Motivation
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.
Forschungsaktivitäten
Am Institut für Flugmechanik und Flugregelung wurde ein Stabilisierungssystem (SAS) 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 war 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 gefesselte Flugtests zeigten eine deutliche Stabilisierung des Hubschraubers im Schwebeflug, wobei die Störung durch das System vom Piloten als gering eingestuft wurde.
Von 2020 bis 2024 wurde das Projekt im Rahmen des sechsten Luftfahrtforschungsprogramms des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unter der Bezeichnung EASY (Elektromechanisch angesteuertes Stabilisierungssystem) weitergeführt. Das Ziel war hierbei die Erforschung weiterer Konzepte für Pilotenassistenzsysteme sowie die Übertragung der Ergebnisse auf den frei fliegenden Helikopter.
Nach ausführlichen Sicherheitsnachweisen und Bodentests konnte in 2024 die Stabilisierung in einem frei schwebenden Hubschrauber erprobt und die Wirksamkeit elektromechanischer Inline-Stellantriebe zur Stabilisierung in UL Hubschraubern erstmals erfolgreich demonstriert werden.
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.
Piloten sind zwar ausgebildet, dies manuell zu tun. Üblicherweise übernimmt jedoch ein Regelungssystem diese Aufgabe. In Kooperation mit edm aerotec wurde ein Drehzahlregelungssystem für den edm aerotec CoAX 600
entwickelt, einen Ultraleichthelikopter, der seit 2023 in der 600 kg Klasse für Ultraleichthelikopter zugelassen ist.
Ziele
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.
Publikationen
[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.
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Benjamin Rothaupt
M.Sc.Stellv. Institutsleiter (Lehre)
