Die Mission
Die Mission, mit einem wasserstoffbetriebenen Flugzeug durch Österreich von Grenze zu Grenze autonom zu fliegen, soll wichtige Zukunftstechnologien für die Luftfahrt demonstrieren. Mit seiner hohen Energiedichte stellt Wasserstoff, neben synthetischen Flüssigtreibstoffen und erhofften Potentialen der Batterietechnologie, eine realistische Lösung für die grüne Luftfahrt der Zukunft dar. Der BVLOS (“Beyond Visual Line Of Sight”) Betrieb von autonomen Luftfahrzeugen eröffnet eine Vielzahl an Möglichkeiten für Such- und Rettungsdienste, Logistik, urbanen Verkehr und die Anbindung von entlegenen Regionen.
In diesem Kontext will das TU Wien Space Team in enger Kooperation mit der TU Wien und Unterstützung von Politik, Behörden und Industrie die Themen Wasserstoff und BVLOS in der Luftfahrt vorantreiben.
Flugzeugdesign
Das Boxwing-Flugzeug, das im Rahmen dieses Projekts untersucht wird, ist ein vielversprechendes Flugzeugkonzept. Ein vergleichbares Design wurde erstmals von Prandtl in 1924 präsentiert und von Wolkovitch in 1982 patentiert. In seinem Patent beschreibt Wolkovitch seine Erfindung wie folgt: “an aircraft having a fuselage and a pair of first airfoils in the form of wings extending outwardly from the vertical tail and a pair of second airfoils in the form of wings extending outwardly from the forward portion of the fuselage at a lower elevation than the first airfoils”. Zusätzlich schlägt er die Verwendung eines Winglets zu strukturellen Verstärkung der Flügel und zur Reduktion von Strömungswiderstand vor.
Neben anderen Aspekten, Wolkovitch und seine Kollegen halten den Boxwing überlegen gegenüber konventionellen Flügel-Designs in Hinblick auf:
- Gewicht und Steifigkeit
- Induzierter Strömungswiderstand
- Maimaler Lift
- Platzierung der Steuerflächen
- Fertigungs- und Betriebskosten
- Stauraum
Boxwing Optimierung
The Boxwing-Flügelgeometrie wird in CAD mittels unabhängiger Parameter formuliert, welche die Länge, Position und den Anstellwinkel der 7 NACA 65-206 Querschnitte beschreiben, die die Flügelform beschreiben. Ein voll-automatisierter Prozess, der sowohl die Netzgenerierung als auch RANS CFD simulation enthält, wurde validiert und verifziert. Er untersucht den Design Space systematisch, bestimmt die Perfomance unterschiedlicher Flugzeug-Geometrien, berechnet die integralen Oberflächenkräfte und konstruiert Antwortflächen, auf Basis derer ein genetischer Optimierungsalgorithmus vom Typ “Non-dominated Sorted Genetic Algorithm-II (NSGA-II)” operiert.
Vorübergehendes Flügeldesign
Ausgiebige Untersuchung vieler möglicher Geometrien produzierte folgende, optimale Geometrie in Hinblick auf das Verhältnis von Auftrieb und Widerstand:
Wasserstoff
Mit der Verwendung einer Brennstoffzelle in Kombination mit Wasserstoff wollen wir eine umweltfreundliche Alternative zu Kerosin in der Luftfahrt demonstrieren. Mit einer 2,8-fach höheren gravimetrischen Energiedichte als Kerosin ermöglicht es Wasserstoff, bei gleicher Reichweite eine entsprechend höhere Nutzlast zu transportieren – oder bei gleicher Treibstoffmasse deutlich größere Strecken zurückzulegen. Auch im Vergleich zu LiPo-Akkus, die bei Drohnen häufig verwendet werden, kann mehr als die doppelte Reichweite zurückgelegt werden. Unser Plan ist es, einen 7 L Hochdruckzylinder einzubauen, der bei etwa 3,3 kg Gesamtgewicht etwa 150 g Wasserstoff enthält. Damit ist potentiell eine Reichweite von über 600 km möglich, also eine West-Ost-Überquerung von Österreich!
BVLOS
BVLOS – “Beyond Visual Line Of Sight” – also auf Deutsch “Außerhalb direkten Sichtkontakts” – ist die rechtliche Bezeichnung für automatische Drohnenflüge, bei denen kein Pilot mehr jedes Flugmanöver direkt mit einer Fernbedienung steuert. Hier geht es also um die für dieses Projekt essenzielle Frage, unter welchen Voraussetzungen ein Flugzeug überhaupt autonom quer durch Österreich fliegen darf. Die Antwort dazu findet sich in der neuen Drohnenverordnung der EU, die seit 2020 von den Mitgliedsstaaten umgesetzt wird, und erstmals rechtliche Rahmenbedingungen für einen solchen BVLOS Flug schafft. Wir erarbeiten dazu in enger Kooperation mit der Austro Control, die für die Luftraumsicherung in Österreich zuständig ist, ein Konzept und führen Risikoanalysen durch, um sicherzustellen, dass unser autonomer Flug quer durch Österreich für niemanden eine Gefährdung darstellt und wir einen maximalen Level an Sicherheit und Zuverlässigkeit garantieren können.
Regelung
In den Bereich Regelungstechnik fällt alles das mit der Flugsteuerung zu tun hat. Die Hauptaufgabe ist entlang einer fest geplanten Route zu fliegen. Dazu ist ein kompletter Autopilot notwendig. Doch auch sicherheitstechnisch sind die Aufgaben sehr vielfältig. So muss zum Beispiel der Flugcontroller den Status der Brennstoffzelle überprüfen und monitoren, die Einhaltung der Flughöhe kontrollieren und beim Verlassen des geplanten Flugpfads entsprechende Gegenmaßnahmen einleiten.
Auch die Funkverbindung, sowie das Verhalten beim Ausfall dieser, ist ein Themenbereich der Regelungstechnik. Und sollte es im schlimmsten Fall zu einem Total-Loss-of-Power aller Systeme kommen, ist es auch die Aufgabe zu garantieren, dass der Fallschirm trotzdem noch aufgeht.
Fertigung eines skaliertes Mock-Up
Im September 2021 hat das Team das erste 1:3 Mock-Up des Flugzeugs aus Kunststoff und Glasfaser gefertigt.
Präsentation unseres Projekts
Das gesamte Projekte sowie das erste Mock-Up wurden beim “FlyOut Event” des TU Wien Space Teams vorgestellt.
