Bauarten
UAS-, eVTOL und UxS-Technologien im Überblick
Die Forschung an unbemannten Fluggeräten entwickelt nicht nur Maschinen, sondern sie definiert dabei technologische, gesellschaftliche und regulatorische Grenzen neu und entwickelt dabei gleichzeitig innovative Lösungen für komplexe Herausforderungen der Zukunft. Dies macht sie zu einer zentralen Säule der digitalen und nachhaltigen Zukunft der Luftfahrt.
Welche Arten von Fluggeräten gibt es?
Unbemannte Luftfahrzeuge werden in einer Vielzahl von Konfigurationen hergestellt, die sich in der Art der Auftriebs- und Vortriebserzeugung sowie der Flugsteuerung teilweise stark voneinander unterscheiden. Die für Kleindrohnen populärste Variante ist sicherlich der Multikopter mit mehreren fest installierten Rotoren, es gibt jedoch auch Drohnen mit starren Flächen – ähnlich konventioneller Luftfahrzeuge – oder mit schwenkbaren Rotoren. Darüber hinaus sind vielfältige Kombinationen möglich. Der elektrische Antrieb hat sich für kleinere Drohnen durchgesetzt, ist jedoch eine große Reichweite oder eine hohe Nutzlast gefragt, können auch Verbrennungsmotoren, Strahltriebwerke, Wasserstoff-basierte oder hybride Antriebsvarianten zum Einsatz kommen. Luftfahrzeuge, die leichter als Luft sind und daher nicht auf eine aerodynamisch basierte Auftriebserzeugung angewiesen sind, wie beispielsweise unbemannte Luftschiffe, bilden einen Nischenmarkt, können aber für bestimmte Aufgaben sinnvoll eingesetzt werden, da sie sehr energieeffizient betrieben werden können. Im Allgemeinen richtet sich die Art der Konfiguration nach dem Einsatzzweck: Multikopter sind klein, leicht und wendig und benötigen nur wenig Startfläche, da sie den Auftrieb jedoch über drehende Rotoren erzeugen können sie nur kurz fliegen und tragen wenig Nutzlast. Sie sind optimal für den Einsatz bei begrenztem Platzangebot. Im Vergleich dazu verfügen Starrflügler über eine hohe Reichweite bei langen Missionsdauern und sind deshalb insbesondere für Langstrecken-Missionen, wie die flächige oder lineare Überwachung von Infrastruktur, geeignet. Sie benötigen jedoch Start- und Landesysteme wie Rollbahnen, Rampen oder Schienensysteme. Sogenannte „Vectored Thrust“-Varianten kombinieren die Vorteile durch eine Kombination von Rotoren und starren Flächen (Flügeln) zur Auftriebserzeugung, wobei die Rotoren im Reiseflug entweder zur Vortriebserzeugung gekippt werden oder als Auftriebselemente dienen („lift-and-cruise“).
Multikopter
Bei den Multikoptern handelt es sich in der Regel um relativ kleine Fluggeräte, die ihren Auftrieb meist vollständig über mehrere Rotoren erzeugen. Üblich sind vier bis acht Rotoren, die symmetrisch angeordnet sind. Über die Variation der Drehzahl der einzelnen Rotoren kann der Auftriebsvektor (die Drohne) gekippt und die Bewegung in verschiedene Richtungen realisiert werden. Multikopter sind sehr wendig und können auch in bebauten Umgebungen mit wenig Platz manövrieren, zudem können sie in der Luft „anhalten“ (hovern).
Forschungsbedarf
Aufgrund ihrer geringen Größe verfügen insbesondere kleine Multikopter oft über geringe Leistungsreserven und können nur eine geringe Nutzlast tragen. Insbesondere der Entwicklung innovativer, leichter und trotzdem robuster Materialien für die Struktur kommt daher eine besondere Bedeutung zu. Systemkomponenten wie Flugsteuerungscomputer, Antriebsstrang und Sensorik müssen hinsichtlich Größe, Gewicht und Leistungsaufnahme optimiert werden, wobei eine modulare Auslegung angestrebt werden sollte, um die Kleindrohnen missionsspezifisch konfigurieren zu können. Dies betrifft auch rechenintensive Komponenten zur Weiterentwicklung der automatischen oder autonomen Flugfähigkeiten wie die Sensordatenfusion. Im Bereich des Antriebsstranges bedarf es neuer, leistungs- und energieeffizienter Batterietechnologien.
Starrflügel-UAV
UAV mit starren Flächen, die der Auftriebserzeugung dienen, werden als Starrflügler oder Flächendrohnen bezeichnet. Sie ähneln konventionellen Flugzeugen und verfügen je nach Antriebsart über einen elektrischen, wasserstoffbasierten, hybriden oder konventionellen Antrieb. Für die Flugstabilität und -steuerung sind neben den auftriebserzeugenden Flächen andere aerodynamisch wirkende Strukturen wie Höhen- und Seitenleitwerke verbaut.
Starrflügler sind sehr energieeffizient und können bei hohen Geschwindigkeiten lange Flugzeiten erreichen und große Gebiete überfliegen. Sie eignen sich dadurch hervorragend für die Überwachung großer Gebiete, wobei zwischen linearen (weitreichenden) und flächigen (auf ein großes Gebiet bezogene) Missionen unterschieden werden kann. Bis zu mehreren hundert Kilometern können dabei überflogen werden. Starrflügel-Drohnen werden daher beispielsweise in der Vermessung und Überwachung in der Landwirtschaft, bei der Kartierung und für Luftbildaufnahmen sowie im Such- und Rettungsdienst eingesetzt. Auch bei hoheitlichen Aufgaben und im militärischen Bereich, wie für Aufklärungs- und Überwachungsmissionen, leisten diese Drohnen wertvolle Dienste. Da reine Starrflügeldrohnen für den Start eine Mindestgeschwindigkeit erreichen müssen, sind für den Start entweder eine Rollbahn oder einer Schienenstruktur notwendig, die Landung erfolgt ebenfalls auf einer solchen Struktur oder an einem Fallschirm. Manche Starrflügler können auch aus der Hand gestartet werden.
Forschungsbedarf
UAV mit starren Flächen verfügen aufgrund ihrer Konfiguration häufig über größere Nutzlasten und längere Flugzeiten als (kleinere) Multikopter und kommen bei Langstrecken-Missionen, beispielsweise im Bereich der Umweltüberwachung, zum Einsatz. Daher bieten Starrflügler ein größeres Potenzial für neuartige, innovative Antriebssysteme wie beispielsweise Brennstoffzellen- oder Hybridantriebe. Neue Brennstoffzellen-Technologien wie Festoxid-Brennstoffzellen, Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC) oder Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFCs) bieten dabei eine hohe Energiedichte bei geringen Emissionen und hoher Effizienz. Die Herausforderungen liegen dabei in der Speicherung und in derzeit hohen Herstellungskosten. Neben den luftseitigen Komponenten wie den chemischen und elektrischen Energiespeichern, dem Verteilsystem, dem Kühlsystem und der Leistungselektronik sind auch neue, automatisierte Bodentechnologien zur Betankung und Wartung zu erforschen. Da Langstreckendrohnen weit entfernt von der Bodenstation operieren, sind zudem leistungsfähige, (cyber-)sichere und robuste Kommunikations-, Überwachungs- und Steuerungssysteme zu entwickeln.
UAV mit Schwenkantrieb
Einige UAV verfügen über schwenkbare Rotoren oder Flügel und vereinen somit die aerodynamischen Vorteile der Flächendrohnen mit der Agilität der Multikopter. Sie werden auch als „Transition-UAV“ bezeichnet, wobei der namensgebende Faktor der Wechsel vom Senkrechtstart bzw. vom Schwebeflug in den Horizontalflug notwendig ist.
Dies bedingt hohe Anforderungen an die Flugsteuerungsfunktionen, zudem sind solche UAV durch die höhere Anzahl drehender Bauteile technisch komplex. Das Einsatzprofil von Schwenkantrieb-UAV umfasst Transport- sowie Überwachungsaufgaben wie auch Such- und Rettungsmissionen, wobei sie auch im urbanen Gebiet und anderen baulich begrenzten Umgebungen gut eingesetzt werden können.
Forschungsbedarf
Bei Transition-UAV stellt insbesondere die Mechanik der Schwenkmechanismen neue Herausforderungen an Funktionalität, Verschleiß- und Ausfallsicherheit. Zudem ist die Flugsteuerung beim Übergang vom vertikalen zum horizontalen Flug komplex und erfordert eine umfangreiche Systemidentifikation, wofür neue Verfahren und Algorithmen notwendig sind. Die Kombination von Rotoren und starren Flächen bedingt zudem eine aerodynamische Optimierung, um die Effizienz in allen Flugphasen zu optimieren. Wie auch bei den Starrflüglern können bei Transition-UAV neue Antriebstechnologien wie Brennstoffzellen- oder hybride Systeme zum Einsatz kommen.
eVTOL
Der Begriff eVTOL steht für „electric Vertical Take-Off and Landing” und bezeichnet Fluggeräte, die senkrecht starten und landen können und über einen elektrischen Antrieb verfügen. Dies wird durch mehrere (üblich sind mindestens vier) starr oder drehbar angeordnete Rotoren ermöglicht, es handelt sich also in der Regel um eine Multikopter-Konfiguration.
Teilweise sind die Rotoren als Impeller ausgelegt. Mit eVTOL werden allerdings größere bemannte Fluggeräte bezeichnet, also „Lufttaxis“ im umgangssprachlichen Gebrauch. eVTOL können auch über starre Flächen zur Auftriebserzeugung im Reiseflug verfügen. Üblicherweise bieten eVTOL Platz für 1 – 5 Passagiere und verfügen derzeit noch über eine/n Pilot/In, in der Zukunft ist mit einem wachsenden Automatisierungsgrad bis zum teilautonomen Flug zu rechnen. Derzeit in Entwicklung oder bereits realisierte eVTOL-Konzepte sehen Reichweiten von etwa 30 – 100 km vor. In der Regel sind eVTOL für den innerstädtischen oder regionalen Personenverkehr als Taxi- oder Zubringerdienste ausgelegt, es gibt aber auch Konzepte für den Warentransport oder für medizinische Dienste. Viele eVTOL-Konzepte befinden sich derzeit noch in der Entwicklungsphase, es sind jedoch erste Passagierdienste in ausgewählten Städten für 2026 geplant. Als Start-, Lande- und Betriebsflächen verwenden eVTOL sogenannte Vertiports, die ähnlich Hubschrauberlandeplätzen am Boden, an Gebäuden oder sogar beweglichen Strukturen (z. B. Schiffe) installiert werden. Vertiports bilden die für den Betrieb von eVTOL-Diensten notwendige Infrastruktur ab, wozu neben den Flächen für Start, Landung und Abstellflächen beispielsweise auch Ladeinfrastruktur, Technologie für die Überwachung des Luftraums und Infrastruktur für die Passagierabfertigung wie Sicherheitskontrollen, Schalter und Warteflächen gehören.
Forschungsbedarf
Da eVTOL für die Personenbeförderung im urbanen Gebiet entwickelt werden und es sich damit um eine völlig neue Verkehrsmodalität handelt, ergeben sich eine Vielzahl an Forschungsfragen, die neben den technischen Luft- und Bodenkomponenten auch regulatorische und gesellschaftliche Fragestellungen umfassen.
Neue Konzepte für eVTOL müssen die sicheren und umwelt- sowie energieeffiziente Personenbeförderung ermöglichen und der Luftfahrtzertifizierung unterliegen. Forschungsfragen bestehen beispielsweise in Bezug auf die Zelle und Struktur (Verwendung leichter aber robuster und umweltschonender Materialien), den Antriebsstrang (optimierte batterieelektrische Konzepte), die Flugmechanik und Aerodynamik (effiziente, lärmarme Rotor- und Flügeldesigns) und die hochautomatisierte Flugsteuerung im Single-Pilot-Cockpit mit zuverlässigen, KI-gestützten Assistenzsystemen. Die Herstellung und der wirtschaftliche Betrieb von eVTOL im Personenverkehr verlangen zudem kostenreduzierende Konzepte durch hochratenfähige, modulare Bauweisen und neue Prozesse. Für die neuen Fluggeräte müssen auch neue Standards sowie Test- und Zertifizierungsmöglichkeiten erarbeitet werden.
Eine weitere Herausforderung stellt die Einbindung von Vertiports in die städtische Verkehrsinfrastruktur als Teil eines intermodalen Verkehrssystems dar. Es ergeben sich Forschungsfragen im Bereich der benötigten Kommunikations-, Navigations- und Überwachungssysteme, welche im städtischen Raum leistungsfähig und sicher den Betrieb von eVTOL unterstützen müssen, der Standortwahl sowie der Verkehrs- und Betriebskonzepte. Schnittstellen bestehen dabei zwischen den Fluggeräten, der Flugsicherung, gegebenenfalls dem Vertiport sowie der U-Space Service Provider und dem CISP und müssen die standardisierte, (cyber-)sichere und leistungs-/echtzeitfähige Datenübertragung ermöglichen. Des Weiteren bedarf es neuer Systeme für die Wartung, das Laden und die Energiespeicherung sowie Konzepte für die Passagierabfertigung (z. B. Sicherheitskontrolle, Check-In, Passagierinformationen).
Ballondrohnen
Diese Art von Drohnen stellen derzeit Sonderfälle dar, eignen sich jedoch für bestimmte Missionen. Ballondrohnen erzeugen statischen Auftrieb, da das in ihnen enthaltene Gas (üblicherweise Wasserstoff oder Helium) leichter als Luft ist. Als zusätzliche Energieversorgung für den Antrieb – sofern vorhanden – oder die Nutzlast kommen Batteriesysteme oder Solarzellen zum Einsatz.
Der Antrieb kann eine begrenzte lineare Bewegung erzeugen oder als Höhensteuersystem dienen. Da Ballondrohnen sehr hoch (bis in die Stratosphäre) und quasi unbegrenzt lange fliegen können, liegen mögliche Anwendungsbereiche in der Langzeitüberwachung (bspw. nach Umweltkatastrophen oder von landwirtschaftlichen Flächen) oder in der Umweltbeobachtung. So können Ballondrohnen beispielsweise über längere Zeiträume Umweltdaten, wie z.B. zur Luftqualität und Schadstoffen, sammeln. Zudem können Ballondrohnen als Kommunikationsplattformen dienen, um in abgelegenen Gebieten Internetzugang oder Funknetzwerke bereitzustellen. Gegenüber anderen UAV-Typen haben sie jedoch den Nachteil, dass sie nur über eine geringe Manövrierfähigkeit und Geschwindigkeit verfügen und dadurch sehr wetterabhängig sind.
Forschungsbedarf
Aufgrund ihrer sehr spezifischen Bauweise im Vergleich zu anderen UAS-Typen bedingen Ballondrohnen sehr spezifische Forschungsfragen. Diese umfassen beispielsweise die Entwicklung neuer Hüllenmaterialien, welche das Transportgas sicher speichern und robust gegenüber unterschiedlichen Wetterbedingungen (z. B. Wind, Strahlung, Niederschlag, Vereisung) sein müssen sowie die Erforschung neuer Transportgase. Im Bereich der Antriebe können unterschiedliche Kombinationen von batterieelektrischen, brennstoffzellenbasierten und hybriden Konzepten zum Einsatz kommen, wobei für die Erzeugung elektrischer Energie auch Solarzellen denkbar sind. Datenverbindungen müssen auch über große Entfernungen sicher und stabil sein. Besondere Fragestellungen ergeben sich auch bezüglich der Luftraumintegration, da Ballondrohnen eine geringe Manövrierfähigkeit aufweisen und potenziell große Höhen erreichen können.
Hochfliegende Stratosphärenplattformen (HAPS)
Diese Art von UAV stellt, wie die Ballondrohnen, noch einen Nischenmarkt dar. HAPS sind UAV-Starrflügler mit einer sehr hohen Flügelstreckung, die über einen elektrischen Propellerantrieb mit Solarzellen oder basierend auf Wasserstoff-Brennstoffzellen verfügen. Sie können sehr hoch (20 – 25 km) und lange (bis zu mehreren Monaten) fliegen.
Ihr primärer Einsatzbereich liegt in der Bereitstellung von Telekommunikations- oder Datendiensten, in der Erdbeobachtung oder in der Erforschung der Stratosphäre. HAPS verfügen nur über einen geringen Leistungsüberschuss, sodass insbesondere der Aufstieg mehrere Stunden dauert. Zudem sind sie sehr wetteranfällig, insbesondere gegenüber Vereisung, Niederschlag und Wind.
Forschungsbedarf
Der Betrieb von HAPS erfordert spezifische Technologien für den langandauernden Flug in großen Höhen. Dazu gehören die Entwicklung von Antriebskonzepten für Langzeitflüge (z. B. Solarenergie, Brennstoffzellen), die Erforschung robuster Leichtbaustrukturen, Oberflächenmaterialien und aerodynamischer Konzepte für hochgestreckte Flügel und leistungsfähige, sichere Kommunikations- und Datenübertragungsverfahren. Alle Komponenten müssen den Flug in Stratosphärenbedingungen mit hohem Strahlungseinfall bei niedrigen Temperaturen und geringer Luftdichte standhalten. Die derzeit im Regelfall verwendeten Brennstoffzellensysteme müssen über leistungsfähige Konzepte zur Wärmeabfuhr verfügen. Insbesondere in den mehrere Stunden dauernden Auf- und Abstiegsfenstern durch mehrere Lufträume muss die sichere Separation zum konventionellen Flugverkehr bei geringer Manövrierfähigkeit sichergestellt werden, wofür neue Betriebskonzepte und Flugsicherungsverfahren zu erforschen sind.
Ihr Ansprechpartner für...
… UAS-Betrieb in der EASA-Kategorie „offen“
Luftfahrt Bundesamt (Registrierung der Betreiber (gilt nicht für Spielzeugdrohnen und Drohnen ohne Kameras < 250g))
… UAS-Betrieb in der EASA-Kategorie „offen“ in den Unterkategorien A1 und A3
Luftfahrt Bundesamt (Erstellung EU-Kompetenznachweis A1/A3)
… UAS-Betrieb in der EASA-Kategorie „offen“ in der Unterkategorien A2
Luftfahrt Bundesamt (Fernpiloten-Zeugnis A2)
… UAS-Betrieb in der EASA-Kategorie „speziell“
Luftfahrt Bundesamt (Erstellung EU-Kompetenznachweis A1/A3, EU-Fernpiloten-Zeugnis STS, Erteilung der Betriebsgenehmigung, Praktische Prüfung für Standardszenarien, Ausstellung Light UAS Operator Certificate (LUC))
Landesluftfahrtbehörde (Erteilung der Betriebsgenehmigung)
… UAS-Betrieb in der EASA-Kategorie „zertifiziert“
EASA (Zulassung und Zertifizierung von UAS und Betrieb (Typenzertifizierung, Betriebsgenehmigung, Pilotenzertifikat))
… Flüge in Geozonen von Flugplätzen
- Flugplatzbetreiber des jeweiligen Flugplatzes
… Flüge in Geozonen von Verkehrsflughäfen mit Kontrollzone
- Flugverkehrskontrollstelle (Tower) des jeweiligen Verkehrsflughafens
… für Flüge über Naturschutzgebieten und Wohngrundstücken, in einem Abstand < 150 Meter zu Menschenansammlungen, zu bestimmten Einsatzorten und Infrastruktur, über 120 Meter Höhe oder außerhalb der Sichtweite
… Betrieb von UAS durch BOS
… die Wetterlage
Einen Überblick zu den aktuellen Forschungsthemen im Bereich der Innovative Air Mobility finden Sie auch in den 10 Handlungsfeldern für eine zukunftsfähige Luftfahrtforschung auf der Website des Luftfahrtforschungsprogramms