Adaptive Tragflächen: Drohne fliegt energiesparend
Elektrisch betriebene Drohnen müssen mit ihrer Energie haushalten. Über längere Strecken können adaptive Tragflächen dabei helfen.
(Bild: EPFL)
Die schweizerische Firma Elythor hat mit Morpho eine Drohne entwickelt, deren Tragflächen sich in Echtzeit an die Windverhältnisse anpassen können und entsprechend die Flugposition ändern. Der Energieverbrauch wird dadurch stark gesenkt. Die Drohne kann außerdem die Position der Flügel variieren, um vertikal oder horizontal zu fliegen. Eingesetzt werden soll sie als Inspektionsdrohne.
Vögel nutzen ihren Instinkt, um etwa Luftströmungen auszunutzen. Ähnliches soll Morpho erledigen – nur, dass Algorithmen die intelligente Steuerung der Tragflächen übernehmen. Morpho soll die Eigenschaften eines Quadcopters mit denen eines Starrflüglers kombinieren. Während Quadcopter senkrecht starten und landen sowie genau manövriert werden können, punkten Starrflügler durch längere Flugzeiten, weil sie in der Luft gleiten können. Morpho verbindet die Vorteile des einen Typs mit den Vorteilen des anderen.
So lässt sich die Drohne mit ihren vieren Rotoren etwa für Inspektionsarbeiten nahe an Hochspannungsleitungen, Windturbinen, Pipelines und Offshore-Ölplattformen heranfliegen und auf engem Raum navigieren. Dazu sind die Tragflächen eingeklappt und hängen senkrecht herunter. Die Drohne kann dann über hochauflösende Kameras Daten sammeln, die für Inspektionszwecke verwendet werden können. Die Tragflächen dienen, in einem speziellen Winkel eingeklappt, zugleich als Landefahrwerk.
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Ist die Inspektion abgeschlossen, begibt sich die Drohne in eine aerodynamische Position, um zu ihrem nächsten Zielpunkt zu fliegen. Dazu klappt sie die beweglichen Tragflächen aus. Die Position der Tragflächen kann je nach Windverhältnissen symmetrisch und asymmetrisch angepasst werden, um so eine optimale Position zu erreichen. Die Drohne soll damit im horizontalen Flug möglichst wenig Widerstand bei maximalem Auftrieb bieten. Dazu greift Elythor, eine Ausgründung der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), auf Forschungsarbeiten der EPFL zurück, wie unter anderem die Studie "Wind Defiant Morphing Drones", die in Advanced Intelligent Systems veröffentlicht ist.
Optimierung der Tragflächenposition
Sensoren liefern die Daten, die dafür nötig sind, dass Algorithmen des Steuerungssystems der Tragflächen den Kompromiss zwischen Luftreibung und Auftrieb unter Berücksichtigung des Energieverbrauchs optimieren können. Die Windströmungen werden dazu genutzt, um die Drohne gleiten zu lassen. Die Flügel können auch asymmetrisch verstellt werden, um etwa eine Drehung um die vertikale Achse zu regulieren und so bei starkem Wind eine höhere Stabilität zu erzielen.
Unter Laborbedingungen stellten die Wissenschaftler fest, dass ein ähnliches Design den Strombedarf um bis zu 85 Prozent reduzieren kann – sofern die Drohne horizontal fliegt. Zudem verbessere die variable Tragflächenarchitektur die Fluglage und Stabilität der Drohne "erheblich". Die Drohne ist so in der Lage, Inspektionen auch bei widrigen Wetterbedingungen durchzuführen, schreiben die Entwickler.
Elythor will Morpho in den kommenden Monaten zur Serienreife weiterentwickeln, um sie Ende 2023 auf den Markt bringen zu können. Zur Entwicklung gehöre auch eine Software, die die von Morpho gesammelten Daten auswerten könne.
(olb)