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Entwicklung einer modularen Messplattform zur Analyse des Potenzials von Freiflugmessungen
(2013) Kittmann, Klaus; Voit-Nitschmann, Rudolf (Prof.-Ing.)
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.