Drohnen als fliegende Transporter
Luftfahrt, unbemanntes Fliegen © DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
Logistik und Vernetzung werden immer bedeutender in einer globalisierten Welt. Die Paketzustellung aus der Luft ist dabei ein Zukunftsthema mit breitem Anwendungspotenzial. Mit den Projekten ALAADy (Automated Low Altitude Air Delivery) und ALAADy-Demonstrator forscht das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) 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.
"Wir entwickeln und erproben im Programm Luftfahrtforschung des DLR einen Demonstrator für den unbemannten Frachttransport und eröffnen damit die Perspektive, Lasten von bis zu 200 Kilogramm auf Distanzen bis zu 500 Kilometern im bodennahen Luftraum zu befördern", sagt DLR-Luftfahrtvorstand Prof. Rolf Henke. "Unterhalb des regulären Luftverkehrs ermöglicht das Konzept einen flexiblen Betrieb auf regionalen Strecken abseits besiedelter Gebiete."
Mit der umfangreichen Modifikation eines 450 Kilogramm 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. "Dieser Technologiedemonstrator ist bestens geeignet, um die am DLR entwickelten Konzepte für den tieffliegenden Lufttransport mit deutlich größeren Nutzlasten, als den bisher untersuchten, zu validieren", sagt ALAADy-Projektleiter Johann Dauer vom DLR-Institut für Flugsystemtechnik in Braunschweig.
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.
"Tragschrauber haben den besonderen Vorteil einer inhärenten Sicherheit", betont Dr. Sven Lorenz, der am DLR-Institut für Flugsystemtechnik Aufbau und Probebetrieb des Technologie-Demonstrators leitet, die Vorzüge der Konfiguration. "Das bedeutet, dass der frei drehende Rotor im Falle eines Fehlers eine sanfte Landung wie an einem Fallschirm ermöglicht."
Die Frachtdrohne hat mittlerweile in Flugversuchen mehrere Platzrunden in bis zu 150 Meter Höhe und mit einer Geschwindigkeit von etwa 100 Kilometer pro Stunde absolviert. "Mit den Versuchsflügen konnten wir bereits zeigen, dass Tragschrauber eine geeignete Konfiguration für den unbemannten Lufttransport sind", erklärt Lorenz. Die manuellen Flüge schaffen die Grundlage dafür, das Fluggerät nun Schritt für Schritt zu automatisieren. Die Rechner übernehmen dann nach und nach alle Aufgaben, die sonst ein Mensch im Luftfahrzeug oder vom Boden aus erledigen müsste. "Im nächsten Schritt soll der unbemannte Tragschrauber seinen ersten automatischen Flug absolvieren", sagt Lorenz. "Wir entwickeln nun neue automatische Flugsteuerungsfunktionen für alle Flugphasen: das heißt für Rollen, Start, Reiseflug und Landung."
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", erklärt Dauer.
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.
An den beiden Projekten, 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.
Unbemannte Luftfahrtsysteme (UAS) werden bereits heute 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 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.
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.
"Wir entwickeln und erproben im Programm Luftfahrtforschung des DLR einen Demonstrator für den unbemannten Frachttransport und eröffnen damit die Perspektive, Lasten von bis zu 200 Kilogramm auf Distanzen bis zu 500 Kilometern im bodennahen Luftraum zu befördern", sagt DLR-Luftfahrtvorstand Prof. Rolf Henke. "Unterhalb des regulären Luftverkehrs ermöglicht das Konzept einen flexiblen Betrieb auf regionalen Strecken abseits besiedelter Gebiete."
Ladefläche für Fracht statt Sitzplätze
Mit der umfangreichen Modifikation eines 450 Kilogramm 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. "Dieser Technologiedemonstrator ist bestens geeignet, um die am DLR entwickelten Konzepte für den tieffliegenden Lufttransport mit deutlich größeren Nutzlasten, als den bisher untersuchten, zu validieren", sagt ALAADy-Projektleiter Johann Dauer vom DLR-Institut für Flugsystemtechnik in Braunschweig.
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.
"Tragschrauber haben den besonderen Vorteil einer inhärenten Sicherheit", betont Dr. Sven Lorenz, der am DLR-Institut für Flugsystemtechnik Aufbau und Probebetrieb des Technologie-Demonstrators leitet, die Vorzüge der Konfiguration. "Das bedeutet, dass der frei drehende Rotor im Falle eines Fehlers eine sanfte Landung wie an einem Fallschirm ermöglicht."
Die Frachtdrohne hat mittlerweile in Flugversuchen mehrere Platzrunden in bis zu 150 Meter Höhe und mit einer Geschwindigkeit von etwa 100 Kilometer pro Stunde absolviert. "Mit den Versuchsflügen konnten wir bereits zeigen, dass Tragschrauber eine geeignete Konfiguration für den unbemannten Lufttransport sind", erklärt Lorenz. Die manuellen Flüge schaffen die Grundlage dafür, das Fluggerät nun Schritt für Schritt zu automatisieren. Die Rechner übernehmen dann nach und nach alle Aufgaben, die sonst ein Mensch im Luftfahrzeug oder vom Boden aus erledigen müsste. "Im nächsten Schritt soll der unbemannte Tragschrauber seinen ersten automatischen Flug absolvieren", sagt Lorenz. "Wir entwickeln nun neue automatische Flugsteuerungsfunktionen für alle Flugphasen: das heißt für Rollen, Start, Reiseflug und Landung."
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", erklärt Dauer.
Die Projekte ALAADy-Demonstrator und ALAADy
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.
An den beiden Projekten, 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.
Nationales Erprobungszentrum für unbemannte Luftfahrtsysteme in Cochstedt
Unbemannte Luftfahrtsysteme (UAS) werden bereits heute 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 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.
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.