Die Fusion mit Microdrones bringt Schübeler mehr FuE-Möglichkeiten

Das mit einem elektrischen Impeller ausgestattete Jet-Modell bricht den Geschwindigkeitsrekord und etabliert einen neue Richtung für kommerzielle UAV-Innovationen.

von Vicki Speed, Technologiereporterin

Innovation im Flugzeugmodellbau scheint nicht das Forum für den Fortschritt im kommerziellen und militärischen UAV-Betrieb zu sein – oder doch? Im Jahr 2019 wollte einer der weltweit erfolgreichsten Piloten im Hochgeschwindigkeitsflugmodellbau, Bruno Stükerjürgen, in Osnabrück, Deutschland, an einem der größten Geschwindigkeitswettbewerbe der Szene teilnehmen. Um im Wettbewerb bestehen zu können, war es Stükerjürgens Ziel, statt der herkömmlichen schlanken Bauweise eine maßgefertigte Flugzelle zu bauen, die den scheinbar unerreichbaren Rekord von 400 km/h für die Fluggeschwindigkeit von Modellflugzeugen übertreffen konnte.

Zur Erreichung seines Ziels griff er auf das Fachwissen seines Flugzeugmodellbaukollegen Daniel Schübeler zurück, dem Gründer der Schübeler Technologies GmbH, einem führenden deutschen Hersteller von modernsten Impellerantrieben und Leichtbaukomponenten, der zum kommerziellen UAV-Entwickler Microdrones gehört.

Schübeler empfahl einen elektrisch angetriebenen Impeller (oder auch EDF-Antriebssystem), ähnlich den in Luftfahrzeugen und Flugzeugen verwendeten Fan Antrieben, um höhere Fluggeschwindigkeiten zu erreichen. Das Ergebnis übertraf die Erwartungen von Stükerjürgen bei weitem und öffnete die Tür für die Entwicklung einer neuen Generation unbemannter kommerzieller und militärischer Systeme, bei denen Sicherheit und Geschwindigkeit zählen.

Optimiert für Geschwindigkeit

Stükerjürgens Flugzelle wurde von einem Studenten der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen entworfen.

Stükerjürgen lieferte die Paramater wie Luftwiderstandskoeffizient und Referenzfläche an Schübeler Technologies, um den Impeller zu entwerfen. Ob robuste Fans, Ventilatoren, Kompressoren oder Elektromotoren, die Produkte von Schübeler Technologies sind so konzipiert, dass sie extremen Bedingungen und anspruchsvollem Außeneinsatz standhalten und High-Tech-Anwendungen wie UAVs, professionellem Motorsport und schweren Außengeräten Schubkraft und leichtgewichtige Langlebigkeit bieten.

Ein Impeller ist ein ummantelter Axialventilator mit niedrigem Durchmesser, ideal zur Erzeugung von höherem Druck, geringerem Volumendurchsatz und hoher Strahlgeschwindigkeit. Im Gegensatz zu einem freiliegenden Propeller haben Impeller, auch Axialventilatoren oder Fans genannt, Rotorblätter, die in einer Verkleidung montiert sind. Diese Konstruktion ist entscheidend für die Effizienz der Rotorblätter (d. h. hoher Schub, geringe Energie). Selbst der kleinste Fehler in einem aerodynamischen System kann zu einem Effizienzverlust von 30 bis 40 Prozent führen.

Schübeler war der Ansicht, dass die elektrische Impellerlösung einfacher zu fertigen sein würde als konventionelle elektrische Antriebs- oder Mehr-motorenlösungen und eine höhere Agilität bieten würde.

Für Stükerjürgens Flugzelle arbeitete Schübeler mit dynamischen Leistungskurven – die für jeden Schübeler-Impeller verfügbar sind – um den Stromverbrauch bei verschiedenen Geschwindigkeiten vorherzusagen. Das Team entwarf auch die Ein- und Auslassgeometrien, entscheidende Elemente für jedes optimierte Antriebssystem. Das Design der Rotorblätter war ebenfalls entscheidend für die Entwicklung eines sicheren und zuverlässigen Systems, das hohen Schub mit geringer Energiezufuhr und somit längere Flugzeiten ermöglicht. Erste Schätzungen ergaben, dass der DS-51-AXI HDS (90 mm) mit einem Standardmotor mindestens 430 km/h erreichen und dabei weniger als 6 kW verbrauchen würde.

Stükerjürgen und Schübeler stellten das Konzept einige Monate später beim Osnabrücker Modellflugwettbewerb unter Beweis.

Stükerjürgens Flugzelle, die von einem Katapult aus gestartet wurde, erreichte eine Höchstgeschwindigkeit von 460 km/h und eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 430 km/h in der Bahn – und das bei einem um rund 500 W geringeren Energieverbrauch im Vergleich zu anderen Antriebssystemen.

Schübeler: „Das System ist schnell, leistungsstark und hocheffizient. Wir erreichten einen Wirkungsgrad von rund 65 Prozent, was vergleichbar ist mit schnell drehenden Propellern für höhere Geschwindigkeiten.“ Er ist besonders stolz darauf, dass die Realität den theoretischen Zahlen sehr nahe kam und fügte hinzu: „Unsere Ergebnisse aus der Praxis stimmten gleich beim ersten Mal mit unseren Vorhersagen über Leistung und Geschwindigkeit überein. Wir benötigten nicht mehrere Entwicklungsschleifen – das ist sehr zufriedenstellend.“

Bruno Stükerjürgens kundenspezifische Flugzeugzelle mit einem Schübeler EDF-fähigen Antriebssystem.

EDF im Extrembereich

Während das Projekt Stükerjürgen ein unterhaltsames und sehr erfolgreiches  Experiment war, um zu demonstrieren, dass ein elektrischer Impeller ein sehr schnelles Modellflugzeug antreiben kann, hat es sich im UAV-Bereich als viel bedeutender erwiesen.

„Grundsätzlich konnten wir nachweisen, dass Impellerantriebssysteme bei guter Integration eine effiziente Alternative zu Propellern darstellen,“ erklärt Schübeler. „Ein elektrisches Impellerantriebssystem bietet im Vergleich zu Systemen mit kleinen Strahltriebwerken erschwinglichere Energieoptionen für unbemannte Fluggeräte.“

Nach gängiger Auffassung ist für die Erhöhung des Schubs eines elektrischen Impellers, also die Erzeugung von mehr Leistung und Geschwindigkeit, zusätzliches Gewicht erforderlich. Das Entwicklungsteam von Schübeler kann jedoch die Impellersysteme – einschließlich optimaler Steigung, Rotoranzahl, Durchmesser, Gewicht und Auswuchtung – auf jede beliebige UAV-Flugzelle und die gewünschten Flugparameter abstimmen, was exakt dem entspricht, was sie für Stükerjürgens Flugzelle taten. Schübeler entwickelt auch die HST® Produktfamilie, die häufig von Universitäten für die Windkanalforschung verlangt wird. So ist beispielsweise die Impeller/Motor-Kombination DS-51HST in einer 1100-kV- und einer 950-kV-Version erhältlich.

Das Schübeler-Team ist imstande, die Leistung seiner Impellerantriebssysteme unter sehr präzisen Flugbedingungen, selbst bei extremen Anwendungen, vorherzusagen. Ein Produkt von Schübeler wird sogar in der Stratosphäre in ca. 16.000 Meter (55.000 Fuß) Höhe eingesetzt.

„Die elektrischen Impellerantriebssysteme der Zukunft bewegen sich in Richtung einer ausgewogenen Mischung aus Schwebeflug, Langsamflug und hoher Reisefluggeschwindigkeit in Kombination mit längeren Flugzeiten“, kündigt Schübeler an.

Eine Nahaufnahme des Impeller DS-51-AXI HDS (90 mm).

Mit Strahlgeschwindigkeit voraus

Schübeler und sein Team konzentrieren sich zudem auf die tiefergehende Entwicklung professioneller Antriebssysteme für kommerzielle UAVs. „Bei diesen schwierigen Anwendungen stehen wir vor thermischen und mechanischen Herausforderungen; es gibt immer die Möglichkeit zur kontinuierlichen Verbesserung bei der Entwicklung und Fertigung von Motoren.“ sagt er.

Der langfristige Auftrag, so Schübeler, bestehe darin, akkubetriebene elektrische Flugplattformen so gut zu konstruieren, dass sie anspruchsvolle Missionen erfüllen können. Er wies auf die mögliche Nutzung von elektrischen Impellern als Steuer- und Antriebssysteme für Fluggeräte in Anwendungen hin, bei denen die Größe begrenzt ist und hohe statische Schübe erforderlich sind, z. B. bei Fluggeräten, die vertikal starten und landen können (VTOL), bei Luftkissenfahrzeugen oder sogar bei gesteuerten Tragflächenflugzeugen.

Bruno Stükerjürgen und die Schübeler Technologies GmbH setzen die Untersuchung elektrischer Impeller für Hochgeschwindigkeits-Flugzellen im Jahr 2020 fort. Schübeler zum Abschluss: „Als nächstes entwickeln wir ein Antriebssystem, das 500 km/h erreichen kann, wobei für die zusätzlichen 40 km/h eine enorme Leistungssteigerung erforderlich ist. Diese Art von Leistungssprung kommt nicht nur aus der Effizienz, aber wir freuen uns darauf, ihn zu erzielen.“

Wenn Sie effiziente und zuverlässige elektrische Impellerantriebstechnik benötigen, wenden Sie sich bitte an Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!.

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