NASA/DLR Design Challenge 2020 – Flugzeugkonzepte von Studierenden
Thema 2020: Paketdrohnen in Städten
1. Platz der NASA/DLR Design Challenge 2020: RWTH Aachen „Urban Ray“
Konzept des Teams der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen.
Bild: 1/2, Credit:
RWTH Aachen/Urban Ray
Die DLR-Jury zusammen mit den Studierendenteams während der NASA/DLR Design Challenge 2020
Am 27. August 2020 fand im ZAL TechCenter des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Hamburg-Finkenwerder die Abschlussveranstaltung und Preisverleihung der vierten NASA/DLR Design Challenge statt. Aufgrund von Covid waren nur zwei Mitglieder pro Team vor Ort anwesend.
Die NASA/DLR Design Challenge 2020 forderte Studierende auf, ein Konzept für autonome und zuverlässig operierende Luftfahrtsysteme zur Zustellung von Waren im innerstädtischen Raum zu entwickeln.
40 Studierende aus sieben Teams nahmen am Wettbewerb teil.
Das Team der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen überzeugte die Jury mit seinem Konzept „Urban Ray“ und belegte den ersten Platz.
Im Rahmen der NASA/DLR Design Challenge 2020 sollte ein unbemanntes Luftfahrtsystem für den autonomen Warentransport in Städten entwickelt werden.
Das System musste Pakete bis zu 2,5 Kilogramm über eine Distanz von bis zu 15 Kilometern transportieren und vollständig autonom operieren. Zudem waren kurze Start- und Landestrecken sowie ein sicherer Betrieb unter verschiedenen Wetterbedingungen gefordert.
Darüber hinaus mussten Konzepte für Logistik, Bodenstationen und sichere Betriebsabläufe entwickelt werden, die eine Integration in den innerstädtischen Raum ermöglichen.
Sieben Teams präsentierten im Jahr 2020 ihre Entwürfe
„Die NASA/DLR Design Challenge vereint viele wichtige Aspekte: Es geht um Nachwuchsarbeit, um Kooperation der Großforschung mit den Universitäten, um neue Entwürfe, Ideen, Inspiration und die für uns bedeutende transatlantische Kooperation“, betonte Prof. Rolf Henke, Mitglied des DLR-Vorstands für den Bereich Luftfahrt und Juryvorsitzender auf der Veranstaltung in Hamburg. „Gewinner sind dabei alle Teilnehmenden, die die Erfahrung mitnehmen, sich im Team einem Wettbewerb zu stellen und gemeinsam die persönliche Leistung abzurufen. Dabei hat es uns als Jury dieses Jahr besonders gefreut, wie die Studierenden trotz der schwierigen Zeit der Corona-Pandemie sieben tolle Konzepte eingereicht haben.“
In diesem Jahr führten die Maßnahmen, die aufgrund der Coronavirus-Pandemie ergriffen wurden, dazu, dass die Studierenden in ihren Teams hauptsächlich digital zusammenarbeiteten und am Kick-off-Meeting als Videokonferenz teilnahmen. An der Abschlussveranstaltung in Hamburg konnten bis zu zwei Mitglieder pro Team persönlich teilnehmen, um ihre entwickelten Konzepte vorzustellen. Der Rest des Teams verfolgte die Veranstaltung online. Das Siegerteam reiste 2022 zusammen mit den Gewinnern der Design Challenge 2021 zum NASA Langley Research Center in die USA und präsentierte ihre Arbeit dort gemeinsamen mit den amerikanischen Siegerteams.
Die eingereichten Flugzeugentwürfe im Überblick
1. Platz für die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen „Urban Ray“
Präsentation des Konzepts „Urban Ray“
Cem Uyanık von der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen präsentiert das Konzept „Urban Ray“ auf dem finalen Symposium des deutschen Wettbewerbsteils der NASA/DLR-Design Challenge 2020.
Das Konzept „Urban Ray“ der RWTH Aachen besteht aus einem vollautonomen, elektrischen UAS (unbemanntes Luftfahrtzeugsystem) in Blended-Wing-Body-Konfiguration, das über einen getrennten Antrieb (Rotoren) für den Schwebeflug und den Vorwärtsflug verfügt. Dies ermöglichte es dem Team eine innovative, schubbasierte Lösung für die Flugsteuerung zu entwickeln, bei dem auf herkömmliche Steuerflächen verzichtet wird. Weiterhin kombiniert das Design ein Fallschirmsystem mit einer stoßabsorbierenden Struktur aus Schaumstoff, um die hohen Sicherheitsanforderungen für den Einsatz eines solchen Systems in innerstädtischen Gebieten zu erfüllen. Die vertikale Start- und Landefähigkeit ermöglicht zudem den Einsatz von kleinen Plattformen bei gleichzeitig hoher Reisegeschwindigkeit. Für den Aufbau eines dichten und anpassungsfähigen Netzwerks wurde deshalb eine modulare Plattformfamilie entwickelt. Diese beinhaltet eine einfache, faltbare Plattform bis hin zu einem zentralen Hub, der über ein vollautomatisiertes System zur Paketbeladung, -lagerung samt Batteriewechsel verfügt. Urban Ray soll im Rahmen eines Pay-per-Use-Modells als Dienstleistung für Paketlogistikunternehmen und weitere Kunden, die beispielsweise Konsumgüter oder Gesundheitsprodukte verkaufen, angeboten werden.
Team der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
Von links: Julian Matt, Lourdes Ramos Camarma, Karl Funke, Fabian Binz, Ivo Zell und Cem Uyanik.
Credit:
RWTH Aachen/Urban Ray
Das Team der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen stellt das Konzept „Urban Ray“ im Kurzvideo vor.
Das Konzept „Urban Ray“ im Kurzvideo
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Das Konzept „Urban Ray“ im Kurzvideo
Das Team der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen stellt das Konzept „Urban Ray“ im Kurzvideo vor.
Credit:
RWTH Aachen University, Chang Cao
2. Platz für die Universität Stuttgart mit „aIRO“
„aIRO“ – Konzept der Universität Stuttgart
Credit:
University of Stuttgart/aIRO
Das Konzept „aIRO“ des Teams der Universität Stuttgart ist ein unbemanntes Luftfahrzeugsystem (UAS), bestehend aus einer Paketdrohne mit vier Tragflächen, acht Rotoren und einem markanten roten Seitenleitwerk, wobei die Verbindung zum Bord- und Steuerungscomputer am Boden per Echtzeit-5G-Kommunikation aufrechterhalten wird, was deutliche Gewichtseinsparungen beim Fluggerät bringt. Ein Secondary Flight Control Computer an Bord sichert die Drohne im Falle eines Verbindungsproblems ab. Die Kombination einer Tandem- und Multicopter-Konfiguration mit leisen, elektrisch angetriebenen Kipprotoren nutzt für eine optimale Energieversorgung ein hybrides Energiesystem, bestehend aus Lithium-Schwefel-Batterien (LiS) und Lithium-Ionen-Kondensatoren. Die redundanten Systeme der Vertikalen Start- und Landefähigkeiten (VTOL) sind das Herz von „aIRO“. Bodenstationen in der Größe zweier Standardparkplätze können flexibel im städtischen Bereich verteilt werden. Das Risiko für Personal und Anlagen am Boden wird durch ein umfassendes Sicherheitskonzept auf ein Minimum reduziert: Ein hochleistungsfähiges, bodengestütztes Passivradar-Erkennungs- und -Vermeidungssystem (DaA) liefert Input für die Flugwegkontrolle via 5G-Netz.
Team der Universität Stuttgart
Von links, erste Reihe: Mareike Hoffmann, Sonja Hauber, Jasper Jonitz. zweite Reihe: Connor Thelen, Sajeel Khan, Erik Wegener
Credit:
University of Stuttgart/aiRO
3. Platz für die Technische Universität München mit „Mercurius“
„Mercurius“ – Konzept des Teams der TU München
Credit:
TU München/Mercurius
Das Design der Mercurius-Drohne des Teams der TU München konzentriert sich auf maximale Effizienz bei minimalem Gewicht. Zwei feste vordere Propeller und sechs hintere schwenkbare Oberflügelpropeller vereinen die widersprüchlichen Anforderungen an Schwebeflug und Horizontalflug. Konstruktionsmerkmale wie abgesenkte Winglets oder Oberflügelstützen führen zu guten Strömungseigenschaften. Das hybride Antriebssystem aus einer Brennstoffzelle und einem Lithium-Ionen-Akku ermöglicht eine Einsatzperformance, die für batteriebetriebene Konzepte nicht erreicht wird. Zusätzlich maximiert es die Flugsicherheit und Energieeffizienz, was zu einem Drittel reduzierter Kosten pro zugestelltes Paket führt. Die Bodenstationen vereinen einen leichten Aufbau mit fortgeschrittener Automatisierung, sodass sie eine schnelle Beladung der Drohnen samt Akkuladung gewährleisten.
Team der Technischen Universität München
Von links: Nathanael Pfanner, Markus Sailer, Moritz Wenzel, Manuel Prinz, Cornelius Kauffmann und Jan Rudzki.
Credit:
TU Munich/Mercurius
Erfolgreicher Beitrag der Technischen Universität Dresden mit „BeeHive“
„BeeHive“ – Konzept des Teams der Technischen Universität Dresden
Credit:
TU Dresden/BeeHive
Das Konzept „BeeHive“ des Teams der Technischen Universität Dresden ist ein kostengünstiges und hochfunktionales autonomes Transportsystem, das in der Lage ist, kleine Nutzlasten bei hohen Geschwindigkeiten innerhalb einer städtischen Umgebung zu transportieren. Es besteht aus zwei Komponenten: der Trägerdrohne, genannt „Bee“, und dem Bodensystem, genannt „Hive“ (Bienenstock). Das Luftfahrzeug weist eine Canard-Konfiguration mit schwenkbarem Vorflügel auf und wird von vier Elektromotoren angetrieben. Dies ermöglicht senkrechtes Starten und Landen und einen energiesparenden Horizontalflug. Somit kann die Nutzlast von 2,5 Kilogramm über eine Entfernung von bis zu 72 Kilometern befördert werden. Die Stromversorgung der Motoren erfolgt über Lithiumionenakkus, die auf der Landeplattform vollautomatisch mit dem Beladen neuer Fracht getauscht werden. Das System erfüllt höchste Standards an Sicherheit, Lärmreduzierung und Effizienz. Es ist einfach skalierbar und kann leicht an die Kapazitäten der Kunden angepasst werden.
Team: Luckas Bach, Anton Liegert, Tobias Hofmann, Tim Aurin, Edgar Lilienthal und Thomas Hanl.
Erfolgreicher Beitrag der Universität der Bundeswehr München mit „eCiconia“E
„eCiconia“ – Konzept des Teams der Universität der Bundeswehr München
Credit:
Universität der Bundeswehr München/eCiconia
Das Konzept „eCiconia“ des Teams der Universität der Bundeswehr München kombiniert die Vertikalstart- und -landefähigkeit (VTOL) mit treibstoffsparender konventioneller Aerodynamik auf Basis von Tragflächen. Der Horizontalflug ermöglicht ein präzises Start- und Landeverfahren auf kleinstem Raum, wobei eine Katapulttechnik energiesparende Starts der Drohne ermöglicht. Eine zentrale Basisstation am Boden arbeitet mit Fließbandbetrieb für die Be- und Entladung der Päckchen sowie den Akkuwechsel. Ein integriertes Kontrollzentrum ermöglicht einen effizienten und zuverlässigen Betrieb bei minimalem Platz- und Zeitaufwand. Ein attraktives Detail des Konzepts ist die Nutzung bereits bestehender, um eine Landeplattform erweiterter Paketstationen, was eine zuverlässige Paketzustellung ohne Risiken durch Bodenlandungen ermöglicht. Ein kombiniertes Sicherheitssystem, bestehend aus einem Fallschirm und Airbags, beugt Schäden im Falle eines Systemausfalls vor.
Team: Johannes Lehtonen, Antonia Sattler, Tobias Kreutz, Matthias Lettl, Sebastian Privik.
Erfolgreicher Beitrag der Technischen Universität Hamburg mit „HecTO-R“
Luftfahrzeug TUHH „HecTO-R“ Konzept des Teams der Technischen Universität Hamburg
Credit:
TU Hamburg/TUHH HecTO-R
Das Konzept „HecTO-R“ des einen Teams der TU Hamburg ist ein Hybrid zwischen einem Quadcopter und einem Blended-Wing-Heckstarter, der einen vertikalen Start- und Landevorgang (VTOL) mit einem schnellen Reiseflug kombiniert. Die Tragflächen sind optimiert, um stabile und sichere Flugeigenschaften zu gewährleisten und mögliche Unfallrisiken zu minimieren. Das System wird mit Akkus von Licerion High Energy (HE) betrieben, die über eine ausreichende Speicherkapazität für zwei Einsätze verfügen. Um Masse und Kosten zu reduzieren, werden fast alle Komponenten aus kohlefaserverstärkten Polymeren (CFK) hergestellt. HecTO-R kann sehr flexibel auf klappbaren Stelzen, die sich an der Rückseite des Rumpfes befinden, landen. Der leichte Lademechanismus aus Aluminium ist in den Rumpf integriert, sodass HecTO-R Päckchen fast überall selbständig platzieren kann.
Team: Anushan Thiripuvanam, Flavio Geronimo, Michael Szymanski, Niklas Schmidtke, Juan Felipe Ricardo Ramirez.
Erfolgreicher Beitrag der Technischen Universität Hamburg mit „City-Del“
„City-Del“ – Konzept des Teams der TU Hamburg
Credit:
TU Hamburg/City-Del
Die Paketdrohne des Konzepts „City-Del“ des anderen Teams der TU Hamburg ist vollständig aus kohlefaserverstärktem Polymer, um das Gewicht zu minimieren. Um auf engem Raum zu operieren, verfügt City-Del über einen vertikalen und einen horizontalen Modus. Der Vertikalmodus wird durch acht koaxial angeordnete Rotoren ermöglicht. Dies verleiht der Drohne Manövrierfähigkeit. Der horizontale Modus wird durch zwei, an den Flügeln montierten Rotoren und einem umgekehrten V-Leitwerk ermöglicht. Während des Einsatzes versorgt ein Akkupaket, bestehend aus 60 Zellen, die Triebwerke und die Avionik mit ausreichend Energie. City-Del enthält einen Kondensator, der die Energieversorgung während des kombinierten Wechsels von Akkus und Ladeeinheit überbrückt.
