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Wie sich große Hybridluftschiffe erfolgreich testen lassen

| Autor/ Redakteur: Arne Brehmer, Jörn Haase* / Thomas Kuther

Ein gigantisches Luftschiff wie der Airlander 10 erfordert sorgfältige Tests aller Steuerungs- und Kommunikationssysteme. Wie sich diese Herausforderungen meistern lassen, lesen Sie in diesem Beitrag.

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Der Airlander 10: mit 92 Metern Länge und 42 Metern Breite das größte Fluggerät der Welt.
Der Airlander 10: mit 92 Metern Länge und 42 Metern Breite das größte Fluggerät der Welt.
(Bild: Hybrid Air Vehicles)

Der Airlander 10 ist nicht einfach nur das größte Fluggerät der Welt, sondern verkörpert gleichzeitig den Prototyp eines neuartigen Hybrid-Konzepts, das die „Leichter-als-Luft-Technologie“ mit den besten Eigenschaften eines Luftschiffs, Flugzeugs und Hubschraubers in einem System vereint. Bei einem Pionier-Projekt dieser Kategorie spielen sorgfältige Tests der Steuerungs- und Kommunikationssysteme vor und während der Testflüge eine wichtige Rolle. In dem Test- und Simulationssystem CANoe sowie der Test-Hardware VT System haben die Entwickler die optimale Werkzeug-Kombination gefunden, um jede Herausforderung vom Hardware-in-the-Loop-(HiL-)Test einzelner Steuergeräte bis zu umfangreichen Überwachungsaufgaben und der Verifizierung gesamter Teilnetze zu meistern.

Von einem Fluggerät der nächsten Generation erwartet man in erster Linie Kosteneffizienz und geringen Treibstoffverbrauch. Wünschenswert sind weiterhin eine möglichst große Reichweite und Flugdauer, hohe Tragkraft für Lasten sowie Flexibilität hinsichtlich der Voraussetzungen zum Starten und Landen. In diesen und weiteren Disziplinen nimmt der Airlander 10 quasi eine Vorreiterrolle ein.

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Er hat eine vorbildliche CO2-Bilanz und geringe Geräuschemissionen, kann mit Besatzung bis zu fünf Tage in der Luft bleiben und an Orten mit Gras, Wüste, Eis, Schnee und Wasser senkrecht starten und landen. Damit ist das Hybridluftschiff in der Lage, ohne Flughafeninfrastruktur Lasten von zehn Tonnen Gewicht und 60 Passagiere mit einer Geschwindigkeit von circa 150 km/h von Punkt zu Punkt zu befördern. Die Einsatzbereiche des Airlanders reichen von Transport, Anlieferung und Kranfunktion für schwere Lasten, wie Windrad-Komponenten, Öl-, Gas- und Pipeline-Ausrüstungen, an schwer zugänglichen Orten über touristische Aktivitäten, wie Rundflüge und Luxus-Safaris, bis zu Anwendungen in der Telekommunikation und Langzeitmissionen bei Überwachungsaufgaben.

Mix aus Luftschiff, Flugzeug und Hubschrauber

Die Firma Hybrid Air Vehicles (HAV) in Großbritannien ist Eigentümer, Entwickler und Hersteller des Airlanders 10 – dem weltweit größten Fluggerät. HAV hat über 40 Jahre Erfahrung mit der „Leichter-als-Luft Technologie“ und ist die einzige Firma weltweit, die ein Full-Size-Hybrid-Fluggerät, mit aktuell 21 Patenten entwickelt und gebaut hat. Im Jahr 2010 gewannen sie einen Vertrag mit der US-Regierung, die 300 Mio. € in das Projekt LEMV (Long Endurance Multi-Intelligence Vehicle) investierte. Dies führte zu einem erfolgreichen 90-minütigen Testflug. Nachdem das amerikanische Militär 2012 aus dem Projekt LEMV ausstieg, erwarb HAV das Fluggerät und transportierte den Airlander zurück nach Bedfordshire. Dort wurde es weiterentwickelt und für den Erstflug vorbereitet und getestet, der im August 2016 stattgefunden hat.

HAV gilt heute als führender Hersteller von hybriden Luftfahrzeugen mit „Leichter-als-Luft-Technologie“, wobei sich der Airlander durch eine Reihe von Eigenschaften auszeichnet. Die Besonderheit ist der Mix aus Luftschiff, Flugzeug und Hubschrauber: Die Heliumfüllung trägt mit ihrem statischen Auftrieb nur zu rund 60% zum notwendigen Auftrieb bei, während der Rest von der aerodynamischen Rumpfform sowie den Antriebsaggregaten kommt.

Die vier Rotorantriebe mit jeweils einem 4-Liter-V8-Turbolader-Diesel-Motor mit 350 PS Leistung sind schwenkbar und können bei Bedarf durch gerichteten Schub ±25% der Auf- oder Abtriebskraft generieren. Durch die Wölbung des Rumpfes schließlich, ähnlich der Tragfläche eines herkömmlichen Flugzeugs, entsteht bei Vorwärtsbewegung des Airlanders ein Auftrieb von bis zu 40%. Die Außenhaut ist aus einem extrem starren und zugfesten Flüssigkristallpolymer-Faserwerkstoff gefertigt. Zum Aufrechterhalten ihrer Form genügt der geringe Überdruck des Heliums. Insgesamt erlaubt dieses Konzept verglichen mit einem Hubschrauber einen zehnmal günstigeren Betrieb.

Die drei wichtigsten Aktionen: Testen, testen und testen

Zu den wichtigsten Voraussetzungen vor dem Testflug im August 2016 gehörten umfangreiche Tests der Steuerungs- und Kommunikationssysteme wie das „Flight Control Network“, den „Power Distribution Controller“ sowie das „Flight Test Equipment“. Das Flight Control Network dient unmittelbar zum Steuern des aerodynamischen Verhaltens des Hybridluftschiffs und transportiert die Befehle vom Cockpit beziehungsweise der Flugsteuerung zu den elektrisch verstellbaren Aktuatoren.

Den verantwortlichen Mitarbeitern war durchaus bewusst, dass die anstehenden Tests kein leichtes Unterfangen sein würden. Es gibt keine erprobten Konzepte oder Vorlagen, auf die man zurückgreifen kann, vieles muss von Grund auf neu entwickelt werden und die Aufbauten im Prototypenstatus haben vielfach noch experimentellen Charakter. Da sich die Bordelektronik noch in vielen Details verändern kann bis die optimale Lösung für die Serienversion gefunden ist, bedarf es eines Testsystems, das sich flexibel auf die veränderlichen Randbedingungen einstellen und mit den Herausforderungen wachsen kann.

Das gesuchte Testsystem sollte nicht auf einen speziellen Einsatzzweck ausgerichtet sein, sondern sich als allgemeines Werkzeug für die vielfältigen Aufgaben rund um die Elektrik/Elektronik-Entwicklungen der Airlander eignen. Hybrid Air Vehicles wurde schließlich auf die Software „CANoe“ (CAN open environment) sowie das VT System der Firma Vector Informatik, mit ihrem Hauptsitz in Stuttgart, aufmerksam. Vector ist bekannt für seine professionellen und offenen Entwicklungsplattformen mit Tools, Software-Komponenten und Dienstleistungen zum Erstellen von Embedded-Systemen. Diese bieten Ingenieuren den entscheidenden Vorteil, um anspruchsvolle und hoch komplexe Aufgaben so einfach wie möglich zu bearbeiten. Branchen wie die Automobilindustrie, die Luftfahrttechnik, Nutzfahrzeugtechnik, Bahnen, Schiffsausrüstungen und zahlreiche weitere Automatisierungsprojekte zählen weltweit zu den Anwendern der Vector Systeme.

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