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TU Berlin

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Projekt AlphaLink

Im Projekt AlphaLink wird ein neuartiges Flugzeugkonzept für sogenannte Höhen-Plattformen unter flugmechanischen und flugregelungstechnischen Aspekten untersucht. Bei diesem Flugzeugkonzept bilden mehrere unbemannte Einzelflugzeuge eine Flugzeugformation mit großer Spannweite. Sie werden durch Lager an den Flügelspitzen miteinander gekoppelt. Durch die große Spannweite wird der induzierte Widerstand signifikant reduziert. Da durch die Lager keine Biegemomente übertragen werden, hat dieses Konzept einen deutlichen Vorteil gegenüber konventionellen Konzepten mit einem durchgehenden Flügel.

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Einleitung

Flugzeuge, die als Höhenplattformen (engl. „High-Altitude Platforms“, HAP) bezeichnet werden, werden seit einigen Jahren als kostengünstige Ergänzung zu teuren Satelliten untersucht. Sie sollen für ähnliche Kommunikations- und Überwachungsaufgaben, für die sonst Satelliten notwendig sind, eingesetzt werden. Zu den gegenwärtigen Konzepten solcher Fluggeräte, die bereits erfolgreich im Flugversuch eingesetzt wurden, zählen der Helios von AeroVironment oder der Airbus Zephyr, der mehr als 336 Stunden kontinuierlich geflogen ist. Alle diese HAP-Flugzeuge besitzen einen Flügel hoher Streckung, der in Leichtbauweise konstruiert ist. Aus dieser Bauweise resultieren in böiger Atmosphäre zu hohe Biegemomente und starke strukturelle Belastungen, die zu Überlastungen und zu Flugunfällen führen können.

Um die Schwachstellen solcher Ein-Flügel-Konzepte zu überwinden, werden sogenannte Mehrkörperflugzeuge als Alternative angesehen. Das Konzept geht von vielen an den Flügelspitzen miteinander verbundenen Flugzeugen aus. Sie werden einzeln auf die Arbeitshöhe gebracht und bilden dort eine Formation mit hoher Spannweite und hoher Streckung. Hierdurch wird der Widerstand der Gesamtformation reduziert und durch die verwendeten Gelenke werden keine Biegemomente übertragen. Dies hat den Vorteil, dass selbst bei Formationen mit sehr großen Spannweiten das Strukturgewicht gering bleibt, die Nutzlast jedoch ansteigt. Im Rahmen des Projekts AlphaLink wird zunächst ein solches Mehrkörperflugzeug unter Flugleistungs-Aspekten ausgelegt, die Flugdynamik wird analysiert und es wird ein Flugregler für den automatischen Flug ausgelegt.

Innovation

Das Konzept des Mehrkörperflugzeugs bietet signifikante Vorteile im Einsatz als HAP. Die verwendeten Einzelflugzeuge steigen selbständig in die Missionshöhe auf. Sie durchqueren die Troposphäre, in der das aktive Wetter stattfindet, und sind durch ihre moderate Einzelspannweite weniger anfällig für Böen und Turbulenzen als HAP-Flugzeuge mit einem langen Einzelflügel. In der Einsatzhöhe von 20-30 km koppeln die Einzelflugzeuge sukzessive und bilden so eine Gesamtformation mit einem Flügel sehr großer Streckung. Dadurch erzielt das Mehrkörperflugzeug seine überlegene Flugleistung und kann mithilfe von Solarenergie seinen Energiebedarf dauerhaft decken.

Die Modularität ermöglicht erstmalig einen echten Langzeit-Betrieb, da Wartungsarbeiten während des laufenden Flugbetriebs realisiert werden. Einzelne Flugzeuge können abgekoppelt und bei Bedarf ersetzt werden. Außerdem ist es möglich als Batteriemodul eingesetzte Einzelflugzeuge anzukoppeln. Die Skalierbarkeit des Mehrkörperflugzeuges erlaubt die Variation der Anzahl sowie Größe der einzelnen Flugzeugmodule und damit die Anpassung der Flugzeugkonfiguration auf spezifische Einsatzzwecke. Auch Formationen, die aus Einzelflugzeugen unterschiedlicher Größe bestehen, sind möglich.

Im Vergleich zu klassischer Satellitentechnologie sind Mehrkörperflugzeuge im Einsatz als HAP schneller und flexibler positionierbar. Sie sind zudem wiederverwendbar, da sie die Möglichkeit für einfache Missionsänderungen bieten und nach Missionsende selbständig zur Bodenstation zurückkehren können. Im Einsatz in der Stratosphäre übernehmen sie Aufgaben in den Bereichen Kommunikation (Internet, Mobilfunk) und Erdbeobachtung. Grundsätzlich sind weitere Einsatzmöglichkeiten auch in kleineren Formationen in erdnaher Umgebung möglich.

Ziele und Vorgehen

Als Anforderungen für den Entwurf werden die Spezifikationen des US DARPA Vulture Programms genutzt. Es soll ein Luftfahrzeug als Höhenplattform entwickelt werden, das eine Nutzlast von 450 kg über 5 Jahre bis zum 40ten nördlichen und südlichen Breitengrad transportieren kann. Diese Anforderungen werden für das Mehrkörperflugzeug als mathematische Gütekriterien formuliert und stellen die Auslegungsziele für den Entwurf dar. Durch die Verwendung von Lagern, die unterschiedliche Roll- und Längslagewinkel der Flugzeuge untereinander zulassen, kann dieser zusätzliche Freiheitsgrad mit in den Entwurf einfließen. Da keine Biegemomente übertragen werden, ist es hinreichend jedes Flugzeug für sich starr auszulegen.

Der anschließende Entwurf eines Mehrkörperflugzeugs erfolgt mit einem vollständig nichtlinearen flugdynamischen Modell. Hierbei wird die mechanische Kopplung der Flugzeuge untereinander berücksichtigt. Die Gesamtformation besitzt insgesamt 12 Starrkörperzustände und durch die Ankopplung von jeweils einem Flugzeug entstehen vier weitere Zustandsgrößen. In der flugdynamischen Analyse wird der Einfluss dieser zusätzlichen Kopplungszustände auf die Starrkörperflugzeugbewegung, insbesondere der klassischen flugmechanischen Eigenbewegungsformen, untersucht. Ein weiterer, wichtiger Analyseaspekt ist die Positionierung des Lagers. Insgesamt stellt die Dynamik der Regelstrecke ein stark verkoppeltes Mehrgrößensystem dar.

Das flugdynamische Modell wird anschließend für den Reglerentwurf genutzt. Es soll möglichst eine konventionelle Reglerstruktur verwendet werden. Durch die inneren Regelschleifen und den Formhaltungsregler, der die Flügelform der verbundenen Flugzeuge regelt, wird die Regelstrecke stabilisiert. Die äußeren Regelschleifen werden zur Regelung der Flugbahn genutzt. Für die inneren Regelschleifen werden Ansätze benutzt, die für klassische Mehrgrößenregelsysteme verwendet werden. Durch die Kopplung selbst kommt es zu geometrischen Nichtlinearitäten, deren Einfluss bei der Regelung zu berücksichtigen ist.

Ergebnisse

Innerhalb des Forschungsprojektes wurden bisher folgende Resultate erzielt:

Theoretische Ergebnisse

  • Ein flugmechanischer Entwurf für ein Mehrkörperflugzeug liegt vor. Der Entwurf erfüllt die Flugleistungsanforderungen hinsichtlich des DARPA Vulture Programms vollständig, d. h. eine auf 10 Flugzeugen verteilte Gesamtnutzlast von 450 kg kann bei der zur Verfügung stehenden Sonnenergie am 40 Breitengrad ganzjährig transportiert werden.
  • Zudem wurden weitere flugmechanische Parameter identifiziert, die die Flugleistung eines Mehrkörperflugzeugs steigern. Dazu gehören die optimale Flügelform und die konkrete Position des Lagers entlang der Flügelspitze.
  • Das vollständig nichtlineare flugdynamische Modell von über mechanischen Lagern gekoppelten Flugzeugen wurde aufgestellt. Die Lager lassen Nick- und Rollbewegungen zwischen den einzelnen Flugzeugen zu. Mit dem Modell wurde untersucht, wie diese zusätzlichen Freiheitsgrade die Flugdynamik, insbesondere die Starrkörperbewegung, beeinflussen.

  • Flugregelungsgesetze wurden ausgelegt, die über zwei innere Regelschleifen die Moden der Kopplung sowie die klassischen flugmechanischen Eigenbewegungsformen dämpfen und somit dafür sorgen, dass die vorgegebene Flügelform beibehalten wird. Dadurch steht den äußeren Regelschleifen ein quasi starres Flugzeug zur Verfügung, sodass klassische Ansätze der Flugregelung für die äußeren Regelschleifen verwendet werden können.

Validierung im Flugversuch

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Zur Überprüfung der Regelung wurde ein Technologiedemonstrator aufgebaut, der aus drei verbundenen Flugzeugen mit einer Einzelspannweite von 140 cm besteht.

Die Umsetzung des Konzeptes erforderte den Aufbau eines Flugsteuerungssystems, das die relevanten Messgrößen, sowie die Eingaben des Piloten über die RC-Fernbedienung erfasst, die Flugregelungsgesetze berechnet und die Stellglieder für das Flugzeug basierend auf den Berechnungen setzt. Dabei wurde WLAN zur Kommunikation der Flugzeuge untereinander verwendet.

Dieser Technologiedemonstrator wurde im Juni 2017 auf dem Flugplatz in Strausberg getestet. Es konnte gezeigt werden, dass die Regelung zum Halten der Flügelform erfolgreich umgesetzt werden kann.

Zukünftige Planung

Das Mehrkörperflugzeug soll im nächsten Schritt an einem praktischen Einsatzzweck erprobt werden. Dazu wird ein Prototyp bestehend aus drei verbunden Flugzeugmodulen aufgebaut. Die Nutzlast ist dabei so gestaltet, dass variabel Kommunikations- und Kameraequipment transportiert werden kann.

Langfristig wird der Einsatz der Technologie in der Stratosphäre angestrebt: www.AlphaLink.space.

Zusatzinformationen / Extras

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Ansprechpartner

Alexander Köthe, M.Sc.
+49 (0)30 314 24019
F-Gebäude
Raum 328