Infrastrukturentwicklung und Bereitstellung von RTA für innovative Anwendungen im Bereich der Drohnenvereisung.

Die Allwettertauglichkeit von UAVs, insbesondere im Bereich der Vereisung, bzw. deren Verständnis und mögliche Gegenmaßnahmen stehen derzeit im Fokus internationaler Forschungs- und Entwicklungsbemühungen. Die Notwendigkeit von Aktivitäten in diesen Bereichen zeigt sich darin, dass derzeit zivile UAVs weltweit nicht für den Betrieb unter 5 °C zertifiziert sind. AIRlabs Austria hat daher bereits einige innovative Ansätze in diesem Bereich verfolgt.

Im November 2020 wurden Vereisungstests im Klimawindkanal der RTA durchgeführt. Die AIRlabs-Tests wurden in Zusammenarbeit zwischen der FH JOANNEUM, der RTA und dem AIIS (Austrian Institute for Icing Sciences) geplant und durchgeführt. Im Rahmen der Vereisungstests wurde ein Multikopter mit einer maximalen Startmasse von 25 kg unter definierten Vereisungsbedingungen mit konstanter Geschwindigkeit in einem Reiseflugszenario betrieben, um die Auswirkungen auf die Flugeigenschaften zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde der „kleine“ Klimawindkanal (CWT) der RTA vorbereitet und erstmals für aerodynamische und Vereisungstests mit einem kompletten, funktionsfähigen Multikopter zur Verfügung gestellt.

Ein Ziel des Tests war es, die Ausnutzung der Testzeit zu optimieren: Im Zuge der Vorbereitung wurde viel Wert auf die Optimierung der Testabläufe gelegt. Dazu gehörten neben Planungsmaßnahmen auch der Einsatz effizienter Methoden zur Dokumentation der Ergebnisse und zur schnelleren Enteisung des Multikopters (Reduzierung der Ausfallzeiten) mittels eines neu entwickelten, sehr fein steuerbaren Heißluftverfahrens, das erstmals zum Einsatz kam. Der Stand der Technik in anderen Icing Wind Tunnels (IWT) ist die Verwendung von Dampf, der wiederum eine Nachtrocknung erfordert und daher länger dauern würde. Um einen möglichst hohen Mehrwert aus den durchgeführten experimentellen Untersuchungen zu ziehen, war es notwendig, verschiedene Messgeräte in den Versuchsaufbau zu integrieren. Dazu gehören Hochgeschwindigkeitskameras, Wärmebildkameras, verschiedene Sensoren zur Überwachung der Drohne und eine detaillierte Dokumentation der Ergebnisse.

Bislang konnte nur der große CWT in einen Vereisungswindkanal (IWT) umgewandelt werden. Der Hauptunterschied zwischen dem kleinen und dem großen CWT der RTA bei Vereisungstests ist die maximal erreichbare Windgeschwindigkeit, die im großen CWT auf bis zu 80 m/s und im kleinen CWT auf bis zu 50 m/s einstellbar ist. Insbesondere für den UAV-Markt sind 50 m/s ausreichend, weshalb beschlossen wurde, diese Möglichkeit in mehreren Schritten auch im kleinen CWT zu implementieren. Auf diese Weise können die Kosten für CWT und IWT für zukünftige Nutzer gesenkt und eine höhere Verfügbarkeit angeboten werden.

Um im Bereich kleiner Testobjekte (wie UAVs) noch kosteneffizienter arbeiten zu können, wurde auch eine „doppelte“ Belegung mit Testobjekten vorbereitet und erstmals ausprobiert. Zu diesem Zweck wurden zwei unabhängige Experimente versetzt in die CWT integriert. Die erforderliche Steuerung, Datenerfassung usw. musste zweimal durchgeführt werden. Die Betreuung der beiden unterschiedlichen Nutzer musste ebenfalls durch zwei unabhängige Projektmanagementteams realisiert werden.

Es zeigte sich, dass unter anderem im Bereich des Blockierungsgrades technische Herausforderungen auftraten. Dieses Verhältnis wird verwendet, um sicherzustellen, dass das Windkanalmodell nicht zu viel vom Windkanalquerschnitt „blockiert“ und den Luftstrom zu stark gegen die Windkanalwände ablenkt oder ihn insgesamt akkumuliert. Dies muss bei der Versetzung der beiden Windkanalmodelle berücksichtigt werden. Parallelität der Anströmung: Das stromabwärts im Windkanal angeordnete Experiment liefert nur dann qualitativ und vor allem quantitativ auswertbare Ergebnisse, wenn die Luftspur des stromaufwärts gelegenen Experiments die Strömung nicht zu stark stört. Im vorliegenden Fall ist dies auch deshalb eine große Herausforderung und innovativ, weil der große Multikopter mit laufenden Rotoren und damit auch die entsprechenden Windfelder in den Kanal integriert wurden. Dies beeinflusst nicht nur die Aerodynamik, sondern auch die Vereisungsbedingungen (LWC, MVD usw.).
Während der durchgeführten Tests konnte ein Versuchsaufbau realisiert werden, mit dem das Verhalten eines Multikopters unter Vereisungsbedingungen fundiert beobachtet und anschließend bewertet werden konnte. Es wurde festgestellt, dass Vereisung bereits in sehr kurzen Zeiträumen von weniger als 100 Sekunden zu kritischen Situationen führen kann. Übertragbarkeit auf andere Bereiche: Die entwickelten innovativen Methoden, die weltweit neuartig sind, können auch auf andere Testszenarien mit unterschiedlichen Testobjekten angewendet werden. Weitere Schritte, um den kleinen IWT auch in Zukunft für Zulassungsverfahren im Vereisungs-, aber auch im Schneebereich nutzen zu können, sind konkret in Planung.

Hinter der Hauptmessebene, wo sich das Primärexperiment mit dem Multikopter befand, sind auch am Messpunkt des zweiten IWT idealerweise klar definierte klimatische Einströmbedingungen erforderlich. Das bedeutet, dass Wassertropfen, Wind, Temperatur, Anstellwinkel usw. möglichst unverändert am Rotorprüfstand ankommen sollten. Die ersten Messergebnisse der Anwender sind vielversprechend. Dieser innovative Ansatz der Infrastrukturbereitstellung durch AIRlabs sollte und muss jedoch durch weitere Experimente validiert und verifiziert werden. Die Ergebnisse flossen in zwei wissenschaftliche Publikationen auf dem AIAA Aviation Forum 2021 ein und wurden in das Forschungsprojekt All-Weather Drone integriert.

• Kozomara, D., Neubauer, T., Puffing, R., Bednar, I., and Breitfuss, W., “Experimental Investigation on the Effects of Icing on Multicopter UAS Operation,” AIAA Aviation Forum 2021 – Virtual Event, August 02-06-2021, 2021, DOI: https://doi.org/10.2514/6.2021-2676.
• Tramposch, A., Thomann, M., and Kozomara, D., “Determination of Droplet Impingement on an Octocopter at different Flight and Icing Conditions with CFD Methods,” at AIAA Aviation Forum 2021 – Virtual Event, August 02-06, 2021, DOI: https://doi.org/10.2514/6.2021-2501.