Antriebstechnik für Luftfahrtlösungen der Zukunft
FloFleet entwickelt ein innovatives hybrides Luftschiff, das effiziente und stabile Inspektionsflüge aus der Luft ermöglicht. Möglich wird dies durch das Zusammenspiel aus aerodynamischem Design und präziser Antriebstechnik, die eine exakte Ausrichtung der Schubdüsen gewährleistet. So entstehen energieeffiziente, zuverlässige Lösungen für anspruchsvolle Überwachungs- und Monitoringaufgaben.
Nora Crocoll & Alex Homburg, Redaktionsbüro Stutensee
Viele Anwendungen erfordern eine Überwachung von „oben“: Strommasten, Pipelines, Kraftwerke oder Solarfelder. In verschiedenen Krisensituationen wie bei eingestürzten Brücken, Erdrutschen oder Überschwemmungen kann es ebenfalls hilfreich sein, sich aus der Vogelperspektive einen Überblick zu verschaffen oder gar Suchaktionen durchzuführen. Auch geophysikalische Untersuchungen, die Kartografie, die Überwachung von Bahn- und Straßeninfrastruktur oder die Landwirtschaft profitieren davon. Im Sport hat man beispielsweise bei Radrennen oder Segelwettkämpfen aus der Luft ebenfalls einen besseren Überblick. In vielen dieser Anwendungen kamen bislang Drohnen, Hubschrauber oder Flugzeuge zum Einsatz. Allerdings brauchen sie sehr viel Energie, sind in ihrer Reichweite verhältnismäßig begrenzt und stören bisweilen die eingesetzte Sensorik bei ihren Messungen. Das Entwicklungsteam von FloFleet hat daher das Konzept von Zeppelinen neu gedacht und für die genannten Einsatzfelder optimiert. Dazu hat das Unternehmen ein hybrides Luftschiff entwickelt, das Aerostatik und Aerodynamik kombiniert. Seine flügelartige Form und eine verstärkte Stoffkonstruktion ermöglichen es ihm, durch aerostatischen und aerodynamischen Schub den Flug aufrechtzuerhalten. Dieses Design löst die Landeprobleme traditioneller Luftschiffe und ermöglicht es, sich einfach durch Änderung des Anstellwinkels an unterschiedliche getragene Lasten anzupassen.
Passende Sensorik und Messtechnik abhängig von der Anwendung
Mittlerweile bietet das Unternehmen eine Luftschiffflotte mit derzeit drei Luftschiffen in verschiedenen Größen zwischen acht und 18 m Länge und einer Zuladungskapazität von neun bis 100 kg. Die Fluggeräte lassen sich abhängig von der jeweiligen Anwendung individuell mit der passenden Sensorik und den jeweiligen Messgeräten ausstatten. Die Modelle unterscheiden sich nicht nur in ihrer Länge, sondern auch in ihrem Erscheinungsbild. Je nach Ausführung ist die Ähnlichkeit zum Zeppelin besser oder schlechter erkennbar. Alle Modelle nutzen Helium in ihrem Innern für den Auftrieb, da es im Gegensatz zu Wasserstoff nicht brennbar ist und damit eine höhere Sicherheit garantiert. Für den Vortrieb sorgt die aerodynamische Form der Fluggeräte in Kombination mit acht Schubdüsen. Das hybride Design bringt sehr hohe Stabilität und Präzision. Es ermöglicht den Luftschiffen, ihre Flughöhe konstant zu halten und selbst bei Wind zuverlässig zu manövrieren. Die Flughöhe lässt sich entsprechend des jeweiligen Anwendungsfalls zwischen fünf und 1.000 m einregeln. Dazu wird über den Anstellwinkel die Flughöhe an die jeweilige Nutzlast angepasst. Solarpaneele auf der Oberseite sichern die nötige Energieversorgung, sodass die Fluggeräte je nach Umgebungsbedingungen bei einer Batterielaufzeit von einer Woche knapp 7.000 km zurücklegen können. Zwar ist die Geschwindigkeit mit circa 30 km/h langsamer als bei Drohnen oder Flugzeugen, viele Anwendungen profitieren aber gerade davon. Auch ist eine niedrige Flughöhe mit Flugzeugen schwer zu erreichen, wird aber von vielen Anwendungen gefordert.
Antriebstechnik für die Ausrichtung der Schubdüsen
Fluggeräte dieser Größe auch bei Wind zuverlässig einzuregeln, ist alles andere als trivial und stellt hohe Anforderungen an die eingesetzte Steuerung sowie die Antriebstechnik. Andrea Cecchi, CEO von FloFleet, erklärt: „Aufgrund der Empfindlichkeit eines Luftschiffs gegenüber Wind und seiner großen Abmessungen sind Präzision und Steuerbarkeit entscheidend. Seit den ersten Prototypen war es eine Herausforderung, industrielle Lösungen zu finden, die Präzision, Geschwindigkeit und geringes Gewicht vereinen – letzteres ist in der Luftfahrt besonders wichtig.“ Damit sind die Anforderungen an die eingesetzte Antriebstechnik benannt. Gerade das geringe Gewicht und die Abmaße der eingesetzten Antriebstechnik waren eine wichtige Forderung. Zudem sollte sich der Antrieb über standardisierte Kommunikationsschnittstellen einfach in die Steuerung des Fluggeräts integrieren lassen.
Für die Stabilisierung des Fluggeräts und die Ausrichtung der Propeller fiel die Wahl auf ein Motion-Control-System aus der BX4-Serie von den Antriebsexperten Faulhaber. Acht Schubdüsen werden damit permanent exakt eingeregelt, um die Fluglage zu halten oder Kursänderungen einzuleiten. Mit einer Länge von 49,6 mm und 22 mm Durchmesser ist der Antrieb sehr kompakt und wiegt 77 g. Dennoch bringt der Antrieb ein Nenndrehmoment von bis zu 18 mNm und hat eine Leerlaufdrehzahl von bis zu 6.700 Umdrehungen/min bei geringem Stromverbrauch. Standardmäßig verfügt er über eine RS232- oder CANopen-Schnittstelle, die Italiener integrieren die Antriebe per CAN in ihre Luftschiffsteuerung. Cecchi erklärt: „Die Ausrichtung der Schubdüsen ist entscheidend, da sie das Luftschiff stabilisiert und seine Flugbahn bestimmt. Die dafür genutzten Motoren müssen zuverlässig arbeiten, dabei leicht und energiesparend sein. All das leisten die Antriebe von Faulhaber. Einer der Hauptgründe für unsre Wahl war aber der integrierte Motion Controller. Dadurch sind Motor und Treiber besser geschützt und die einheitliche Verkabelung bringt zusätzlich Systemsicherheit.“
Um 50 Prozent reduzierter Energieverbrauch
Mit den eingesetzten Motoren gelang es FloFleet, den Energieverbrauch der Schubrichtungs-Motoren um die Hälfte zu senken, das Gewicht um 40 Prozent zu reduzieren und die Baugröße um 60 Prozent zu verringern. Gleichzeitig verkürzen Closed-Loop-Regelung und On-Board-Diagnose die Integrationszeit und ermöglichen vorausschauende Wartung. Die native Unterstützung industrieller Bussysteme wie CAN oder CANopen sowie die EMV-Kompatibilität erleichtern die Zertifizierung und vereinfachen die Verkabelung. Zudem erlauben vorkonfigurierte Bewegungsprofile schnelle und reproduzierbare Reaktionen – ein entscheidender Vorteil bei kritischen Flugmanövern.
