Unbemannte Fluggeräte (UAS)

Die Forschungsgruppe UAS (engl. Unmanned Aerial System) am Institut für Flugzeugbau (IFB) beschäftigt sich mit der Entwicklung und der Flugerprobung von UAS-Versuchsträgern und Nutzlastsystemen.

In den bisherigen Projekten beschäftigte sich die Forschungsgruppe vor allem mit Freiflugmessungen, Luftbilderfassung und Spektralanalyse von Agrarflächen. Bei den Freiflugmessungen wurden vor allem die flugdynamischen Eigenschaften der UAV untersucht. Mit Hilfe einer im Maßstab 1:4 skalierten DA40-V1 werden z.B Untersuchungen von Skalierungseffekten und deren Übertragbarkeit auf das Original untersucht. Mit diesen Zusammenhängen soll dann ein Weg gefunden werden, der es ermöglicht die Erkenntnisse, welche mit Hilfe eines verkleinerten Modells gefunden wurden, auf das Original zu übertragen.

In der Praxis gibt es für die verschiedenen UAV-Klassen  ein weitläufiges Anwendungsfeld, da sie durch ihre flexible und kostengünstige Einsatzfähigkeit oft manntragenden Fluggeräten in wirtschaftlicher Sicht überlegen sind. Mögliche Einsatzszenarien, wie sie teilweise schon am IFB untersucht wurden, sind die Sicherheit von Bauwerken, Sicherheit von Infrastruktur, Kontrolle von Verkehrswegen, Kartographierung, Lagebilderfassung etc.

Das Themenfeld der unbemannten Fluggeräte stellt ein fassettenreiches Forschungsgebiet dar, welche verschiedene Ingenieursdisziplinen bündelt. Das IFB bietet Kompetenzen in verschiedenen Bereichen:

  • Entwurf und Bau von Flächen-UAVs bzw. Helikoptern
  • Avionikentwicklung
  • Systemintegration
  • Professionelle Flugtestplanung und -durchführung

Durch seine langjährige Erfahrung im Bereich Flugzeugentwurf und –bau ist es dem Institut gelungen, auch unter universitären Randbedingungen anspruchsvolle und unkonventionelle UAV-Konzepte zu realisieren. Größte realisierte UAVs:

Das Airbus Demonstratormodell „VELA2“ war eines der ersten Projekte der Abteilung und ist die Realisierung eines Blended Wing Body (Nurflügler), der skalierte Freiflugmessungen zur Untersuchung der flug-dynamischen Ähnlichkeitsanalyse ermöglicht. Der Demonstrator besitzt eine Spannweite von 3.30m und verfügt über einen Turbinenantrieb. Am IFB wurde die Entwicklung der Struktur und der Avionik durchgeführt.

NACRE (New Aircraft Concept Reaserch) war das bisher größte UAV Projekt am IFB. Das durch das europäische Forschungsprogramm FP6 finanziert Vorhaben, war die Entwicklung einer Forschungsdrohne, zur Untersuchung verschiedener Flugzeugkonfigurationen. Das entstandene UAV hat eine Spannweite von 4.16m, ein maximales Abfluggewicht von 145kg und wird von zwei JetCAT Turbinen mit insgesamt ca. 440N Schub angetrieben. Am IFB entstand hierfür ein modular aufgebautes Systemdesign, welches das komplette Avioniksystem, inklusive eines selbst entwickelten Auto-pilotensystems, und das integrierte Messsystem für die Freiflugmessungen enthält. Mit Hilfe dieses Versuchsträgers sollten verschiedenste Konfigurationen von Flügeln, Triebwerken, etc. untersucht und mit herkömmlichen Flugzeugbauweisen verglichen werden. Als Beispiel ist an dieser Stelle die Positionierung der Triebwerke auf der Rumpfoberseite zu nennen, um die Lärmemission, bei Start und Landung am Boden, zu verringern.

Die Hubschrauber UAV „AMPAIRE 1 & 2“ entstanden im BMBF Projekt SOGRO (Sofortrettung bei Großunfall). Die Helikopter haben einen Rotordurchmesser von 3 Metern und eine offizielle Zulassung bis ca. 46 kg Abflugmasse. Mit ihrem rein elektrischen Antrieb, für einen Hubschrauber dieser Größe, stellen sie in der deutschen universitären Forschungslandschaft einen Innovationssprung dar. Neben ihrem innovativen Antriebskonzept zeichnen sich die Helikopter durch ihr Autopilotensystem aus, das einen autonomen Start- und Landevorgang, sowie automatische Wegpunktnavigation ermöglicht.

Getreu dem Motto „Wir verleihen ihrem Projekt Flügel“ entwickelt die Forschungsgruppe UAS am Institut für Flugzeugbau unbemannte Fluggeräte die ihren Einsatzzweck optimal erfüllen können. Das UAS-Team steht jeder Zeit neuen Herausforderungen bei der Erforschung und Entwicklung konventioneller aber auch innovativer unkonventioneller UAV-Typen offen gegenüber.

Aktuelle Projekte

eMission

Energiereduzierung durch missionsadaptive Propeller und innovative Rekuperationsansätze bei verteilten elektrischen Antrieben und Flächenendantrieben

Projektbeschreibung

Das Projekt eMission zielt darauf ab, den Energiebedarf einer emissionsfreien Flugmission durch zwei innovative Technologien zu reduzieren: missionsadaptive verteilte Antriebe und hocheffiziente Rekuperationspropeller. Verteilte Antriebe (engl. Distributed Electric Propulsion, DEP) erhöhen den Auftrieb des Flügels und können zur Steuerung eingesetzt werden, wodurch sich sowohl Flügel- als auch Seitenleitwerksfläche reduzieren lassen, was wiederum zu einer Gewichts- und Widerstandsreduzierung führt. An den Flächenenden positionierte Propeller (engl. Wing Tip Propeller, WTP) ermöglichen durch positive Wechselwirkung mit den Randwirbeln eine Effizienzerhöhung im Reiseflug. Damit die DEP-Vorteile bei einer realen Umsetzung genutzt werden können, ist eine Lösung der „Landeproblematik“ erforderlich: Die Erhöhung des Auftriebs mit DEP ist unmittelbar mit positivem Schub der DEP verbunden, wodurch das Hochauftriebspotential im Landeanflug bei geringem Gesamtschub stark eingeschränkt ist. Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, dass ein Teil der Antriebe rekuperieren. Die rekuperierenden WTP verzögern dabei das Flugzeug, erhöhen die Steuerautoriät und speisen zudem die Batterie, während die DEP durch Anblasen des Flügels den Hochauftrieb sichern. Eine wichtige Erkenntnis aus dem vorangegangenen Projekt VELAN ist darüber hinaus, dass der Propellereinbauwinkel bei DEP je nach Flugphase ein unterschiedliches Wirkungsgrad-Optimum aufweist, was mittels missionsadaptiven DEP durch Neigung der Propellerebene in eMission ausgenutzt werden kann. Im Startfall sollen diese zudem für eine Verkürzung der Startstrecke (STOL) und für steilere Steigwinkel verwendet werden, was eine Reduzierung der lokalen Lärmemission im Flughafennahfeld zur Folge hat. Im eMission Vorhaben wird die bestehende Forschungsplattform e-Genius-Mod der Universität Stuttgart mit missionsadaptiven DEP, rekuperierenden WTP, sowie einem optimierten Flügel ausgestattet, um die Vorteile der vorgeschlagenen Technologien im Flugversuch nachzuweisen. Abschließend erfolgt eine Übertragung der Ergebnisse auf Regionalflugzeuge. Mit Rekuperationspropeller als Wegbereiter Technologie und mit missionsadaptiven DEP zur Effizienzsteigerung kann ein wesentlicher operativer Vorteil und Anreiz für die elektrische Luftfahrt geschaffen werden.

Partner
  • Institut für Flugzeugbau

  • Institut für Aerodynamik und Gasdynamik

  • Institut für Flugmechanik und Flugregelung

Finanzierung

Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)

Laufzeit

Mai 2023 – April 2026

Kontakt

Frieder Sättele, M.Sc.

AMI-PGS

Air Mobility Initiative - Positioning and Guidance System

Projektbeschreibung

Im Projekt AMI-PGS (Air Mobility Initiative - Positioning and Guidance System) werden die Vorteile des Einsatzes eines lokalen, GPS unabhängigen, radarbasierten Positionierungs- und Leitsystems in einem e‑VTOL, im urbanen Luftraum (U-Space) und am Landeplatz (Vertiport) untersucht. Der Fokus der Untersuchungen liegt dabei auf der lokalen, hochpräzisen Positionsbestimmung für ein Landesystem. Für weitere Anwendungen, die über die präzise Positionierung hinausgehen, soll das System als Grundlage für einen höheren Grad an Autonomie dienen und die Sicherheit und Effizienz des Betriebs von Luftfahrzeugen im urbanen Umfeld erhöhen.

Mit Hilfe einer Subscale Drohne des CityAirbus NextGen soll die Technologie anhand einer realitätsnahen Fluggerätegeometrie und Flugdynamik in einer realitätsnahen Umgebung untersucht werden.

Beitrag des IFB

Das IFB ist vorrangig im Bereich Auslegung, Bau und Betrieb der Subscale Drohne involviert, was die folgenden Themenpunkte beinhaltet:

  • Skalierungsuntersuchungen des Fluggerätes
  • Konstruktive Systemauslegung eines modularen Flugversuchsträgers
  • Auslegung einer ausfallsicheren Avionik
  • Technischer Ausbau und Messsystemintegration
  • Flugerprobung und Durchführung von Messflügen
  • Auswertung der Flugversuche
Projektpartner
  • Airbus Urban Mobility GmbH
  • Droniq GmbH
  • Kymati GmbH
  • Kasaero GmbH
  • Technische Universität München (TUM)
  • Institut für Flugmechanik und Flugregelung (IFR), Universität Stuttgart
Finanzierung

Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie

Laufzeit

Januar 2023 – Dezember 2025

Kontakt

Dipl.-Ing Dominique Bergmann
Marco Armbrust, M.Sc.

VELAN

Flugphysikalische Analyse, Verifizierung und Übertragung aerodynamischer, aeroakustischer und flugmechanischer Aspekte verteilter elektrischer Antriebe zur Entwicklung energieeffizienter und leiser Konfigurationen

OptiDeV

Optimierte Datenerfassung zur Vermessung von Strömungsbedingungen im Freiflug

Projektbeschreibung

Das Projekt Optimierte Datenerfassung zur Vermessung von Strömungsbedingungen im Freiflug (OptiDeV) verbindet die Optimierung von Luftdatenmesssystemen mit der Bewertung des skalierten Flugdemonstrator e-Genius-Mod in der Rolle als „fliegenden Windkanal“. Hierfür werden Mehrlochsonden (MLS) des Projektpartners Vectoflow GmbH mit miniaturisierter, perfomanter- Inertial und Naviationssensorik gekoppelt und im Flug hinsichtlich der Flugzustandsüberwachung getestet.

Ziel ist die Durchdringung des Marktes für aerodynamische Validierungen in der Nische zwischen CFD-Simulationen und Windkanalmessungen einerseits und die Durchführung von Flugversuchen zur Erprobung neuer Technologien andererseits. Das Konzept des „fliegenden Windkanals“ ermöglicht es neue Technologien im skalierten Maßstab zu testen und so kostengünstig und risikoarm zu operieren. Vor allem im Gesamtkontext einer emissionsärmeren Luftfahrt können skalierte Flugdemonstratoren einen wichtigen Beitrag im Entwicklungsprozess von neuen Luftfahrtsystemen leisten.

Beitrag des IFB

Die Forschungsgruppe für unbemannte Fluggeräte am Institut für Flugzeugbau (IFB) ist im Projekt für die Systemintegration der Messtechnik, Durchführung der Flugkampagne und Auswertung der Versuchsdaten verantwortlich.

Die Integration der MLS erfolgt über einen Adapter am Flügel und ermöglicht so u.a. eine ungestörte und präzise Messung der Anströmung während des Fluges. Als Referenz für die Messung im Flug wird ein Ultraschall-Anemometer parallel zur MLS installiert. Zusätzlich wird eine bodengestützte Referenzmessung mit Hilfe eines LIDAR-Systems (Light Imaging Detection And Ranging) durchgeführt. Die Daten aller Messsysteme werden mit Hilfe eines eigens entwickelten Daten-Loggers aufgezeichnet und anschließend miteinander synchronisiert.

Abschließend werden die Daten hinsichtlich der Messgenauigkeit der MLS ausgewertet. Zusätzlich wird untersucht ob sich die MLS-Messdaten für eine Böenerkennung nutzen lassen.

Projektpartner

Vectoflow GmbH

Finanzierung

Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (Luftfahrtforschungsprogramm LuFo VI-2)

Laufzeit

Mai 2022 – Dezember 2024

Kontakt

Dipl.-Ing. Dominique Bergmann
Eskil Nussbaumer, M.Sc.
Sara Hijazi, M.Sc.

ICM autoKite

Grundlagen des automatisierten Kiteflugs als Antrieb für die Airborne Wind Energy im maritimen Bereich

Projektbeschreibung

Das KITE GAS/FUEL SHIP nutzt die hohe Windleistungsdichte der Höhenwinde auf dem offenen Ozean, um mit Hilfe eines Kite-Antriebs grüne Energie zu erzeugen und Elektrolyseure zu betreiben, die grünen Wasserstoff produzieren, ohne auf Energie aus dem grünen Stromnetz angewiesen zu sein. Die Verringerung der Auswirkungen der Menschheit auf den Klimawandel ist eine der zentralen Herausforderungen unserer Zeit. Um das Ziel von null Netto-Treibhausgasemissionen in der EU bis 2050 zu erreichen, sind in jedem CO2-emittierenden Sektor erhebliche Anpassungen erforderlich. Eine wirksame Methode zur Dekarbonisierung ist die Verwendung von grünem Wasserstoff. Er kann direkt als grüne Energiequelle genutzt oder zu höherwertigen E-Fuels verarbeitet werden. Aufgrund der großen verfügbaren Fläche auf dem Ozean ist eine solche Technologie in hohem Maße skalierbar.

Das ICM autoKite Projekt liefert den wissenschaftlichen Hintergrund für die Entwicklung des Kite-Antriebs und dessen Skalierung durch die Erforschung der folgenden Themengebiete:

  • Methodik für den Vorentwurf und die Skalierung von flexiblen Kites

  • Aerodynamische Modellierung und experimentelle Charakterisierung von hochflexiblen Kites

  • Reglerentwurf und Systemtechnik für den automatischen Betrieb

  • Visuelle Seilüberwachung und Lebensdauerüberwachung von Faserseilen

  • Gesamtsimulation und Optimierung der Energieausbeute

Beitrag des IFB

Das Institut für Flugzeugbau entwickelt eine Methodik für den Vorentwurf und die Skalierung von flexiblen Kites welche folgende Themen umfasst:

  • Flugverhalten aufgrund der Kite Eigenschaften (Profil, Form, Material, Seilanbindungspunkte, etc.)

  • Lasteinleitung der Seile und Steuerung (Steuerbarkeit und Formänderung der flexiblen Struktur)

  • Material und Leichtbauaspekte

  • Skalierung

  • Betrachtung der zu integrierenden Sensorik

Partner
  • Institut für Flugzeugbau (IFB)

  • Institut für Aerodynamik und Gasdynamik (IAG)

  • Institut für Flugmechanik und Flugregelung (iFR)

  • Institut für Fördertechnik und Logistik (IFT)

  • Stuttgarter Lehrstuhl für Windenergie (SWE)

  • OCEANERGY AG

Finanzierung

Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst (MWK) Baden-Württemberg

Laufzeit

Juni 2021 – November 2024

Kontakt

Achim Kuhn, M.Sc.

Dipl.-Ing. Klaus Heudorfer

Abgeschlossene Projekte

ELFLEAN

Electric wing tip propulsion system for the development of energy-efficient and noise-reduced airplanes

Projektbeschreibung

Antriebskonzepte mit verteilten Antrieben werden zunehmend realistischer aufgrund der Verfügbarkeit effizienter elektrischer Motoren und Energiespeicher. Ein zentrales Element verteilter Antriebe sind Flächenendantriebe, welche aufgrund positiver Wechselwirkungen mit den Randwirbeln gegenüber konventionellen Anordnungen eine merklich geringere Antriebsleistung benötigen und synergetisch zur differentiellen Steuerung genutzt werden können. Hierzu gibt es einige Vorarbeiten, die jedoch wesentliche Fragestellungen offen lassen. Hier setzt das LuFo-Projekt ELFLEAN an, um folgende Fragen zu klären: Welche Leistungsgewinne können realistisch erwartet werden? Wie können Flächenendantriebe zur Steuerung und Regelung genutzt werden? Wie können Flächenendantriebskonzepte auf Flugzeuge der kommerziellen Luftfahrt übertragen werden? Um diese grundsätzlichen Fragen zu beantworten sind Untersuchungen im Bereich der Aerodynamik, der Flugsystemdynamik und der Flugzeugauslegung im interdisziplinären Verbund notwendig. Um die grundlegenden Ergebnisse des Vorhabens abzusichern werden neben Analysen und Simulationen auch Messflüge durchgeführt. Hierzu dient ein Versuchsmodell des Elektroflugzeuges e-Genius im Maßstab 1:3 mit modularem Aufbau.

Projektpartner
  • Institut für Flugzeugbau, Universität Stuttgart
  • Institut für Flugmechanik und Flugregelung, Universität Stuttgart
  • Institut für Aerodynamik und Gasdynamik, Universität Stuttgart
Finanzierung

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (Luftfahrtforschungsprogramm V)

Laufzeit

2018 – 2022

Kontakt

Dipl.-Ing Dominique Bergmann

LIDAR Complex

Entwicklung von Lidar-Technologien zur Erfassung von Windfeldstrukturen hinsichtlich der Optimierung der Windenergienutzung im bergigen, komplexen Gelände

Projektinhalt
  • Messverfahren im komplexen Gelände

  • Windfelduntersuchung und Modellierung

  • Übertragung der Ergebnisse auf Windenergieanlagen-Kenngrößen

Beitrag des IFB
  • Entwicklung des Messsystems

  • Integration des Messsystems in UAV und Flugerprobung

  • Windmessungen an Windenergieanlagen mit UAV

  • Windmessungen im komplexen Gelände mit UAV

  • Messdatenauswertung

Projektpartner
  • Stiftungslehrstuhl Windenergie, Universität Stuttgart

  • Institut für Aerodynamik und Gasdynamik, Universität Stuttgart

  • Zentrum für Angewandte Geowissenschaften, Eberhard Karls Universität Tübingen

  • Institut für Meteorologie und Klimaforschung – Atmosphärische Umweltforschung, Karlsruher Institut für Technology

  • Kenersys GmbH

  • Windreich AG

  • FGW e.V.

Finanzierung

Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit

Laufzeit

2012 - 2015

Kontakt

Dipl.-Ing Dominique Bergmann
Dipl.-Ing Jan Denzel

SOGRO

Sofortrettung bei Großunfall mit Massenanfall von Verletzte

Projektinhalt
  • Verbesserung der Effektivität beim Vorgehen der Rettungskräft bei Großunfällen

  • Neues Triagierungssystem

  • Aufbau einer Durchgängigen Informationskette von Unfallstelle bis Krankenhaus mittels neuer Informationstechnologien

Beitrag des IFB

Grundlegende Untersuchungen zum Einsatz von UAV-Schwärmen zur Unterstützung von Einsatzkräften in Grossschadenslagen

  • Aufbau der UAV-Systeme und Integration der Nutzlast

  • Erstellung von Richtlinien zum Betrieb der UAV zu Testzwecken

  • Flugerprobung

Projektpartner
  • ATOS

  • Universität Paderborn

  • Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

  • Andres Industries AG

  • Deutsches Rotes Kreuz Frankfurt am Main

Finanzierung

Bundesministerium für Bildung und Forschung

Laufzeit

2009 – 2013

Kontakt

Dipl.-Ing Dominique Bergmann
Dipl.-Ing Jan Denzel

NACRE

New Aircraft Configuration Research

Projektinhalt
  • Integration und Validierung von Technologien zur Beurteilung und Entwicklung neuer Flugzeugkonzepte

  • Entwicklung einer Lösung die nicht auf ein bestimmtes Flugzeugkonzept festgelegt ist, sondern auf einer generischen Flugzeugkomponentenebene (Kabine, Flügel, Rumpf, Antrieb) angesiedelt ist und die Untersuchung verschiedenster neuer Flugzeugkonzepte zulässt

Beitrag des IFB
  • Systemdesign (modular)

  • Entwicklung des Avioniksystem für IEP (Innovative Evaluation Platform)

Projektpartner
  • Airbus France S.A.S. FR
  • Airbus Deutschland GmbH DE
  • Airbus España S.L. ES
  • Airbus UK Ltd. UK
  • Alenia Aeronautica S.p.A. IT
  • Aircraft Research Association Ltd. UK
  • Centro Italiano Ricerche Aerospaziali S.C.p.A. (CIRA) IT
  • Dassault Aviation S.A. FR
  • Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) DE
  • EADS Deutschland GmbH DE
  • Swedish Defence Research Agency (FOI) SE
  • AIRCELLE SAS FR
  • IBK Ingenieurbüro Dr. Kretschmar DE
  • Integrated Aerospace Sciences Corporation O.E. (INASCO) GR
  • Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA) ES
  • Messier-Dowty Ltd. UK
  • MTU Aero Engines GmbH DE
  • Stichting Nationaal Lucht- en Ruimtevaart Laboratorium (NLR) NL
  • Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatiales (ONERA) FR
  • Projecto, Empreendimentos, Desenvolvimento e Equipamentos Cientificos de Engenharia (PEDECE) PT
  • Piaggio Aero Industries S.p.A. IT
  • Rolls-Royce Deutschland Ltd. & Co. KG DE
  • Rolls-Royce plc UK
  • SAFRAN S.A. FR
  • Central Aerohydrodynamic Institute (TsAGI) RU
  • Vyzkumny a Zkusebni Letecky Ustav, A.S. (VZLU) CZ
  • Trinity College Dublin IE
  • University of Greenwich UK
  • Technische Universität München (TUM) DE
  • Kungliga Tekniska Högskolan (KTH) SE
  • Politechnika Warszawska (Warsaw University of Technology) PL
  • ARTTIC FR
  • University of Southampton UK
Finanzierung

Europäische Kommission (FP6)

Laufzeit

2005 - 2009

Kontakt

Dipl.-Ing Dominique Bergmann
Dipl.-Ing Jan Denzel

Team

Gruppenleiter

Dieses Bild zeigt Dominique Paul Bergmann

Dominique Paul Bergmann

Dipl.-Ing.

Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Gruppenleiter Unbemannte Fluggeräte

Zum Seitenanfang