Forschung für einen sicheren und nachhaltigen Betrieb von Drehflüglern

Momentan ist die Forschungsaktivität der Professur für Hubschraubertechnologie noch in der Abteilung für Hubschrauber des DLR konzentriert. Die Abteilung forscht vor allem anwendungsorientiert an zahlreichen Fragestellungen, die in erster Linie für Drehflügler wie z.B. Hubschrauber, aber auch für Windenergieanlagen relevant sind. Dabei stehen Fragen der Sicherheit und Nachhaltigkeit des Betriebs von Drehflüglern im Vordergrund. Das reicht vom Aufbau und der Validierung einer Simulationssoftware für die Untersuchung aeromechanischer Phänomene für Hubschrauber bis hin zur Erprobung von Pilotenassistenzsystemen zur Erhöhung der Sicherheit im Flug. Über zahlreiche nationale und internationale Projekte arbeitet die Abteilung eng mit Industrie, Forschungseinrichtungen und Universitäten zusammen. Das Portfolio wird durch Forschungsaktivitäten im Bereich der Windenergieanlagen ergänzt.
Ziel der Professur ist auch eine vertiefte Forschungskooperation mit der TU Dresden und der Aufbau einer Forschungskompetenz am Institut für Luftfahrt und Logistik.

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Unsere Forschungsschwerpunkte

Modellierung von Drehflüglern

Ein Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten bildet die Modellierung von Drehflüglern. Dabei kommen unterschiedliche Methoden zum Einsatz. Zunächst sind das aufwändige, physikalisch-mathematisch abgeleitete Modelle für Drehflügler, die auch auf Windenergieanlagen übertragen werden, aber auch aus Methoden der Systemidentifikation gewonnene vereinfachte, teils ebenfalls physikalisch motivierte Modelle, die aus Versuchsdaten, z.B. Flugversuchsdaten, identifiziert werden. Beide Methoden werden für unterschiedliche Zwecke angewendet und haben ihre Berechtigung.

Flugregelung und Automatisierung

Das Thema Flugregelung und Automatisierung motiviert sich aus der Tatsache heraus, dass die meisten Drehflügler ohne Basisflugregler schwer zu fliegen sind, so dass der Pilot ohne Flugregelungsunterstützung bereits mit der Stabilisierung seines Luftfahrzeuges konfrontiert und damit höher belastet wird. Zusätzlich stellt der Betrieb insbesondere von Hubschraubern, die nahe Hindernissen operieren und oft in unvorbereitetem Gelände landen, für den Piloten eine besondere Herausforderung dar. Ziel ist es, die Flugsicherheit zu erhöhen, indem der Pilot von Basisaufgaben entlastet wird und sich auf seine Mission konzentrieren kann.

Mensch-Maschine-Schnittstelle

Neben visuellen und akustischen Sinneskanälen bilden taktile Systeme eine weitere Möglichkeit, Piloten eines Luftfahrzeuges zu informieren. Beim DLR werden dazu aktive Sidesticks verwendet. Das sind kleine mechatronische Steuerelemente, die über unterschiedliche Signalgestaltung Informationen an die Pilotenhand weitergeben können. Gerade in der Kombination dieser neuen und der klassischen Informationskanäle bieten sich Chancen zur Etablierung eines multimodalen Cockpits und zur Verbesserung der ergonomischen Cockpitgestaltung. Für sogenannte „Personal Air Vehicles“ werden zudem auch völlig neue Konzepte analysiert.

Forschung für einen sicheren und nachhaltigen Betrieb von Drehflüglern

Seit den ersten Entwicklungen von Drehflüglern im späten 19. Jahrhundert, einem ersten Flug 1907 und einer ersten Reifeperiode von 1920 bis 1950 haben insbesondere die Hubschrauber als eine Kategorie der Drehflügler einen enormen Entwicklungsfortschritt in Flugleistungen, Flugeigenschaften, Komfort, Zuverlässigkeit und Effizienz gemacht. Einige Eigenschaften machen sie für spezielle Missionen besonders geeignet. Dazu zählen ihre Fähigkeit effizient zu schweben (im Vergleich zu anderen Fluggeräten), senkrecht zu steigen und zu sinken und langsam horizontal in alle Richtungen zu fliegen, selbst rückwärts, und dabei noch verhältnismäßig gute Flugeigenschaften aufzuweisen. Dies ermöglicht es Hubschraubern, niedrig zu fliegen und auch in unvorbereitetem Gelände nahe Hindernissen zu landen. Rettungshubschraubern, zum Beispiel, wären ohne diese Eigenschaften nicht denkbar.

Trotz ihres unzweifelhaften Entwicklungsfortschrittes bleiben immer noch einige Herausforderungen wie hohe Unfallzahlen im Vergleich zu Flächenflugzeugen, hoher Lärm insbesondere im Landeanflug, hohe Vibrationen, sowie ein hoher Leistungsbedarf und dadurch begrenzte Flugdauer und Reichweite. Wegen der letztgenannten Gründe werden aktuell neben den klassischen Hubschraubern auch zunehmend alternative Fluggeräte wie Kipprotorflugzeuge, sogenannte „Compound“ Hubschrauber oder „Lift-Offset Compound“ Hubschrauber entwickelt, die alle eine höhere Fluggeschwindigkeit und –reichweite bieten. Zudem drängen durch den aktuellen Entwicklungstrend im Bereich elektrisch fliegender Fluggeräte mit senkrechter Start-/Landefähigkeit völlig neue Designs auf den Markt und bieten die Möglichkeiten zu drastischer Änderung der Systeme und der Steuerung eines Drehflüglers. Dennoch werden klassische Hubschrauber einen festen Anteil am Luftfahrtmarkt behalten. Deshalb bieten sich auch hierfür ausgiebige Forschungsaktivitäten an, um Hubschrauber auf ein ähnliches Niveau des Flugkomforts zu heben, wie es heute bei Flächenflugzeugen geboten wird, oder die Reduktion des Lärms im Sinkflug zur Akzeptanzsteigerung von bodennahen Flügen. Dafür ist ein sehr gutes Verständnis der Physik dieser Fluggeräte, z.B. zur Interaktionsaerodynamik und der Wechselwirkung mit der Struktur, und der Fähigkeit, diese in Simulationssoftware korrekt zu beschreiben, wichtig. Darüber hinaus ist wichtig, die Flugsicherheit für alle Drehflüglervarianten zu erhöhen. Hierfür bieten sich klassische Regelungssysteme an, die den Piloten bei bestimmten Aufgaben entlasten oder Pilotenassistenzsysteme mit geeigneter Mensch-Maschine-Schnittstelle, die ihm ganze Aufgaben abnehmen. Das kann bis hin zu vollautonomen Flugsegmenten reichen, so dass ein Drehflügler bei schlechten Sichtverhältnissen in unvorbereitetem Gelände und in der Hinderniskulisse sicher landen kann.