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Innovative Lösungsansätze
Innovative solutions
Multidisziplinärer Entwurf
eines UAVs mit Kippflügeln
Multidisciplinary design
of a tilt-wing UAV
In der aktuellen Luftfahrtforschung ist ein eindeutiger Trend hin
zur Entwicklung von unbemannten Fluggeräten oder Unmanned
Aerial Vehicles (UAVs) zu erkennen. Eine vielversprechende, bisher
nur wenig untersuchte Variante stellen senkrechtstartfähige UAVs
dar, welche das Potenzial besitzen, die Vorteile von Hubschraubern
mit denen von Starrflüglern zu vereinen. Denkbare Einsatzgebiete
sind beispielsweise maritime Anwendungen, bei welchen UAVs
auch von Schiffen ohne große Landedecks aus operieren können.
Aufgrund eingeschränkter Forschungsergebnisse und Erfahrungen
im Bereich der senkrechtstartfähigen UAVs besteht ein hoher Bedarf
an entsprechenden Versuchsträgern und Demonstratoren, um
vor allem neue Technologien im Bereich der Flugregelung, insbesondere
der Transition, dem Übergang zwischen Schwebeflug und
Vorwärtsflug, sowie der Navigation, Autonomie und Flugführung
zu untersuchen.
Das Bauhaus Luftfahrt untersuchte hierfür im Jahr 2009 zusammen
mit der EADS die Entwicklung eines unbemannten senkrechtstartfähigen
Technologieträgers. Als Ausgangsbasis für den
weiteren Entwurf wurde eine Tandem-Kippflügel-Konfiguration mit
vier elektrisch angetriebenen Propellern ausgewählt. Vorgabe für
den Entwurf war dabei ein Flugdemonstrator, welcher in der Lage
sein soll, vertikal zu starten und zu landen sowie nach dem Durchführen
einer Transition in den rein aerodynamisch getragenen
Horizontalflug eines Starrflüglers überzugehen. Als Mindestanforderung
wurde eine Gesamtflugzeit von 20 Minuten inklusive einer
Schwebeflugdauer von fünf Minuten gefordert. Die Abflugmasse
des Flugmodells sollte dabei im Bereich von fünf bis 25 Kilogramm
liegen. Das primäre Entwurfsziel war die Realisierung einer möglichst
großen Nutzlast, welche für zusätzliche Avionik- oder sonstige
Einbaukomponenten beziehungsweise für zusätzliche Akkus zur
Flugzeitverlängerung dienen kann.
Im Zuge des Flugzeugentwurfs wurde vom Bauhaus Luftfahrt
ein mathematisches Parametermodell der Konfiguration erstellt,
auf dessen Basis die notwendigen Analysen zur Bestimmung einer
möglichst optimalen Lösung für die gegebenen Zielvorgaben
und Randbedingungen durchgeführt werden konnten. Das Modell
In aviation more and more research is undertaken concerning the
development of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). A promising,
but rarely investigated sort of UAV are those capable of vertical
take-off and landing (VTOL), therefore utilising the advantages of
rotary-wing and fixed-wing aircraft simultaneously. Possible scenarios
for this type of aircraft could be maritime missions, where
UAVs operate from ships with smaller landing decks. Due to the
limited research results and missing experience in the field of VTOL
UAVs, there is a growing demand for experimental vehicles and
technology demonstrators in order to investigate new technologies
in the field of flight control, especially during transition, which
constitutes the phase between hover and cruise, as well as navigation,
autonomy and flight guidance.
In 2009, Bauhaus Luftfahrt together with EADS investigated
the development of an unmanned technology demonstrator capable
of VTOL. The preferred aircraft design was based on a tandem
tilt-wing configuration with four electrically driven propellers. The
overall aim was to build a flight demonstrator able to perform
VTOL, and convert to the pure aerodynamic flight of a fixed wing
aircraft after performing a transition phase. As a minimum requirement,
a total mission time of 20 minutes including a hover period
of five minutes was demanded. The take-off mass of the vehicle
was required to range between five and 25 kilograms. One goal
of the aircraft design was the maximum payload, which could be
used either for additional avionics or equipment, or for additional
batteries allowing for an extension of mission time.
As a means of performing the aircraft design process, Bauhaus
Luftfahrt implemented a mathematical parametric model of
the tilt-wing configuration. The model was created to perform the
analysis necessary for finding the optimum solution with respect to
the specified design goal and the existing constraints. The model
therefore integrated a calculation of aerodynamics including propeller-wing
interactions, the electrical propulsion system consisting
of batteries, electrical drive and control units, aircraft mass as
well as structural properties or resulting stresses. The generated
comprehensive mathematical model of the aircraft was then used
integrierte hierzu Berechnungen der Aerodynamik inklusive > in a subsequent optimisation process in order to predict the >
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Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.