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UAVs – Die Zukunft für Mobilität, Logistik und Sicherheit

by Markus Reitbauer

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) oder auch Drohnen sind unbemannte Flugobjekte, die entweder vom Boden per Funkfernsteuerung kontrolliert werden, autonom fest vorprogrammierte Missionen abfliegen oder aber auch selbst Entscheidungen zur Erfüllung der vorgegebenen Mission treffen können. Ihr Einzug in unserem Leben beginnt bei den Spielzeugen und beim Kameraequipment und wird sich bei Flugtaxis und Aufklärungsflugzeugen fortsetzen. In diesem Blog werden die unterschiedlichen Arten von unbemannten Luftfahrzeugen betrachtet. Darüber hinaus wird das breit gefächerte Einsatzspektrum von Faserverbundwerkstoffen für UAV-Strukturen aufgezeigt.

UAV im Inspektionseinsatz / © microdrones GmbH

Inhaltsverzeichnis:

  1. Die Geschichte der unbemannten Luftfahrzeuge
  2. Arten und Einsatzgebiete moderner Drohnen
  3. Anwendungsgebiete für Faserverbundwerkstoffe bei unbemannten Luftfahrzeugen
  4. Zusammenfassung

Die Geschichte der unbemannten Luftfahrzeuge

Schon im 18. Jahrhundert wurden die ersten unbemannten Fluggeräte in Form von Wetterballons in den Himmel geschickt, um Daten zu sammeln. Dies weckte natürlich auch das Interesse der Militärs und so sollte im Jahr 1849 Venedig mit Hilfe unbemannter Ballons bombardiert werden. Das Unterfangen scheiterte allerdings auf Grund auffrischenden Windes.
Das Konzept der Drohnen wurde aber weiterverfolgt und insbesondere im Zuge der beiden Weltkriege weiterentwickelt. In den 50er Jahren des vergangenen Jahrhunderts kamen so zum ersten Mal Zieldarstellungsdrohnen für das Training von Piloten und Luftabwehreinheiten zum Einsatz.

Stratosphäre CarbonAbb.1: Stratosphärenballon mit einer extrem leichten, robusten Carbon Kapsel  

In den 70er Jahren zum Ende des Vietnamkrieges gewannen die unbemannten Aufklärungsflugzeuge stark an Bedeutung und änderten die Informationsgewinnung in Krisengebieten von da an nachhaltig.

Arten und Einsatzgebiete moderner Drohnen

Im Hobbybereich kommen häufig Multicopter zum Einsatz. Mehrere Rotoren, die um eine Tragstruktur befestigt sind, ermöglichen ein stabiles Flugverhalten, vertikales Starten und Landen und die zentrale Befestigung eines Kamerasystems. Auf Grund dieser Eigenschaften werden solche Drohnen häufig für Foto- und Filmaufnahmen aber auch Wettbewerbe wie FPV-Rennen genutzt. Die Steuerung kann sowohl durch den Piloten als auch teilautonom durch die integrierte Elektronik erfolgen.

Im professionellen zivilen Bereich ermöglichen solche teilautonom agierenden Fluggeräte das Monitoring von Verkehrssituationen, die Unterstützung von Such- und Rettungsaktionen, die Lieferung von Waren und auch die Erstellung eines detaillierten Lagebildes nach Umweltkatastrophen wie Erdbeben oder Überschwemmungen. Ein weiterer Anwendungsfall in diesem Bereich ist die Bereitstellung eines Netzwerkzuganges oder Navigationssystems in schwer zugänglichen Gebieten ohne Infrastruktur. Auf Grund der längeren notwendigen Verweildauer vor Ort werden hier konventionelle Fluggeräte mit Tragflügeln und Solarantrieb entwickelt. Im Bereich des Personentransports, der sogenannten Airtaxis, sind aktuell sowohl Multirotorkonzepte als auch konventionelle Entwürfe und Mischformen zu finden, bei denen der Schubvektor verändert werden kann.

Im Bereich der Verteidigungstechnik dominieren konventionelle Flugzeugentwürfe mit einem Tragflügel, wobei der notwendige Schub sowohl über ein Strahltriebwerk als auch über Propeller generiert werden kann. Die Spannweite von UAVs, die sich in diesem Bereich im Einsatz befinden gleicht der eines Passagierflugzeuges, die Reichweite kann dabei über 20.000 km betragen. Hier zeigt sich auch gleich ein wichtiger Vorteil dieser Fluggeräte, die Ermüdung eines Piloten spielt auch bei Missionen über solche Distanzen keine Rolle.

UAV defenceAbb.2: militärische Drohne beim Startvorgang (CH-4B / CASC

Eingesetzt werden solche Drohnen in der Grenz- und Objektsicherung und zu Aufklärungszwecken. Darüber hinaus werden auch unbemannte Tankflugzeuge entwickelt und erprobt, um die mögliche Missionsdauer zu verlängern. Bei Drohnen, die in der Lage sind, eine Bewaffnung zu tragen, spricht man von Unmanned Combat Aerial Vehicles (UCAVs). Charakteristisch für Entwicklungen in diesem Bereich ist die Anwendung eines Nurflügel- oder Blended Wing Body Konzeptes. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Reduzierung der Sichtbarkeit des Flugzeuges für ein feindliches Radar- oder Infrarotsystem.

 

Anwendungsgebiete für Faserverbundwerkstoffe bei unbemannten Luftfahrzeugen


Wie in der Luftfahrt üblich, müssen auch die verwendeten Materialien für Drohnen robust und sehr leicht sein, um das Eigengewicht des Fluggerätes zu reduzieren. So wird entweder eine höhere Zuladung an Equipment oder an Treibstoff ermöglicht. Dadurch kann das UAV länger vor Ort betrieben werden, von einer sicheren Basis aus starten oder durch besseres Kameraequipment qualitativ hochwertigeres Bildmaterial liefern.

Karbon Drohne

Abb.3: Der RiCOPTER ist eine auf UAV basierte Laserscanning Plattform

Faserverbundwerkstoffe und besonders Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe eignen sich durch ihr niedriges spezifisches Gewicht bei hervorragenden mechanischen Eigenschaften ideal, um diese Ziele zu erreichen. Die ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit ermöglicht darüber hinaus auch den Einsatz unter schwierigen Bedingungen.
Weiter Vorteile der Verbundwerkstoffe mit Blick auch UAV-Strukturen sind:

  • Die Möglichkeit, komplex geformte aerodynamische Bauteiloberflächen mit einem Minimum an Fügestellen zu realisieren
    • So können die Anzahl an Fügestellen und damit verbunden die Anzahl an Fügeprozessen, Toleranzausgleichselementen und am Ende auch Verbindungselementen reduziert werden.
  • Die Möglichkeit, durch den gezielten Einsatz der Faserausrichtung die elastische Verformung von aerodynamischen Komponenten zu beeinflussen
  • Die Möglichkeit, durch die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe im Verbundmaterial zusätzliche Funktionen in Bauteile zu integrieren
    • Elektrisch leitfähige Schichten in oder auf Faserverbundbauteilen können als Antennenkomponenten genutzt werden
    • Elektromagnetisch transparente Faserverbundwerkstoffe eignen sich zum Schutz teurer Radar- und Kommunikationssysteme
    • Die Integration von Radarstrahlung absorbierenden Werkstoffen in den Strukturwerkstoff erlaubt es, die Radarsignatur eines Fluggerätes zu verringern

Zusammenfassung

Unbemannte Luftfahrzeuge werden schon seit geraumer Zeit genutzt und werden in Zukunft vermehrt eine Rolle in unserem Alltag spielen. Der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen eignet sich hervorragend um die Leistungsfähigkeit zukünftiger unbemannter Fluggeräte zu verbessern.

carbontechnik Kleinserie prototypen

Markus Reitbauer

Geschäftsführer Bereich Carbontechnik Carbon-Solutions Hintsteiner GmbH

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Carbon CFK Autoklaventechnik Herstellung.jpg

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