Leichtbau im Grenzbereich

Die zeitlich nahezu unbegrenzte Stationierung unbemannter Flugzeuge in der Stratosphäre stellt eine der großen Herausforderungen in der Fliegerei dar. Treibende Kraft ist dabei die Option, kostenintensive Satelliten durch unbemanntes, solar betriebenes Fluggerät zu ersetzen und zum Beispiel Krisengebiete dauerhaft stationär beobachten zu können.

Gemeinsam mit sechzehn weiteren Einrichtungen des DLR arbeitet das Institut im Querschnittsprojekt HAP – High Altitude Platform daran, diesen lang gehegten Wunsch der Fliegerei zu verwirklichen. Dabei ist unsere vorrangige Aufgabe ein kompromissloser Leichtbau an der multidisziplinär zu entwickelnden und zu betreibenden Demonstrations-Plattform HAP-Alpha.

Leichtbau im Grenzbereich

Neben der Atmosphärenforschung ist besonders die Erdbeobachtung, z. B. zur Ein­schätzung von Gefährdungslagen durch Erdbeben und Überschwemmungen, von steigender Bedeutung. Auch die Koordination humanitärer Einsätze kann durch die Verfügbarkeit von Echtzeitinformationen aus dem Krisengebiet deutlich effizienter gestaltet werden.

Diverse Studien zeigen, dass die Machbarkeit einer derartigen Plattform durch aktuelle technologische Fortschritte in greifbare Nähe gerückt ist.

Insbesondere die Miniaturisierung elektronischer Bauelemente und Computer sowie die deutliche Steigerung der Energiedichte von Akkumulatoren und der spezifischen Wirkungsgrade von Solarzellen sind in diesem Zusammenhang entscheidend. Die im Flugzeugbau bekannte „Breguet“- oder Reichweitenformel zeigt außerdem eine direkte Abhängigkeit der dauerhaften Stationierbarkeit vom Flächengewicht des Luft­fahrzeuges. Mit dem Einsatz innovativer Flügelbauweisen und Hochleistungs-CFK-Strukturen kann die Abflugmasse auf das minimal mögliche Limit reduziert werden. Die Studien belegen aber auch, dass größer nicht unbedingt besser ist und die Flächen­belastung durch Skalierungseffekte mit zunehmender Größe überproportional ansteigt.

Ultraleichter Flügel

Für die gewünschte Nutzlastdemonstration ist daher ein sehr großer Flügel mit über 35m² Fläche bei einem Gesamtsystemflächengewicht von unter 3,5 kg/m² erforderlich.

Durch die Anforderungen aus den Disziplinen der Aerodynamik, Aeroelastik, System­integration und elektrischen Antriebstechnik nebst Akkumulatoren und Photovoltaikzellen, die jeweils ein komplexes Thermal- und Energiemanagement erfordern, wird der Strukturentwurf vor größte Herausforderungen gestellt.

In Voruntersuchungen wurden verschiedene Bauweisen verglichen und unter dem Strich eine Rohrholmbauweise in Verbindung mit Sandwichrippen als das Strukturkonzept mit dem effizientesten Leichtbaupotenzial identifiziert. Derzeit laufen die Ausdetaillierung und der Nachweis der Bauweisen in Form von Fertigungsstudien und Versuchskörpern, insbesondere für die Fügestellen der intern in Prepreg-Tow-Placement gewickelten Rohrholme.