Auslegung und Simulation von hochfliegenden, dauerhaft stationierbaren Solardrohnen

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1 Auslegung und Simulation von hochfliegenden, dauerhaft stationierbaren Solardrohnen Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt ;e.v/". Institut für Flugsystemtechnik Außenstelle für Flugerprobung Oberpfaffenhofen D Weßling Institutsleitung: Abteilungsleitung: Leiter Außenstelle: Verfasser: Prof. Dr.-Ing. Stefan Levedag Dr.-Ing. Bernd Krag Dipl.-Ing. Hans Galleithner Dipl.-Ing. Bernhard Keidel Diese Arbeit wurde auch als Dissertationsschrift vom Lehrstuhl für Flugmechanik und Flugregelung der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs veröffentlicht. Sie kann unter eingesehen werden. Abweichungen gegenüber dem Original bestehen aus redaktionellen Änderungen.

2 1 Einleitung Hochfliegende Flugzeuge mit unbegrenzter Flugdauer Stand der Technik Zusammenstellung von HALE-Flugzeugen Fortschritte der letzten Jahre Solartechnik Energiespeicherung Elektronik Werkstoffe, Bauweisen Ziel und Inhalt der Arbeit Strukturierung der vorliegenden Arbeit 8 2 Grundkonzept des Nutzlastträgers Konzeption einer hochfliegenden Solardrohne Energieversorgung und Antriebssystem Erforderliche Horizontalflugleistung Optimale Flughöhe einer Solardrohne Flugzeugkonfiguration Abgrenzung gegenüber anderen Nutzlastträgerkonzepten Vergleich Solarluftschiff- Solarflugzeug Allgemeine Luftschifflechnik ; Verwendbarkeit des Luftschiffs als Höhenplattform Modellierung des Luftschiffs Auslegung eines Höhen-Solarluftschiffs Vergleich von Luftschiff und Flugzeug 20 3 Modellierung der Flugzeugsysteme und der Umgebungsbedingungen Atmosphäre Sonnenstrahlung Modellierung der Sonnenstrahlung Verifikation des Strahlungsmodells 31

3 3.3 Wind 33 3:4 Solarstromerzeugung Solarzellen Solarzellentypen Wirkungsgradverhalten von Si-Solarzellen Strom- Spannungs Kennlinie Temperaturabhängigkeit Abhängigkeit vom Strahlungsspektrum Abhängigkeit von der Strahlungsintensität Verhalten im Generator Einbettung Zellenselektion Messungen des Wirkungsgrades der Solarpanel des Demonstrationsmodells Betriebstemperatur der eingebauten Solarzellen Zusammenfassung Solarzellenmodellierung Maximum Power Point Tracker Energiespeicherung Schwungrad Kondensatoren Akkumulatoren Regenerative Brennstoffzelle Vorbetrachtung Gesamtsystemwirkungsgrad Brennstoffzelle " Aufbau einer Brennstoffzelle, Funktionsweise einer Brennstoffzelle Charakteristische Daten ausgeführter Brennstoffzellen Kennlinien einer Brennstoffzelle Modellierung des Brennstoffzellensystems Elektrolyseur H 2 /O 2 -Tank.' Separate Tanks Integrierte Tanks Zukunftsaussichten Elektromotor und Getriebe Propeller Propellerauslegungsmerkmale Ungestörter Propeller Installationsverluste des Propellers Propellermasse 73

4 ' iii 3.8 Aerodynamik Profilwahl Berechnung der Druckverteilungen an Flügel und Leitwerk Aerodynamik von ebenen Platten Stabilität und Steuerbarkeit Einflüsse schwenkbarer Zusatzflächen Längsstabilität mit Zusatzflächen Seitenstabilität mit Zusatzflächen Dynamische Stabilität mit Zusatzflächen Struktur Bauweisen Massenmodelle Tragflügel und Leitwerk Lastannahmen und Dimensionierung der Flügelstruktur Flügelmassenmodell Gewichte von Rumpf, Seitenleitwerk und Zusatzflächen Weitere Untersysteme Fahrwerk." Elektrische Leitungen Aktuatoren Avionik 93 4 Randbedingungen und Flugführung eines hochfliegenden Solarflugzeugs Gesamtsystemkomponenten Nutzlastanforderungen Zulassung, Versicherung, rechtliche Aspekte Luftfahrzeuge unter 20 kg Abfluggewicht [82] Luftfahrzeuge über 20 kg Abfluggewicht [32, 82] Bauvorschriften und Lastannahmen Flugführungsstrategien Autonomiegrad unbemannter Flugzeuge Hardwarevoraussetzungen/Sensorkonzept 99

5 4.4.3 Flugphasen Start und Landung Notfallverfahren Flug nach Way-Points Positionierung 102 Beschreibung der Auslegungs- und Simulationssoftware Beschreibung von SALT und SAMS SALT - Solar Aircraft Layout Tool [70] SAMS- Solar Aircraft Mission Simulator Entwicklungsgeschichte der Programme Verifizierung der Softwaretools Pathfinder Velair Sunrisell Solarflugmodell WS Konfigurationsentwicklung eines hochfliegenden Solarflugzeugs Beschreibung verschiedener Auslegungskonzepte Prinzipielle Zielkonflikte Anbringung der Solarzellen auf der Flügeloberseite Vor- und Nachteile von Zusatzsolarflächen Auslegungskonzepte Auswahl von Grund-Konfigurationen ; Definition der Randbedingungen..r Allgemeine Überlegungen Ausgewählte Konfigurationen Nurflügel Zweiflächen-Flugzeug mit Zusatzsolarflächen Parametervariationen und Vergleich der Konfigurationen Polare /Envelope /Erzielbare Flughöhe Auslegung des Energiespeichersystems Einfluß des Breitengrades Variation von Masse und Leistungsbedarf der Nutzlast 131

6 v_ Größe der Solarflächen Verteilung der Solarzellen auf Flügel und Zusatzpanels Faltbare Solarpanels.' ' Einfluß des Solarzellenwirkungsgrades Einfluß von Masse und Wirkungsgrad des Energiespeichersystems Positionierungseinflüsse Maximal mögliche Nutzlast Stationierungswahrscheinlichkeit Bau und Flugerprobung der SOLITAIR 1 Konfiguration Beschreibung des Demonstrationsmodells Konfiguration, Struktur Zusatzsolarflächen, Antrieb : Fernsteuerung Meßanlage Ergebnisse der Flugerprobung Flugeigenschaften Flugleistungen Vorschlag für eine verbesserte SOLITAIR Konfiguration Anwendungsbereich Konfigurationsbeschreibung Flugleistungen, Envelope, Stationierungswahrscheinlichkeit Zusammenfassung und Ausblick Anhang 1: HALE Flugzeug Beschreibungen Bemannte Flugzeuge Unbemannte Flugzeuge Anhang 2: Daten verschiedener Konfigurationen 162 Literaturverzeichnis 174