A városi légi mobilitás (UAM – Urban Air Mobility) nem csak a drónos áruszállítás terén nyit új lehetőségeket: ha a városi forgalom egy része a légi úton folyik, az a fenntartható mobilitási megoldások terén is teljesen új megközelítéseket kínál. A Fraunhofer ALBACOPTER® Lighthouse projektben hat Fraunhofer intézet foglalkozik az UAM-mal kapcsolatos műszaki és társadalmi kérdésekkel. A Fraunhofer Közlekedési és Infrastruktúra Rendszerek IVI intézetének vezetésével a kutatók egy olyan repülőgépet fejlesztettek ki, amely különösen hatékonyan siklik, vitorlázik, kihasználva a légáramlatokat – az albatrosztól merítve ihletet. A légi járművet a szeptember 5. és 8. között, Münchenben megrendezett „IAA MOBILITY” szakkiállításon mutatták be.
Gyorsaság és környezetvédelem
A teherszállító drónoknak számos előnyük van, főleg a kistömegű és kisméretű csomagok, terhek szállításánál, időben és energia-felhasználásban, de a gyártásköltség és annak környezeti lábnyoma sem mellékes.
Az UPS már 2017-ben elkezdte a kísérletet arra, hogy egy nagy csomagszállító furgonból, néhány mérföldes körzetben ossza el a kisméretű, könnyű küldeményeket, jelentős időt és üzemanyagot megspórolva. Igaz, egyelőre nem lett a mindennapok megoldása.
A ZF friedrichshafeni központjában 2019-ben indítottal el tesztjelleggel a drónos, cégen belüli futárprogramját, kisméretű és súlyú alkatrészek szállításához. A drónos fuvar nemcsak gyors, de környezetbarát is, mert légvonalban csak 1-1,5 kilométert kell repülnie két telephely között, ami kb. 2-3 perc, míg egy gépkocsinak 4-5 kilométert kell megtenni az utcákon, ami 15-20 percig is eltart, forgalomtól függően.
A városi légi közlekedés kihívásai
Az UAM szigorú követelményeket támaszt a repülőgép- és rendszertechnológiával szemben, beleértve a biztonságos, csendes VTOL (vertical take-off and landing– függőleges fel- és leszálló) rendszereket, amelyek lebegő helyzetben is nagyon erős meghajtási teljesítményt tudnak nyújtani.
Az elektromos multikopterek (többrotoros) a VTOL mozgékonyság előnyeit kínálják, miközben megfelelnek a biztonsági- és környezetvédelmi kritériumoknak is. Hatótávolságuk és hasznos teherbírásuk azonban rendkívül korlátozott az alacsony hatásfokú és az alacsony energiatárolási sűrűség miatt (kg/Wh). Forgószárnyak helyett, a nagyobb szárnyfelületek jelentősen javíthatnák a légi járművek energiamérlegét, mivel lehetővé tennék számukra a hosszú ideig tartó siklást. Másrészt ezek a szárnyak akadályoznák a fel- és leszállást városi területeken. Ezenkívül, hogy az UAM pénzügyileg életképessé váljon, autonóm módon repülő VTOL repülőgépekre lesz szükség; ez azonban mesterséges intelligencia-alapú irányítórendszereket igényel, amelyek további biztonsági kockázatokat jelentenek.
Ezért feltételezhető, hogy a jövőben az UAM-ek sokféle formában és módon fognak meghonosodni, és az érintett technológiák ugyanolyan változatosak lesznek, mint a felhasználási területek, mint például logisztikai drónok vagy a mezőgazdasági drónok, a légi taxik, a mentő- és megfigyelő drónok.
A Fraunhofer ALBACOPTER® „világítótorony” projektje
A fentiek alapján 2021-ben indult el a Fraunhofer világítótorony-projektje (magyarul inkább irányzatmutató projekt – A szerző), amelynek célja egy olyan repülő platform megépítése, amely a multikopterek mozgékonyságát, a vitorlázó-repülőgépek hatékonyságával kombinálja. Az ALBACOPTER®–rel egy olyan kísérleti repülőgépet kívántak kifejleszteni, amely egy multikopter manőverező képességét párosítja, egy albatrosz azon képességével, hogy minimális energiafelhasználás mellett nagy távolságokra képes vitorlázni. Továbbá, kiemelt szempont volt, hogy fenntartható anyagokból készüljön dróntest és rakománytartály, a nagy hatásfokú és energiahatékony meghajtás, a környezet biztonságos érzékelését és a működést felügyelő, nagy teljesítményű multiszenzoros rendszerek, valamint a nagy megbízhatóságú fedélzeti elektronikai rendszerek, köztük egy AI-alapú robotpilóta. A konzorcium, a projektben részt vevő intézetek szakmai tapasztalatainak összevonásával hajtotta végre a drón tervezését és kivitelezését.
Az újrahasznosítható kialakítás találkozik az innovatív meghajtási megoldásokkal
A Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability LBF tervezte az ALBACOPTER® szerkezetét és aerodinamikai komponenseit. A szerkezethez a Fraunhofer Institute for Chemical Technology ICT fejlesztett ki, szálerősítésű, hőre lágyuló műanyagokat, amelyeket a gép törzsének architektúrájába integráltak. A biopolimer keményhabból készült rakományszállító dobozhoz hasonlóan ezek a rendszerelemek is könnyen újrahasznosíthatók. A mai eVTOL rendszerekkel ellentétben, amelyek általában közvetlen meghajtással vannak felszerelve, az ALBACOPTER®-ben alkalmazott meghajtás, nagy sebességű, többfokozatú áttétellel és nagy teljesítménysűrűséggel rendelkező szinkronmotorokon alapul.
Az intézet nemcsak az új meghajtási technológiát, hanem egy speciális próbapadot is biztosít, hogy a 450 kW-ig terjedő teljesítménykategóriákban az eVTOL légcsavaros meghajtási rendszerek valós körülmények közötti tesztelését megkönnyítse.
Az ALBACOPTER® akkumulátor-rendszere gyors és hatékony töltési- és kisütési folyamatokat garantálnak. Részletesen vizsgálták a cellák amortizációját, lehetséges meghibásodását olyan típusú légáramlások esetén, amelyek az extra teljesítményigényű repülési fázisok során előfordulnak, például turbulenciák, vihar vagy szembeszél.
Első a biztonság a legmodernebb érzékelőkkel és mesterséges intelligenciával
A robusztus, könnyű, nagy teljesítményű multi-szenzoros rendszereket a Fraunhofer Institute for Microelectronic Circuits and Systems IMS által létrehozott érzékeny egyfotonos LiDAR detektorokkal kombinálják, hogy lehetővé tegyék a 360 fokos környezeti megfigyelést. A környezet szemantikus (intelligens döntéstámogató-rendszer) 3D rekonstrukciója ezután megbízható AI-rendszerek alapján történik. Intelligens repülési útvonaltervezéssel kombinálva ez olyan innovatív funkciókat tesz lehetővé, mint például az autonóm (vész)leszállás, amely az ALBACOPTER® legfontosabb biztonsági jellemzői közé tartozik.
Amennyiben ezen a funkciókat egy meghibásodásmentes RISC-V fedélzeti elektromos rendszerarchitektúrával, folyamatos megfigyeléssel, stabil 5G kommunikációval és redundáns robotpilóta-rendszerrel kombináljuk, akkor az eredmény egy olyan komplex rendszer, amely megfelel az UAM-ekre vonatkozó magas megbízhatósági követelményeknek. A robotpilóta-rendszert a Fraunhofer Institute for Mechatronic Systems Design IEM által tervezett modellalapú, repülési helyzetszabályozó rendszerrel van kapcsolatban. Ez tartja stabilan a repülőgépet, különösen a lebegés és a siklórepülés közötti kritikus átmeneti fázisokban.
Autonóm üzemmód a kezdetektől fogva
Az ALBACOPTER® a Fraunhofer-technológiák gyakorlati bemutatójaként is szolgál, amelyek iránt az előrejelzések szerint a következő öt-nyolc évben a gyorsan növekvő és a légi közlekedésben és a logisztikai ágazatban egyre nagyobb lesz rá a kereslet. Jelenleg a helikopterek, a multikopterek és a hagyományos merevszárnyú repülőgépek közötti középútként, a változó szárnyállású repülőgépek és a behúzható szárnyakkal és forgószárnyakkal rendelkező multikopterek formájában, a hibrid-kopterek és vitorlázórepülők terjednek el. Az ALBACOPTER® VTOL vitorlázó repülőgépként mindezen különböző VTOL-technológiák tesztelésére rendelkezésre áll majd.
A kutatók több lépcsőben validálják a tervezésüket megfelelő repülési modellek, szélcsatorna-kísérletek, vasmadár-tesztberendezések* és XiL-rendszer-szimulációk segítségével a Fraunhofer Optronikai, Rendszertechnológiai és Képhasznosítási Intézet IOSB által kifejlesztett digitális ikerpáron. A drón 1:1 méretarányos, 7 méteres szárnyfesztávolságú és kb. 25 kilogramm hasznos teherbírású változatát 2023 őszén indítják el, míg az ALBACOPTER® kiterjedt repülési tesztjei 2024 elejére várhatók.
*A vasmadár egy földi tesztberendezés, amelyet az új repülőgép-tervek fejlesztése során a repülőgép prototípusának kialakítására és integrálására használnak. A repülőgép részegységeit a vasmadárba telepítik, hogy azok működését külön-külön és más rendszerekkel együttesen is teszteljék
