Untersuchungen zu Energieversorgung und Antrieb einer Leichter-als-Luft-Höhenplattform

Abstract

Höhenplattformen besitzen ein großes Potential zum Ersatz von bodengebundenen Relaisstationen in der Telekommunikation im Nahbereich. Darüber hinaus sind Anwendungen auf dem Gebiet der Überwachung, zum Beispiel zum Schutz von Staatsgrenzen, durch gefesselte Ballone oder Stratosphärenflugzeuge bereits realisiert worden. Neben diesen Konzepten gibt es mehrere Forschungsprojekte zur Entwicklung stratosphärischer Luftschiffe für lange Einsatzdauern. Dabei ist eine stationäre Positionierung dieser Höhenplattformen und somit ein Ausgleich der in Einsatzhöhe auftretenden Windgeschwindigkeiten eine wesentliche Anforderung. Im Verbundforschungsprojekt AirChain von Universität und DLR Stuttgart wird ein Luftschiff als Gliederkette von fünf gelenkig miteinander verbundenen Prallkörpern untersucht. Dieses Luftschiff soll eine Nutzlast während einer möglichst langen Missionsdauer stationär in der unteren Stratosphäre positionieren. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Aufbau eines echtzeitfähigen Simulationsmodells für Energieversorgung und Antrieb der Leichter-als-Luft-Höhenplattform behandelt.

Aus strukturmechanischen Gründen und zur Stabilisierung des Luftschiffs ist eine Aufteilung auf mehrere Antriebseinheiten notwendig. Für einen effizienten Betrieb des Antriebsstrangs über den breiten Betriebsbereich werden auch die Energieerzeuger auf mehrere Einheiten aufgeteilt. Es werden zu jedem Zeitpunkt nur ebenso viele Energieerzeuger betrieben wie zur Abdeckung des Antriebsbedarfs notwendig ist. Zur Reduktion von Verlusten kann durch Verwendung einer Pufferbatterie der Betrieb eines Energieerzeugers im energetisch ungünstigen Teillastbereich verringert werden. Weiterhin können durch die Pufferbatterie die dynamischen Eigenschaften der Energieerzeuger zur Abdeckung dynamischer Leistungsanforderungen deutlich verbessert werden. Die Auswahl der Subsysteme und Komponenten des Antriebsstrangs basiert auf dem Stand der Technik. Neben elektrisch betriebenen Propellern werden deshalb Gasturbinen und Generatoren für die Energieerzeugung ausgewählt und damit ein nicht-regeneratives System.

Das Modell des Antriebsstrangs ist modular aufgebaut, so dass einzelne Komponenten verändert oder durch weiterentwickelte Systeme ersetzt werden können. Dazu verfügen die Komponenten über eigene Regelungseinheiten. Darüber hinaus gibt es einen Gesamtregler des Antriebsstrangs, in welchem wesentliche Entscheidungen über die Betriebsweise der Energieerzeuger in Abhängigkeit des Ladezustands der Pufferbatterie getroffen werden. Als von großem Nachteil erweist sich hierbei die mangelnde Kenntnis über die Dynamik des stratosphärischen Windes, nach der sich einige grundlegende Systemeigenschaften ausrichten müssen. Mit den heute verfügbaren Winddaten ist eine maximale zeitliche Auflösung von sechs Stunden zu gering, um daraus die geforderten Informationen abzuleiten. Daher muss an dieser Stelle von einer hohen möglichen Winddynamik ausgegangen werden. Die Einbindung der Pufferbatterie erfolgt konservativ, so dass der stationäre Betrieb der Antriebe weitgehend ohne Pufferbatterieleistung auskommt und die Pufferbatterie fast nur zur Abbildung der Dynamik verwendet wird. Es ist daher weiteres Potential zur Optimierung des Gesamtwirkungsgrads über den Rahmen dieser Arbeit hinaus vorhanden.

Die erreichbaren Missionsdauern richten sich bei fest vorgegebener Brennstoffmasse nach der jeweiligen Windgeschwindigkeit. Über Mitteleuropa ist diese im Sommer gering, mit den durchgeführten Simulationen kann eine Missionsdauer von bis zu neun Tagen erreicht werden. Durch eine stärkere Einbindung der Pufferbatterie kann diese Zeitdauer noch ausgedehnt werden. In windstarken Wintermonaten verringert sich die Missionsdauer auf fünf bis sieben Tage. Trotz des höheren Antriebsbedarfs können mit dem untersuchten Modell des Antriebsstrangs alle stationären Leistungsanforderungen abgedeckt werden. Bei hoher Winddynamik erweisen sich die zur Umsetzung hoher Vortriebswirkungsgrade groß dimensionierten Propeller als nachteilig. Deren im Vergleich zu den Elektromotoren hohe Massenträgheit führt zu langen Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten. An diesem Beispiel zeigen sich die Herausforderungen, welche für die Entwicklung von Antriebslösungen bei den in der unteren Stratosphäre vorherrschenden extremen Umweltbedingungen bestehen. Mit dem vorliegenden Simulationsmodell wurde hierfür eine mögliche Lösung ausgearbeitet.

High altitude platforms are one alternative to replace ground-bounded relay stations for telecommunication purposes. Already in service are such concepts like tethered balloons or stratospheric airplanes in the field of surveillance, for example to patrol borders. Disadvantages of those concepts are either to disturb the airspace by the wire or to be constricted in terms of mission endurance. Thus, untethered high altitude airships with long mission endurance are currently in the focus of research. One basic requirement for telecommunication platforms is to remain in a fix positioning frame over ground. Therefore wind speed has to be compensated by the propulsion system of the airship. The scope of this work is to investigate the drive and power generation system of a multiple-unit airship. The reduced rigidness of the hull and the resulting lower structural weight yield a higher load capacity and hence increase the mission length by larger fuel reserves. The drawbacks of this configuration are higher stabilization demands and distributed drive units. This leads to a rather complex propulsion system for which a real-time simulation model is provided.

Besides electrical driven propellers, the system involves gas turbines and generators to work as power plants, back-up batteries, power-electronics and distribution. Those power plants reflect the state of the art and are thus rather conservative compared to other propulsion concepts for high altitude platforms. The advantage of splitting up the power generation into multiple units is to run only as much power plants as currently required and for this reason, to save energy. In addition, an involvement of the back-up battery reduces the ineffective operation of a power plant in part load. Another reason to employ a battery system is that highly dynamic power requirements, caused for example by a gust of wind, cannot be covered immediately by the power plants. The maximum discharge power of the back-up battery is at level with the maximum power output of one power plant. It is available at any time. As a result, the dynamic properties of the system can be plainly improved.

The simulation model of the propulsion system is built-on independent modules. Single component models may easily be modified or exchanged by enhanced component models. Thus, single component models are equipped with their own control devices. Beyond, the overall propulsion system controls comprise routines to decide whether a single power plant is operated or not. This decision depends on the status of charge of the back-up battery. The lack of knowledge regarding the dynamic of stratospheric wind speed turns out to be of great disadvantage. Most of the control routines that decide a start-up or shut-down of a power plant require a short-term wind forecast. With a time resolution of currently six hours, available wind data doesn't contain this information. Here, a probably high wind dynamic is taken into account. The involvement of the back-up battery is thus mainly limited to cover dynamic power requirements. The potential to optimize the power plant efficiency is thus not yet fully exploited.

Achievable mission endurance at a given amount of fuel is a result of seasonal wind speed. Over middle Europe, wind speed is at a minimum during summer and at a maximum during the winter months. At summer, the mission endurance that has been achieved by simulations lays around nine days. This may be prolonged by a greater use of the back-up battery. During winter, the mission endurance is limited to five to seven days. All stationary power requirements can be covered by the propulsion system. For high propulsion efficiencies big propeller rotor diameters have been implemented. The resulting mass inertia is impeding acceleration and thus delaying the coverage of dynamic thrust requirements. Big diameters combined with little stationary power requirements are only one example for the challenges in the development of high altitude applications. With the given simulation model one possible solution for the drive and power generation system of a lighter-than-air high altitude platform has been worked out.