Technischer Projektbericht: „Optimierung Multiusermessungen RTA/All-Weather-Drone“ 

Projektnummer: 5.509.20004

Autor:innen:
Austrian Institute for Icing Sciences
FH JOANNEUM GmbH
AIRlabs Austria GmbH

Zusammenfassung: Experimentelle Tests unter kritischen Wetterbedingungen

Experimentelle Tests unter kritischen Wetterbedingungen sind ein essenzieller Bestandteil bei der Entwicklung und der Zulassung von Fluggeräten. Hierzu zählen auch unbemannte Fluggeräte wie Multirotorsysteme, Flächendrohnen oder VTOL-UAVs. Eine solche Art von Untersuchungen ist jedoch häufig mit signifikanten Kosten und Zeitaufwendungen behaftet. Daher gilt es experimentelle Tests besonders effizient zu gestalten um die Kosten für Entwickler und/oder Betreiber möglichst niedrig zu halten. Das übergeordnete Ziel dieses Projekts, besteht darin, die innovativen Möglichkeiten zur parallelen Untersuchung „kleiner“ UAS-Rotoren unter extremen Wetterbedingungen zu demonstrieren.

Die Tests wurden als eigenständiges Innovationsprojekt ergänzend zum TAKE-OFF Forschungsprojekt „All-weather Drone“ durchgeführt. Das Projekt „All-weather Drone“ konzentriert sich darauf, die Auswirkungen von spezifischen Wetterbedingungen wie Regen, Schnee und Vereisung auf den Betrieb von Multirotor- Drohnen mit einem maximalen Startgewicht von 25 kg zu untersuchen. Besonderes Augenmerk lag bei den Tests auf den Leistungsparametern und der Flugsicherheit. Aufgrund des begrenzten Wissens über Rotoren unter solch extremen Wetterbedingungen sind experimentelle Untersuchungen von unschätzbarem Wert sowohl für Nutzer, Entwickler als auch für Behörden. Da diese Art von Untersuchungen jedoch beträchtliche Kosten verursacht, ist eine effiziente Durchführung von entscheidender Bedeutung. Innerhalb des Innovationsprojekts wurde daher untersucht, ob und mit welchen Folgen mehrere Rotorprüfstände parallel im Klima-Wind-Kanal betrieben werden können. Im Gegensatz zu dem bereits erprobten Multiuser-Konzept (AIRlabs, RTA, FHJ und AIIS) wurden in diesem Projekt mehrere Rotorprüfstände parallel (in verschiedenen Ebenen) betrieben, was eine neue Herausforderung darstellt. Es bestand die Möglichkeit, dass sich die Strömungsfelder der Rotoren gegenseitig beeinflussen und dass abrutschendes Eis problematisch für die benachbarten Prüfstände sein könnte.

Weiters ist davon auszugehen, dass die Prüfstände die Testbedingungen, insbesondere den lokalen Wassergehalt im Luftstrom beeinflussen. Dazu war es geplant die Untersuchungen in folgendem Szenario durchzuführen: Positionierung von drei baugleichen Rotorprüfständen parallel zueinander, wobei diese eine vertikale Separation (unterschiedliche Höhe der Rotorebene) aufwiesen. Diese Trennung wird eingeführt, um die Prüfstände vor abrutschendem Eis von anderen Prüfständen zu schützen.

Diese Untersuchungen weisen einen hohen Praxisbezug auf und tragen daher maßgeblich zur Erweiterung des Wissens über die Leistungsfähigkeit von Rotoren unter extremen Wetterbedingungen bei und sind von hoher Bedeutung für die Entwicklung innovativer Technologien in der Drohnenindustrie. Die klimatischen Testbedingungen werden von relevanten bestehenden Luftfahrtstandards wie Appendix C für Vereisung von den EASA Zulassungsvorschriften CS-25. Dabei werden für eine Multirotor-Drohne typische Flugmissionen, der Flugbereich, die zu erwartende geringere Reisefluggeschwindigkeit und -höhe (im Vergleich zur bemannten Luftfahrt) berücksichtigt.

Während der Versuche werden wesentliche Parameter wie Leistung, Drehzahl, Drehmoment etc. aufgezeichnet. Um die Multiusermöglichkeiten zu evaluieren, wird bei den vorderen drei Prüfständen jeweils das gleiche Testsetup gewählt (Rotor, Ausrichtung und Drehzahl). Als Ergebnis wurden AIRlabs Daten von den All-weather Drone Projektpartnern (insbesondere RTA, AeroTex, AIIS und FH JOANNEUM) zur Verfügung gestellt, um die gegenseitige Beeinflussung von mehreren UAS-Rotoren für zukünftige Tests abschätzen zu können. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass AIRlabs Kunden bei der Planung und Durchführung von Multiuser-Tests im Klima-Wind-Kanal von RTA unterstützen kann.

Dadurch können die Aufwände (Kosten und Zeit) für die Kunden reduziert werden. In diesem Zusammenhang wurde das Methodenwissen über Multiobjektversuche im Klima-Wind-Kanal der RTA weiter ausgebaut. AIRlabs hat schon in zwei Messkampagnen gemeinsam mit Partnern erste Erfahrungen bei der Durchführung von Multiusermessungen gemacht. Die Ergebnisse des methodischen Lernens sollen einerseits validiert werden und anderseits sollen neue Aspekte / Technologien / Versuchsanordnungen erprobt werden.

Projektziele

1. Demonstration der parallelen Testmöglichkeit von mehreren Rotoren im Klima-Wind-Kanal von RTA.
2. Die Installation mobiler Kameras zur verbesserten Beobachtbarkeit der Vereisungsvorgänge sollen erprobt werden.
3. Eine Verbesserung der Abläufe des Projektmanagements bei Multiuserprojekten und unterschiedlichen Testobjekten.

Projektdurchführung

Die Versuche wurden im Klima-Wind-Kanal der im Februar 2023 durchgeführt. Gewählt wurde der kleinere Klima-Wind-Kanal (SWT, Small Icing Wind Tunnel) mit einem Querschnitt von ca. 5x6m und einer Länge von 33,8m. Der SWT kann Strömungsgeschwindigkeiten bis 45m/s erzeugen und ist mit fixen Deckenkameras ausgestattet, die zur Überwachung von Versuchen dienen.

Der Versuchsaufbau bestand aus drei parallel angeordneten 26‘‘ Propellern (1-3 auf dem Bild). Diese waren nebeneinander auf Messständen in verschiedenen Höhen aufgebaut.

Die hinteren beiden Aufbauten (4-5) wurden für andere Versuche verwendet und konnten aufgrund der Verwendung anderer Komponenten nicht zum Vergleich genutzt werden. Die ersten durchgeführten Versuche fanden noch unter Regenbedingungen statt. Danach wurden Tests unter Vereisungsbedingungen durchgeführt. Da die Kameras in der Decke für eine qualitative Überwachung der Eisbildung nicht geeignet sind, wurden eine mobile und eine Hochgeschwindigkeitskamera montiert. Dadurch konnte der Vereisungsvorgang genau beobachtet werden. Details wie der Beginn der Eisbildung, die Ausbreitung und der Abwurf von Eis konnten so genau untersucht werden.

Schlussfolgerung

Die durchgeführten experimentellen Untersuchungen zeigten keine signifikante Beeinflussung der drei parallel betriebenen Prüfstände im Klima-Wind-Kanal. Etwaige kleinere Unterschiede im Hinblick auf die Leistungsdaten können unter Umständen auf bauliche Unterschiede der Teststände, die Genauigkeiten der Messhardware sowie der lokalen Vereisungsparameter im Klima-Wind-Kanal zurückgeführt werden.

Schlussendlich kann festgehalten werden, dass es grundsätzlich ohne große Beeinflussung möglich ist, drei Rotor Prüfstände mit einem 26“ Propeller im Klima-Wind-Kanal von RTA parallel zu betrieben, wenn diese nebeneinander mit ausreichendem Abstand und in unterschiedlichen Höhen („Vertikale Staffelung“) aufgebaut werden.

Projektziel 1: Demonstration der parallelen Testmöglichkeit von mehreren Rotoren im Klima-Wind-Kanal von RTA

Im Zuge der durchgeführten Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass ein Betrieb von drei Rotorprüfständen in einer Ebene grundsätzlich möglich ist. Es scheint keine signifikante Beeinflussung der Prüfstände zu geben. Die Positionierung der Propeller in unterschiedlichen Höhen hat sich insbesondere im Hinblick auf abrutschende Eispartikel bewährt. Es wurden keine Beschädigungen erkannt.

Projektziel 2: Die Installation mobiler Kameras zur verbesserten Beobachtbarkeit der Vereisungsvorgänge sollen erprobt werden

Es wurden neben den standardmäßig installierten Kameras im Klima-Wind-Kanal auch eine mobile Kamera sowie eine Hochgeschwindigkeitskamera installiert. Mittels dieser Kamerasysteme war es möglich die drei Teststände während der Tests ausreichend gut zu beobachten. Die Eisanlagerung während des Tests konnte qualitativ mittels Hochgeschwindigkeitskamera beurteilt werden.

Projektziel 3: Eine Verbesserung der Abläufe des Projektmanagements bei Multiuserprojekten und unterschiedlichen Testobjekten

Die Zusammenarbeit im Konsortium stellte sich als sehr effektiv und positiv dar. Aufgrund der hohen Komplexität bei der Durchführung von Tests mit vielen separat betriebenen Prüfständen, musste besonderes Augenmerk auf die Koordination gelegt werden. Hierfür ist fundiertes Fachwissen im Bereich der Planung, Durchführung und Dokumentation von Vereisungstests notwendig. Eine frühzeitige Kommunikation mit allen Partnern sowie eine Detailplanung des Testaufbaues ist essenziell. Spannungsversorgung und Datenaufzeichnungen müssen möglichst früh definiert werden, um einen reibungslosen Ablauf zu ermöglichen.