Future Air-to-Air Refuelling Augmented, Assisted and Automated Operations
FARAO
Luftbetankung im Kampfflugzeugsimulator MARS-FIT mit aktivierten Assistenzsystemen
Im Head-Up-Display (HUD) werden dem Piloten oder der Pilotin zusätzliche Informationen zum Abschätzen der Relativ-Geschwindigkeit zwischen Betankungskorb und Betankungssonde angezeigt. Ein Zeiger, welcher ausgehend von der Betankungssonde projiziert wird, soll das zielgenaue Einführen der Betankungssonde in den Betankungskorb unterstützen. Auf dem Betankungskorb werden bei Bedarf weitere Informationen als Assistenzsystem eingeblendet, um das Abschätzen der Relativ-Geschwindigkeit sowie die Betankung bei schlechter Sicht oder Nacht zu erleichtern.
Die Fähigkeit, Luftbetankungen sicher und zuverlässig auch unter schwierigen Bedingungen wie turbulenten Luftschichten oder bei Nacht durchzuführen, ist für den Erfolg militärischer Operationen essenziell. Bei dem in Europa verwendeten Probe-and-Drogue-Verfahren muss ein am Empfängerflugzeug angebrachter Luftbetankungsausleger mit manuellen Steuereingaben in den am Tankflugzeug angebrachten Luftbetankungskorb geflogen werden. Dies erfordert viel Training, birgt ein erhöhtes Risiko und ist auch für sehr erfahrene Pilotinnen und Piloten eine Situation, die mit erhöhter Anspannung verbunden ist. Im Rahmen des Forschungsprojektes FARAO (Future Air-to-Air Refueling Augmented, Assisted and Automated Operations) werden Assistenzsysteme zur Unterstützung der manuellen Luftbetankung sowie Automatisierungskonzepte für eine vollautomatische Luftbetankung entwickelt und auf den institutseigenen Simulatoren für Kampfflugzeuge, Transportflugzeuge und Hubschrauber untersucht. Darüber hinaus wird die Adaption von Automatisierungsfunktionen inklusive Sensorik auf unbemannte Luftfahrzeuge untersucht und im Flugtest im Reallabor am Nationalen Erprobungszentrum für Unbemannte Luftfahrzeuge des DLR in Cochstedt erprobt.
Von der Theorie in die praktische Bewertung
Für eine praktische Bewertung stehen zwei verschiedene Simulationsumgebungen zur Verfügung, deren möglichst realitätsnahe Abbildung des Luftbetankungsvorgangs im Rahmen dieses Projekts ebenfalls weiter verbessert wird. Für den Anwendungsbereich der Kampfflugzeuge erfolgt die Bewertung im Military Air Vehicle Simulator – Fast Integration Testbed (MARS-FIT) in Manching; für Flächenflugzeuge und Hubschrauber werden die Tests im Air Vehicle Simulator (AVES) am Standort Braunschweig in jeweils eigenen Cockpiteinheiten durchgeführt. Da nur Militärpilotinnen und -piloten praktische Erfahrung im Bereich der Luftbetankung haben, findet die Evaluation der entwickelten Assistenz- und Automatisierungsfunktionen mit Besatzungsmitgliedern der Streitkräfte in Kooperation mit verschiedenen Dienststellen der Bundeswehr statt.
Wichtige Grundlagenforschung zu Realisierung der Relativnavigation
Um eine automatisierte Luftbetankung praktisch umsetzen zu können, muss dem Empfängerflugzeug seine relative Position zum Tankflugzeug und zum Luftbetankungskorb bekannt sein. Zur Positionsbestimmung relativ zum Tanker ist die Einrüstung einer mobilen GLASS-Station in ein Transportflugzeug des Typs A400M geplant. GLASS steht für GLS Approaches based on SBAS. Dieses System stellt Signale bereit, welche das Empfängerflugzeug zur Durchführung einer GLS-Landung benötigt, GLS steht dabei für „GBAS Landing System“. Hierfür wird eine virtuelle Landebahn zur Heranführung an das Tankerflugzeug generiert.
Zur Positionsbestimmung relativ zum Luftbetankungskorb wird ein KI-Modell zur automatischen Erkennung des Betankungskorbes auf Basis synthetischer Sensordaten trainiert. Diese wird anschließend mit realen Sensordaten validiert, welche in einem skalierten Flugversuch mit unbemannten Luftfahrzeugen ermittelt werden.
Assistenz- und Automatisierungssysteme
Zu den entwickelten Assistenzsystemen gehört die Darstellung zusätzlicher Informationen mittels Augmented Reality (HoloLens 2) zur Verbesserung des Situationsbewusstseins. Darüber hinaus werden teilautomatisierte Konzepte untersucht, bei denen direkt in die Flugsteuerung des Luftfahrzeugs eingegriffen wird und der Pilot oder die Pilotin von einem Teil der Regelungsaufgabe entlastet wird.
Eine weitere Entlastungsmöglichkeit bei der Herstellung des Kontakts zur Luftbetankung stellt das Konzept eines sogenannten „Smart-Drogue“ (sinngemäß: intelligenter Betankungskorb) dar. Hierbei wird der Luftbetankungskorb mit zusätzlichen aerodynamischen Steuerflächen ausgerüstet, um sich bei Annäherung selbstständig vor der Luftbetankungssonde des Empfängerflugzeugs zu positionieren.
Die vollständigen Automatisierungskonzepte sehen eine Übernahme des Luftbetankungsvorgangs inklusive Kontaktherstellung, Kontakthaltung und Abkopplung vor. Hierbei wird neben den Reglern für die einzelnen Phasen der Luftbetankung insbesondere auch der Übergang zwischen den einzelnen Phasen untersucht.
Auch bei der Automatisierung geht es um geeignete Mensch-Maschine-Schnittstellen und die Frage, ob Pilotinnen und Piloten Vertrauen in die Systeme aufbauen und der aktuelle Systemstatus jederzeit nachvollzogen werden kann. Neben den flugdynamischen Fragestellungen steht somit auch immer der Mensch im Cockpit im Fokus.
