Stabilisierung von Ultraleicht-Hubschraubern

Der Hubschrauber CoAX2D mit Stabilisierungssystem wird zu Testzwecken zunächst in diesem Stahlgestell geflogen

Foto: edm aerotec GmbH

Seit Ende des Jahres 2016 gibt es in Deutschland offiziell die Klasse der Ultraleicht (UL) Hubschrauber. Damit können UL Hubschrauber als Luftsportgeräte zugelassen werden. Der Erwerb einer Pilotenlizenz dafür ist mit einem geringeren Zeitaufwand und damit zugleich mit einem geringeren Kostenaufwand verbunden als bei einer normalen Privatpilotenlizenz. Aufgrund der geringeren Einstiegshürde und dem kostengünstigen Betrieb dieser Hubschrauber lässt sich annehmen, dass die Zahl der UL Hubschrauber Piloten in den nächsten Jahren zunehmen wird. Da ein Hubschrauber eine große Verkopplung seiner Achsen aufweist und im Normalfall ein instabiles Flugverhalten zeigt, ist das Beherrschen des Hubschraubers eine große Herausforderung für einen Piloten. Eine Erleichterung der Flugaufgabe durch Regelungstechnik ist – bis auf die Regelung der Rotordrehzahl – bisher in Ultraleichthelikoptern nicht üblich. Um dies zu ändern, kooperiert das iFR auf mehreren Themengebieten mit der edm aerotec GmbH, die an der Einführung der UL-Helikopterklasse in Deutschland maßgeblich beteiligt war und den ersten UL-Helikopter mit entsprechender Zulassung in Deutschland entwickelt hat.

Am Institut für Flugmechanik und Flugregelung wurde ein Stabilisierungssystem entwickelt, welches die Piloten unterstützt und auf ermüdenden Missionen entlasten kann. Ziel war und ist es, das System so einfach wie möglich zu gestalten, ohne dabei Einbußen in der Funktion hinnehmen zu müssen.Da bei UL Hubschraubern generell keine hydraulische Verstärkung der Pilotenkräfte im Steuerstrang eingesetzt wird, wurden elektromechanische Aktuatoren direkt im Steuergestänge verbaut. Diese Aktuatoren können das Steuergestänge zusätzlich zum Piloten noch einmal längen.Hauptziel des Forschungsvorhabens ist es, herauszufinden, ob der Pilot durch die Kraftrückkopplung der Aktuatoren auf ihn selbst beim Fliegen mehr gestört als entlastet wird. Das Stabilierungssystem wurde in einem UL Hubschrauber des Typs "CoAX 2D" der Firma edm aerotec GmbH in Geisleden in Thüringen verbaut.

Erste Flugtests zeigen eine deutliche Stabilisierung des Hubschraubers im Schwebeflug, wobei die Störung durch das System vom Piloten als gering eingestuft wurde. Seit September 2020 wird das Projekt im Rahmen des sechsten Luftfahrtforschungsprogramms des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unter der Bezeichnung EASY (Elektromechanisch angesteuertes Stabilisierungssystem) weitergeführt. Das Ziel ist hierbei die Erforschung weiterer Konzepte für Pilotenassistenzsysteme sowie die Übertragung der Ergebnisse auf den frei fliegenden Helikopter. Neben der Stabilitätserhöhung forscht das iFR auch im Bereich der Drehzahlregelung für Helikopter mit Kolbenmotoren. Für die Flugsicherheit von Helikoptern ist eine konstante Rotordrehzahl essenziell. Dies erfordert abhängig vom Flugzustand eine Anpassung der Motorleistung. Üblicherweise nimmt ein Regelungssystem dem Piloten diese Aufgabe ab. In Kooperation mit edm aerotec wird aktuell ein Drehzahlregelungssystem für den edm aerotec CoAX 600 entwickelt, einen Ultraleichthelikopter, der in der neuen 600 kg Klasse für Ultraleichthelikopter zugelassen werden soll.

Das Ziel der Aktivitäten am iFR im Bereich der Pilotenassistenzsysteme ist die Vereinfachung der Gesamtflugaufgabe in Ultraleichthelikoptern durch

die Entwicklung und Erprobung moderner Drehzahlregler.
die Erforschung und Erprobung von Methoden zur Pilotenassistenz in der Primärsteuerung und zur Erhöhung der Stabilität.

Im Fall der Primärsteuerung haben die Arbeiten am iFR folgende Ziele

Die UL-gerechte Integration aller Komponenten des Systems in den Helikopter.
Der Nachweis, dass der Pilot durch Aktuatoren im Steuerstrang entlastet werden kann.
Der Nachweis, dass auch bei Systemfehlern der Flug sicher fortgesetzt werden kann.

[1] Richter, T., Rothaupt, B., Steinwandel, A., Fichter, W., & Grebing, B. (2020). Stability Augmentation System for Coaxial Ultralight Helicopters. Proceedings of the VFS International 76th Annual Forum.

[2] Richter, T., Rothaupt, B., Fichter, W., & Grebing, B. (2020). System Identification of a Coaxial Ultralight Helicopter. Proceedings of the VFS International 76th Annual Forum.