Mantelpropeller

In dem Kooperationsprojekt „Mantelpropeller“ setzen sich das Hamburger Unternehmen Cooper Copter GmbH und die Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg (HAW) zum Ziel, einen Mantelpropeller mit latenzfreier Luftstromregulierung zur Schubsteuerung für den sicheren Einsatz von Multikoptern zu entwickeln. Das Projekt wird über zwei Jahre aus Mitteln des Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) gefördert und hat ein Fördervolumen von 252.000 Euro. Ein entsprechender Antrag wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Mai 2017 bewilligt.

Unbemannte Flugsysteme (UAV) kommen künftig in vielen Lebenslagen zum Einsatz und haben sich bereits in verschiedenen industriellen Anwendungen etabliert. Diese Einsätze finden meistens in einer offenen Umgebung statt, in der das Kollisionsrisiko begrenzt ist. Jedoch verbreitet sich der Einsatz von UAV im Indoorbereich stetig, wo das Kollisionsrisiko, aufgrund der wenigen Ausweichmöglichkeiten bei Pilotenfehlern oder technischen Fehlern, erhöht ist. Kollisionen von drehenden Propellern mit Gegenständen haben nahezu immer den sofortigen Absturz zu Folge und bringen durch schnelldrehende und splitternde Teile ein erhebliches Verletzungsrisiko mit sich. Fast alle heute eingesetzten UAV verwenden offene Rotoren, mit mehreren tausend Umdrehungen pro Minute. Dies stellt bei einem Absturz ein Sicherheitsrisiko für umstehende Personen oder Objekte dar. Zwar werden einige Rotoren mit Schutzrahmen eingefasst, jedoch bieten diese keinen umfassenden Schutz vor den Rotorblättern, da die Rahmen meist aus Gewichtsgründen und um die Strömungseigenschaften nicht negativ zu beeinflussen, dünn gehalten werden. 

Mantelpropeller, auch electric ducted fan (EDF) genannt, sind eine mögliche Lösung für dieses Problem. Die Propeller sind vollständig ummantelt, können bei gleicher Baugröße bis zu 50% mehr Leistung erbringen und doppelt so viel Nutzlast tragen. Obwohl Mantelpropeller kompakter konstruiert werden können und viele Vorteile bieten, kommen sie derzeit im Bereich der unbemannten Flugsysteme kaum zur Anwendung. Ein wesentlicher Nachteil derzeitiger Ausführungen ist das träge Ansprechverhalten bei der Steuerung. Eine Änderung der Drehzahl wirkt sich erst mit zeitlicher Verzögerung in einer tatsächlichen Schubveränderung aus. Für den Vorwärtsflug ist dies irrelevant, für den senkrechten Schwebeflug erzeugt dies jedoch erhebliche Schwierigkeiten für die Stabilisierung und das sichere und präzise Fliegen.

Die Projektpartner Cooper Copter GmbH und die HAW Hamburg beabsichtigen daher, einen Mantelpropeller mit innovativer Luftstromregulierung für eine latenzfreie und direkte Feinschubsteuerung des Multikopters zu entwickeln, um so die Flugstabilität zu verbessern und einen sicheren Einsatz von Multikoptern aller Art zu gewährleisten. Bei der Entwicklung ist vor allem die Abstimmung zwischen Drehzahlveränderung des Rotorsystems und Querschnittsveränderung im Luftkanal relevant, um eine direkte und latenzfreie Steuerung im vertikalen Flug zu gewährleisten. Ebenfalls erfordert die Übergangsphase vom vertikalen zum horizontalen Flug eine auf das Fluggerät und das Antriebssystem abgestimmte Flugsteuerung. Darüber hinaus ist die Entwicklung eines Prüfstands für Funktionstests Teil des Projekts, um dadurch gewonnene Erkenntnisse in die Entwicklung und Optimierung des Antriebssystems einfließen zu lassen.

Die Idee zu „InspectionCopter“ ist im Rahmen des Innovationsnetzwerks Aviares - Aviation Research Network entstanden, das ebenfalls über das ZIM-Programm gefördert wird. Im Zuge der Netzwerkmitgliedschaft werden die Partner aktiv bei der Identifizierung und Initiierung von Forschungs- und Entwicklungsprojekten sowie der Sicherstellung von Finanzierungen durch Fördermittelakquise unterstützt. Das Netzwerkmanagement hat die IWS Innovations- und Wissensstrategien GmbH übernommen, die derzeit eine breite Palette an technischen Innovationsvorhaben betreut.

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