Drohnen

H-Aero verknüpft Ballon, Flugzeug und Helikopter

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Die Drohnen der Hybrid-Airplane GmbH nutzen das Leichter-als-Luft-Prinzip neben Motoren. Dadurch ergeben sich einige Vorteile gegenüber den bekannten Konzepten. Wir haben mit dem Erfinder über konstruktive Herausforderungen und darüber gesprochen, was seine Firma von Zulieferern erwartet.

Interview: Tobias Meyer, freier Mitarbeiter der KEM Konstruktion

KEM Konstruktion: Was bringt ihr Konzept konkret an Vorteil?

Csaba Singer (H-Aero): Wir sind sehr energieeffizient unterwegs, da wir die Motoren hauptsächlich zum manövrieren benötigen, den Auftrieb übernimmt der Ballon. So lässt sich die Abflugmasse auch selbst bestimmen. Wenn die Trockenmasse also beispielsweise 2,7 kg beträgt, können wir das durch eine entsprechende Heliumfüllung auf null Gramm austarieren. So können wir ohne Energieaufwand sehr lang in der Luft stehen. Wenn wir die beiden Propeller waagerecht ausrichten, können wir zudem vorwärts und rückwärts fliegen und dabei sogar Auftrieb generieren, da der Ballon linsenförmig aufgebaut ist und so wie eine Tragfläche wirkt. So können wir auch Nachteile des Zeppelins eliminieren, der ja nur vorwärts um die Kurve fliegen kann, wir dagegen können auf der Stelle drehen. Außerdem sind wir weniger anfällig für Seitenwinde. Für den Helikopter-Modus können wir die Propeller im Flug um 270 Grad schwenken und so auch senkrecht starten und landen. Als wir die Förderung des Exist-Programms beantragt haben, wurde daher anerkannt, dass es sich bei H-Aero um ein neuartiges Fluggerät handelt, das es in dieser Form noch nicht gegeben hat.

KEM Konstruktion: Bei den Geräten ihrer Kollegen im Drohnenbereich war es dagegen häufiger so, dass man die Konzepte der schon existierenden großen Flugzeuge oder Helikopter im kleinen adaptiert hat. Könnte bei ihrem Konzept irgendwann eine große Variante aus dem kleinen abgeleitet werden, etwa für größere Transportaufträge?

Singer: Leichter-als-Luft Konzepte wurden ja früher schon realisiert, Cargo-Lifter um die Jahrtausendwende ist sicherlich noch ein Begriff. Dort lagen aber die Heliumkosten für eine Füllung bereits im Millionenbereich. Bei neuen Technologien müssen aber immer wieder Probleme gelöst werden, und bei großen Geräten ist die entsprechende Modifikation dann exorbitant kostspieliger als bei kleinen. Die Physik aber bleibt gleich, wenn wir also ein Problem im kleinen gelöst haben, wird uns das wahrscheinlich auch später nicht mehr begegnen, wenn wir eventuell in größere Dimensionen skalieren.

KEM Konstruktion: Hätten Sie auch noch kleiner starten können?

Singer: Bedingt ja, aber irgendwann reicht der Auftrieb nicht mehr, um sich selbst zu tragen. Aktuell sind wir weltweit der einzige Hersteller, der ein so gutes Volumen/Nutzlast-Verhältnis schafft. Einer unsere Konkurrenten ist ein sehr großer Flugzeugbauer, dessen Konzept ähnelt unserem, kommt aber auf 28 m3 Helium – 1 m3 Helium kann 1 kg heben – womit man aber dennoch nur 5 kg Nutzlast packt. Unsere größte Variante hat 8,7 m3, womit wir noch 3 kg Nutzlast aufnehmen können. Wir können also doppelt so klein bauen. Rein regulatorisch starten wir übrigens in der Spielzeug-Klasse bis 250 Gramm, da wir unsere Abflugmasse selbst bestimmen können. Dass unsere Abflugmasse geringer ist als unsere Trockenmasse, sorgte sogar bei Luftfahrtbehörden erst mal für Verwirrung. Regulatorisch müssen wir beim gewerblichen Betrieb aber die gleichen Auflagen erfüllen, wie Multikopter und andere Drohnen auch.

KEM Konstruktion: Bei so einem Leichtgewicht spielt der Wind sicher eine Rolle, oder?

Singer: Das große Modell kommt gegen 15 km/h an. Aber wir können das Gerät auch buchstäblich an die Leine legen und so als Aerostat fungieren, das nennen wir den Kite-Modus. Das ist für Behörden sehr interessant, um Großveranstaltungen zu überwachen: Die Katastrophe auf der Loveparade hätte sich mit einem dauerhaften Aufklärungsbild aus 50 oder 100 Meter Höhe vielleicht verhindern lassen, da man frühzeitig erkannt hätte, dass die Menschenmassen in einem Bereich kritisch werden.

KEM Konstruktion: Wie sieht es mit der Geschwindigkeit aus?

Singer: Wenn man uns mit einem Fahrzeug vergleicht – da gibt es Lkw aber auch Sportwagen – sehen wir uns derzeit im VW-Bully-Bereich in der Mitte. Wir könnten aber auch in eine stärker spezialisierte Richtung gehen, wenn man etwa gegen 25 oder 30 km/h Wind ankommen will, wäre das machbar, aber zu Lasten der Flugdauer.

KEM Konstruktion: Wie ist das Gerät aufgebaut?

Singer: Die Nutzlast hängt bei uns immer zentral und unterhalb des Äquators, wodurch wir keine besondere ausgleichende Versteifung benötigen, ein Zeppelin dagegen braucht so etwas. Unser Ballonelement besteht aus zwei Hüllen: Die innere Gaszelle und die reisfeste Außenhaut, sie behält aber durch eine interne Struktur ebenfalls ihre Form. Gleichzeitig fungiert sie auch als Fallschirm, da sie bei einem Absturz den Fall bremst. Daher ist unser Gerät auch eines der ganz wenigen, die mit offiziellem UAV-Dach Gutachten nach RPAS-SORA über Menschenmengen fliegen dürfen.

KEM Konstruktion: Das ist für herkömmliche Drohnen häufig der Knackpunkt…

Singer: …Exakt. Da wird sogar geprüft, was bei Beschuss passiert. Bei uns tritt das Helium durch die Struktur nur langsam aus und die Fallschirmeigenschaft sorgt für langsameres Absinken. So haben wir eine doppelte Redundanz und damit auch die Möglichkeit, über Menschenmengen zu fliegen.

KEM Konstruktion: Sie haben im Produkt einen großen Materialmix, andere müssen nur einen Rahmen bauen und dann die Elektronik in den Griff bekommen. War das schwierig?

Singer: Viele unserer Werkstoffe kommen aus dem Extremsport. Vor 15 bis 20 Jahren wäre es nicht möglich gewesen, unsere Geräte so klein zu bauen. Die Materialien sind leichter und strapazierfähiger geworden. Unsere Außenhülle aus speziellem Nylon kommt aus dem Segelsport. Die Gaszelle besteht aus einer sehr dünnen, zweischichtigen Folie und verliert lediglich drei bis vier Prozent Helium pro Monat, was wirklich sehr dicht ist. Auch die Carbon-Technik und der 3D-Druck helfen uns natürlich enorm. So können wir schnell etwas ändern, durch eine interne Wabenstruktur aber auch sehr leicht und trotzdem steif konstruieren. Teilweise versenden wir auch keine Ersatzteile mehr, sondern lediglich die Druckdatei, da das schneller als ein Paket um den Globus geht und auch klimafreundlicher ist.

KEM Konstruktion: Finden Sie leicht, was Sie brauchen oder ist der Zulieferer-Markt hier sehr klein?

Singer: Ja, prinzipiell finden wir schon was wir benötigen. Aktuell kommen wir aber natürlich noch nicht auf Stückzahlen, die eine typische nach Asien ausgelagerte Großserie erlauben. Daher lassen wir die Hüllen recht hochpreisig in Deutschland nähen.

KEM Konstruktion: Was wünschen Sie sich von Zulieferern?

Singer: Unser Fokus ist das Fluggerät, daher können wir nicht auch noch Arbeit in die Nutzlasten stecken. Unsere Kunden kommen aber häufig mit einem konkreten Einsatzzweck zu uns, den sie als Paket in Auftrag geben möchten und sich später eben nicht selbst um die Verbindung von Nutzlast und Fluggerät kümmern wollen. Wir übernehmen daher die Adaption an unsere Geräte, bauen also auch mal das Gehäuse für eine Wärmebildsensorik. Alles andere muss aber fertig kommen, sprich der Zulieferer muss ein funktionsfähiges Paket aus beispielsweise Kamera, 3-Achs-Gimbal und Datenübertragung bieten können, das wir nur noch anbauen müssen.

KEM Konstruktion: Wie gehen Sie mit individuellen Anfragen zum Fluggerät um?

Singer: Wir haben die Entwicklungsalgorithmen untereinander gekoppelt: Wir können auf spezifische Anfragen hinsichtlich Nutzlast, Geschwindigkeit, Flugdauer und anderen Parametern hin automatisch ein Konzept erstellen, wie das entsprechende Gerät aufgebaut sein muss. Der Computer sagt uns also, wie rund die Ellipse sein muss, wie groß das Volumen, wie stark die Motoren. Ursprünglich hatten wir nur zwei Produkte, den kleinen Zero mit 500 Gramm Nutzlast und den großen One, der 3 kg trägt. Ein Kunde brauchte aber etwas dazwischen, der kleine war ihm zu schwach, der große zu sperrig. Also haben wir den Kleinen auf 1,1 kg optimiert – der Zero Plus ist jetzt unser Verkaufsschlager. Unser größtes Model ist dabei schon so ausgelegt, dass wir ihn sehr einfach auch auf 5 bis 6 kg Nutzlast anpassen könnten.

KEM Konstruktion: Unter welchen Umständen fertigen Sie auch individuell?

Singer: Es gibt prinzipiell zwei Kriterien: Der Kunde muss den Entwicklungsmehraufwand bezahlen und wir müssen sehen, dass das neue Gerät auch sinnvoll unser Portfolio ergänzt, sprich auch andere Kunden interessieren könnte. Wir können natürlich auch völlige Exoten als Einzellösungen konstruieren, dann muss der Käufer aber bereit sein, das finanziell voll zu übernehmen.

KEM Konstruktion: Andersherum gefragt, sind kleinere Änderungen an den Standardmodellen möglich?

Singer: Ja, prinzipiell bieten wir unterschiedlich starke Motoren an, zudem kann die Hülle in diversen Farben gefertigt und auch bedruckt oder beklebt werden. Denn unsere Geräte eignen sich sehr gut als Werbeträger: relativ große Flächen, die sich in der leisen Bewegung auch gut erfassen lassen. Dazu vermitteln wir ein positives Image, da viele Leute das Gerät fasziniert länger beobachten. Andere Drohnen werden von Passanten ja inzwischen eher kritisch betrachtet. Die Werbung kann den Betrieb amortisieren. Durch unsere Größe sind wir weit und gut sichtbar, was auch für den Piloten vorteilhaft ist, er ist ja verpflichtet, ständig Sichtkontakt mit dem Gerät zu halten. Das geht bei uns auch noch auf mehrere hundert Meter.

KEM Konstruktion: Aktuell brauchen sie noch einen Piloten, wie sieht es mit autonomen Flügen aus?

Singer: Wir haben bereits einen Computer an Bord, der autonome Manöver fliegen kann. Dafür haben wir GPS und Ultraschallsensoren verbaut, die uns auch den Indoor-Einsatz erlauben, ein Gebiet, das aktuell immer stärker bei uns nachgefragt wird. Draußen sind wir im Vergleich zu anderen etwas anfälliger für Wind und Wetter, aber drinnen spielen wir unsere Vorteile noch besser aus. Dort sind die anderen nämlich sehr viel anfälliger was Kollisionen angeht.

KEM Konstruktion: Wo gibt es da Anwendungsfälle?

Singer: Beispielsweise in der digitalen Dokumentation von historischen Gebäuden per Lidar oder Fotogrammetrie. In Italien sucht der Staat etwa nach Lösungen, um Kirchen in Erdbebengebieten genau zu dokumentieren, falls mal etwas zerstört wird. Aber auch bei Großveranstaltungen sind wir immer stärker gefragt, da wir sehr leise sind und so auch Audio-Aufnahmen realisieren können, bei Multikoptern ist das nicht möglich. Dabei können wir etwa die aufwändig zu installierenden Seilkameras ersetzen. Höhe und Ausrichtung kann das Gerät autonom halten. Im Labor haben wir zudem schon ein Modell, das weltweit über das Internet angesteuert werden kann. Da unsere Struktur sehr nachgiebig ist, macht auch eine Latenz von 200 Millisekunden nicht gleich große Probleme. Zudem können wir auch nur reine Flug- und Telemetriedaten übermitteln und daher auch über ein langsames Edge-Netz einzelne Wegpunkte angeben, die über die schon erwähnten autonomen Funktionen Höhe und Ausrichtung dann einzeln angeflogen werden können.

KEM Konstruktion: Ist das für Inspektionsflüge interessant?

Singer: Bei kürzeren, etwa einstündigen Aufträgen wird der Nutzer dafür weiter bei Multikoptern bleiben und dafür dann eben zwei mal den Akku wechseln. Wir aber können riesige Flächen über lange Zeit beobachten, etwa Tierbestandszählungen in afrikanischen Nationalparks oder zur Datenerhebung über tausende Hektar großen Waldflächen. Dabei können wir den eigentlich störenden Wind für uns nutzen: Haben wir beispielsweise 40 km/h Nordwind, suchen wir einen passenden Startplatz, lassen uns mit 40 km/h Richtung Süden treiben und brauchen die eigene Energie nur für die Seitwärtsbewegung, um einen Zick-Zack-Kurs zu erzeugen und können so die komplette Fläche erfassen. Dabei können wir wie beim Segeln bis zu 90 Grad zum Wind kreuzen. Den Rückflug – eventuell über mehrere Kilometer – brauchen wir ebenfalls nicht, wir landen das Gerät am Ziel im Süden, wo bereits ein zweites Team wartet. Ebenso sind dafür natürlich Schwärme denkbar, um noch größere Flächen abzudecken.

KEM Konstruktion: Es gibt aber auch speziellere Fälle, oder?

Singer: Ja, ein sehr großes Trendthema sind aktuell sogenannte HAPS, also High Altitude Pseudo Satellites. Das sind Alternativen zu regulären Satelliten, die bis in der Stratosphäre auf etwa 20 Kilometer Höhe über Wochen arbeiten. So kann man beispielsweise Funknetze aufbauen, was auch für die künftige 5G-Technik interessant werden wird. Unsere Konkurrenz sind hier Ballons, etwa von Google, die nur über den Wind gestreut werden und daher schwer berechenbar sind oder Solarflugzeuge, etwa von Airbus, die ständig Energie für Vortrieb in schweren Batterien speichern müssen und daher entsprechend groß dimensioniert sein müssen, um auch wirklich Nutzlast tragen zu können. Daher wird dann auch immer eine Landebahn benötigt. Wir bieten dagegen das Beste aus allen Welten: Wenig Energiebedarf, manövrierbar und lange im Einsatz. Zukünftig sollen zudem alle Drohnen getrackt werden, wie eben die reguläre Luftfahrt auch. Da dafür ein leichtes System nötig ist – reguläre Transponder sind schwer – soll das über Mobilfunk passieren. Die Karten der Netzabdeckung dafür sind aber nur zweidimensional, man weiß also nicht, wie gut das Netz in welcher Höhe ist. Das könnten wir bei unseren langen Flügen quasi als Abfallprodukt mit liefern, indem wir die Signalstärke millisekündlich mitschreiben.

KEM Konstruktion: Wenn Sie etwas in die Zukunft schauen, wo könnte die Reise hingehen?

Singer: Wir haben auch bemannte Flüge bereits durchgerechnet: Der Ballon mäße dann 22 Meter im Durchmesser, verfügt aber über eine Kabine mit Bett, Kühlschrank und Toilette. Elektrizität gäbe es über Solarzellen. Die Simulation ergab einen cw-Wert, der annähernd so gut wie der eines Wassertropfens ist. Wir könnten damit mit wenigen kW bis zu 170 km/h schnell fliegen – und das leise und komfortabel. Wir vergleichen das gerne mit einer fliegenden Yacht.

www.h-aero.com

Hybrid-Airplane GmbH
Lichtentalerstr. 14
76530 Baden-Baden
Telefon: +49 7221 187 9773
E-Mail: csaba.singer@hybrid-airplane.com
Website: www.hybrid-airplane.com

Csaba Singer studierte Luft- und Raumfahrttechnik in Stuttgart, wo er 2004 die Berechnung und das Konzept für die jetzigen Geräte entwickelte und daraus dann die Firma Hybrid-Airplanes Technologies gründete. Am Ende seiner Doktorarbeit wurde er 2012 zur NASA eingeladen, um dort im Zuge einer Ausschreibung für die Lufterkundung der Marsoberfläche sein Konzept vorzustellen.

Die Technik in Aktion zeigt ein Video:

hier.pro/vAe6g


Dr.-Ing. Csaba Singer, Gründer von Hybrid-Airplane Technologies GmbH
Bild: Hybrid-Airplane Technologies

„Unser Fokus ist das Fluggerät, daher können wir nicht auch noch Arbeit in die Nutzlast stecken. Die muss daher fertig in einem funktionsfähigen Paket kommen, das wir nur noch anbauen müssen.“


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