Heute hatte ich einem Arbeitskollegen von einer Drohne erzählt, die einen Wakeboarder hinter sich herzieht. Er war überrascht, aber nach dem Gespräch hatte ich mir die Frage gestellt ob eine Drohne einen Menschen auch in die Luft heben kann. Hierzu eine kleine Zusammenfassung.
Kann eine Drohne einen Menschen heben? Ja, große Drohnen können Menschen transportieren. Dabei ist die Motorleistung, das Leergewicht der Drohne, die Anzahl der Motoren und die Art der Propeller wichtig. Beim Heben schwerer Lasten kommt es auch darauf an, wie die Last mit der Drohne verbunden ist, bez. wo sie platziert ist.
Es gibt eine Vielzahl von Drohne mit unterschiedlichen Leistungen für verschiedene Anwendungen.
Typen von Schwerlastdrohnen
Drohnen finden immer mehr praktische Anwendungen. Durch die verbesserte Computersteuerungen und die guten Batterieleistungen war diese Entwicklung erst möglich.
Die Anfänge der Drohnen begannen im 2. Weltkrieg und wurden erst durch die Modelldrohnen und Spielzeugdrohnen für die breite Masse interessant. Nun folgen industrielle Entwicklungen, welche die Luftfahrt massiv verändern werden.
Welche Typen von Schwerlastdrohnen gibt es?
Starten wir mit kleinen Industriedrohnen. Beispielsweise wird die MG Serie von DJI für Filmkameras, zum Düngen oder Samenstreuen im Agrarbereich oder für das Kabelziehen von Seilbahnen verwendet. Diese Drohne kann Lasten von bis zu 10kg heben.
Die Firma Schiebel hat eine Helikopter Drohne mit einer Zuladung von 34kg für Militärische Zwecke entwickelt. https://schiebel.net/
Volocopter ist der erste zugelassene manntragende Multicopter und kann bis zu 160kg transportieren. Dieses System ist auch ganz vorne beim Rennen um das erste Drohnentaxi in Dubai.
Aerones entwickelte zusammen mit Rosenbauer eine Feuerlöschdrohne für bis zu 85m hohe Gebäude. Bei einem Eigengewicht von 70kg kann sie bis zu 100kg transportieren.
Die nächst größere Drohne habe ich in Russland bei der Firma SKYF gefunden. Bestehend aus einer Fachwerkskonstruktion, zwei großen Rotoren und acht kleinere Rotoren kann sie Lasten von bis zu 250kg heben.
Das war alles was ich in dem Bereich von zivilen Herstellern gefunden habe. Alle größeren Drohnen werden für militärische Anwendungen verwendet. Die derzeit größte Drohne ist die MQ-4 Triton. Sie kann lasten von 1360kg transportieren.
Es werden in Zukunft viele Entwicklungen auf diesem Gebiet entstehen. Einhergehend wird sich die Gesetzeslage vor allem für das autonome Fliegen und weiter für den Personentransport ändern müssen.
Fliegen in einer Drohne die aus einer Badewanne gebaut ist
“The Real-Life Guys” in Deutschland wollten eine manntragende Drohne bauen. Sie hatten verschiedene Konzepte probiert und dies auch in ihren Videos dokumentiert.
Der erste Prototype war eine Art Jetpack. Der Quadrocopter war so ausgelegt, dass er einen Menschen mit 80kg bei einem Eigengewicht von 20kg transportieren hätte können.
Bei dem Jetpack-Design sitzt der Mensch in der Mitte unter den vier Rotoren. Dadurch verlagerte sich der Gewichtsschwerpunkt der Drohne nach unten was die Steuerung erschwerte. Der Jetpack war unkontrollierbar und kam ständig in eine Eigenschwingung aufgrund der Lastverteilung.
Noch viel schwieriger würde es sein, wenn die Last mit der Drohne nicht fix verbunden ist, sondern an einem Seil an der Drohne hängen würde. Jede Steuerbewegung führt dann zu einem Aufschwingen der Last, welche durch die Drohne wieder kompensiert werden müsste.
Die Lösung der “The Real-Life Guys” war dann ein Hexacopter aus einer Badewanne. Dabei sitzt der Pilot im geometrischen Zentrum der Drohne was das Programmieren der Drohne erleichterte.
Wie funktionieren Schwerlastdrohnen?
Der Auftrieb von Drohnen basiert auf einem vertikalen Luftstrom. Dieser Luftstrom wird mittels rotierender Propeller erzeugt. Actio ist Reactio, der Luftstrom erzeugt ein Kraft nach unten wodurch die Drohne nach oben gedrückt wird. Umso stärker, dass sich die Propeller drehen, umso stärker ist der Luftstrom und umso schneller fliegt die Drohne nach oben.
Damit eine Drohne mit Zuladung schweben kann, muss sie einen Luftstrom erzeugen, der der Schwerkraft entgegenwirkt. Für einen stabilen Flug benötigt eine Drohne mindestens drei Propeller.
Um das physikalische Verhalten von Drohnen zu verstehen, muss man wissen, dass jede rotierende Masse ein gegengesetztes Drehmoment erzeugt. Aus diesem Grund hat ein Quadrocopter 2 rechts- (1,3) und zwei linksdrehende (2,4) Propeller. Wenn die Drohne schwebt, haben alle Propeller die gleiche Drehzahl, somit erzeugen alle Propeller und Motoren das gleiche Drehmoment und aufgrund der unterschiedlichen Drehrichtung heben sich die Momente gegenseitig auf und die Drohne ist stabil in der Luft.
Wenn sich die Drohne um die Hochachse drehen soll, erfolgt dies aufgrund des Drehmomentes der Propeller und Motoren. Um die Drohne beispielsweise von Westen nach Norden auszurichten mindert die Flugsteuerung die Drehzahl der Motoren 1 und 3 und erhöht gleichzeitig die Drehzahl der Motoren 2 und 4. Die Drehmomente lösen sich gegenseitig nicht mehr auf und die Drohne dreht sich im Uhrzeigersinn. Das gleichsinnige reduzieren und erhöhen der Drehzahl ist wichtig, dass die Summe der Auftriebskraft gleichbleibt und die Drohne ihre Höhe halten kann.
Eine Drohne fliegt vorwärts, wenn ein gewisser Anteil des Luftstromes horizontal wirkt. Dies ist dann der Fall, wenn die Drohne leicht zum Horizont gekippt ist. Dabei reduziert die Flugsteuerung beispielsweise die Drehzahl der Motoren 1 und 2, und erhöht die Drehzahl von 3 und 4. Die Drohne beginnt zu kippen und fliegt gleichzeitig nach vorne.
Hierbei ist das gleichsinnige reduzieren und erhöhen der Drehzahl notwendig, damit sich die Drehmomente gegenseitig ausgleichen und die Drohne sich nicht zu drehen beginnt.
Durch das kippen der Drohne kippt auch der Luftstrom der Propeller. Der Kippwinkel der Drohne bestimmt wie hoch der horizontale Anteil des Luftstromes ist, der die Drohne nach vorne bewegt. Dadurch geht Auftriebskraft verloren und alle Rotoren müssen in Summe schneller drehen, damit die Drohne auf der gleichen höhe bleibt.
Warum können große Drohnen länger fliegen und im Verhältnis mehr zuladen?
Um diese Frage zu beantworten muss man sich den Luftstrom eines Propellers ansehen. Der ideale Luftstrom (Bild rechts) ist ein Zylinder welcher direkt unter den Propellerblättern beginnt und nach unten wirkt. Dieser Luftstrom erzeugt einen Druck und die resultierende Kraft ist die Auftriebskraft, welche die Drohne in die Luft drückt.
Der reale Luftstrom (Bild links) sieht jedoch anders aus. An den Spitzen der Propellerblätter entsteht ein Wirbel und der Luftstrom ist nicht zylindrisch, sondern der Durchmesser nimmt mit dem Abstand zur Drohne stark zu. Was in Summe zu einem Verlust der Auftriebskraft führt.
Um eine Drohne effizienter zu machen, muss man sich die Theorie ansehen. Dabei müsste man die Geschwindigkeit reduzieren, da diese im Quadrat abhängig ist, wie es die Formel der Auftriebskraft zeigt.
Auf der linken Seite der Formel steht die m (Masse) mal g (Erdanziehung 9,81 m/s²). Auf der rechten Seite ist die Kraft des Luftstromes mit ρ (Luftdichte 1.225 kg/m³) mal A (Propellerkreisfläche) mal v (Luftstromgeschwindigkeit).
Wenn die Fläche erhöht wird, kann man die Geschwindigkeit reduzieren und die Auftriebskraft bleibt gleich.
Das gleiche gilt für die benötigte Leistung beziehungsweise Flugdauer. Dabei ist p (Leistung) mit der dritten Potenz von der Luftstromgeschwindigkeit abhängig.
Aus diesem Grund sind große Drohnen mit großen Propellern effizienter, sie haben einen größeren Propellerkreisdurchmesser, somit weniger Verluste und können eine geringere Luftstromgeschwindigkeit verwenden als kleine Drohnen.
Was passiert, wenn eine Drohne ihre Zuladung während des Fluges verliert?
Stelle dir vor du haltest einen schweren Sack Kartoffel und plötzlich reißt die Leine. Die Kartoffeln werden zu Boden fallen und deine Hand wird nach oben schnellen.
Actio ist Reactio, und das gleiche passiert, wenn eine Drohne ihr Zuladung verliert. In den ersten Millisekunden wird die Drohne nach oben Fliegen, weil sich die Propeller so schnell drehen, dass sie die Last heben können. Erst wenn die Flugsteuerung reagiert, wird sie die Drehzahl der Rotoren senken.
Schlimmer ist es, wenn die Zuladung mit zwei oder drei Seilen an der Drohne befestigt ist und eines davon reißt. Die Lasst hängt dann nicht mehr mittig unter der Drohne und sie wird sie zum kippen bringen. Wenn die Drohne genügend Leistung besitzt, kann sie sich stabilisieren, ansonsten wird sie abstürzen.
Vor allem wenn die Last nicht fix mit dem Rahmen der Drohne verbunden ist, sondern mit einem flexiblen Seil, kann die Last zu schwingen beginnen und die Drohne versucht diese Bewegung auszugleichen. Dabei kann es zum gegenseitigen Aufschwingen kommen und Drohne samt Ladung stürzt ab.
Kann eine Drohne bei starkem Wind fliegen?
Wie viel Wind ist zu viel Wind für eine Drohne? Die meisten Drohnen können bei Wind von 20 km/h bis zu 50km/h fliegen. Die Maximalgeschwindigkeit der Drohne bestimmt die Zulässige Windgeschwindigkeit. Eine Faustregelt sagt, dass Drohnen bis zu einer Windgeschwindigkeit von 2/3 der Maximalgeschwindigkeit geflogen werden können. Beispielsweise fliegt eine DJI Phantom 3 maximal 25 km/h und darf bei Wind bis zu 17 km/h geflogen werden.
Kann eine Drohne im Regen fliegen?
Generell können Drohnen nicht bei Regen geflogen werden, weil sie weder wasserdicht noch wasserresistent sind. Aber es gibt manche Drohnen mit unterschiedlichem Wasserdichtheitsgrad. Die kritischen Bauteile sind die Motoren und die Lüftungsschlitze für die Elektronik.