Flugregelung und Automatisierung
Flugregelung und Automatisierung spielen eine entscheidende Rolle in der modernen Luftfahrttechnik. Sie tragen maßgeblich dazu bei, die Sicherheit, Effizienz und Leistungsfähigkeit von Luftfahrzeugen erheblich zu verbessern. Mithilfe innovativer Technologien werden komplexe Flugmanöver optimiert und das Risiko von Fehlfunktionen minimiert. Die Forschung in diesem Bereich konzentriert sich auf die Entwicklung neuer Regelungsmethoden und -systeme, die sowohl in bemannten als auch unbemannten Luftfahrzeugen eingesetzt werden können. Ziel ist es, die Mensch-Maschine-Interaktion zu verbessern und die Automatisierung in der Luftfahrt voranzutreiben, um sicherere und leistungsfähigere Flugoperationen zu ermöglichen.
Flugregelung und Automatisierung von Drehflüglern
Das Institut für Flugsystemtechnik erforscht Themen im Bereich der Flugregelung und Automatisierung von bemannten und unbemannten Drehflüglersystemen. Untersuchungsgegenstand sind hierbei klassische Hubschrauberkonfigurationen mit Haupt- und Heckrotor, Koaxial-Hubschrauber, Hubschrauber mit Flettner-Konfiguration und neuartige Drehflüglerkonfigurationen, die über zusätzliche Rotoren und Propeller zur Schub- und Auftriebserzeugung verfügen sowie zusätzliche, aerodynamisch wirksame Auftriebs- und Steuerflächen besitzen. Das Institut entwickelt und erprobt Flugreglungssysteme unterschiedlicher Komplexität, von einfachen SAS-Systemen (SAS - Stability Augmentation System) über Autopiloten-Funktionen, Modellfolgeregelung und Modellprädiktive Regelung, bis hin zur vollautomatischen Trajektorienfolgeregelung (inklusive automatischem Hindernisausweichen) mit dem Ziel, wissenschaftlich fundierte Beiträge zu leisten und der langfristigen Vision in Zukunft den autonomen Flug, auch von bemannten Drehflüglersystemen, zu ermöglichen.
Aktive Kontrolle von flexiblen Flugzeugen und Lasten
Am Institut für Flugsystemtechnik wird an zentralen Schlüsseltechnologien geforscht, die künftig leichte Flügel mit hoher Streckung möglich machen sollen. Dank ihrer deutlich verbesserten aerodynamischen Effizienz zu Gewicht, können diese Flügel der nächsten Generation wesentlich zur Reduzierung der Klimaauswirkungen der Luftfahrt beitragen. Gleichzeitig steigern sie Wirtschaftlichkeit sowie Passagierkomfort und Flugsicherheit, insbesondere bei Turbulenzen.
Dafür entwickelt das DLR fortschrittliche Sensoren (z. B. Direct Detection UV Doppler Lidar), neuartige Aktuatoren (z. B. elektromechanische Systeme) sowie maßgeschneiderte Reglerentwurfsmethoden für zukünftige industrierelevante Flugzeugkonfigurationen.
Im Fokus stehen dabei nicht nur einzelne Funktionen wie Böen- und Manöverlastminderung, Flatterunterdrückung oder Regelungsmodi für manuelle Steuerung und Autopiloten. Auch deren Integration und mögliche Wechselwirkungen werden umfassend untersucht. Hierfür kommen verschiedene Multifidelity-Design-Tools, Simulationen, Hardware-in-the-Loop-Teststände und Flugtestplattformen zum Einsatz.
Ein weiterer Schwerpunkt der Forschung ist die Weiterentwicklung der Zulassungsvorschriften sowie der zugehörigen „Means of Compliance“. Diese Arbeiten sollen die Wirkung der Forschung maximieren und ihre Überführung in die industrielle Anwendung erleichtern.
Entwicklung von neuartigen Methoden, Werkzeugen und Funktionen zur Flugregelung
Innovative Flugregelungsmethoden tragen maßgeblich zur Steigerung der Sicherheit, Effizienz und Automatisierung konventioneller Flugzeuge bei. Gleichzeitig ermöglichen sie neue Anwendungen wie elektrische senkrecht startende und landende Flugzeuge (eVTOL - electric Vertical Take-Off and Landing aircraft) sowie hochfliegende Langstreckenflugzeuge (HALE - High Altitude Long Endurance). Neben der Entwicklung der Regelungsmethoden forscht das Institut insbesondere an fortschrittlichen Werkzeugketten und Methoden, die den Entwicklungsprozess umfassend unterstützen. Ziel ist es, die Technology Readiness Levels (TRL) neuer Systeme zu erhöhen und gleichzeitig die hohe Sicherheit und Funktionalität zu gewährleisten. Die Grundlage dieser Entwicklungen bilden physikalische Modelle, nichtlineare Simulationen und Bewegungssimulationen, welche die virtuelle Erprobung, Optimierung und Untersuchung der Regelungsstrategien ermöglichen, noch bevor physische Prototypen existieren. Darauf aufbauend erfolgt die Validierung der Regelungssysteme in Flugversuchen mit unbemannten und bemannten Fluggeräten. Beispielhaft dafür stehen die erfolgreichen Erstflüge der Methoden INDI (Incremental Non-linear Dynamic Inversion), LPV (Linear Paramer Varying) und Reinforcement Learning auf einem Passagierflugzeug.
Optimierungsbasierte Clearance von FCS-Funktionen
(FCS - Flight Control System)
Im Institut wird zur Lösung mehrkriterieller Optimierungsprobleme aus der Reglerauslegung, dem Systementwurf oder auch der Optimalsteuerung die Optimierungssoftware MOPS (Multi-Objective Parameter Synthesis) entwickelt und eingesetzt. Strategien wie die gewichtete Min-Max-Optimierung oder die Pareto-Optimierung ermöglichen es dabei, Kompromisslösungen für komplexe Problemstellungen zu finden. Damit wird die gesamte Bandbreite der Aufgaben eines optimalen Systementwurfs- und Nachweisprozesses abgedeckt: Von der Antioptimierung zur Identifikation möglicher kritischer Systemzustände, über die Multi-Modell-Optimierung zum Auffinden von Lösungen (z. B. Regler), die robust gegenüber den kritischen Fällen sind, bis hin zur Verifikation der gefundenen Lösungen, beispielsweise mittels Monte-Carlo Simulation.
Ein weiterer Vorteil ist die benutzerfreundliche Implementierung die eine universelle Anwendung in allgemeinen Entwurfs-, Modellbildungs- und Simulationsumgebungen, wie MATLAB/Simulink und Modelica, erlaubt.
