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Ein Flugsimulator besonderer Art

Mit einem Prall-Luftschiff namens Lotte testen Wissenschaftler der Universität Stuttgart neue Flugregelungssysteme. Auch die Aerodynamik großer Körper soll Lotte verständlicher machen.


Wer glaubt, der gute alte Zeppelin eigne sich nur noch als Werbeplattform, wird seit einigen Jahren eines Besseren belehrt. Bekannteste Beispiele sind der Zeppelin NT, dessen Zulassung momentan geprüft wird, sowie der geplante CargoLifter CL 160, der Waren bis zu 160 Tonnen Gewicht über eine Entfernung von bis zu 10000 Kilometer befördern wird. Das Problem: Seit vier Jahrzehnten hat kaum jemand auf diesem Gebiet geforscht, dementsprechend fehlen moderne Entwurfswerkzeuge und einschlägige Erfahrungen. Einzige Ausnahme: die Zeppelin-Entwicklung in Friedrichshafen.

Diesem Themenbereich widmen sich in den letzten Jahren auch mehrere Institute der Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik an der Universität Stuttgart. Seit 1992 entwickelt eine Gruppe von Wissenschaftlern und Studenten des dortigen Instituts für Statik und Dynamik ein unbemanntes Prall-Luftschiff (englisch blimp) mit Solarantrieb – die "Lotte" (Spektrum der Wissenschaft, August 1996, S. 25). Die Arbeiten konzentrieren sich unter anderem auf die Meßtechnik, da Lotte zum einen als fliegende Meßplattform dient, beispielsweise um Luftschadstoffe zu messen, und zum anderen selbst Versuchsträger für die Ermittlung experimenteller Flugdaten ist. Deshalb verfügt Lottes dritte Version über das vom Automobilbau her bekannte Bussystem CAN (controller area network), das je nach Aufgabe schnell und einfach variiert werden kann. Es leitet die Signale verschiedener, über das gesamte Luftschiff verteilter Sensoren einem zentralen Bordrechner zu, der sie per Funk zur Bodenstation überträgt.

Das Institut für Flugmechanik und -regelung nutzt Lotte für flugmechanische Untersuchungen. Dabei simuliert man mit einem mathematischen Modell der Flugmechanik die Bewegung des Luftschiffs in Abhängigkeit aller einwirkenden äußeren Kräfte und vergleicht sie mit der realen Bewegung im Flugversuch. Steht beispielsweise das Verhalten beim Kurvenflug im Mittelpunkt des Interesses, werden zu jedem Zeitpunkt eines Manövers die genaue Position (in räumlichen Koordinaten) und die Lage (als Raumwinkel) bestimmt, des weiteren der Propellerschub und die Kräfte an den Leitwerken. Durch die kontinuierliche Anpassung der Simulationen an die Meßergebnisse wird das Computermodell immer genauer.

Das Ziel ist ein Flugregelungssystem, das die Steuerung weitgehend automatisiert. Es liegt zwar noch in der Ferne, doch untersuchen die Forscher bereits Lottes Reaktion auf Abfolgen von Steuerkommandos, beispielsweise zunächst die Reaktion auf sehr kleine, dann auf größere Ruderausschläge.

Vor allem aber können sie auch andere Luftschiffe mit ihrem Modell simulieren. Als Datenbasis dienen mehr als 60 spezifische Parameter wie die Abmessungen und die Massenträgheitsmomente. Das Erfliegen von Testdaten zur Validierung eines solchen Modells erweist sich mit dem unbemannten Miniluftschiff natürlich als besonders einfach, da es keine Risiken für Personen birgt und deshalb leichter eine Fluggenehmigung zu erhalten ist. Das Flugregelsystem wird vermutlich im Laufe des nächsten Jahres bei einem im Maßstab 1 : 8 verkleinerten Demonstrationsmodell des Cargolifters eingesetzt werden.

In diesem Zusammenhang bietet sich Lotte auch als Experimentier- und Meßplattform an, die Umströmung sehr großer, voluminöser Körper zu untersuchen; diesem Themenbereich widmet sich das Institut für Aero- und Gasdynamik. Es kommen komplexe, dreidimensionale Strömungsablösungen vor, die resultierenden Kräfte lassen sich noch nicht im Detail berechnen. Zwangsläufig nutzt man deshalb für den Entwurf vereinfachte Rechenmodelle, die anhand experimenteller Daten aus Wind- oder Wasserkanal beziehungsweise bei Probeflügen überprüft und angepaßt werden.

So hing ein maßstabsgetreues Modell von Lotte bereits an den Drähten einer Sechskomponentenwaage im Windkanal. Eine solche Vorrichtung ist aus mehreren Rahmen aufgebaut, die über Kreuzfedern so gelagert sind, daß die in jeder Koordinatenachse einwirkenden Komponenten der Momente und Kräfte getrennt gemessen werden können. Die Umströmung entlang der Kontur des Luftschiffmodells macht man mittels eines Spezialanstrichs aus Petroleum und Ruß sichtbar: An Stellen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit wird davon viel abgetragen; wo sich Strömung ablöst, häuft sich hingegen die Mischung an. Solche Ablösezonen sind den Versuchen zufolge um so ausgedehnter, je steiler die Luftschiffnase in den Wind ragt; wie es beispielsweise beim Landeanflug oder unter böigen Windverhältnissen der Fall sein kann.

Optimale Regelungsverfahren zur Entlastung der Piloten oder Verbesserung der Aerodynamik, das sind nur zwei Problemfelder von vielen weiteren, etwa: Wie kann man die weiche Hülle mit starren Trägerstrukturen verbinden? Welche Materialien und welche Fertigungsmethoden sind sinnvoll und wirtschaftlich? Welche Antriebssysteme? Zur Klärung fördert die Deutsche Forschungsgemeinschaft derzeit eine Forschergruppe aus Instituten der Universitäten Stuttgart und Braunschweig sowie dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstofforschung in Stuttgart.

Letztlich sollen dabei auch zukünftige Anwendungsgebiete der Luftschifftechnik erschlossen werden. Tourismus und Umweltbeobachtung gehören zu den prominentesten, doch erst jüngst förderte die Ernst-Körber-Stiftung eine Idee, die dem Klischee von den Sauriern der Lüfte entgegentritt: Besser als Satelliten könnten Luftschiffe in 20 Kilometern Höhe als stationäre Höhenplattformen Aufgaben in der Telekommunikation übernehmen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 2000, Seite 84
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
1 / 2000

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 1 / 2000

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