Mikro-Drohnen

Die Mikro-Drohnen

19. Sept. 2002, aktualisiert am
20. September 2002

Aktualisierung vom 18. Juni 2005

Quelle:

http://www.aerovironment.com/area-aircraft/prod-serv/bwidpap.pdf

Mit einer gewissen Bestürzung entdeckte ich im Internet, dank meines Freundes Christophe Tardy, die Entwicklung von Minidrohnen. Interessierte Leser finden einen Artikel (auf Englisch) im PDF-Format mit dem Titel „Entwicklung des Mikroflugzeugs Schwarze Witwe“. Auf Englisch: MAV oder „micro air vehicle“. Die Leistungen solcher Geräte lassen einen sprachlos zurück. Es ist wahr, dass man täglich neue Dinge im Internet entdeckt. Diese Objekte sehen aus wie Spielzeug, sind aber keinesfalls solche. Die Schwarze Witwe hat eine Spannweite von 15 cm. Der Artikel bezieht sich auf Tests aus August 2000, also vor zwei Jahren. Die Absicht ist selbstverständlich militärisch.

Die Schwarze Witwe

Diese Tests markieren den Abschluss eines vierjährigen Entwicklungsprogramms. Die Spezifikationen dieses Geräts sind beeindruckend:

• Spannweite: weniger als 15 cm
• Gewicht: weniger als 100 Gramm
• Nutzlast: zwölf Gramm
• Eingebaute Videokamera mit 2 Gramm Gewicht, die Farbbilder über eine Distanz überträgt
• Geschwindigkeit: 55 km/h
• Flugdauer: 30 Minuten
• Elektrische Antriebskraft durch Batterie
• Reichweite (bezogen auf die Kommunikation): 2 km
• Eingebauter Autopilot ermöglicht es einer nicht ausgebildeten Person, das Gerät zu betreiben. Flugsteuerung durch eingebauten Mikroprozessor
• Das System zur Flugsteuerung und Kommunikationsverwaltung wiegt 5 Gramm
• Mikromotoren, die auf die beiden Leitwerke wirken – ein horizontales Flügelteil und eine vertikale Mittelruder – wiegen jeweils ein halbes Gramm

Die Rand Corporation startete 1993 eine Machbarkeitsstudie zu fliegenden Mikromaschinen. Es wird erwähnt, dass die Militärs die Entwicklung von Geräten erwägen, die eine solche Miniaturisierung erreichen, dass sie die Größe eines fliegenden oder kriechenden Insekts haben könnten. Da unsere Epoche die Zeit der Nanotechnologie ist, sollte es niemanden wundern, wenn „Nanoroboter“ und eine „Nanoflugtechnik“ auftauchen. Es gibt keine theoretische Grenze für die Verkleinerung von Objekten, außer den molekularen und atomaren Dimensionen. Für jemanden, der „Nanopumpen“ von nur wenigen Mikrometern Durchmesser herstellen kann, sind Geräte von einigen Millimetern „riesig“.

Mehrere Universitäten waren an diesem Entwicklungsprogramm für Mikromaschinen und „Mikroflugtechnik“ beteiligt, unter anderem die von Florida und Arizona. Die definierten Ziele waren, eine Nutzlast von 30 Gramm auf eine Zielposition 600 Meter entfernt zu bringen, wobei das Gerät mindestens zwei Minuten in der Luft bleiben sollte. Am Ende des Programms wurde im August 2000 ein Gerät erfolgreich getestet mit folgenden Leistungen:

• Gewicht: 80 Gramm (...)
• Spannweite: 15 cm
• Antrieb durch direkt an die Propeller angeschlossenen Elektromotor (aus Kohlefaser; Wirkungsgrad 83 %, während der Motor selbst einen Wirkungsgrad von 70 % hat)
• Flugdauer: dreißig Minuten (...)
• Geschwindigkeit: 55 km/h, was einer theoretischen Reichweite von 27 Kilometern und einer Aktionsreichweite von 13 Kilometern entspricht
• Fähigkeit, erfasste Daten bis zu 1,8 Kilometern (aktuelle Grenze der Reichweite) über 16 Kanäle zurückzusenden
• Flughöhe: 250 Meter. Dies ist eine typische Flughöhe, entspricht jedoch offensichtlich nicht einem Höchstflug
• Gewicht des Video-Senders: 1,4 Gramm. Auflösung im Farbmodus: 510 mal 488 Pixel
• benötigte Leistung für diesen Sender: 550 Milliwatt
• Sendeleistung: 100 Milliwatt bei 2,4 Gigahertz
• Arbeitsfrequenz der Fernsteuerung: 433 MHz
• Nutzlast: zwölf Gramm
• Geringe Gesamtkosten

Lithium-Batterien sind kostengünstig und äußerst zuverlässig. Der Flug erfolgt neun Zehntel der Zeit mit konstanter Geschwindigkeit, was die Probleme der aerodynamischen Optimierung vereinfacht. Der Elektromotor wiegt 7 Gramm. Der Antriebsaggregat liefert eine Zugkraft von 10 Gramm bei 5000 Umdrehungen pro Minute. Die Tests in einer Windkanalöffnung von 50 x 50 cm ergaben einen Propellerwirkungsgrad von 83 %, während die Computerberechnungen 82 % vorhergesagt hatten. Die Flügel sind aus expandiertem Polystyrol, zusätzlich mit einer Beschichtung und Strukturteilen, allesamt verklebt. Die Beschichtungen bestehen aus Kevlar. Die vertikalen Leitwerke sind aus Balsaholz. Das System zur Datenerfassung und -übertragung während des Flugs wurde für 16 Kanäle konzipiert. Im Speichermodus passt die gesamte Einheit in eine Aktentasche (man denkt an James Bond).

Der „Mini-Flugzeugbauer“, der Modellbauer (wie ich es war), wird von der Form des Geräts überrascht sein. Keine Flügelklappen, ein Flügel mit sehr geringer Streckung. Die Antwort ist einfach: Die Kompaktheit des Geräts wurde gegenüber rein aerodynamischen Leistungen priorisiert (die eine große Streckung erfordert). Das Fehlen eines Leitwerks: reine aerodynamische Stabilisierungssysteme sind auf das absolute Minimum beschränkt. Dieses Gerät ist

manuell nicht steuerbar.

Das sollte jedoch niemanden überraschen und ist lediglich die Folge der Fortschritte in der Regelungstechnik und automatischen Haltungskontrolle. Der Mensch hat in diesem Bereich sehr begrenzte Leistungen. Seine „Sensoren“ sind wenig leistungsfähig und bieten lange Reaktionszeiten. Sie kennen den Trick mit dem Banknoten, die wie in Abbildung A platziert wird, dann losgelassen wird und der Versuchskandidat sie nicht fangen kann, einfach weil die Zeit zwischen der Wahrnehmung des Signals „Banknoten bewegt sich“ und der Ankunft des Befehls „Hand schließen“ länger ist als die Fallzeit der Banknote.

Nächste Abbildung: ein Boot, das auf einer hohen Geschwindigkeit und konstanter Höhe auf den Flügeln schwebt: manuell nicht steuerbar.

In C ein von einem Freund vor zehn Jahren gebauter Roboter, gesteuert durch einen einfachen PC der damaligen Zeit. Zwei Freiheitsgrade. Auf dem mobilen Gerät ein PVC-Rohr, das eine Pétanque-Kugel oder einen Teller mit Gläsern trägt. Rückkehr in eine stabile Position extrem schnell, ohne Schwingungen. In der Lage, atmosphärische Turbulenzen bis zu einem gewissen Grad unbeeindruckt zu überstehen. Detail: Dieser Roboter war ursprünglich für die Backwarenindustrie konzipiert, um Namen mit Sahne auf Geburtstagskuchen zu schreiben. „Alles Gute zum Geburtstag, Marcel“, mit Auswahl der Schriftart usw.

Aufgrund des Mangels an Unterstützung ging das Unternehmen vor zehn Jahren pleite (normal: es war zu einfach und zu kostengünstig).

Beim Flugreisen nehmen Sie selbst unbewusst an Bord von Maschinen teil, die nicht vom Menschen manuell steuerbar sind oder nur sehr schlecht. Ein Boeing 747 verfügt über ein horizontales Leitwerk, dessen Fläche der Flügelfläche eines normalen Flugzeugs entspricht. Im „Aerodynamik-Stabilisierungsmodus“ wirkt dieses Leitwerk als „Abdränger“ und kompensiert das Pitch-Moment, das von der Tragfläche ausgeht. Dies erhöht unnötigerweise den Kerosinverbrauch. Um dies alles zu verstehen, verweisen Sie auf meine Comicserie „L'Aspirissoufle“ (früher „Si on volait ?“), die auf dem CD-ROM mit mehr als fünfzehn Comics aus der Serie der Abenteuer von Anselme Lanturlu erhältlich ist.

(18 Euro bei J.P. Petit, Villa Jean-Christophe, Chemin de la Montagnère, 84120 Pertuis. Versandkosten inklusive).

Ein normales Flügelprofil, wenn es belastet wird, erzeugt ein Pitch-Moment. Das horizontale Leitwerk (Flossen), das als Abdränger wirkt, kompensiert diese A...