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Bachelorarbeit Systemtechnink: Wingcopter – Schwenkantrieb

Schwenkbarer Antrieb für den Wingcopter

Für das Konzept des senkrecht startenden Flugzeugs Wingcopter haben die Systemtechnik-Absolventen Christian Stamm und Christian Zuber ein schwenkbares Antriebssystem entwickelt. Gleichzeitig arbeiteten zwei Maschinentechnik-Absolventen an der struktur- und flugtechnischen Auslegung des Wingcopters.

Die Flugzeugdrohne Wingcopter soll senkrecht starten und landen können. Christian Stamm und  Christian Zuber hatten bereits in ihrer vorausgehenden Projektarbeit ein Konzept erarbeitet, wie diese technische Herausforderung zu bewerkstelligen sei. Im Rahmen ihrer Bachelorarbeit setzten die Systemtechnik-Absolventen ihre Arbeit fort. Mit einem eigens gebauten Prüfstand testeten sie das Funktionsmuster des Schwenkantriebs. Zusätzlich überprüften die Absolventen im Rahmen ihrer Arbeit die Resultate in Bezug auf die struktur- und flugtechnischen Anforderungen. Schliesslich überarbeiteten sie das in der Strömung liegende Antriebssystem auch aus mechanischer Sicht.

Funktionsmuster auf Prüfstand

Akku, Spindelantrieb, Drehzahlsteller, Positionsregler: So sieht das Innenleben des Antriebssystems aus.

«Wie in unserem vorgängig erarbeiteten Konzept vorgesehen, sollte der Antriebsmotor mit Propeller durch einen Spindelantrieb über einen Hebel um 90 Grad geschwenkt werden», erklärt Christan Stamm. Nachdem er und Christan Zuber die benötigten Komponenten evaluiert hatten, erstellten sie ein entsprechendes Funktionsmuster ihrer Lösung. «Der Spindelantrieb wird von einem Positionsregler angesteuert», so Christian Zuber. «Als übergeordnete Steuerung entwickelten wir eine Printplatte, die mit einem integrierten Mikrocontroller programmiert ist.» Mit dieser Steuerung kann das System auf vier oder mehr Antriebe erweitert werden, was bei der Grösse des Wingcopters auch notwendig ist. Als konkreter Prüfstand diente den Absolventen ein auf der einen Seite fix eingespanntes Rohr, auf dessen anderer Seite das Funktionsmuster montiert war. Um den vom Antrieb generierten Schub in horizontaler und vertikaler Richtung zu messen, befestigen sie dem Umfang entlang vier um je 90 Grad zu einander versetzte Dehnungsmessstreifen. Dieser Aufbau des Prüfstandes ermöglichte es, für jeden Schwenkwinkel des Motors den Schub richtungsabhängig zu messen. Alle Daten konnten in Echtzeit aufgezeichnet und verarbeitet werden.

«Wir haben eine relativ leichte, flexible und dennoch leistungsstarke Antriebseinheit in die Leichtbaustruktur eingebettet.»

Christian Zuber

Viel Leistung bei wenig Gewicht

Der schwenkbare Propeller wechselt zwischen Horizontal- und Schwebeflug.

Aus den erfassten Daten konnten Christian Stamm und Christian Zuber wichtige Informationen für die Konstruktion und Auslegung ableiten: «Der Bodeneffekt kommt zum Tragen, wenn die Distanz von der Propellerrotationsebene zum Untergrund weniger als 0,2 Meter beträgt», so Christian Stamm. «Kurzzeitig kann ein Schub von 85 Newton bei einer elektrischen Leistung von 3100 Watt pro Motor erzeugt werden, was bei einem maximalen Startgewicht von 25 Kilogramm einen Schubüberschuss von 38,5 Prozent ergibt.» Der Haken: Bei dieser Leistung überhitzt der Motor innert Sekunden. Die Absolventen haben zusätzlich einen Drehzahlregler ausgelegt. «Dieser Regler kontrolliert in der Phase des Schwenkens der Antriebsmotoren die Drehzahl. Er muss aber als weiterführende Arbeit noch getestet werden», so Christian Zuber. Dennoch sei das Ergebnis der Bachelorarbeit zufriedenstellend: «Wir haben eine relativ leichte, flexible und dennoch leistungsstarke Antriebseinheit in die Leichtbaustruktur eingebettet. Unseren Messresultaten zufolge beträgt die maximal erreichbare Flugzeit beinahe zwei Stunden.» Die Resultate der Bachelorarbeit bilden eine Grundlage für die Weiterentwicklung des Antriebskonzepts. Der nächste Arbeitsschritt wird darin bestehen, einen Prototyp mit vier Antrieben zu bauen.

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