Faulhaber: effiziente Antriebstechnik Kompakte Elektroantriebe regeln Fluglage

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Die hybriden Luftschiffe des italienischen Herstellers Flo Fleet S .r. l., Sesto San Giovanni (MI) / Italien, steuern und regeln autonom ihre Fluglage mit kompakten, vernetzten Elektroantrieben von Faulhaber.

Nicht immer muss das Rad komplett neu erfunden werden. Mitunter kann es sinnvoll sein, bestehende Erfindungen mit etwas Abstand neu zu betrachten, mit dem Stand der Technik abzugleichen und an aktuelle Herausforderungen anzupassen. Dabei können innovative und nachhaltige Techniken entstehen. Das zeigt das Luftschiffkonzept des italienischen Unternehmens Flo Fleet S. r. l. Die Luftfahrzeuge arbeiten besonders effizient und auch autonom.

Von oben betrachten

Bei einer Vielzahl technischer Anlagen der öffentlichen Infrastruktur erweist es sich als sinnvoll, ihren Zustand von oben zu überwachen und zu prüfen. Das betrifft zum Beispiel Strommasten, Pipelines, Kraftwerke und Solarfelder. In Krisensituationen, beispielsweise bei eingestürzten Brücken, Erdrutschen und Überschwemmungen, kann es gleichermassen hilfreich sein, sich aus der Vogelperspektive einen Überblick zu verschaffen oder gar Suchaktionen durchzuführen. Auch geophysikalische Untersuchungen, die Kartografie, die Überwachung von Bahn- und Strasseninfrastruktur und die Landwirtschaft profitieren vom «Blick von oben». Im Sport hat man beispielsweise bei Radrennen und Segelwettkämpfen aus der Luft ebenfalls einen besseren Überblick. Meist nutzte man dafür bisher Drohnen, Helikopter und Flächenflugzeuge. Diese bringen allerdings einige Schwierigkeiten mit sich. Sie brauchen sehr viel Energie, sind in ihrer Reichweite begrenzt und stören bisweilen die eingesetzte Sensorik beim Messen.

Deshalb haben die Techniker und Ingenieure bei der Flo Fleet S. r. l. das Konzept klassischer Luftschiffe (nach dem weltweit bekannten deutschen Konstrukteur auch Zeppelin genannt) überarbeitet und für die genannten Einsatzfelder nach aktuellen Erkenntnissen optimiert. Das Unternehmen hat ein innovatives hybrides Luftschiff entwickelt, das Aero­statik und Aerodynamik kombiniert. Seine flügel­artige Form und eine verstärkte Stoffkonstruktion ermöglichen es ihm, durch aerostatischen und aero­dynamischen Schub den Flug aufrechtzuerhalten. Dieses Design löst die Landeprobleme traditioneller Luftschiffe und ermöglicht es, sich einfach durch Änderung des Anstellwinkels an unterschiedliche getragene Lasten anzupassen.

Vielseitige Flotte

Inzwischen stellt das italienische Unternehmen drei Luftschiffe unterschiedlicher Abmessungen und Traglasten bereit. Sie sind zwischen 8 m und 18 m lang und tragen zwischen 9 kg und 100 kg zusätzliche Lasten. Die Fluggeräte lassen sich abhängig von der jeweiligen Anwendung individuell mit passender Sensorik und jeweils erforderlichen Messgeräten ausstatten. Die Varianten unterscheiden sich nicht nur in ihrer Länge, sondern auch in ihrem Erscheinungsbild. Je nach Ausführung sind sie einem klassischen Luftschiff ähnlich. Alle Ausführungen nutzen Helium in ihrem Innern für den Auftrieb, das im Gegensatz zu Wasserstoff nicht brennbar ist und daher eine höhere Sicherheit ermöglicht. Für den Vortrieb sorgt die aerodynamische Form der Fluggeräte in Kombination mit acht Schubdüsen. Das hybride Design sorgt für hohe Stabilität und Präzision. Es ermöglicht den Luftschiffen, ihre Flughöhe konstant zu halten und selbst bei Wind zuverlässig zu manövrieren. Die Flughöhe lässt sich entsprechend des jeweiligen Anwendungsfalls zwischen 5 und 1000 m stellen und regeln. Dazu wird über den Anstellwinkel die Flughöhe an die jeweilige Nutzlast angepasst. Solarpaneele auf der Oberseite gewährleisten die nötige Energieversorgung. Damit können die Fluggeräte je nach Umgebungsbedingungen bei einer Batterielaufzeit von einer Woche knapp 7000 km zurücklegen. Zwar ist die Geschwindigkeit mit etwa 30 km/h langsamer als bei Drohnen oder Flugzeugen. Allerdings profitieren speziell davon zahlreiche Anwendungen. Zudem ist eine niedrige Flughöhe mit Flugzeugen schwer zu erreichen, wird aber bei vielen Anwendungen gefordert.

Mit Schubdüsen lenken

Luftschiffe mit ihren Abmessungen auch bei Wind zuverlässig einzuregeln, ist alles andere als trivial und stellt hohe Forderungen an die eingesetzte Steuerung sowie die Antriebstechnik. Andrea Cecchi, CEO von Flo Fleet, erklärt: «Aufgrund der Empfindlichkeit eines Luftschiffs gegenüber Wind und seiner grossen Abmessungen sind Präzision und Steuerbarkeit entscheidend. Seit den ersten Prototypen war es eine Herausforderung, industrielle Lösungen zu finden, die Präzision, Geschwindigkeit und geringes Gewicht vereinen – letzteres ist in der Luftfahrt besonders wichtig.» Damit sind die Anforderungen an die eingesetzte Antriebstechnik benannt. Gerade das niedrige Gewicht und die Abmessungen der eingesetzten Antriebstechnik waren eine wichtige Forderung. Zudem sollte sich der Antrieb über standardisierte Kommunikationsschnittstellen einfach in die Steuerung des Luftfahrzeugs integrieren lassen.

Kompaktes, komplettes Antriebssystem

Für die Stabilisierung des Fluggeräts und die Ausrichtung der Propeller fiel die Wahl auf ein Motion­Control-System aus der Serie «BX4» von Faulhaber. Acht Schubdüsen werden damit permanent exakt eingeregelt, um die Fluglage zu halten oder Kurs­änderungen einzuleiten. Mit 49,6 mm Länge und 22 mm Durchmesser ist der Antrieb sehr kompakt und nur 77 g leicht. Dennoch bringt er bis zu 18 mNm Nenndrehmoment bei bis zu 6700 min^-1 Leerlaufdrehzahl. Er benötigt dabei nur wenig Strom. Standardmässig verfügt er über eine RS232- oder CANopen-Schnittstelle. Die Italiener integrieren die Antriebe per CAN in ihre Luftschiffsteuerung. Andrea Cecchi erklärt: «Die Ausrichtung der Schubdüsen ist entscheidend, da sie das Luftschiff stabilisiert und seine Flugbahn bestimmt. Die dafür genutzten Motoren müssen zuverlässig arbeiten, dabei leicht und energiesparend sein. All das leisten die Antriebe von Faulhaber. Einer der Hauptgründe für unsere Wahl war aber der integrierte Motion Controller. Dadurch sind Motor und Treiber besser geschützt und die einheitliche Verkabelung bringt zusätzlich Systemsicherheit.»

Kompakt, leicht, effizient

Mit den eingesetzten Motoren gelang es Flo Fleet, den Energieverbrauch zur Schubrichtung um die Hälfte zu senken, das Gewicht um 40 Prozent zu reduzieren und die Baugrösse um 60 Prozent zu verkleinern. Zudem verkürzen Closed-Loop-Regelung und On-Board-Diagnose die Integrationszeit und ermöglichen vorausschauende Wartung. Die native Unterstützung industrieller Bussysteme wie CAN oder CANopen sowie die EMV-Kompatibilität vereinfachen die Zertifizierung und die Verkabelung. Zudem ermöglichen vorkonfigurierte Bewegungsprofile schnelle und reproduzierbare Reaktionen – ein entscheidender Vorteil bei kritischen Flugmanövern. Damit unterstützen die Antriebe ein innovatives Luftschiffkonzept.

(kmu)

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