By schroedl
23. November 2021

Projektnummer: 5.509.20001 (Vereisung verschiedener Drohnenmodelle)

Involvierte Kooperationspartner:

RTA Rail Tec Arsenal

FH JOANNEUM

AIRlabs Austria

Projektbeschreibung/Methoden:

Allwetterfähigkeit von Drohnen, insbesondere im Bereich von Vereisung, bzw. dessen Verständnis und mögliche Gegenmaßnahmen sind aktuell Fokus von internationalen Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen. Die Notwendigkeit der Aktivitäten in diesen Bereichen manifestiert sich in der Tatsache, dass aktuell zivile UAV weltweit nicht für einen Betrieb unter 5°C zugelassen werden. Die AIRlabs Austria hat daher bereits einige innovative Ansätze in diesem Themenbereich ergriffen.

Im November 2020 wurden Vereisungstests im Klima-Wind-Kanal von RTA durchgeführt. Die AIRlabs-Tests wurden in Zusammenarbeit von FH JOANNEUM, RTA und AIIS geplant und durchgeführt. Im Rahmen der Vereisungstests wurde ein Multikopter mit 25 kg maximaler Abflugmasse in definierten Vereisungsbedingungen mit konstanter Drehzahl in einem Reiseflug-Szenario betrieben, um die Auswirkungen auf die Flugeigenschaften zu untersuchen.

Dafür kam es zur erstmaligen Vorbereitung und Bereitstellung des „kleinen“ Klima-Wind-Kanals (KWK) der RTA für aerodynamische und icing tests mit einem kompletten, funktionsfähigen Multicopter.

Ein Ziel des Tests war die optimierte Ausnutzung der Testzeit: Im Zuge der Vorbereitung wurde ein großes Augenmerk auf die Optimierung der Testabläufe gelegt. Dies beinhaltet neben Planungsaktivitäten auch den Einsatz von effizienten Methoden zur Dokumentation der Ergebnisse und zum rascheren Enteisen des Multicopters (Reduktion der Standzeiten) mittels einer neu entwickelten sehr fein regelbaren Heißluft-Methode, die erstmals zum Einsatz kam.  Stand der Technik in anderen IWTs ist es hierfür Dampf zu verwenden, was wiederum ein nachtrocknen erfordert und somit auch länger dauern würde. Um einen möglichst großen Mehrwert aus den durchgeführten experimentellen Untersuchungen extrahieren zu können, war es notwendig verschiedene Messtechnik in das Testsetup zu integrieren. Hierzu zählen High-Speed Kameras, Wärmebildkameras, diverse Sensorik im Hinblick auf die Überwachung der Drohne und eine möglichst detaillierte Dokumentation der Ergebnisse.

Ergebnisse/Dissemination:

Bis dato konnte nur der große KWK zu einem Icing Wind Tunnel (IWT) umgerüstet werden. Der wesentliche Unterschied für icing tests zwischen dem kleinen und großen KWK der RTA ist die maximal erreichbare Windgeschwindigkeit, welche im großen KWK bis 80 m/s und im kleinen KWK bis 50 m/s möglich ist. Gerade für den UAV Markt sind die 50 m/s ausreichend und somit wurde beschlossen diese Möglichkeit in mehreren Schritten auch im kleinen KWK zu realisieren. Damit können zukünftig KWK bzw. IWT Kosten für zukünftige NutzerInnen reduziert sowie eine höhere Verfügbarkeit angeboten werden.

Um noch kosteneffizienter im Bereich von kleinen Testobjekten (wie z.B. UAVs) arbeiten zu können, wurde auch eine „Doppel-“ Belegung mit Testobjekten erstmal vorbereitet und ausprobiert. Hierfür wurden zwei voneinander unabhängige Experimente gestaffelt im KWK integriert. Die notwendige Ansteuerung, Datenaufzeichnung etc. mussten dazu doppelt ausgeführt werden. Auch die Betreuung der beiden unterschiedlichen NutzerInnen, musste neu mit zwei unabhängigen Projektmanagementteams realisiert werden.

Es wurde ersichtlich, dass technische Herausforderungen unter anderem in dem Bereich des Versperrungsgrades gegeben sind. Mit dieser Kennzahl wird sichergestellt, dass das Windkanalmodell nicht zu viel des Windkanalquerschnittes „versperrt“ und die Strömung zu sehr gegen die Windkanalwände ablenkt bzw. insgesamt aufstaut. Beim gestaffelten Aufbau der beiden Windkanalmodelle ist dies mit zu berücksichtigen. Parallelität der Anströmung: Das stromabwärts im Windkanal liegende Experiment liefert nur dann qualitativ und insbesondere quantitativ auswertbare Ergebnisse, wenn der Nachlauf des stromaufwärts liegenden Modelles die Strömung nicht zu sehr stört. Dies ist im vorliegenden Fall auch deshalb extrem herausfordernd und innovativ im Ansatz, da der große Multicopter mit laufenden Rotoren und damit auch den entsprechenden Abwindfeldern im Kanal integriert war. Dies beeinflusst neben der Aerodynamik auch den Vereisungszustand (LWC, MVD, etc.).

Bei den durchgeführten Tests gelang es ein Testsetup zu realisieren, bei dem das Verhalten eines Multicopters in Vereisungsbedingungen fundiert beobachtet und anschließend beurteilt werden konnte. Es wurde beobachtet, dass Vereisung bereits in sehr kurzen Zeiträumen von weniger als 100 Sekunden zu kritischen Situationen führen kann.

Skalierung auf andere Bereiche: Die erarbeiteten innovativen Methoden, die eine weltweite Neuheit darstellen, können auch auf andere Testszenarien mit unterschiedlichen Testobjekten angewandt werden. Weitere Schritte, den kleinen IWT auch zukünftig für Zulassungsprozesse im Vereisungs- aber auch Schneebereich verwenden zu können, sind in konkreter Planung.

Auch hinter der Hauptmessebene, in der sich das Primärexperiment mit dem Multicopter befand, sind an der Messstelle des zweiten IWTs idealerweise klar definierte klimatische Anströmzustände erforderlich. D.h. auch am Rotorprüfstand sollen Wassertropfen, Wind, Temperatur, Anströmwinkel etc. möglichst unverändert ankommen.

Erste Messergebnisse der NutzerInnen sind erfolgversprechend. Dieser innovative Ansatz bei der Bereitstellung von Infrastruktur durch AIRlabs soll und muss aber durch weitere Experimente weiter validiert und verifiziert werden. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden im Rahmen von zwei wissenschaftlichen Publikationen im Zuge des AIAA Aviation Forums 2021 verwertet und sind in das Forschungsprojekt All-Weather Drone eingeflossen.

Publikationen:

  • 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.

Verbundenes Forschungsprojekt:

All-Weather Drone (Genehmigtes kooperatives Forschungsprojekt im Rahmen des TAKE OFF CALL 2020 der FFG)

Research and Development of Capabilities for Multicopter UAS Operation in Severe Weather Conditions

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