Entwicklung einer modularen Messplattform zur Analyse des Potenzials von Freiflugmessungen

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung einer modularen, unbemannten Freiflug-Messplattform mit 145 kg Abflugmasse beschrieben. Die Plattform soll die bereits vorhandenen Testwerkzeuge wie Windkanalversuche, CFD-Rechnungen oder Simulationen im Flugzeugentwurfsprozess sinnvoll ergänzen. Ein Schwerpunkt in der Entwicklung wurde auf die Nutzbarkeit einer derartigen Plattform in verschiedenen Disziplinen gelegt. Dieses Messgerät soll nicht - wie existierende Vertreter - nur der Untersuchung eines bestimmten Phänomens dienen, sondern zur Analyse der Verwendbarkeit herunterskalierter Fluggeräte an sich. Das soll qualitativ in unterschiedlichen wissenschaftlichen Disziplinen erfolgen. Als eine der Hauptstrategien ist der modulare Systemaufbau zu betrachten, durch den der multidisziplinäre Einsatz ermöglicht wird. Der konsequente modulare Aufbau zieht sich durch das gesamte UAV-System, angefangen bei der Entwicklungsprozesskette über den strukturellen Aufbau des Gerätes bis hin zur Onboard- Elektronik und der Bodenstation. Eine entscheidende Besonderheit des modularen Systemaufbaus ist die Möglichkeit, das Fluggerät in kürzester Zeit in unterschiedlichen Konfigurationen flugfertig aufzubauen beziehungsweise innerhalb von nur 30 Minuten in andere Konfigurationen umzurüsten. Somit sind Vergleichsflüge zwischen bekannten Standardkonfigurationen und neu zu untersuchenden Konfigurationen mit geringen Einflüssen durch wechselnde Umgebungsbedingungen möglich, da die Umrüstzeiten minimiert werden. Das vorgestellte Konzept wird bezüglich seiner Grenzen und Potenziale analysiert. Dazu werden zunächst physikalische Einschränkungen dieser Methode untersucht, gefolgt von der spezifischen Betrachtung des hier vorgestellten Konzeptes. Es wird die detaillierte Systemauslegung und Umsetzung dargestellt. Zunächst wird der strukturelle Aufbau des Fluggerätes erläutert, gefolgt von der Darstellung der wichtigsten Subsysteme des Onboard-Systems. Die sich durch den modularen Aufbau ergebenden Besonderheiten des Avioniksystems sind in den Beschreibungen des jeweiligen Subsystems enthalten. Einen bedeutenden Stellenwert im Systemdesign nimmt das Flugabbruchsystem ein, welches, im höheren Maße hinsichtlich Redundanz und Zuverlässigkeit ausgelegt wurde. Das UAV-System wird durch eine modulare Bodenkontrollstation ergänzt, über die das System überwacht und manipuliert werden kann. Es folgt die Darstellung des Autopilotensystems, welches zur Unterstützung von Freiflugmessungen ausgelegt ist. Der Autopilot enthält neben den herkömmlichen Funktionen zur Stabilisierung auch Navigationsalgorithmen und Funktionen zur Anregung flugdynamischer Messmanöver. Der Autopilot ist modular gestaltet, so dass er für die jeweilige Mission konfiguriert werden kann. Das Steuerungssystem ist dafür ausgelegt, dass bei Umbauten am Fluggerät keine Software- oder Regleranpassungen manuell vollzogen werden müssen, sondern derartige Anpassungen automatisch erfolgen können. Für die Entwicklung und Tests der Systemkomponenten wurde eine Toolkette erstellt, die für die Validierung des Gesamtsystems herangezogen wurde. Als Teststand wurde ein Iron Bird aufgebaut, der das System im Maßstab 1:1 mit allen Funktionen (bis auf das Fahrwerk) abbildet. Der Iron Bird ist unter anderem mit beweglichen Steuerflächen, dem Tanksystem, dem Fallschirm sowie betriebsfähigen Triebwerken ausgestattet. Er wurde zum Test aller Subsysteme, des Gesamtsystemtests sowie zur Vorbereitung der Windkanalversuche und zu Trainingszwecken für den realen Einsatz herangezogen. Einen weiteren Bestandteil der Validierungstests stellen die Flugversuche mit dem Avioniksystem dar. Dazu wurde die Onboard-Elektronik in ein verkleinertes UAV eingerüstet, mit dem die In flight-Validierungsflüge absolviert wurden. Abschließend wird eine Sicherheitsanalyse dargestellt. Dazu wurden die sicherheitsrelevanten Aspekte des Systementwurfs und der einzelnen Subsysteme zusammengefasst. Das sind vor allem die Segmentierung der Steuerflächen und deren Ansteuerung, Redundanzen bei der Stromversorgung, beim Triebwerks- und Tanksystem sowie die Flugabbruchsteuerung und deren redundante Kommunikations- und Verarbeitungselektronik. Die Untersuchung wurde in Form einer vereinfachten Fehlerbaumanalyse durchgeführt. Aus dieser geht hervor, dass ein Sicherheitsgewinn erzielt werden kann. Gleichzeitig zeigt die Analyse noch verbliebene Single Points of Failure auf, die mit diesem UAV-Avioniksystem nicht restlos eliminiert werden können. Zudem wird gezeigt, dass selbst unter Fehlereinflüssen das Flugabbruchsystem ausgelöst werden kann und mehr als ein wesentliches Subsystem ausfallen muss, um auch diese Option zu verlieren. Damit ist sichergestellt, dass selbst unter kritischen Fehlereinflüssen ein Notstopp mit anschließender Fallschirmbergung möglich ist. Aus der Fehleranalyse konnten zudem Optimierungsmöglichkeiten für das Avioniksystem abgeleitet werden, welche im Ausblick dieser Abhandlung erläutert werden.

This dissertation deals with the development of a modular, unmanned free flight measurement platform with a takeoff weight of 145 kg. The platform is meant to reasonably complement the already existing test tools such as wind tunnel tests, CFD-calculations or simulations during the aircraft design process. The main focus of this development is on the usability of such a platform in various disciplines. Furthermore the motivation for the development of a generic platform as well as the resulting innovative aspects of the system design are described which follow from the platform’s universal application scenario. In contrast to other existing devices, this measuring tool is not only meant to help examine a particular phenomenon but also serves the analysis of the usability of downscaled aircrafts as such. This should qualitatively be carried out in different scientific disciplines. The modular system construction, because of which the multidisciplinary application is enabled, is to be regarded as one of the main strategies. The consequently modular design runs through the entire UAV-system, ranging from the development process chain to the device’s structural configuration as well as the onboard electronics and the ground control station. A decisive special feature of the modular system design is the possibility to build up the aircraft ready-to-fly in different configurations within a very short time and accordingly change to other configurations within just 30 minutes. Thus, comparison flights between known standard configurations and configurations yet to be examined can be performed with minimized influences due to changing atmospheric conditions. The presented concept is analysed concerning its limits and potentials. For that purpose the physical constraints of this method are examined at first, followed by the specific consideration of the presented concept. A detailed system design and realisation are described. At first the structural design of the aircraft is explained. Then the most important subsystems of the onboard system are commented. The characteristics of the avionics system which arise from the modular design are included in the descriptions of the respective subsystem. The flight abort system, which was designed with a special focus on redundancy and safety, plays a significant role in the system design. The UAV-system is complemented by a modular ground control station with which the system can be monitored and manipulated. It follows the description of the autopilot system which is specially designed to support free flight measuring. Apart from the conventional functions for stabilisation, the autopilot also contains navigation algorithms and functions in order to excite flight dynamic measuring manoeuvres. The autopilot is modularly designed so that it can be configured for the respective mission. The control system is designed in a way that no manual software- or controller adjustments have to be carried out when changing the aircraft’s configuration, but that such adjustments can happen automatically. For the development and tests of the system components a tool chain was created which was consulted in order to validate the entire system. An iron bird was built as a test stand which represents the system on a scale of 1:1 with all functions (except the landing gear). The iron bird is amongst others equipped with movable control surfaces, the tank system, the parachute as well as operable engines. It was used to check all subsystems, the entire system as well as to prepare the wind tunnel tests and for training purposes in order to simulate the test flight scenario. The flight tests with the avionics system are another component of the validation tests. For this purpose the onboard electronics was implemented into a downscaled UAV which was used to complete the in-flight validation tests. The safety analysis is described with a summary of the safety relevant aspects of the system design and the individual subsystems. In particular, these are the segmentation of the control surfaces and their actuators, redundancies in the power supply, the engine- and tank system as well as the flight abort system and its redundant communication- and processing electronics. The analysis was carried out in terms of a simplified fault tree analysis. It reveals that additional safety can be gained. At the same time the analysis shows still existing single points of failure which cannot completely be eliminated with this avionics system. Additionally, it is shown that the flight abort system can be activated even under the influence of failures, and only if more than one essential subsystem fails will even this option be lost. This ensures that even under critical influences of failures an emergency stop with a following parachute recovery is possible. The failure analysis also revealed optimisation possibilities for the avionics system which are dealt with in the conclusion of this dissertation.