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Von der Paketzustellung bis hin zum Lastentransport durch Drohnen reichen die Vorstellungen der Logistikbranche. Symbolisches Bild, Quelle (C) DLR

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Das DLR erprobt eine Tragschrauber-Drohne im Flugversuch für den unbemannten Luftfracht-Transport.

Beide Abb.: Quelle: DLR (CC-BY 3.0).

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Nationales UAS-Erprobungszentrum

 

Unbemannte Luftfahrtsysteme (UAS) werden bereits heutzutage unter anderem in der Katastrophenhilfe sowie für den Medikamententransport in entlegene Gebiete eingesetzt. Neben derartigen Spezialeinsätzen erfährt die gesamte Branche der unbemannten Luftfahrt derzeit ein rasantes Wachstum einhergehend mit der Entwicklung neuer Konzepte und Technologien. Doch Entwicklung und Test sowie Bau und Betrieb von UAS stellen Wissenschaft und Wirtschaft - insbesondere unter Gesichtspunkten des Themas »Urban Air Mobility« (luftgestützte Mobilitätslösungen in und zwischen besiedelten Gebieten) - vor neue Herausforderungen.

Aus Zulassungsgründen wird es erforderlich sein, diese neuartigen Systeme unter realen Bedingungen in einer kontrollierten Umgebung umfassend zu erproben und zu qualifizieren. Hinzu kommt die Erforschung der Akzeptanz und Wirkung von UAS in der Gesellschaft insbesondere hinsichtlich Lärm, Sicherheit und Umwelteinflüssen sowie die Klärung offener Gesetzgebungsfragen. Durch den Aufbau des Erprobungszentrums in Cochstedt in Sachsen-Anhalt soll zusammen mit den bereits laufenden Aktivitäten auf Länderebene ein in Europa einmaliges hochinnovatives Forschungsnetzwerk etabliert werden, um die Entwicklung des unbemannten Fliegens zu erforschen, zu erproben und aus Deutschland heraus mitzugestalten.

Quelle: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) www.dlr.de

Bearbeitung: WolfgangKlinker (WKlinker@outlook.de), Freiberuflicher Journalist in Landsberg am Lech

Alle Abbildungen: © Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

 

Hinweis: An den oben beschriebenen Projektarbeiten, die aus dem Programm Luftfahrtforschung des DLR finanziert werden, sind acht DLR-Institute und Einrichtungen beteiligt: Institut für Flugsystemtechnik, Institut für Flugführung, Lufttransportsysteme, Flugexperimente, Institut für Flughafenwesen und Luftverkehr, Institut für Kommunikation und Navigation, Institut für Technische Thermodynamik sowie das Institut für Aeroelastik.

Das Potenzial des Lastentransports per Drohnen

 

Zu den frühen Anwendungserörterungen für UAS gehört die Paketzustellung. Insbesondere Unternehmen der Logistikbranche wie Amazon, DHL und Hermes entwickelten und erprobten Konzepte, die von der tragfähigen Drohne bis hin zu Traglastenstrategien führten. Zuletzt wurden solche Visionen um den Aspekt des Drohnen-Lufttaxis erweitert. Für sämtliche diesbezüglichen Zielsetzungen gilt jedoch, dass sie nur angewendet werden können, wenn entsprechende Sicherheitsaspekte entwickelt und erprobt sind und in verbindliche Vorschriften überführt wurden.

 

Inspiriert vom Flug der Kamera-bestückten Drohen und des Lastentransports per Hubschrauber wurde sehr früh der Wunsch laut, auch andere Gegenstände bis hin zu leichteren Lasten per Drohne zu transportieren. Aspekte der Sicherheit des Flugverkehrs im bodennahen Bereich spielten zunächst keine Rolle. Doch inzwischen ist dieser immens wichtige Punkt in den Vordergrund gerückt, nicht zuletzt auch aufgrund von schlimmen Luftunfällen, oftmals hervorgerufen durch unkoordinierte Flugbewegungen. Hinzu kommt. Dass geeignete, sichere und tragfähige Lufttransportsysteme für die beabsichtigte Nutzung verfügbar sind.

Diese Notwendigkeit wurde inzwischen auch von der institutionellen Forschung aufgegriffen. Mit den Projekten ALAADy (Automated Low Altitude Air Delivery) und ALAADy-Demonstrator forscht das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit mehreren Instituten am automatisierten unbemannten Lufttransport in niedrigen Flughöhen und untersucht den Transport größerer Frachtstücke mit der Entwicklung einer Tragschrauber-Drohne. Humanitäre Hilfsgüter oder dringend benötigte Ersatzteile sollen so in Zukunft flexibel, sicher und kostengünstig an den gewünschten Zielort transportiert werden können. Im Juli 2019 hat das DLR erfolgreiche Flugversuche am Flughafen Cochstedt mit dem unbemannten Fracht-Tragschrauber durchgeführt.

Zu den näheren Zielen gehört die Entwicklung und Erprobung des Fluggeräts für den unbemannten Frachttransport von Lasten bis zu 200 kg auf Distanzen bis zu 500 km im bodennahen Luftraum. Wie es dazu in einer Medienmitteilung des DLR heißt ermöglicht das Konzept unterhalb des regulären Luftverkehrs einen flexiblen Betrieb auf regionalen Strecken abseits besiedelter Gebiete.

 

Video: Flugversuche mit dem ALAADy-Demonstrator (engl.) https://www.dlr.de/dlr/de/desktopdefault.aspx/tabid-10204/296_read-36961/#/gallery/36167

Ladefläche für Fracht statt Sitzplätze

 

Mit der umfangreichen Modifikation eines 450 kg schweren Tragschraubers hin zu einer experimentellen »Transportdrohne« mit Ladefläche haben die DLR-Forscher im Projekt ALAADy-Demonstrator eine der aktuell größten zivilen unbemannten Luftfahrzeugsysteme entwickelt. Das Fluggerät wurde umfangreich nachgerüstet mit Sensoren, Aktuatoren, einem Flugsteuerungsrechner sowie weiterer Soft- und Hardware für den automatisierten Flug. Dieses Fluggerät ist als Technologiedemonstrator bestens geeignet, um die vom Braunschweiger DLR-Institut für Flugsystemtechnik entwickelten Konzepte für den tieffliegenden Lufttransport mit deutlich größeren Nutzlasten, als den bisher untersuchten, zu validieren, heißt es weiter in der Medienmiteilung.

Bei den aktuellen Flugversuchen am »Nationalen Erprobungszentrum für unbemannte Luftfahrtsysteme« in Cochstedt hat das Entwicklerteam den unbemannten Tragschrauber zunächst manuell per Funkverbindung gesteuert, wie es auch bei Modellflugzeugen üblich ist. So konnten alle Sicherheitsmaßnahmen im praktischen Flug erprobt, alle Systemkomponenten getestet und die Flugtüchtigkeit der neu entwickelten Transportdrohne nachgewiesen werden. Hinzu kommt, dass Tragschrauber den besonderen Vorteil einer inhärenten Sicherheit haben, denn der frei drehende Rotor ermöglicht laut DLR-Experten im Falle eines Fehlers eine sanfte Landung wie an einem Fallschirm.

Die Frachtdrohne hat mittlerweile in Flugversuchen mehrere Platzrunden in bis zu 150 m Höhe und mit einer Geschwindigkeit von etwa 100 km pro Stunde absolviert. Wie vom DLR-Institut dazu erklärt wurde konnte mit den Versuchsflügen gezeigt werden, dass Tragschrauber eine geeignete Konfiguration für den unbemannten Lufttransport sind. Die durchgeführten manuell gesteuerten Flüge bilden die Grundlage dafür, das Fluggerät nun Schritt für Schritt zu automatisieren. Dann übernehmen die Rechner nach und nach alle Aufgaben, die sonst ein Mensch im Luftfahrzeug oder vom Boden aus erledigen müsste. Vom DLR werden hierzu als nächster Schritt neue automatische Flugsteuerungsfunktionen für alle Flugphasen entwickelt. Das heißt dass der unbemannte Tragschrauber seinen ersten automatischen Flug inklusive Rollen, Start, Reiseflug und Landung absolvieren soll.

Die Erkenntnisse aus dem Projekt und den Flugversuchen sind ein wichtiger Grundstein dafür, zukünftig unbemannte Luftfahrzeuge dieser Größe kostengünstig und sicher außerhalb bisher einzurichtender Sperrgebiete zu betreiben. Dabei sind die Einbindung in eine Logistikkette, die betriebsbezogene Risikobewertung, das automatische Überwachen des Systemzustands mit einem Sicherheitsmonitor sowie die Entwicklung von Strategien zur Risikoreduzierung weitere Ziele der DLR-Forschung im Bereich unbemannter tieffliegender Lufttransport.

 

Vom Demonstrator zum automatisch fliegenden UAS

 

Im DLR-Projekt ALAADy-Demonstrator stehen der Aufbau und die Erprobung eines unbemannten und automatischen Flugversuchsträgers basierend auf einem Tragschrauber im Vordergrund. Eine besondere Herausforderung in der Modifikation der Soft- und Hardware für den automatisierten Flug lag in der Auslegung der Aktuatoren etwa für die Steuerung des Gashebels oder des Roll- und Nickwinkels des Rotorkopfes. Da marktübliche Aktuatoren die speziellen Anforderungen an die Steuerung des unbemannten Frachttransporters nicht erfüllten, haben die DLR-Wissenschaftler für den ALAADy-Demonstrator eigens angepasste Aktuatoren entwickelt. Erste Flugversuche fanden bereits seit 2018 statt. In den Flugversuchen wird Schrittweise die Automatisierung der Flugabläufe erprobt. Die rechtlichen Randbedingungen für den Betrieb unbemannter Flugversuchsträger dieser Klasse sowie die Einbindung in klassische Luftfrachtketten werden ebenfalls erarbeitet.

Darüber hinaus untersuchen Wissenschaftler des DLR bereits seit 2016 Wirtschaftlichkeit, Herausforderungen und potentielle Anwendungsfelder des unbemannten Frachttransports im Projekt ALAADy, welches für die Demonstration die Grundlagen erarbeitet. Ziel dieses Projektteils ist die konzeptionelle Untersuchung, wie sich mittels Einschränkungen im Flugbetrieb Risiken und Kosten minimieren lassen, beispielsweise durch Nutzung geringer Flughöhen und dem gezielten Umfliegen dicht besiedelter Gebiete. Hierbei werden in den theoretischen Konzepten sogar Nutzlasten bis zu einer Tonne untersucht. Basierend auf einer Marktanalyse wurden geeignete Szenarien definiert, für die ein solcher Ansatz wirtschaftlich sinnvoll sein kann, sowie Luftfahrzeugkonfigurationen und Wege zur Integration in das bestehende Luftverkehrssystem entwickelt.

Missionsbezogene Flugfreigabe für unbemannte Luftfahrzeuge

Die Nachweisführung für die erfolgten unbemannten Flugversuche basiert auf dem neuartigen Konzept Specific Operations Risk Assessment (SORA) der Joint Authorities for Rulemaking on Unmanned Systems (JARUS). Im Gegensatz zu klassischen Nachweisverfahren, bei denen die Sicherheit eines Flugsystems für den allgemeinen Betrieb nachgewiesen wird, steht bei SORA der spezielle Anwendungsfall des unbemannten Luftfahrzeugs im Vordergrund. Es wird das Risiko abgeschätzt, das vom speziellen Anwendungsfall ausgeht und die dafür passenden Maßnahmen ermittelt, um die Sicherheit des Betriebs zu gewährleisten. Das Konzept einer missionsbezogenen Flugfreigabe für unbemannte Luftfahrzeuge soll die Balance zwischen der notwendigen Sicherheit und dem wirtschaftlichen Betrieb von Drohnen ermöglichen.

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