia ognia nie zmienia w znaczny sposób swojego położenia. Dodatkową stabilność może zapewnić zwiększenie masy całej konstrukcji, a ostatecznie i tak by nas to czekało. Jeśli chcemy, by dron wzniósł się z karabinem, systemem redukującym odrzut i inne zakłócenia podczas lotu, a także zapasową amunicją, to musimy zwiększyć powierzchnię wirników nośnych. Wtedy jednak konieczne będzie dostarczenie większej mocy, by łopaty wirników mogły poruszać się z odpowiednią prędkością. Konsekwencją tego będzie wymiana baterii akumulatorowej na bardziej wydajniejszą, czytaj cięższą. I tak z dość lekkiego drona, który mieści się w plecaku, przeszliśmy do naprawdę masywnej maszyny, która w powietrzu może spędzić maksymalnie 15 minut, czyli tyle ile współczesne modele dostępne dla cywili. Jednak firma Duke Robotics nie zważając na ograniczenia technologiczne stworzyła  “TIKAD”, czyli drona, na którym możemy zamontować karabinek szturmowy albo granatnik rewolwerowy M14. Były oficer izraelskiej armii Raziel “Razie” Atuar uznał, że współczesne pole bitwy zmienia się bardzo szybko i świat potrzebuje nowych rozwiązań. Efektem jego starań był startup Duke Robotics i wspomniany wcześniej dron, który prawdopodobnie boryka się ze wszystkimi bolączkami, o których pisałem wcześniej. W konstrukcji Raziela zamiast czterech wirników mamy ich aż osiem, co znacznie wpływa na poprawę zwrotności, ale przez to spada jej prędkość. Sam “TIKAD” wygląda na bardzo delikatne urządzenie, a patrząc na jeden z filmików udostępnionych przez producenta nie strzela on ogniem automatycznym, a pojedynczym (jeden strzał na około cztery sekundy), co tworzy lukę pozwalającą na zestrzelenie drona. Dodatkowo sama stabilizacja mocno kuleje - po oddaniu strzału broń giba się na wszystkie strony. Lepiej by to działało i wyglądało, gdyby broń znajdowała się w osłonie i była przymocowana na stałe. Sama waga drona pozostawia również wiele do życzenia, bo 50 kilogramów to całkiem sporo, prawda? Nie wyobrażam sobie, by jakiś żołnierz miał maszerować z tak ciężką skrzynką. Tak, skrzynką, mówimy o konstrukcji modułowej, którą składałoby się na przykład jak te zabawki dla dzieci modele w najnowszym Starlinku, w którego “można” zagrać, a przynajmniej tak twierdzi ten drugi Bartek. Do pomysłu zaproponowanego przez Duke Robotics podchodzę bardzo sceptycznie, bo dotychczasowe materiały niczym mnie nie zachwyciły i daleko im do tego, co prezentuje chociażby Smoczy ogień z Call of Duty. Poza tym, żaden z problemów, które wymieniłem wyżej nie został rozwiązany przez TIKADa. Jednak nie przeszkodziło to amerykańskiemu Departamentowi Obrony, bo ten w 2016 roku przyznał dronowi nagrodę w kategorii “innowacje w dziedzinie bezpieczeństwa”. I tu należy zadać sobie pytanie, czy przypadkiem wyróżnienie to nie zostało przyznane, bo jurorom spodobał się sam pomysł? Warto pamiętać jednak, że jego realizacja jest równie istotna, więc pewnie za jakiś czas wraz z rozwojem technologii i po wprowadzeniu odpowiednich poprawek część bolączek TICADa uda się wyeliminować, tak by zbliżył się do idei, jaką jest Smoczy ogień z Call of Duty.  Sniper: Ghost Warrior 3 w zasadzie zainspirował ten materiał, bo tam również występuje dron, a przynajmniej coś, co go przypomina. W trzeciej części “wojownika ducha” CI Games postawiło na bardziej otwartą konstrukcję świata, dlatego do gry wprowadzono drona, którym można było zrobić rekonesans i oznaczyć nim przeciwników. Nie jest to nic nadzwyczajnego, omawiany wcześniej Ghost Recon: Wildlands też miał drony, a te z kolei “pożyczono” z wydanego rok wcześniej Far Cry Primal (chodzi o sowę), tylko po to, by sukcesywnie wprowadzić je potem w “Origins” i “Odyssey” (w formie orła).Jednak to nie o “ubizmy” chodzi, a o drona, bo ten jest zbudowany w dość nietypowy sposób. Wspominałem wcześniej o układzie “quad-drone” (inna, funkcjonująca nazwa to “quadcopter”), czyli czterech wirnikach. W “Ghost Warrior 3” bezzałogowiec ma tylko jedno śmigło, co jest kompletną bzdurą. Gdyby helikopter miał tylko jeden wirnik, to kręciłby się wokół własnej osi, w kierunku przeciwnym do obrotów wirnika. Dlatego konieczne jest stosowanie śmigła ogonowego, który przeciwdziała momentowi obrotowemu, pochodzącemu od głównego wirnika napędowego. Jak działa to w dronach z czterema wirnikami? Na początku warto wyróżnić dwie pary śmigieł w dronach - jedna odpowiada za wznoszenie, zaś druga za poruszanie się w przód i w tył. Gdyby wszystkie cztery wirniki kręciły się w tym samym kierunku, to dwa z nich wytwarzałyby siłę nośną, zaś dwa pozostałe generowałyby siłę przeciwną do tej pierwszej i dron nie mógłby się wznosić. Dlatego jedna para śmigieł obraca się w prawo, zaś druga w kierunku przeciwnym.

Dron z “Ghost Warrior 3” dobrze sprawdzał się w grze, ale w rzeczywistości nadaje się tylko do postawienia na półce, bo latać na pewno się nim nie da. Zastanawialiście się kiedyś kim jest osoba, która steruje dronem? W grach takich jak Call of Duty, Battlefield (z naciskiem na “trójkę” i “czwórkę”) czy nawet Rainbow 6 Siege operatorem jest sam żołnierz, a dron to tylko jeden z jego wielu gadżetów. Oczywiście mówimy tu o bezzałogowcach typu “quadcopter” lub w przypadku R6 o “throwbotach”, czyli takich, które może przenosić jeden żołnierz, bo z takimi zazwyczaj stykamy się w grach wideo. Steruje się nimi za pomocą specjalnego tabletu, a obsługa jest prosta i intuicyjna. Zazwyczaj naciska się jeden przycisk i karabin zamieniamy na omawiany wcześniej Smoczy ogień lub znacznie większe BSP (ang. UAV - Unmanned Aerial Vehicle), by niszczyć bądź podglądać naszych oponentów.W rzeczywistości wygląda to zupełnie inaczej - praca operatora bezzałogowego statku powietrznego jest pełna wyrzeczeń i mimo, że znajdują się kilka tysięcy kilometrów od pola bitwy, to mentalnie są oni na wojnie. Dobrze przedstawia to wydana w 2012 roku gra Unmanned, w której wcielamy się w operatora drona bojowego. Założenia gry przypominają te znane z Paper, Please, tyle tylko, że ograniczone do jednego dnia. Wstajemy rano, przygotowujemy się do wyjścia, jedziemy samochodem, by potem zasiąść w fotelu operatora. W międzyczasie możemy porozmawiać z partnerem (lub partnerką) siedzącym obok lub zadzwonić do żony. Po dwunastu godzinach wracamy do domu, spędzamy trochę czasu z rodziną i idziemy spać. Gra się kończy. Przejście Unmanned zajmuje raptem kilka minut, ale produkcja wypełniona jest mniejszymi i większymi wyborami mającymi kolosalny wpływ na to jak zakończy się nasz dzień. Konrad Hildebrand w swojej minirecenzji (choć zważywszy na długość gry, można powiedzieć, że nieźle się rozpisał) sprzed prawie siedmiu lat pisze:

“Na przestrzeni kilkunastu minut gracz jest zmuszony do podjęcia wielu decyzji, które mogą mieć wpływ na życie zarówno jego, jak i jego rodziny, jak i osób widocznych na ekranie jego monitora. Czy podejrzany na pewno jest rebeliantem? Czy aby na pewno podłożył bombę? Zignorować rozkaz? Zdradzić żonę? Skupić się na graniu czy porozmawiać z synem?” Jeśli chcecie spróbować swoich sił jako operator drona bojowego, to tutaj możecie zagrać bezpośrednio z przeglądarki lub pobrać grę na swój komputer. Sam przeszedłem ją kilkakrotnie i określiłbym ją jako… tu chyba będzie pasować statyczny koszmar wojny.Najlepszą nagrodą za wysoki killstreak w Call of Duty: Black Ops II był “Rój”, czyli chmara dronów typu “hunter-killer”, w której każda maszyna działa autonomicznie, przy jednoczesnym zachowaniu współpracy między najbliższymi jednostkami. Podobną armię możemy podziwiać w kampani singelplayer do tej produkcji, gdy pod koniec gry Cordis Die, organizacja terrorystyczna kierowana przez głównego antagonistę Raula Menendeza przejmuje kontrolę nad siłami powietrznymi Stanów Zjednoczonych. Jako, że akcja gry dzieje się w roku 2025, to główną część amerykańskiej floty stanowią różnej maści bezzałogowce, które Mendez postanowił przeprogramować i wykorzystać do ataku na Stany Zjednoczone. Zarówno w trybie single, jak i multi poszczególne jednostki roju idealnie ze sobą współpracują i przypomina to trochę ławice ryb albo stada szpaków. Wraz z rozwojem sterowania dronów warto rozróżnić lot grupowy od roju dronów. Pierwszy przypadek dotyczy sytuacji, gdy każda jednostka sterowana jest przez oddzielnego operatora lub została zaprogramowana, by wykonać dane zadanie, przy czym działają one niezależnie, nie ma między nimi współpracy. Rój dronów działa nieco inaczej i przypomina to wspomniane wcześniej ławice ryb. Rola operatora ogranicza się tylko do uruchomienia całego systemu i pobieżnego wskazania celu, zaś sama organizacja i sposób ataku zależą od dronów. W celu osiągnięcia tak rozwiniętej współpracy należy wyposażyć drony w odpowiedni system komunikacji, tak by jednostki uwzględniały działania sąsiadów, odpowiednio reagowały na zmiany warunków misji (na polu bitwy ciągle się coś zmienia) czy nawet podzielić formację na mniejsze grupy i zaatakować cel z kilku stron lub przygotować natarcie wieloetapowe. Tak, mówimy tu o urządzeniach, które uczyłyby się wraz z rozwojem sytuacji, więc po części mamy do czynienia ze sztuczną inteligencją. W styczniu 2017 roku przeprowadzono zrzut dronów autonomicznych typu Perdix z zasobników przymocowanych do trzech samolotów F-18 E/F Super Hornet. Przypomina to trochę bombę kasetową - bomba matka wypełniona jest mniejszymi ładunkami, a po osiągnięciu odpowiedniego pułapu zostają wypuszczone, co pozwala na pokrycie znacznie większego obszaru. W porównaniu z bombami kasetowymi zasobniki z Perdixami nie zostają wyrzucone, po misji można ponownie wypełnić je subamunicją. Sam bezzałogowiec jest bardzo mały, waży raptem 290 gramów, a koszt produkcji jednej sztuki to raptem dwa tysiące dolarów. Tak niską cenę uzyskano dzięki drukowi 3D, który znacznie ułatwił wytwarzanie pojedynczych części, jak i całych modeli. Każda jednostka znajduje się w małym pudełeczku, do którego przyczepiony jest spadochron spowalniający opadanie. Z pomocą prostego mechanizmu sprężynowego dron “wychodzi” z pudełka i rozkłada skrzydła, by następnie polecieć w miejsce formowania się roju. Zespół napędowy Perdixa stanowi wirnik pchający napędzany przez silnik elektryczny, który zasila litowo-polimerowa bateria akumulatorowa. Taki dron może przebywać w powietrzu przez maksymalnie 20 minut i przewozić ładunek o wadze od 15 do nawet 100 gramów. Wyobraźcie sobie jak skuteczna stałaby się obrona ważnych placówek, takich jak centrum dowodzenia czy łączności. Wystarczy ustawić ul w pobliżu takiego miejsca, a drony w razie zagrożenia mogłyby stworzyć osłonę przeciw rakietom czy innym statkom powietrznym. Pamiętacie trzecią część Matrixa? Podczas ataku na Syjon maszyny postanowiły wywiercić sobie drogę do ostatniej kolebki ludzkości. Pomniejsze drony krążyły wokół wierteł, by osłonić je przed pociskami z ręcznych wyrzutni rakiet.  Jak przeciwdziałać takim urządzeniom? W grze niestety nie ma to żadnej skutecznej metody. Strzelanie z broni ręcznej i rakiet czy obrzucanie granatmi nie przynosi żadnego skutku, a jedyne co pozostaje, to chowanie się w zabudowaniach. Jednak wtedy nasza drużyna jest masakrowana przez przeciwników, którzy zdążyli już zająć strategiczne pozycje. Rzeczywistość nie wygląda lepiej i dalej nie opracowano skutecznej metody niszczenia roju. Standardowe systemy przeciwlotnicze takie jak artyleria i karabiny maszynowe na nic się tu nie zdadzą - drony są bardzo małe i zwrotne więc konieczne byłoby stworzenie prawdziwej ściany ognia. Wydaje się, że jedyną opcją jest stworzenie silnego impulsu elektromagnetycznego, który byłby w stanie przepalić elektronikę całej grupie urządzeń. Jak na razie żadne z państw nie pochwaliło się posiadaniem bomby elektromagnetycznej czy działa jonowego, więc ten pomysł należy na razie odłożyć na półkę.  Drony w grach to temat, z którym na początku nie wiązałem zbyt wielu nadziei, a w moim notesie z pomysłami wartymi zapisania spoczywał gdzieś na szarym końcu. Okazało się jednak, że gry mają w tej kwestii coś do powiedzenia i nie wszystko jest uproszczone do granic możliwość, a niektóre rozwiązania, takie jak “Rój” przechodzą już fazę testów. Bardzo ciekawi mnie, w jaką stronę pójdą twórcy gier - czy dalej dominować będzie efekciarstwo, a może powstanie więcej takich produkcji jak Unmanned? A może to awionicy (inżynierowie specjalizujący się w projektowaniu, a potem stosowaniu urządzeń automatycznych i elektronicznych w lotnictwie i kosmonautyce) będą czerpać całymi garściami z gier? Okaże się pewnie w najbliższej przyszłości, a ja mam tylko nadzieje, że te wszystkie drony w razie konieczności będzie się dało dezaktywować jednym przyciskiem. Przecież nie chcemy powtórki z Horizon: Zero Dawn, prawda?