Vertical Take-Off and Landing Unmanned Aerial Vehicle


Vertical Take-Off and Landing Unmanned Aerial Vehicle
VUAVs verwenden VTOL-Konzepte, wie z. B. die Quadrocopterauslegung beim AirRobot AR-100B

Vertical Take-Off and Landing Unmanned Aerial Vehicle, zu deutsch Senkrecht Startende und Landende Unbemannte Gefährte, abgekürzt VTOL UAV, seltener VUAV oder VT UAV[1], sind, wie der Name schon sagt, unbemannte Luftfahrzeuge (Drohnen), die über senkrecht startende und senkrecht landende Fähigkeiten verfügen. Dabei reicht die Skala des maximalen Abfluggewichts von 19 g (Nano Hummingbird) bis zu 5,5 t (Unmanned Kaman K-Max).

Inhaltsverzeichnis

Konstruktive Auslegung

Die überwiegende Anzahl der Konzepte ist in der Lage zu schweben und nach einer Landung selbständig wieder zu starten. Durch diese Fähigkeit werden weder eine Start- bzw. Landebahn noch spezielle Start- oder Landevorrichtungen benötigt. Zudem ergibt sich oftmals die Möglichkeit im schwebenden oder im gelandeten Zustand Bilder und/ oder Videos aufzunehmen und zu übertragen (Hover & Stare-Funktionalität[2][3]).

Drehflügelkonzepte

Hubschrauber

Anders als in der bemannten Luftfahrt zählen innerhalb der UAV-Gemeinschaft auch die Hubschrauber zu den VTOL UAVs. Dabei ist sowohl die klassische Ausführungsform der Hubschrauber als UAV realisiert worden (auch in Koaxialrotor oder Flettner-Doppelrotor-Konfiguration), als auch in der Quadro-, Hexa- oder Oktocopter-Ausführung. Gleichzeitig gibt es verschiedene Ausführungen mit einem Mantelpropeller als Hubgebläse, wie z. B. der Honeywell RQ-16 T-Hawk, Aurora Golden Eye oder ST Aero FanTail, deren Abgrenzung zu den klassischen Heckstartern darin besteht, das der Auftrieb während des gesamten Fluges überwiegend durch die Drehflügel erzeugt wird und diese UAVs nicht in den aerodynamischen Horizontalflug übergehen (Transition).

Kombinationsflugschrauber

Kombinationsflugschrauber, auch Compounds genannt, sind eine Kombination aus einem Flugschrauber und einem Starrflügelflugzeug. Wie beim Flugschrauber wird der hauptsächliche Vortrieb nicht durch den Hauptrotor erzeugt. Beim senkrechten Start erzeugt der Hauptrotor den Auftrieb während beim Horizontalflug Schub- und/ oder Zugtriebwerke den Vortrieb übernehmen. Tragflächen oder sogar festgestellte Rotoren (Stopprotorflugzeug) übernehmen dann den Auftrieb. Durch diese Konfiguration können zum Einen höhere Flugleistungen zum Anderen eine Effizienzsteigerung gegenüber einem Hubschrauber erzielt werden. Ein Beispiel hierfür ist der Sikorsky Dragon Warrior.

Wandelflugzeuge

Wandelflugzeuge, auch als Verwandlungsflugzeuge oder Verwandlungshubschrauber bezeichnet, nutzen beim Senkrechtstart die Konfiguration eines Hubschraubers mit einem oder mehreren zumeist horizontal angeordneten Rotoren. Beim Übergang (Transition) zum Horizontalflug werden die Rotoren zur Erzeugung des Vortriebs umkonfiguriert. Dies geschieht häufig durch Kippen des Rotors mitsamt den Tragflächen (Kippflügel), als auch durch Kippen der Rotoren allein (Kipprotor oder auch Tiltrotor genannt). Sie kombinieren die Vorteile von Drehflüglern und Starrflügelflugzeugen. Beispiele hierfür sind Bell Eagle Eye oder IAI Panther, der noch einen zusätzlichen horizontalen Rotor besitzt, der jedoch, im Gegensatz zu den anderen zwei Propellern, nicht gekippt werden kann.

Es gibt auch ein erstes VTOL UAV in einer Strahlflugzeug-Ausführung. Excalibur von Aurora Flight Sciences erzeugt den Auftrieb bzw. Vortrieb durch ein einzelnes kippbares Strahltriebwerk. Die Steuerung bzw. Stabilisierung erfolgt über drei integrierte Mantelpropeller.

Starrflügelflugzeuge

Die Heckstarter (Tail Sitter)-VUAVs Skytote von AeroVironment, V-Bat von MLB Company oder Flexrotor von Aerovel [4] sind in der Erprobung. Hier wird der Propeller kurzzeitig genutzt zu schweben bzw. das UAV auf die Geschwindigkeit zu beschleunigen, die nötig ist, um genug Auftrieb an den Tragflächen für den Horizontalflug zu erzeugen.

Ornithopter

Ornithopter, auch Schlagflügelflugzeug genannt, sind dem Flügelschlag von Vögeln nachempfunden. Seit kurzem gibt es erste funktionsfähige, ferngesteuerte Ornithopter mit Kamera-Ausstattung, die für Micro Air Vehicle-Anwendungen vorstellbar wären.

Luftschiffe

Luftschiffe als UAVs sind ebenfalls in der Realisierungsphase. Der überwiegende Vorteil besteht in der langen Ausdauer von mehreren Tagen.

Vor- und Nachteile

Besondere Vorteile gegenüber bemannten VTOL-Systemen bieten die VUAV bei der Schadenserkundung in lebensfeindlichen eng umgrenzten Umgebungen, wie z. B. nach einem Kernreaktor-Unfall. Im Gegensatz zu klassischen Starrflügel-UAVs kann zudem im schwebenden Zustand eine kleinere Beobachtungsdistanz eingenommen werden.

Die Nachteile liegen gerade bei den elektrisch betriebenen VUAVs in der relativ kurzen maximalen Einsatzdauer von bisher 20 - 30 min. Erste Versuche mit Brennstoffzellen[5][6][7] konnten diese Zeit jedoch, zumindest bei Starrflüglern, vervierfachen. Auch die hybriden Konzepte versprechen einen deutlich ökonomischeren und schnelleren Horizontalflug, womit gleichzeitig eine erhöhte Reichweite einhergeht. Des Weiteren gibt es erste Konzepte, wie die Akkus von VUAVs in der Luft über Laserenergie geladen werden können[8].

Abgrenzung zwischen UAVs und flugfähigen RPVs

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) und Remotely Piloted Vehicles (RPVs) (hier: Luftfahrzeuge) sind in der Regel beide über Funk fernsteuerbar. Ein UAV unterscheidet sich jedoch vom RPV in der Tatsache, dass ein UAV immer über ein Flight Control System (FCS) verfügt und sich auch ohne Funkverbindung in der Luft halten kann. Gleichzeitig sorgt ein weiteres System dafür, dass ein UAV autonom im Luftraum navigieren kann.

Einsatzspektren

Eingesetzt werden VTOL UAVs derzeit beim Militär, bei Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS) und in der Luftbildfotografie. Der Einsatz von VUAVs ist gerade erst in der Anfangsphase und es gibt derzeit vielfältige Ansätze zur zivilen Nutzung.

Ziviler Einsatz

Inspektionen/ Werkschutz
  • Offshore-Anlagen (z. B. Windparks, Plattformen)
  • Hafenanlagen (z. B. Containerterminal, Hafeneinfahrt)
  • Großindustrieanlagen (z. B. Raffinerien, Kraftwerke, Tanklager, Schornsteine)
  • Überlandleitungen
  • Windkraftanlagen
  • Pipelines
Umwelt-/ Naturschutz
  • Überwachung des Waldbestandes bzw. -zustandes
  • Schadensausmaßerkundung nach Ölverschmutzung
  • schnelle Messung einer örtlicher Luftverschmutzung
  • schnelle Messung einer örtlichen Wasserverschmutzung
Artenschutz
  • Überwachung der Einhaltung von Fischerei-Fangquoten
  • Überwachung von Tierbeständen (z. B. Fisch- bzw. Meeressäugetierbestände, Bestände in Nationalparks, Meeresvögel, Zugvögel)
Denkmalschutz
  • Überprüfung der Struktur geschützter Gebäude
  • Schutz vor Raubgrabungen
Überwachung von weiträumigen Sportveranstaltungen (z. B. Regatten, Rallyes, Marathon-Läufe)
Luftbildfotografie/ Fernsehaufnahmen
Landwirtschaft [9][10]
  • Optimierung der Erntezeiträume
  • Erkundung von Ernteschäden
  • Überwachung von Freilandherden
Forschung und Wissenschaft
  • Luftbildarchäologie

Einsatz im Aufgabenbereich der Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS)

SAR (Search and Rescue)
  • Suche nach Vermissten
  • Suche nach Verschütteten
  • Suche nach Schiffbrüchigen
Katastrophenschutz
  • Schadensausmaßerkundung bei Naturkatastrophen (z. B. Unwetter, Überschwemmungen, Schnee- und Schlammlawinen, Groß- bzw. Flächenbränden, Erdbeben, Tsunami, Vulkanaktivität)
  • Schadensausmaßerkundung bei Katastrophen technisch-biologischer Art (z. B. Kernreaktor-Unfälle, Chemie- oder Ölunfälle)
  • Messung der Ausbreitung von giftigen (Brand)Gasen
  • Unterstützung der Einsatzkoordination durch Live-Bilder
öffentliche Sicherheit
  • Überwachung von Großveranstaltungen/ -demonstrationen
  • Beitrag zur Aufklärung von Verbrechen
  • Verkehrsüberwachung
Kommunikationsrelais zur Vergrößerung der Reichweite

Militärischer Einsatz[11]

  • CSAR (Combat Search and Rescue)
  • Kommunikationsrelais (z. B. zur Anforderung von CSAR-Kräften, zur Vergrößerung der Reichweite)
  • Material-Nachschub
  • Begleitschutz (z. B. Konvoi-Schutz)
  • Patrouillen-Flüge
  • Spähflüge
  • taktische Aufklärung (z. B. in urbanen Gelände oder sogar innerhalb von Gebäuden, BDA)
  • Überwachung
  • Zielmarkierung
  • Kampfmittelsuche (z. B. Minen- bzw. IED-Detektion, Aufspüren von ABC-Verseuchung)
  • Elektronische Kampfführung
  • Einsatz von Kampfmitteln (z. B. leichte Lenkflugkörper)

Beispielanwendungen

VTOL-Konzept Steuerung el. Antrieb max. Abfluggewicht max. Flugdauer Bezeichnung
Ornithopter RPV Ja 19 g 8 min AeroVironment Nano Hummingbird Nano Hummingbird.jpg
Quadrocopter UAV Ja 1 kg 30 min AirRobot AR-100B AirRobot AR-100B.jpg
Quadrocopter UAV Ja 1,3 kg 20 min Aeryon Labs Inc. Scout Aeryon Scout UAV.jpg
Hubgebläse UAV Ja 1,5 kg 25 min EMT Fancopter FanCopter 1024x768.jpg
Hubgebläse UAV Ja 6 kg 33 min Selex Galileo Asio UAV Asio.jpg
Hubgebläse UAV Nein 8,4 kg 40 min Honeywell RQ-16 T-Hawk Class1Soldiers2.jpg
Wandelflugzeug (Kipprotor) UAV Ja 12,3 kg 90 min IAI Mini-Panther
Hubschrauber UAV Nein 13 kg 60 min EADS Scorpio EADS drone fh000011.jpg
Hubschrauber (Koaxial) UAV Nein 45 kg 90 min Swiss UAV KOAX X-240 ILA 2010 Samstag 094.JPG
Wandelflugzeug (Kipprotor) UAV Ja 65 kg 6 h IAI Panther
Hubgebläse RPV Nein 154 kg 3 h Sikorsky Cypher Cypher-UAV.JPG
Hubschrauber (Koaxial) UAV Nein 190 kg 4 h EADS Sharc Paris Air Show 2007-06-24 n29.jpg
Hubschrauber UAV Nein 200 kg 5 h Saab V-150 Skeldar UAV Saab Skeldar.jpg
Hubschrauber UAV Nein 200 kg 6 h Schiebel Camcopter S-100 Schiebel Camcopter S-100 at ILA 2010.jpg
Kombinationsflugschrauber UAV Nein 645 kg Boeing X-50 X-50 3d view.png
Hubschrauber UAV Nein 690 kg 8 h EADS Orka Paris Air Show 2007-06-24 n28.jpg
Wandelflugzeug (Kipprotor) UAV Nein 1020 kg 8 h Bell Eagle Eye VUAV Eagle Eye.jpg
Hubschrauber UAV Nein 1430 kg 8 h Northrop Grumman MQ-8 Fire Scout Fire Scout unmanned helicopter crop.jpg

Rechtliche Situation (Deutschland) Stand 18. März 2011

Für die Betreiber und Hersteller von UAVs ist der Betrieb dieser Luftfahrtgeräte in Deutschland noch nicht hinreichend geregelt. Derzeit gibt es diverse Bestrebungen zur Integration von UAVs in den Luftraum[12][13]. Hier sollen Erkenntnisse zu den Anforderungen an die Lufttüchtigkeit sowie zu der Teilnahme am Flugverkehr (Flugbetrieb in den jeweiligen Lufträumen, Vermeidung von Kollisionen, Einhaltung der Ausweichregeln) gewonnen werden. Es soll nachgewiesen werden, dass eine sichere Teilnahme am Flugverkehr mit UAVs möglich ist. Es werden u.a. Notlandeverfahren, die Robustheit von Datenlinks und die Sensorik geprüft.

Bislang finden die Vorschriften für unbemannte Flugzeuge nach § 4a Luftverkehrsordnung (LuftVO) (zuletzt geändert durch Art. 1 G vom 18. Januar 2010 I 11) i.V.m. § 1 Abs.2 Nr.11 (sonstige für die Benutzung des Luftraums bestimmte Geräte) Luftverkehrsgesetz (LuftVG) Anwendung, sofern sie im Luftraum in einer Höhe von mehr als 30 m über Grund oder Wasser betrieben werden. Über 30 m hinaus ist es nach § 15a Abs.3 LuftVO verboten unbemannte Luftfahrtgeräte zu betreiben, wenn sie mehr als 25 kg wiegen oder wenn sich der Steuerer außerhalb der Sichtweite zum UAV befindet. Was unter der Sichtweite zu verstehen ist, definiert ebenfalls § 15a Abs.3 LuftVO. Darüber hinaus Bedarf der Aufstieg von unbemanntem Luftfahrtgerät im Sinne von § 1 Abs. 2 Nr. 11 LuftVG der Erlaubnis der zuständigen Behörde nach § 16 Abs.1 u. 3 LuftVO.

Im Unterschied dazu muss für Flugmodelle die Erlaubnis der zuständigen Behörde nur eingeholt werden, wenn das Flugmodell schwerer als 5 kg ist, näher als 1,5 km an der Begrenzung von Flugplätzen oder mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet ist und näher als 1,5 km an Wohngebieten betrieben wird. Das Flugmodell grenzt sich rechtlich von einem unbemannten Luftfahrtgerät durch die Nutzungsweise ab. Während ein Flugmodell ausschließlich zum Zwecke des Sports oder der Freizeitgestaltung (§ 1 Abs. 1 Nr. 8 LuftVZO) betrieben werden darf, wird spätestens bei montierter Kamera, wie es bei einem UAVs regelmäßig üblich ist, dieser Zweck angezweifelt[14].

Somit müssen UAVs mit einer höchstzulässigen Startmasse von über 25 kg einzeln zugelassen werden. Es gelten ähnliche Zulassungsvorschriften wie bei manntragenden Flugzeugen. Der Betrieb derartiger UAVs setzt außerdem den Besitz eines (Modell)Pilotenscheins voraus und ist nur auf dafür zugelassenen Fluggeländen möglich.

Bei der Polizei ist eine fachliche Qualifikation zum "Luftfahrzeugfernführer" zur Bedienung der UAVs nötig und kann im Rahmen einer zweitägigen Fortbildung erworben werden.

Vorschläge zu einer gesetzlichen Neuregelung zum Betrieb kleinerer UAVs unter 150 kg gibt es bereits. Über 150 kg Ablugmasse hinaus gilt europäisches Recht (Anwendung von »Part 21« durch EG-VO 1702/2003).[15]

Siehe auch

Literatur

  • Sven Angermann/ Andreas Frahm: Entwicklung eines unbemannten Flugsystems(VTOL UAV)): Auslegung und Konstruktion einer 4-rotorigen, schwebenden Messplattform für Nutzlastanforderungen von bis zu 10kg. VDM, 2009, ISBN 978-3-6392-2109-1.
  • Reg Austin: Unmanned Aircraft Systems: UAVS Design, Development and Deployment. John Wiley and Sons, 2010, ISBN 978-0-4700-5819-0.
  • Kimon P. Valavanis: Advances in unmanned aerial vehicles - State of the art and the road to autonomy. Springer, Dordrecht 2007, ISBN 978-1-4020-6113-4.
  • Office of the Secretary of Defense: Unmanned Systems Roadmap 2007 – 2032 bei Federation of American Scientists, 188 Seiten (PDF) (12 MB), zuletzt aufgerufen am 13. März 2011

Weblinks

 Commons: VTOL UAV – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. http://www.fas.org/irp/program/collect/usroadmap2007.pdf DoD USA: Unmanned Systems Roadmap 2007 - 2032
  2. http://www.military.com/features/0,15240,168741,00.html Military.com: Hover and Stare: FCS Testing UAVs
  3. http://www.aeryon.com/products/avs/functionality.html Aeryon Labs Inc.: Perch-and-stare Capability
  4. http://www.suasnews.com/2011/08/7831/video-of-aerovel-flexrotor-transition sUAS News: Aerovel Flexrotor Transition
  5. http://www.avinc.com/resources/press_release/aerovironment_puma_small_uas_achieves_record_flight AeroVironment: AeroVironment Puma Small UAS Achieves Record Flight of Over Nine Hours Using Fuel Cell Battery Hybrid System
  6. http://www.hes.sg/products.html Horizon Energy Systems: AEROPAK - Fuel Cell Propulsion System for Unmanned Aerial Vehicles
  7. http://www.engr.colostate.edu/~thb/Publications/Conceptual%20Design%20of%20FCUAV%20v2.4.4.pdf Thomas H. Bradley et al: Design Studies for Hydrogen Fuel Cell Powered Unmanned Aerial Vehicles (PDF)(0,84 MB)
  8. http://lasermotive.com/products/uav-power-links LaserMotive: UAV Power Links
  9. http://www.suasnews.com/2011/08/6580/aerial-farm-aid sUAS News: Aerial Farm Aid
  10. http://www.suasnews.com/2011/04/4977/two-year-research-project-targets-agricultural-productivity sUAS News: Agricultural Productivity
  11. http://www.insidegnss.com/auto/janfeb08-wp.pdf Maria de Fátima Bento: Unmanned Aerial Vehicles: An Overview (PDF)(0,43 MB)
  12. http://www.uavdach.org/Home/uav_dach.htm UAV D-A-CH: Deutschsprachige Arbeitsgruppe für Unbemannte Luftfahrzeuge (UAV)
  13. http://www.bdli.de/index.php?option=com_bdliboard&view=forums&layout=forum&fid=37&Itemid=15 BDLI: Fachausschuss UAV
  14. http://www.air-law.de/blog/wp-content/uploads/2010/02/2010-02-20-Synopse-%C3%84nderung-der-LuftVO-D%C3%B6rner.pdf Heinrich & Dörner Rechtsanwälte: Verordnung zur Änderung der LuftVO und anderer Vorschriften desLuftverkehrs vom 27. Januar 2010 (BGLI. 2010 Teil I Nr. 2S. 11 ff.) S. 13
  15. https://euro-police.noblogs.org/2010/03/unbemannte-luftfahrzeuge-ziviles-luftrecht-und-seine-auswirkungen-auf-den-milit-rischen-bereich Prof. Dr. jur. Elmar Giemulla, Technische Universität Berlin: Unbemannte Luftfahrzeuge – Ziviles Luftrecht und seine Auswirkungen auf den militärischen Bereich

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