Energieeffizientes Fliegen

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Optimal Control for a hybrid Propulsion System (c)
Optimal Control for a hybrid Propulsion System

Optimalsteuerung für hybrid-elektrisches Fliegen

Tagtägliche Flugaufgaben sind Gegenstand verschiedenster Optimierungsziele wie Maximierung der Reichweite, Verringerung des Lärms oder Minimierung des Antriebsbedarfs. Die Optimierung dieser Ziele unterliegt üblicherweise Beschränkungen hinsichtlich der Leistungsfähigkeit des Flugzeugs, Lärmregularien oder zu überfliegender Landschaftsformationen.

Hybride Antriebe führen im Vergleich zu konventionellen Antriebssystemen zu einer erweiterten Anzahl an Steuergrößen. Ein Optimalsteuerungs-Ansatz erlaubt die Minimierung des Energieverbrauchs bei gleichzeitiger Einhaltung der Beschränkungen.

Die Optimalsteuerung basiert auf einem analytischen Modell des Antriebs sowie der Flugzeugdynamik. Der Nachweis der Zulänglichkeit und Robustheit des Entwurfs wird durch numerische Simulationen erbracht. So genannte "Hardware in the Loop" Simulationen sichern die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems ab. Die erwarteten Energie-Einsparungen werden durch Umsetzen des Konzepts am hybrid-elektrisch angetriebenen Flugzeug e-Genius hybrid verifiziert.

Aufwindschätzung (c)
Aufwindschätzung

Aufwindschätzung

Das Ausnutzen von solarem Energieeintrag erlaubt Luftfahrtzeugen völlig emissionsfrei zu fliegen. Abseits der Verwendung von Photovoltaik steht freie Energie in Form thermischer Aufwinde zur Verfügung.

Segelflugpiloten nutzen diese Energieform seit langem und zeichnen Ihre Überlandflüge mithilfe von GPS-Geräten auf. Die aufgezeichneten Flugdaten werden zentral zum Zweck des sportlichen Vergleichs ausgewertet. Wir entwickeln Verfahren diese Datenbasis zu analysieren. Dazu werden die Informationen mit Wetterdaten verknüpft, sodass eine Schätzung der Auftrittswahrscheinlichkeit bei gegebener Wettersituation abgeleitet werden kann.

Das Ergebnis wird von Bahnplanungs-Algorithmen ausgewertet, um einen energie-optimalen Flugpfad zu berechnen. Ferner werden probabilistische Filtermethoden untersucht, um Stärke und Position thermischer Aufwinde im Flug zu schätzen. Mit Hilfe dieser Information wird der optimale Flugpfad hinsichtlich eines minimalen Energieverbrauchs fortlaufend angepasst. Dabei müssen ständig Missionsanforderungen gegen Exploration und Aufwindnutzung abgewogen werden.

  • Stefan Notter, Philipp Schrapel, Pascal Groß, and Walter Fichter. "Estimation of Multiple Thermal Updrafts Using a Particle Filter Approach", 2018 AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, AIAA SciTech Forum, (AIAA 2018-1854)
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