Fizyka w grach okiem inżyniera #7: Javeliny, Tytani i pancerze

Czy Javeliny w nowej grze BioWare są tylko zabawkami?

Anthem, nowa produkcja studia BioWare, wywołuje wśród graczy mieszane uczucia, głównie przez skojarzenia z serią Destiny, która mimo początkowego entuzjazmu, ostatecznie nie zyskała zbyt dużej popularności. Oliwy do ognia dolewają problemy techniczne, skutecznie utrudniające połączenie się z samą grą i uniemożliwiające przyjemną rozgrywkę (o czym przekonali się Krzysiek i Dominik podczas streama). Mimo tego wszystkiego jestem bardzo zainteresowany Anthem, a zwłaszcza Javelinami, czyli pancerzami wspomaganymi. Nie są one niczym nowym. Od dawna trwają prace nad zwiększeniem potencjału pojedynczego piechura, ale czy pancerz wspomagany się do tego nadaje?Głównym zadaniem Javelinów czy ogólnie tego typu pancerzy wspomaganych jest zapewnienie ochrony jego operatorowi. W Athem gracz ma do dyspozycji cztery warianty zbroi - Łowca, Kolos, Ścigacz i Sztorm - różniące się mobilnością, rodzajem uzbrojenia, umiejętnościami specjalnymi czy opancerzeniem właśnie. Oprócz zwiększenia siły ognia, umożliwieniu latania czy zapewnieniu ochrony nie blokują one ruchów użytkownika, a zaawansowany komputer pokładowy wykonuje wszystkie niezbędne obliczenia związane z poprawnym działaniem maszyn. Pancerze zostały stworzone na bazie technologii Twórców, którzy z niewyjaśnionych przyczyn odeszli, porzucając niedokończony przez siebie świat.Niestety premiera gry jeszcze przed nami dlatego ciężko stwierdzić z jaką dokładnie technologią mamy do czynienia i jak bardzo jest zbliżona do tej używanej przez nas obecnie. Jednak gdybym sam miał stworzyć coś takiego, to przede wszystkim zaczął bym od materiału, stal lub inne stopy metali, wykorzystywane jako pokrycie czołgów czy pojazdów opancerzonych, to nie jest najlepszy pomysł - przede wszystkim dlatego, że stopy stali są dość ciężkie. Same elementy pancerza musiałyby być bardzo grube, by zapewnić wystarczającą ochronę, ale Javelin znacznie straciłby przez to na mobilności, nie wspominając już o możliwości latania.Pełna stalowa konstrukcja raczej nie wchodzi w grę, dlatego znacznie bardziej prawdopodobny wydaje się szkielet wytworzony z ultralekkich materiałów, do którego będzie można przyczepić elementy zasłaniające wrażliwe części ciała. Policjanci i żołnierze wykorzystują kamizelki kuloodporne, które zapewniają ochronę przed pociskami i nie krępują zarazem ruchów użytkownika, więc może to kewlar będzie dobrym poszyciem naszego Javelina? O ile włókna te są ciągle wykorzystywane do produkcji kamizelek, tak coraz częściej zastępowane są przez polietylen. Holenderska firma DSM opracowała materiał na bazie polietylenu - Dyneema SB61 - który jest 15-krotnie wytrzymalszy od stali i o 40 procent bardziej odporny od kewlaru. Kamizelki uzyskiwane z włókien polietylenowych są bardzo lekkie, a ich grubość to zaledwie 5 milimetrów. W kamizelkach wojskowych często stosuje się również wkładki z wymiennymi płytami stworzonymi ze stopów tytanu lub węglika krzemu. Kamizelka wzmocniona takim “napierśnikiem” jest w stanie wytrzymać kilka pocisków wystrzelonych z karabinku AK-47, co często stanowi o życiu i śmierci.  Podobna płytę mogliśmy zobaczyć w filmie “Helikopter w ogniu” - podczas przygotowania do misji na targu w Mogadiszu, jeden z żołnierzy wyciąga taką płytę ze swojej kamizelki, by zmniejszyć wagę swojego ekwipunku. Oczywiście w dalszej części filmu, by podkreślić dramatyzm sytuacji, pocisk przeszywa nieszczęśnika na wylot. Sama płyta bardzo przypomina przedni pancerz Javelina, więc w połączeniu z polietylenową kamizelką dałoby się ją przyczepić i zamontować na stabilnym szkielecie.W 2015 roku firma Raytheon zaprezentowała drugi egzoszkielet z rodziny XOS, stworzony na zlecenie DARPA (Defence Advanced Research Projects Agency). W porównaniu do poprzedniego modelu, XOS 2 jest o 50 procent bardziej energooszczędny i waży jedynie (albo aż) 95 kilogramów. Dzięki zastosowaniu siłowników hydraulicznych (które są znacznie bardziej wydajniejsze od elektrycznych, bo nie wymagają gigantycznego źródła zasilania w postaci prądnicy) i serwomechanizmów Użytkowanie szkieletu jest bardzo komfortowe, co przekłada się wygodę użytkowania. Obecnie w armii nie wykorzystuje się egzoszkieletów, tak jak prezentują to gry wideo; piechur wyposażony w taki szkielet może nosić znacznie cięższe rzeczy (pociski artyleryjskie, rakiety powietrze-ziemia montowane na myśliwcach) niż jego “zwykli” koledzy. Normalny żołnierz może podnieść przedmiot o wadze “X”, co nie wywoła u niego uszczerbku na zdrowiu lub innego zranienia. Wojak wyposażony w XOS-a bez problemu uniesie siedemnaście razy cięższy obiekt. Taki egzoszkielet idealnie nadaje się na bazę, do której w przyszłości zostaną doczepione płyty pancerza.Czy w takim razie Javelin z Anthem jest w jakiś sposób prawdopodobny? Główną cechą wyróżniającą te pancerze jest możliwość latania, a do tego potrzeba bardzo wydajnego silnika - musi być jak najmniejszy, by nie przeszkadzał operatorowi, a przy tym wytwarzać możliwie duży ciąg - a taki aktualnie nie istnieje. Oczywiście istnieje kilka samoróbek, które przypominają jetpacki, ale pamiętajmy, że taki silnik ma zapewnić lot swobodny nie tylko człowiekowi; do całkowitej wagi takiego statku powietrznego należy doliczyć obciążenie samego pancerza, nie wspominając o paliwie, broni czy dodatkowej amunicji. Zresztą z rzekomym lataniem Javelina jest związane kilka innych problemów, ale o tym więcej za chwilę.Jedną z podstawowych zalet Javelina jest jego wszechstronność i mobilność, a wszystko to dzięki możliwości latania. Gracze mogą bardzo łatwo dostać się na miejsca zadania, ale też jeszcze szybciej z niego ewakuować, gdyby boss okazał się zbyt silny. Podziwianie ziemi z lotu ptaka sprawia masę frajdy - każdy, kto choć raz się nim przeleciał bardzo chwalił sobie ten aspekt rozgrywki, co znacznie osładzało kolejne spadki płynności czy niekończące się ekrany ładowania (przynajmniej ja tak miałem, gdy na kilka chwil uruchomiłem demo).O sile nośnej w kontekście statków kosmicznych pisałem dla Was tutaj, dlatego teraz pokrótce przedstawię problem z punktu widzenia aerodynamiki i mechaniki lotu. Są dwa główne warunki ustalonego lotu poziomego, jakie musi spełniać statek powietrzny; siła ciężkości musi być równoważona przez siłę nośną; siła oporu aerodynamicznego musi być równoważona przez ciąg. I w zasadzie tutaj powinniśmy zakończyć, bo Javeliny nie spełniają pierwszego warunku. Oczywiście siła nośna jest wytwarzana nie tylko przez skrzydła (bądź płaty nośne, jeśli mówimy o skrzydłach w kontekście aerodynamiki), a także przez usterzenie (którego również brak w tych pancerzach) czy sam kadłub. Jednak sam “korpus” samolotu jest konstrukcją cienkościenną - typ konstrukcji lotniczej, w której pokrycie kadłuba (częściowo lub całkowicie) przenosi część naprężeń, a całość jest wzmocniona od wewnątrz wręgami i podłużnicami - a w Anthem nie mamy raczej z taką do czynienia. Gdyby pozbyć się silnika, to można by powiedzieć, że Javelin szybuje, ale do tego również potrzebne są skrzydła. No i samo szybowanie jest znacznie mniej przewidywalne niż lot poziomy, nie wspominając o tym, że przy tej pierwszej czynności muszą być spełnione dodatkowe warunki. Podczas lotu szybowcowego wykorzystuje się zjawisko komina termicznego.Jednak załóżmy, że w jakiś sposób Javelin wytwarza siłę nośną - czy zespół napędowy zaprezentowany w grze zapewni odpowiedni ciąg do wykonywania wszystkich tych akrobacji albo po prostu zwykłego lotu? Mianem VTOL (Vertical Take Off and Landing) określa się samoloty mające zdolność pionowego startu i lądowania, a właśnie takim statkiem powietrznym jest Javelin. Nie jest to rzecz jasna nowa koncepcja, bo już w 1928 roku Nikola Tesla opatentował “Flivvera”, będącego czymś na pograniczu śmigłowca i samolotu. Z czasem zaczęto udoskonalać tego typu konstrukcje, czego efektem jest Bell-Boeing V-22 Osprey, ale nie stały się one zbyt popularne. Problemy z takimi samolotami wynikają w zapewnieniu stateczności i sterowności podczas fazy startu i lądowania oraz na etapie przejścia pomiędzy konfiguracją do startu i tą przeznaczoną do dalszego lotu. Same silniki do startu pionowego musiałby by mieć bardzo dużą moc, co znacznie wpływa zarówno na masę takiego samolotu, jak i zużycie paliwa. Javelin nie rozwiązuje żadnego z tych problemów, a dokłada tylko kolejne - czym są zasilane jednostki napędowe? Jak zapewniana jest stateczność podczas strzelania w locie? W jaki sposób tak małe silniki zapewniają aż tyle ciągu? Nie, pancerze w Anthemie nigdzie nie lecą, ale to nie znaczy, że przez cały czas są skazane na poruszanie się na lądzie. Pamiętacie “jet-jump” w Mass Effect: Andromeda? Firma JetPack Aviation stworzyła działający model plecaka odrzutowego i przez ostatnie kilkanaście lat sukcesywnie go rozwija. Możliwe, że udałoby się zmodyfikować taki zestaw, by pozwalał on na krótkie, pojedyncze skoki (bo o pełnym locie nie może być mowy), co dałoby namiastkę tego, z czym mamy do czynienia w Athem. Jedną z głównych bolączek standardowego turbinowego silnika odrzutowego (bo zakładamy, że taki właśnie silnik służyłby za napęd Javelina) jest rodzaj paliwa, a co za tym idzie wszystkie ograniczenia technologiczne związane z używaniem nafty lotniczej. Świat w serii Fallout w głównej mierze opiera się na urządzeniach zasilanych energią pochodzącą z rozszczepiania ciężkich jąder niektórych pierwiastków. W Falloucie 4 do zasilenia pancerzy wspomaganych zamiast baterii akumulatorowych wykorzystuje się rdzenie fuzyjne, zaś samą zbroję da się dodatkowo wyposażyć w plecak odrzutowy, który pozwala na złagodzenie upadku z dużej wysokości czy da możliwość dostania się w trudno dostępne miejsca. Czy to oznacza, że energię jądrową da się bezpośrednio przekształcić w ciąg?Prace nad jądrowymi rakietami termicznymi rozpoczęto już w połowie lat 50. ubiegłego wieku, kiedy to rywalizacja pomiędzy Stanami Zjednoczonymi a ZSRR, o jak najszybsze wyniesienie ludzi w kosmos przybierała na sile. W tamtym okresie dość powszechnie eksperymentowało się z energią jądrową, stąd pomysł na stworzenie rakiety, której zwykła komora spalania byłaby zastąpiona małym reaktorem jądrowym. Do działania takiej rakiety dalej konieczny jest ciekły wodór, który pełni rolę paliwa, ale pozbywamy się utleniacza w postaci ciekłego tlenu (więcej na temat “silników i utleniaczy” pisałem dla Was tutaj). W reaktorze dochodzi do podgrzania czynnika roboczego, który następnie jest rozprężany w dyszy, co prowadzi do powstania ciągu. Dzięki pozbyciu się zbiornika z ciekłym tlenem, zmniejszyła się waga całej konstrukcji, przez co silnik jest znacznie bardziej wydajny.Jednak mimo zmniejszenia samego reaktora dalej mówimy o konstrukcji, która waży ponad trzysta kilogramów. Warto pamiętać też, że tego typu urządzenia są dość szkodliwe dla środowiska naturalnego, nie wspominając o samej awaryjności. Możliwe, że za jakiś czas jeszcze bardziej uda się zmniejszyć masę całego urządzenia, by dało się je zamontować na takim Javelinie. Zresztą nasz silnik nie musi działać przez pięć lat, a wystarczy kilkanaście godzin i to do sporadycznych, pulsacyjnych skoków. Czy warto jednak ryzykować życie pilota dla kilku sekund w powietrzu? Na to pytanie muszą sobie odpowiedzieć przyszli konstruktorzy.Seria Crysis również słynie z dość charakterystycznego pancerza, jakim jest nanoskafander, który umożliwia swojemu właścicielowi korzystanie z czterech podstawowych modułów - pancerz, siła, szybkość i niewidzialność. Każdy z nich przydaje się w innych warunkach i determinuje podejście gracza w danej sytuacji.

Skupmy się na szybkości.DARPA po raz kolejny pokazała, że stworzenie żołnierza przyszłości jest już w zasięgu ludzkich możliwości. We wrześniu 2011 roku został uruchomiony projekt “Warrior Web”, którego celem było stworzenie ocieplacza połączonego z ochraniaczami kostek, kolan, biodra, dolnej części pleców i ramion. Dzięki miejscowemu rozgrzaniu mięśni granica bólu człowieka spowodowana zmęczeniem znacznie się wydłuża, co pozwala mu na bieg lub marsz przez znacznie dłuższy czas. Główną bolączką żołnierzy współczesnego pola bitwy podczas misji w terenie jest konieczność ciągłego noszenia całego sprzętu. Wojskowe plecaki wyładowane zaopatrzeniem mogą ważyć nawet 45 kilogramów, przez co znacznie spada efektywność takiego wojaka podczas walki. Stąd pomysł na zmniejszenie odczuwalnego obciążenia podczas marszu czy biegu, poprzez ulepszenie właściwości fizycznych żołnierzy. Wszystkie dane fizyczne byłyby sczytywane przez czujniki umieszczone na ciele piechura, a następnie wysyłane do dowódcy drużyny. W przypadku nanoskafandra, lidera można zastąpić programem, który na bieżąco by analizował, stan żołnierza i przesyłałby te dane na jakiś tablet. Wracając do samego “Warrior Weba” - dzięki niemu żołnierze będą mogli przemierzać znacznie dłuższe dystanse w znacznie krótszym czasie, bez konieczności redukowania swojego ekwipunku. Dodatkowo urządzenie nie krępuje ruchów użytkownika, a sam zestaw można założyć pod mundur; jeśli spojrzycie na ten film, zobaczycie, że niczym nie różni się to od “dresików do biegania”.W połączeniu z rozwojem kamizelek stworzonych z włókien polietylenowych “Warrior Web” można uznać za pewną formę nanokombinezonu z gry Crysis. Wygląd tego typu pancerzy będzie zależeć tylko od przyszłych zapotrzebowań, bo technologią potrzebną do ich stworzenia już dysponujemy.W serii Mass Effect pancerz nie jest tak rozbudowany i elitarny, jak w wyżej omówionych przypadkach, ale dla jednej z ras w tym uniwersum stanowi ochronę nie tylko przed pociskami. Quarianie, od czasów wyparcia przez Gethów ze swojego rodzinnego systemu, słyną ze swoich kombinezonów ochronnych, które stanowią izolację przed wszelkiego rodzaju infekcjami czy drobnoustrojami. Mimo upływu trzystu lat od tego wydarzenia, quarianom nie udało się wykształcić na tyle silnego systemu immunologicznego, by zdjąć maski i w pełni cieszyć życiem.O ile problemy z układem odpornościowym dotyczą raczej mniejszości populacji - a nie tak jak w Mass Effectcie stanowią jej główną bolączkę - tak i ludziom zdarza się wykorzystywać tego typu kombinezony. Na obszarach o zwiększonym zanieczyszczeniu środowiska (na przykład skażonych wyciekiem chemikaliów czy rzadziej radioaktywnych) używa się skafandrów zrobionych z demronu. Według danych producenta mamy do czynienia z ciekłym metalem, jednak bardziej prawdopodobne wydaje się zatopienie cząsteczek ołowiu (metal ten dobrze chroni przed wszelkiego rodzaju promieniowaniem) w materiale na bazie polietylenu. Demron nie jest tak skuteczny w ochronie przed promieniowaniem gamma co kilkucentymetrowy bloczek ołowiu, ale to właśnie elastyczność tego materiału sprawia, że da się z niego wyprodukować taki skafander. Może i kombinezony z niego zrobione nie przypominają za bardzo przepięknie zdobionych pancerzy quarian, ale jestem pewien, że dobry projektant zrobiłby z tego dzieło sztuki. Pamiętacie serię Titanfall? Niedawno znów zrobiło się o niej znów głośno, a to za sprawą Apex Legend, czyli strzelaniny pierwszoosobowej z trybem Battle Royale, której akcja rozgrywa się w uniwersum wcześniejszego projektu Respawn Entertainment. Jedną z umiejętności tytanów była “tarcza wirowa”, dzięki której dało się zatrzymać większość pocisków wystrzelonych przez wroga, a następnie wyrzucić je w stronę przeciwnika, zabijając go jego własną bronią. W samej grze stanowiło to bardzo ważny element taktyki w starciach pomiędzy tytanami, a często wygrywał ten, który zachował swoją tarczę do końca i nie uaktywnił jej od razu po wpadnięciu w wir walki. Podobną umiejętność posiada też Booker DeWit w grze Bioshock: Infinite, ale nie wygląda ona tak efektownie jak w Titanfallu.Według opisu urządzenie składa się z kilku magnesów, które generują coś w rodzaju tarczy magnetycznej. I na pierwszy rzut oka wydaje się, że to faktycznie może działać. Gdy położycie magnes sztabkowy wśród opiłków żelaza, to wyraźnie zarysują one linie pola magnetycznego. Gdyby udało się stworzyć układ złożony z kilku elektromagnesów ułożonych naprzemiennie, możliwe, że dałoby się sterować całym procesem (przyciąganiem, a następnie “odpychaniem”). Czemu elektromagnes, a nie zwykły magnes sztabkowy? Gdy w elektromagnesie płynie prąd, to wytwarza się pole elektromagnetyczne, którego natężenie jest proporcjonalne do napięcia w układzie. Takie rozwiązanie znacznie ułatwi cały proces - na czas przyciągania włącza się tylko jedną grupę elektromagnesów (w których uzwojenie nawinięte jest w tę samą stronę), zaś gdy chcemy odepchnąć obiekty włączamy drugą grupę urządzeń i… No właśnie, obiekty lecą w każdą stronę, a nie w kierunku, jakim chce użytkownik. Czy da się kierować polem elektromagnetycznym? Tak, czego przykładem jest lewitacja magnetyczna, o której pisałem więcej tutaj. Jednak w naszym przypadku nie ma ona większego zastosowania - potrzeba zbyt dużo energii elektrycznej, by wytworzyć aż tak silne pole, które przyciągnie już poruszające się z dużą prędkością obiekty, nie wspominając o próbie ich dalszego wykorzystania.To jak z tym Anthem od BioWare i Javelinami? Mimo że wymykają się prawom mechaniki lotu, to czy przez to źle będzie się nimi przemierzało dżunglę lub eksplorowało starożytne ruiny? Wątpię. Latanie dalej będzie sprawiało masę frajdy, a strzelanie w kooperacji zapowiada się naprawdę dobrze. Same pancerze wspomagane, egzoszkielety czy mechy powoli zdobywają przyczółki we współczesnej armii i prędzej czy później trafią na pole bitwy - czy w takiej formie jak zaprezentowane jest w grach wideo? Wkrótce się przekonamy. A tymczasem, do zobaczenia w Athem!