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Bachelorarbeit: Flugsimulation mit dynamisch ähnlichem Modellflugzeug

Vom Modellflugzeug zum Flugzeugmodell

Um die Kosten in der Flugzeugentwicklung zu senken, könnten erste Flugversuche eines neuen Flugzeugtyps künftig mit skalierten Modellflugzeugen durchgeführt werden. Die beiden Aviatik-Absolventen Himmet Kaplan und Michael Steger haben in ihrer Bachelorarbeit erste Schritte in diese Richtung unternommen.

Ein neues Flugzeugmodell zu entwickeln ist teuer: Über 20 Milliarden US-Dollar liess sich zum Beispiel Flugzeughersteller Boeing die Entwicklung des «Dreamliners» 787 kosten; auch der vergleichsweise kleine Businessjet PC-24 soll gemäss Angaben von Hersteller Pilatus über 500 Millionen gekostet haben. Wie könnte man diese Kosten künftig reduzieren? Mit dieser Frage haben sich die beiden Aviatik-Absolventen Himmet Kaplan und Michael Steger in ihrer Bachelorarbeit auseinandergesetzt. Die Idee: Es ist mit dem heutigen Stand der Technik möglich, ein skaliertes und dynamisch angepasstes Modell eines Originalflugzeugs zu bauen. Theoretisch könnte der Prozess umgekehrt werden. Erste Flugversuche eines neuen Flugzeugtyps könnten also mit einem Modell durchgeführt werden. Dadurch liessen sich Probleme frühzeitig erkennen und Entwicklungskosten einsparen. 

Unterschiede zum Original

Um diesen Prozess zu testen, sind Erfahrungswerte nötig. Himmet Kaplan und Michael Steger konzentrierten sich daher darauf, das Modell eines bereits bestehenden Flugzeugtyps – der Pilatus PC-7 – so umzubauen, dass es den Eigenschaften des Originals entspricht. Michael Steger erklärt: «Zwischen einem Modellflugzeug und dem Original gibt es gewisse Unterschiede. So mussten wir zum Beispiel die Form der Tragflächen, das Leitwerk und die Rumpflänge anpassen, um ein mit der echten PC-7 vergleichbares Modell zu erhalten.» Andere Eigenschaften wie etwa den Querschnitt des Rumpfs oder das Flügelprofil passten sie trotz Unterschieden zum Original nicht an, wie Himmet Kaplan erklärt: «Wir mussten Aufwand und Ertrag im Auge behalten: Ein solcher Umbau wäre sehr aufwändig gewesen; für Untersuchungen zum Trudeln und zum Strömungsabriss sind diese Eigenschaften aber auch nicht ganz so zentral.» 

«Bis auf zwei, drei kleinere Anpassungen ist das Modell bereit für Messflüge.»

Michael Steger

Erste Testflüge

Das so optimierte Modellflugzeug durchlief anschliessend Tests im Windkanal, wobei die Absolventen die Eigenschaften des Propellers untersuchten. Mit einem Pendelverfahren berechneten sie zudem die Trägheitsmomente ihres Modells. Und zum Schluss statteten sie es mit Sensoren aus, die wertvolle Informationen über die Flugeigenschaften des Modells liefern und anschliessend mit den Daten des Originals verglichen werden können. «So weit sind wir noch nicht: Wir haben aber bereits erste Testflüge unternommen und untersucht, wie es sich bezüglich Trudeln und Strömungsabriss verhält. Bis auf zwei, drei kleinere Anpassungen ist das Modell bereit für Messflüge», berichtet Michael Steger. Allerdings verlangt das Modell dem Piloten einiges ab. «Es ist fast doppelt so schwer wie ein herkömmliches Modellflugzeug», erklärt Himmet Kaplan. «Das heisst, dass es vor allem bei Starts und Landungen etwas Fingerspitzengefühl – und viel Platz – braucht.»

Messflüge in Planung

Dozent Leonardo Manfriani ist sehr zufrieden mit der Arbeit der beiden Absolventen: «Es war eine komplexe und vielseitige Aufgabe, die nicht nur handwerkliche Fähigkeiten beim Bau des Modells verlangte; die Absolventen führten auch Tests im Windkanal und entsprechende Berechnungen durch, kümmerten sich um die Instrumentierung und vieles mehr.» Damit hätten sie eine sehr gute Basis für weitere Arbeiten geschaffen, so der Dozent. «Es hat sich bereits ein Student gefunden, der das Projekt weiterführen wird. Neben Vorbereitungen und den effektiven Messungen ist ausserdem geplant, die Messflüge mit einer Drohne zu begleiten, um auch visuelle Eindrücke des Flugverhaltens zu erhalten.»

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