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Projektbeispiel: SNF Projekt: High-alt-drones HAPS
Hochfliegende Plattformen sind eine Alternative zu Beobachtungs- und Kommunikationssatelliten. Die Vorteile sind geringere Startkosten, längere Verweildauer an einer Position und das Vermeiden von Weltraumschrott. Allerdings benötigen die Plattformen Energie für ihren aerodynamischen Flug. Deshalb muss die aerodynamische Güte optimiert werden, was in der Regel durch grosse Spannweiten realisiert wird. Mit grosser Spannweite wird das Fluggerät aber in der unteren Atmosphäre während des Aufstiegs empfindlich auf Böen. Eine Abhilfe schafft der Formationsflug mehrerer kleinerer Fluggeräte. In diesem Projekt werden die verschiedenen Aspekte untersucht und eine Optimierung durchgeführt, die sowohl die aerodynamischen und flugmechanischen als auch die strukturmechanischen Aspekte mit einbezieht.
Hochfliegende Plattformen sind Fluggeräte, die Satellitentechnik kostengünstig ersetzen können. Allerdings gibt es technische Herausforderungen, die es zu optimieren gilt. So benötigen diese Plattformen einen Antrieb, der die Energieverluste in der Luftströmung ausgleichen muss. Die Energie dafür kann durch mitgeführten Treibstoff und über Solarpanels gewonnen werden. Um eine lange Flugzeit zu erreichen, muss neben einem möglichst geringen Gewicht die aerodynamische Güte möglichst hoch sein. Dies führt zu grossen Spannweiten solcher Fluggeräte, was aber ein höheres Strukturgewicht bedeutet. Ebenfalls führt eine grosse Spannweite zu einer verminderten Manövrierbarkeit, was bei Start und Landung Nachteile bringt.
Um dieses multiphysikalische Optimierungsthema zu beleuchten, wurde eine Vielzahl von Tools eingesetzt: Für die Strukturoptmierung openaerostruct, XFoil und OpenMDAO für die aerodynamischen Themenstellungen sowie CFD-Simulationen für den Formationsflug
Zugvögel verwenden den engen Formationsflug, um gemeinsam Energie zu sparen. An den Flügelenden treffen der grössere Unterdruck auf der Flügeloberseite mit dem geringeren Unterdruck der Unterseite zusammen. Es kommt zu einer Ausgleichsströmung, die die Luft wie ein Korkenzieher in das Unterdruckgebiet auf der Oberseite zieht. Dadurch entsteht ein Gebiet aufwärtsströmender Luft neben und hinter dem Flugzeug, dass die Vögel intuitiv nutzen. In der bemannten Luftfahrt stellt das nahe aneinander Fliegen erhöhte Anforderungen an die Piloten, um Kollisionen zu vermeiden.
Bei computergesteuerten Drohnen ist heute ein präziser Formationsflug durchaus realisierbar. In dieser Studie wurde der Formationsflug simuliert. Die Ergebnisse aus früheren Studien konnten bestätigt werden.
Die Tragflügel müssen sowohl bei Start- und Landung als auch in sehr grosser Höhe, also bei niedriger Luftdichte ausreichend Auftrieb erzeugen und dabei möglichst geringen Widerstand haben. Eine möglichst lange laminare Umströmung des Profils wird angestrebt. Mit XFoil und OpenMDAO wurden die Profilwiderstände einer Reihe von Profilen bei verschiedenen Luftdichten ermittelt und als Datenbank für die weiteren Optimierungen gespeichert.
Flügelform, Profil, Fluggeschwindigkeit, seitlicher Abstand und Tiefenstaffelung im Formationsflug sowie die Umströmungsverhältnisse an der führenden Drohne sowie der nachfolgenden Drohne wurden variiert. So können die Widerstände ermittelt werden aber auch die für die Flugsteuerung wichtigen Parameter. Die Drohnenmasse wurde mit 75 kg in allen Optimierungen als fix gesetzt.
Die Sensitivität (Robustheit) der Ergebnisse der Optimierungen wurde durch Parametervariationen geprüft.
Die aus der Literatur bekannten Erkenntnisse zum Formationsflug konnten mit den verwendeten Simulations- und Optimierungstools bestätigt werden. Es konnte gezeigt werden, dass optimierte Drohnen mit geringerer Spannweite im Formationsflug an die Leistung einer Drohne grosser Spannweite herankommen. Dies hat grosse strukturelle Vorteile – es kann leichter gebaut werden. Ebenso wird das Handling der Fluggeräte bei Start und Landung stark verbessert.
Auf einen Blick
Beteiligte Institute und Zentren:
Projektpartner: Forschungsprojekt ohne Industriepartner
Finanzierungsbeitrag: Das Projekt wurde vom Schweizerischen Nationalfond (SNF) gefördert.
Projektstatus: abgeschlossen