Vertical Take-Off and Landing Unmanned Aerial Vehicle

mini|Krossblade SkyProwler mini|VUAVs verwenden VTOL-Konzepte, wie z. B. die Quadrocopterauslegung beim AirRobot AR-100B

Ein Vertical Take-Off and Landing Unmanned Aerial Vehicle (Englisch für Senkrecht startendes und landendes unbemanntes Luftfahrzeug), abgekürzt VTOL UAV, seltener VUAV oder VT UAVhttps://www.fas.org/irp/program/collect/usroadmap2007.pdf DoD USA: Unmanned Systems Roadmap 2007 - 2032, ist ein unbemanntes Luftfahrzeug (Drohne), das senkrecht starten und landen kann. Das maximale Abfluggewicht liegt je nach Typ zwischen 19 g (Nano Hummingbird) und 5,5 t (Unmanned Kaman K-Max).

Konstruktive Auslegung Die meisten Typen können sowohl schweben als auch nach einer Landung selbständig wieder starten, brauchen also weder eine Start- oder Landebahn noch spezielle Start- oder Landevorrichtungen. Viele Exemplare sind mit Kameras ausgestattet und können im schwebenden oder im gelandeten Zustand Bilder und/oder Videos aufnehmen, die entweder gespeichert oder per Funktechnik übertragen werden (Hover & Stare-Funktionalitäthttp://www.military.com/features/0,15240,168741,00.html Military.com: Hover and Stare: FCS Testing UAVs Aeryon Labs Inc.: Perch-and-stare Capability).

Drehflügelkonzepte Hubschrauber Anders als in der bemannten Luftfahrt zählen innerhalb der UAV-Gemeinschaft auch die Hubschrauber zu den VTOL UAVs. Dabei ist einerseits die klassische Ausführungsform manntragender Hubschrauber als UAV realisiert worden, mit Heckrotor-, Koaxialrotor oder Flettner-Doppelrotor-Konfiguration. Weiterhin werden eine Vielzahl von Fluggeräten in der Quadrocopter-Bauweise betrieben, darüber hinaus auch mit mehr Rotoren, wie Hexa- oder Octocopter. Weiterhin gibt es Ausführungen mit einem Mantelpropeller als Hubgebläse, wie z. B. der Honeywell RQ-16 T-Hawk, Aurora Golden Eye oder ST Aero FanTail, deren Abgrenzung zu den klassischen Heckstartern darin besteht, das der Auftrieb während des gesamten Fluges überwiegend durch die Drehflügel erzeugt wird und diese UAVs nicht in den aerodynamischen Horizontalflug übergehen (Transition).

Kombinationsflugschrauber Kombinationsflugschrauber, auch Compounds genannt, sind eine Kombination aus einem Flugschrauber und einem Starrflügelflugzeug. Wie beim Flugschrauber wird der hauptsächliche Vortrieb nicht durch den Hauptrotor erzeugt. Beim senkrechten Start erzeugt der Hauptrotor den Auftrieb während beim Horizontalflug Schub- und/oder Zugtriebwerke den Vortrieb übernehmen. Tragflächen oder sogar festgestellte Rotoren (Stopprotorflugzeug) übernehmen dann den Auftrieb. Durch diese Konfiguration können zum einen höhere Flugleistungen zum anderen eine Effizienzsteigerung gegenüber einem Hubschrauber erzielt werden. Ein Beispiel hierfür ist der Sikorsky Dragon Warrior.

Wandelflugzeuge

Wandelflugzeuge, auch als Verwandlungsflugzeuge oder Verwandlungshubschrauber bezeichnet, nutzen beim Senkrechtstart die Konfiguration eines Hubschraubers mit einem oder mehreren zumeist horizontal angeordneten Rotoren. Beim Übergang (Transition) zum Horizontalflug werden die Rotoren zur Erzeugung des Vortriebs umkonfiguriert. Dies geschieht häufig durch Kippen des Rotors mitsamt den Tragflächen (Kippflügel), als auch durch Kippen der Rotoren allein (Kipprotor oder auch Tiltrotor genannt). Sie kombinieren die Vorteile von Drehflüglern und Starrflügelflugzeugen. Beispiele hierfür sind Bell Eagle Eye oder IAI Panther, der noch einen zusätzlichen horizontalen Rotor besitzt, der jedoch, im Gegensatz zu den anderen zwei Propellern, nicht gekippt werden kann.

Es gibt auch ein erstes VTOL UAV in einer Strahlflugzeug-Ausführung. Excalibur von Aurora Flight Sciences erzeugt den Auftrieb bzw. Vortrieb durch ein einzelnes kippbares Strahltriebwerk. Die Steuerung bzw. Stabilisierung erfolgt über drei integrierte Mantelpropeller.

Starrflügelflugzeuge Die Heckstarter (Tail Sitter)-VUAVs Skytote von AeroVironment, V-Bat von MLB Company oder Flexrotor von Aerovelhttps://www.suasnews.com/2011/08/7831/video-of-aerovel-flexrotor-transition sUAS News: Aerovel Flexrotor Transition sind in der Erprobung. Hier wird der Propeller kurzzeitig genutzt zu schweben bzw. das UAV auf die Geschwindigkeit zu beschleunigen, die nötig ist, um genug Auftrieb an den Tragflächen für den Horizontalflug zu erzeugen.

Ornithopter Ornithopter, auch Schlagflügelflugzeug genannt, sind dem Flügelschlag von Vögeln nachempfunden. Seit kurzem gibt es erste funktionsfähige, ferngesteuerte Ornithopter mit Kameraausstattung, die für Micro-Air-Vehicle-Anwendungen vorstellbar wären.

Luftschiffe Luftschiffe als UAVs sind ebenfalls in der Realisierungsphase. Der überwiegende Vorteil besteht in der langen Ausdauer von mehreren Tagen.

Vor- und Nachteile Besondere Vorteile gegenüber bemannten VTOL-Systemen bieten die VUAV bei der Schadenserkundung in lebensfeindlichen eng umgrenzten Umgebungen, wie z. B. nach einem Kernreaktor-Unfall. Im Gegensatz zu klassischen Starrflügel-UAVs kann zudem im schwebenden Zustand eine kleinere Beobachtungsdistanz eingenommen werden.

Die Nachteile liegen gerade bei den elektrisch betriebenen VUAVs in der relativ kurzen maximalen Einsatzdauer von bisher 20 bis 30 min. Erste Versuche mit Brennstoffzellenhttps://www.avinc.com/resources/press_release/aerovironment_puma_small_uas_achieves_record_flight AeroVironment: AeroVironment Puma Small UAS Achieves Record Flight of Over Nine Hours Using Fuel Cell Battery Hybrid System Horizon Energy Systems: AEROPAK - Fuel Cell Propulsion System for Unmanned Aerial Vehicleshttp://www.engr.colostate.edu/~thb/Publications/Conceptual%20Design%20of%20FCUAV%20v2.4.4.pdf Thomas H. Bradley et al: Design Studies for Hydrogen Fuel Cell Powered Unmanned Aerial Vehicles (PDF)(0,84 MB) konnten diese Zeit jedoch, zumindest bei Starrflüglern, vervierfachen. Auch die hybriden Konzepte versprechen einen deutlich ökonomischeren und schnelleren Horizontalflug, womit gleichzeitig eine erhöhte Reichweite einhergeht. Des Weiteren gibt es erste Konzepte, wie die Akkus von VUAVs in der Luft über Laserenergie geladen werden können. LaserMotive: UAV Power Links

Abgrenzung zwischen UAVs und flugfähigen RPVs Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) und Remotely Piloted Vehicles (RPVs) (hier: Luftfahrzeuge) sind in der Regel beide über Funk fernsteuerbar. Ein UAV unterscheidet sich jedoch vom RPV in der Tatsache, dass ein UAV immer über ein Flight Control System (FCS) verfügt und sich auch ohne Funkverbindung in der Luft halten kann. Gleichzeitig sorgt ein weiteres System dafür, dass ein UAV autonom im Luftraum navigieren kann.

Einsatzspektren

Eingesetzt werden VTOL UAVs derzeit beim Militär, bei Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS) und in der Luftbildfotografie. Der Einsatz von VUAVs ist gerade erst in der Anfangsphase und es gibt derzeit vielfältige Ansätze zur zivilen Nutzung.

Ziviler Einsatz Inspektionen/Werkschutz Offshore-Anlagen (z. B. Windparks, Plattformen) Hafenanlagen (z. B. Containerterminal, Hafeneinfahrt) Großindustrieanlagen (z. B. Raffinerien, Kraftwerke, Tanklager, Schornsteine) Überlandleitungen Windkraftanlagen Pipelines

Umwelt-/ Naturschutz Überwachung des Waldbestandes bzw. -zustandes Schadensausmaßerkundung nach Ölverschmutzung schnelle Messung einer örtlichen Luftverschmutzung schnelle Messung einer örtlichen Wasserverschmutzung

Artenschutz Überwachung der Einhaltung von Fischerei-Fangquoten Überwachung von Tierbeständen (z. B. Fisch- bzw. Meeressäugetierbestände, Bestände in Nationalparks, Meeresvögel, Zugvögel)

Denkmalschutz Überprüfung der Struktur geschützter Gebäude Schutz vor Raubgrabungen

Luftbildfotografie/Fernsehaufnahmen Überwachung von weiträumigen Sportveranstaltungen (z. B. Regatten, Rallyes, Marathonläufe)

Landwirtschaft Quelle:https://www.suasnews.com/2011/08/6580/aerial-farm-aid sUAS News: Aerial Farm Aidhttps://www.suasnews.com/2011/04/4977/two-year-research-project-targets-agricultural-productivity sUAS News: Agricultural Productivity Optimierung der Erntezeiträume Erkundung von Ernteschäden Überwachung von Freilandherden

Forschung und Wissenschaft Luftbildarchäologie

Einsatz im Aufgabenbereich der Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS) SAR (Search and Rescue) Quelle: Suche nach Vermissten Suche nach Verschütteten Suche nach Schiffbrüchigen

Katastrophenschutz Quelle: Schadensausmaßerkundung bei Naturkatastrophen (z. B. Unwetter, Überschwemmungen, Schnee- und Schlammlawinen, Groß- bzw. Flächenbränden, Erdbeben, Tsunami, Vulkanaktivität) Schadensausmaßerkundung bei Katastrophen technisch-biologischer Art (z. B. Kernreaktor-Unfälle, Chemie- oder Ölunfälle) Messung der Ausbreitung von giftigen (Brand)Gasen Unterstützung der Einsatzkoordination durch Live-Bilder

Öffentliche Sicherheit Überwachung von Großveranstaltungen/ -demonstrationen Beitrag zur Aufklärung von Verbrechen Verkehrsüberwachung

Militärischer Einsatz Combat Search and Rescue Kommunikationsrelais (z. B. zur Anforderung von CSAR-Kräften, zur Vergrößerung der Reichweite) Material-Nachschub Begleitschutz (z. B. Konvoi-Schutz) Patrouillen-Flüge Spähflüge taktische Aufklärung (z. B. in urbanen Gelände oder sogar innerhalb von Gebäuden, BDA) Überwachung Zielmarkierung Kampfmittelsuche (z. B. Minen- bzw. IED-Detektion, Aufspüren von ABC-Verseuchung) Elektronische Kampfführung Einsatz von Kampfmitteln (z. B. leichte Lenkflugkörper)

Beispielanwendungen VTOL-Konzept Steuerung el. Antrieb max. Abfluggewicht max. Flugdauer Bezeichnung Ornithopter RPV Ja 19 g 8 min AeroVironment Nano Hummingbird100px Quadrocopter UAV Ja 1 kg 30 min AirRobot AR-100B 100px Quadrocopter UAV Ja 1,3 kg 20 min Aeryon Labs Inc. Scout100px Hubgebläse UAV Ja 1,5 kg 25 min EMT Fancopter100px Hubgebläse UAV Ja 6 kg 33 min Selex Galileo Asio100px Hubgebläse UAV Nein 8,4 kg 40 min Honeywell RQ-16 T-Hawk100px Wandelflugzeug (Kipprotor) UAV Ja 12,3 kg 90 min IAI Mini-Panther Hubschrauber UAV Nein 13 kg 60 min EADS Scorpio100px Hubschrauber (Koaxial) UAV Nein 45 kg 90 min Swiss UAV KOAX X-240100px Wandelflugzeug (Kipprotor) UAV Ja 65 kg 6 h IAI Panther Hubgebläse RPV Nein 154 kg 3 h Sikorsky Cypher100px Hubschrauber (Koaxial) UAV Nein 190 kg 4 h EADS Sharc100px Hubschrauber UAV Nein 200 kg 5 h Saab V-150 Skeldar100px Hubschrauber UAV Nein 200 kg 6 h Schiebel Camcopter S-100100px Kombinationsflugschrauber UAV Nein 645 kg Boeing X-50100px Hubschrauber UAV Nein 690 kg 8 h EADS Orka100px Wandelflugzeug (Kipprotor) UAV Nein 1020 kg 8 h Bell Eagle Eye Hubschrauber UAV Nein 1430 kg 8 h Northrop Grumman MQ-8 Fire Scout100px

Rechtliche Situation (Deutschland) Stand 18. März 2011 Für die Betreiber und Hersteller von UAVs ist der Betrieb dieser Luftfahrtgeräte in Deutschland noch nicht hinreichend geregelt. Derzeit gibt es diverse Bestrebungen zur Integration von UAVs in den Luftraum UAV D-A-CH: Deutschsprachige Arbeitsgruppe für Unbemannte Luftfahrzeuge (UAV)http://www.bdli.de/index.php?option=com_bdliboard&view=forums&layout=forum&fid=37&Itemid=15 BDLI: Fachausschuss UAV. Hier sollen Erkenntnisse zu den Anforderungen an die Lufttüchtigkeit sowie zu der Teilnahme am Flugverkehr (Flugbetrieb in den jeweiligen Lufträumen, Vermeidung von Kollisionen, Einhaltung der Ausweichregeln) gewonnen werden. Es soll nachgewiesen werden, dass eine sichere Teilnahme am Flugverkehr mit UAVs möglich ist. Es werden u. a. Notlandeverfahren, die Robustheit von Datenlinks und die Sensorik geprüft.