AirChain

Abbildung 1: Das aktuelle Konzept

In Zeiten ständig zunehmenden mobilen Datenverkehrs mit immer schnelleren Datenübertragungsraten und erforderlichen Bandbreiten steigt die Notwendigkeit, neben den bereits bestehenden bodengebundenen und satellitenbasierten Lösungsansätzen nach Alternativen zu suchen, die dem Datenaufkommen der Zukunft gewachsen sind und eine flächendeckende und kostengünstige Nutzung gewährleisten.Am Institut für Statik und Dynamik der Luft- und Raumfahrtkonstruktionen (ISD) wird hierzu seit mehreren Jahren der Versuchsträger einer mehrsegmentigen Luftschiffplattform ("Luftwurm") erprobt, die bestückt mit Telekommunikationseinrichtungen in 20 km Höhe in der Stratosphäre aufgrund der dort vorherrschenden günstigen Windverhältnisse möglichst stationär über einem festen Punkt der Erde positioniert werden soll (Abbildung 1). Bei entsprechendem Stand der Technik bietet sich hierfür die Möglichkeit eines regenerativen Betriebs dieser Plattform.

Abbildung 2: Prototyp

Die Flughöhe im Bereich von 20 km wurde gewählt, da diese zum einen außerhalb des gewerblich genutzten Luftraumes bis etwa 15 km liegt, zum anderen treten in diesem Höhenbereich die geringsten Windgeschwindigkeiten in der oberen Stratosphäre auf. Diese liegen im Mittel bei etwa 50 km/h im Sommer und 100 km/h im Winter, wobei kurzfristig auch erheblich höhere Werte auftreten können. Wie bei den meisten Fluggeräten kommt auch beim Entwurf von Höhenplattformen der Minimierung der strukturellen Masse eine entscheidende Bedeutung zu. Diese setzt sich beim unstarren Luftschiff aus der Masse der Hülle und der Leitwerke sowie der Nutzlast zusammen. Die Hüllenmasse ergibt sich hierbei aus dem maximalen inneren Überdruck, dem die Hülle standhalten muss. Dieser maximale innere Überdruck setzt sich aus dem Betriebsüberdruck und dem maximalen Differenzdruck des Traggases bei großer Anstellung zusammen.

Abbildung 3: Strömungsmechanische Phänomene

Der Betriebsüberdruck gewährleistet, dass das Luftschiff unter allen Flugbedingungen den statischen Biegebeanspruchungen, die aus einer ungleichmäßigen Verteilung von Auftrieb, Zuladung und Konstruktionsmasse (insbesondere dem Leitwerk) entstehen, sowie den dynamischen Biegebeanspruchungen standhält, die von den Leitwerks- und Munkmomenten bei der Stabilisierung und Steuerung des Luftschiffs hervorgerufen werden. Beide Biegebeanspruchungen und somit die Hüllenmasse steigen mit zunehmendem Länge-Durchmesser-Verhältnis des Luftschiffs, wobei die anteilmäßige Masse der Leitwerke abnimmt. Im Fall einer Kugel verschwinden beide Biegebeanspruchungen, so dass zur Erzielung einer möglichst geringen Hüllenmasse bei gleichzeitig hoher aerodynamischer Güte fünf quasi-kugelförmige Segmente hintereinander angeordnet wurden. Durch die lose Kopplung der Segmente untereinander ergibt sich hierdurch eine zusätzliche Forminstabilität. Der mehrsegmentige "Luftwurm" kann jedoch, wie in zahlreichen Flügen des Prototypen (Abbildung 2) unter Beiweis gestellt, durch entsprechende Regelung mittels differentiellem Schub der seitlich an den ersten drei Segmenten angebrachten Propeller stabilisiert werden.

Abbildung 4: Konfiguration im Windkanal

Zur Simulation aller Systeme dieser luftschiffgestützten Höhenplattform wird im Rahmen des von der Landesstiftung Baden-Württemberg finanzierten AirChain-Projekts der Systemprüfstand IRON BIRD entwickelt. Dieser dient neben der Dimensionierung der an Bord befindlichen Komponenten sowie der komplexen Steurerung auch der ausgiebigen Erprobung des Gesamtsystems. Im Rahmen dieses Projekts befassen sich die Arbeiten am IAG mit aerodynamischen Problemstellungen. Hierzu zählt unter anderem die Berechnung der Propellerkennfelder für die bisher bestehenden Verstellpropeller. Diese sind seitlich an den ersten drei Segmenten des "Luftwurm" angebracht und sorgen für den nötigen Antrieb, wobei durch differentiellen Schub auch die Stabilisierung und Richtungssteuerung des mehrsegmentigen Luftschiffes realisiert wird.

Abbildung 5: Windkanalmodell

Ein weiterer Arbeitspunkt umfasst die Bereitstellung der aerodynamischen Beiwerte für den "Luftwurm". Diese dienen als Grundlage für die flugmechanischen Modelle der Flugregelungssysteme. Obgleich heutige theoretische Ansätze und deren Umsetzung in numerischen Simulationen ständigen Verbesserungen unterliegen, ist die Validierung der erhaltenen Ergebnisse mittels Windkanalversuchen nach wie vor ein wichtiger Bestandteil im Entwurfsprozess eines Flugobjekts. Dies gilt insbesondere für die sehr stark dreidimensionale und bei merklicher Anstellung durch massive Wirbelschichtablösungen gekennzeichnete Luftschiffumströmung. Diese stellt heutige Rechenverfahren noch immer vor große Herausforderungen, vor allem bei den aufgrund der niedrigen möglichen Fluggeschwindigkeiten unter Einfluss von Böen und Flugmanövern bei großen Anstell- oder Schiebewinkeln häufig auftretenden instationären Ablösungen. Für neuartige Konfigurationen wie den "Luftwurm", bei dem die einzelnen Segmente zusätzlich noch unterschiedliche Fluglagewinkel zueinander annehmen können, entstehen somit insbesondere an den Knicken sehr komplexe strömungsmechanische Phänomene (Abbildung 3). Für solch mehrfach geknickte Konfigurationen existiert noch keine aerodynamische Datenbasis, so dass zur Ermittlung der Beiwerte und zur Validierung von Strömungslösern experimentelle Untersuchungen notwendig sind. Die im Rahmen der Windkanalmessreihe zu untersuchenden Konfigurationen zeigt Abbildung 4.

Abbildung 6: Modell im Windkanal

Hierfür wurde für den Böenwindkanal des Instituts ein 4m langes Windkanalmodell erstellt, an dem sich die erforderlichen Segmentwinkel einstellen lassen (Abbildung 5). Dieses besteht aus einem massiven inneren Tragegerüst mit darum rotierbar angeordneten, in Faserververbundbauweise erstellten, Segmenthalbschalen. Neben den Gesamtlasten auf die Konfiguration sind auch die Einzelsegmentlasten zu ermitteln. Erstere werden mit Hilfe einer seilgestützten Modellaufhängung erfasst. Dabei ist das Modell, ausreichend ballastiert, an sechs mit einem Kraftaufnehmer ausgestatteten Seilen aufgehängt. Die aerodynamischen Lasten auf das Modell werden mittels der Seilkräfte und den Seilrichtungen bestimmt, wofür die einzelnen Tragseile jeweils mit drei reflektierenden Markern versehen sind, deren Positionen mit Hilfe eines photogrammetrischen Verfahrens erfasst werden (Abbildung 6). Die Einzelsegmentlasten lassen sich über eine Integration der Druckverteilung an der Modelloberfläche bestimmen.