von Marc Niggemann

Neukonstruktion eines Hubschraubers mit drei Rotoren und energiesparender Gashülle

Weitere Bilder

Ausführliche Wettbewerbs-Version

Kurzbeschreibung

In diesem Projekt wird der Frage nachgegangen, ob das energiesparende Fliegen von Blimps[1] und das wendige Flugverhalten von Helikoptern zu vereinen ist. Als zweitrangiges Ziel wird die Automatisierung der Steuerung gesehen, die den Piloten entlasten soll.

Es wird dabei auf den Erfahrungen aus dem "Jugend forscht"-Projekt "Konstruktion eines  sich selbst stabilisierenden Hubschraubers mit drei Hauptrotoren" aufgebaut, welches ´99 eingereicht worden ist. Dazu wurde die herkömmliche Helikopterkonstruktion mit einem Hauptrotor und einem Ausgleichsrotor neu überdacht. Dies ist nötig, um den Einsatz komplizierter Mechanik zu vermeiden und überhaupt eine Möglichkeit zu schaffen, eine Gashülle anbringen zu können.

Die Grundform des uFO (universeller Forschungs- Observator) ist ein gleichschenkliges Dreieck. An jeder Ecke befindet sich ein Zweitakt-Verbrennungsmotor in einem Gestell, das individuell gekippt werden kann. Dadurch kann die Eigenrotation der gesamten Konstruktion unterdrückt werden. Das Dreieck hat den Vorteil, dass es immer statisch bestimmt ist. Dies erleichtert die Steuerung durch einen Computer.

Weil die Motoren nicht genau genug angesteuert werden können, sind luftstromverändernde Klappen notwendig, die unterhalb der Motoren angebracht sind. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Motoren sehr fein verändert werden.

Die Gashülle konnte nicht, wie eine normale Blimphülle, in  Zigarrenform gestaltet werden, weil diese zwar in Fahrtrichtung einen sehr niedrigen cp-Wert und damit günstige Verbrauchswerte hat, aber auch einen großen Wendekreis aufweist, der für die vorgesehen Anwendungszwecke (s.u.) nicht akzeptabel ist.

Die für dem uFO angefertigte Hülle ist in Tablettenform gestaltet und besitzt drei Aussparungen für  die Rotoren.

Die Positionsbestimmung des Fluggeräts ermittelt die Lage im Raum. Dies ist nötig, um die Position des uFOs zu halten. Im Flugobjekt befindet sich ein Ultraschallsender, am Boden befinden sich drei Empfänger. Der Sender emittiert einen Ultraschallimpuls, die Empfänger fangen den Impuls auf. Ein Mikroprozessor misst die Laufzeit der Ultraschallwellen durch die Luft. Mit Hilfe der Schallgeschwindigkeit in der Luft kann man aus der gezählten Laufzeit die Entfernung des Empfängers zum Sender bestimmen. Der Mikrocontroller errechnet aus den drei Entfernungen die Position des uFOs.

Aus dem Aufbau des uFOs ergibt sich eine notwendige Kontrolle von sechs Freiheitsgraden. Aufgrund der Komplexität der Zusammenhänge zwischen diesen Freiheitsgraden und der Bewegung des uFOs ist der Bedarf einer einfacheren Steuerung ersichtlich. Der Prototyp sollte eine Reduzierung der Eingangsparameter bieten und darüber hinaus die schwierige Aufgabe der Stabilisierung übernehmen. Für diesen Teil der Autonomisierung wurde ein für diese Aufgabe konzipierter Parallelrechner eingesetzt. Die einzelnen Module übernehmen die Schnittstelle zum Benutzer, die Höhenerfassung per Ultraschalllaufzeitmessung, die Lageerfassung mittels Winkelsensoren und die Ansteuerung der Servomotoren. Zeitaufwendige Prozeduren wurden auf die eingesetzten PIC16C84 Prozessoren verlagert, die über den entwickelten RSP-Bus miteinander kommunizieren.

Dieses System sollte nun in mehreren Stufen ausgebaut werden. Das erste Ziel war das autonome Einhalten einer vorgeschriebenen Lage. Weitere Möglichkeiten, wie z.B. das Abfahren einer vorgegebenen Route, oder auch das Auswerten von Bilddaten und die Mustererkennung von Gegenständen, als auch das selbstständige Topographieren von Landschaften bleiben als Aufgabe noch für die Zukunft.