Automatisierter Schwebeflug via Koffersteuerung

Ein Luftschiff erfordert nach der Landung an seinem Haltemast einiges an Aufmerksamkeit, während die fliegenden Kollegen, die ihren Auftrieb mittels Tragflächen oder Rotoren erzeugen, am Boden ihre stabilste Lage erreichen. Die für die Ruheposition erforderliche Überwachungsfunktion kann eine neu entwickelte Lagesteuerungs-Automatik übernehmen, so dass der Pilotensessel auch in stürmischen Nächten unbesetzt bleiben kann. Eingebaut ist die Steuerung in einen doppelwandigen Gehäuse-Koffer von Santox. 

Sogenannte Prall-Luftschiffe erhal­ten ihre Formstabilität, ähnlich wie ein Luftballon, ausschließlich über den inneren Überdruck und die dadurch unter Spannung stehende Hülle. Anders ist das bei den moderns­ten Luftschiffen der Welt: den Zeppeli­nen NT (NT = Neue Technologie). Sie verfügen – wie schon ihre gigantischen Vorfahren „Graf Zeppelin“ oder „Hin­denburg“ – über ein tragendes, stabiles Skelett. Über diese Aluminium- und Kohlefaser-Verbundwerkstoff-Konstruk­tion (Bild 1) wird die Außenhaut ge­spannt, die in ihrem Inneren das un­brennbare Helium aufnimmt.

Das Auftriebsgas steht zwar auch hier unter Druck, ist jedoch nicht für die Formgebung ausschlaggebend. Daraus ergeben sich Gestaltungsvorteile: Nicht ballonartig-pummelig, sondern lang­gestreckt und schlank bietet der Zep­pelin NT nicht nur für eingefleischte Aeronauten einen ästhetisch-majestä­tischen Anblick. Aus dem modernen, zukunftssicheren Konstruktionsmerk­mal ergeben sich weitere Vorzüge: Eine höhere Reisegeschwindigkeit – der al­lerdings beim Zeppelinfliegen (außer bei Überführungen von A nach B) eine eher untergeordnete Bedeutung zu­kommt – und vor allem die Möglichkeit, Motorgondeln, Leitwerke, Fahrwerke und Kabine stabil am tragenden Skelett zu montieren und an den flugtechnisch optimalen Stellen zu platzieren. Selbst bei abfallendem Gasdruck bleibt der Zeppelin NT dadurch voll manövrierfä­hig. Die Werft am Bodensee ist bei dieser als „halbstarr“ bezeichneten Bauart Weltmarktführer.

Wegen des mit der Flughöhe wech­selnden Außendrucks und/oder der unterschiedlichen Temperaturen muss der Druck des Heliumgases geregelt werden. Dies – und auch die Trimmung des Luftschiffes – übernehmen soge­nannte Ballonets im Rumpf vorne und hinten. Sie werden über Gebläse mehr oder weniger mit kostenloser Umge­bungsluft gefüllt respektive umge­trimmt und übernehmen so eine ähnli­che Funktion, wie dies die Schwimm­blase bei Fischen tut. Über die Differenz vorn-hinten können, neben der Druck­regelung, auch Kopf- oder Schwanzlas­tigkeit und somit der Anstellwinkel für den Flug oder das Schweben eingestellt werden. Insbesondere bei der Trim­mung für eine stabile Lage am Halte­mast, aber auch bei weiteren wichtigen Parametern greift die neuartige – „Watch-Standing-System“ (WSS) ge­nannte – Steuerungs-Automatik ein.

Anspruchsvolle Elektronikentwicklung
Wie erwähnt, kann ein Luftschiff bei rauen Wetterverhältnissen wegen seiner gewaltigen Abmessungen (beim Zep­pelin beeindruckende 75 × 19,5 × 17,4 m³) und damit seiner großer Wind­angriffsfläche nicht einfach sich selbst überlassen werden. In der Vergangen­heit musste dazu bei Starkwind ein Bediener vom Pilotensitz aus die Steu­erungsfunktion übernehmen und das Luftschiff in seiner Verankerung am Haltemast stabil halten – beispielsweise gegen Aufschlagen des Heckfahrwerks am Boden. Mit einem erfreulichen Auf­trag an die Luftschiffwerft über drei Zeppeline NT hat Goodyear (USA) auch eine verbindliche neue Aufgabenstel­lung definiert: Bei Sturm darf zur Stabi­lisierung des Luftschiffes kein Bediener zur manuellen Steuerung in der Kabine sein. Eine mögliche Gefährdung durch Verletzung in Böen soll so von vornhe­rein ausgeschlossen werden.

Für die Entwicklungsabteilung „Elek­tronik und Bodengeräte“ in Friedrichs­hafen und den Projektleiter Georg Gröger war damit eine herausfordernde Aufgabe zu lösen: Ein Steuersystem zum automatischen respektive ferngesteu­erten „Schweben am Mast“ musste entwickelt werden, und das Ergebnis intensiver Arbeiten ist das erwähnte Watch-Standing-System. Die neue Lö­sung baut auf bereits vorhandene Mo­dule auf, und zwar auf das bisherige External Envelope Pressure System (EEPS). Es übernimmt als Komplettein­heit vollautomatisch alle Überlebens­funktionen des Zeppelins; diese werden aktiv, wenn im Ruhezustand beim Schweben am Mast die Luftschiffsteu­erung auf „AUS“ steht. Dies sind vor al­lem

• Back-ups für diverse Notprogramme
• die Druckregelung in der Zeppelin­hülle
• die Messung der Heliumreinheit. Gegebenenfalls wird eine Helium- Reinigungsanlage am Boden akti­viert, um Fremdgase (Luft) abzuschei­den
• die Überwachung und Trimmung der vorderen und hinteren Ballonet- Füllstände mit Luft
• die aktive Flugsteuerung, sobald die Luftschiffsteuerung aus ist
• die Lageregelung über Lagesensoren in redundanter Ausführung (Haupt­sensor und Plausibilitätssensor)
• die Alarmierung eines Verantwortli­chen bei sich stark ändernden oder einen Grenzwert übersteigenden Windverhältnissen (Auswertung der Windsensorsignale des Luftschiffs)
• Vorschlag von Steuerungsbefehlen für den Bediener am Boden zur Fern­steuerung des Luftschiffs, basierend auf aero- und flugdynamischen Be­rechnungen und Erfahrungswerten der Zeppelin-NT-Historie

Für die „Intelligenz“ des Systems ist ein Single-Board-Computer verantwortlich. Dieser und die gesamte Mess-, Steuer-, Analyse- und Regelungstechnik müssen kompakt und stabil in einem Gehäuse- Koffer verstaut werden, denn er muss fliegen. Das bedeutet: Geht die Crew von Bord, so übernimmt der Elektronik- Koffer mit dem integrierten WSS die Steuerung, und zwar in einem eigens für ihn reservierten, von außen zugäng­lichen Fach der Kabine (Bild 2). Letzt­endlich wurde hierfür als Gehäuselö­sung ein doppelwandiger S2000-Alu­minium-Koffer von Santox gewählt.

Leicht, stabil, funktionell, schön
Was für den Zeppelin NT selbstverständ­lich ist, war auch für die Wahl des geeig­neten Gehäuse-Koffers ein unumstöß­liches Kriterium: Leicht, stabil, funktio­nell und schön muss er sein.

Leicht aus zweierlei Gründen: Einmal, weil er mit dem Zeppelin schwebt, zu­dem aber auch, weil das Teil beim Ein­setzen ins Luftschiff jeweils bis in Au­genhöhe gestemmt werden muss (Bild 2). Stabil muss er sein, weil er die anspruchsvolle Elektronik im Schwebe­flug bei Wind und Regen schützen muss. Auch auf dem Weg zum und vom Zeppelin sowie beim Transport und Lagern muss dieser Schutz gewährleistet sein. Zu guter Letzt muss der Gehäusekoffer mit Ei­genschaften aufwarten wie leichte Bedienbarkeit sowie Wartungs- und Servicefreundlichkeit, die den Einbau aller Komponenten sowie deren Ver­drahtung von allen Seiten her erleich­tert. In diesem Sinne wurde der Santox S2000 mit je einem oberen und unteren scharnierten Deckel versehen.

Und schließlich muss er schön sein, weil er von den Kunden in aller Welt als Äquivalent zum eleganten Zeppelin akzeptiert werden muss. Selbst dieses Attribut erfüllt der Kofferhersteller, dessen Serien S2000 und S4000 mit dem iF Design Award prämiert worden sind.

Billig mag niemand – schon gar nicht in der Luftfahrt, wo höchste Qua­lität und Sicherheit gefordert sind. Dennoch steht die Gehäuselösung – quasi als letztes Glied in der Elektronikentwicklung – stets unter Kostenzwän­gen. Das gilt auch für so anspruchsvol­le Einsatzgebiete wie Zeppeline. Denn obschon der Gehäusepreis, relativ zum Luftschiff plus Watch-Standing-System, noch nicht einmal im Promille-Bereich der Gesamtsumme angesiedelt ist – im Fokus steht er allemal.

Vorbildliche Projektabwicklung
Georg Gröger war und ist bei der ZLT Zeppelin Luftschifftechnik GmbH Co KG der Projektverantwortliche für das an­spruchsvolle Watch-Standing-System, das erstmals für die neuen Zeppeline NT von Goodyear realisiert wurde. Die Suche nach dem geeigneten Koffer und die Realisierung der Gehäuselösung beschreibt er wie folgt: „Als ich mich auf die Suche machte, war mir Santox noch unbekannt. Die Internetrecherche war aufwendig, weil ein enger Anforde­rungskatalog vorlag – hohe HF-Schirmung und elektromagnetische Verträglichkeit. Zudem waren Eigenschaften gefordert wie robust, stabil, kompakt und leicht, um den beengten Platzverhältnissen der Gondel gerecht zu werden. Bei der schließlich verwirklichten Lösung war lediglich das Gewicht – es ergibt sich aus der Doppelwandigkeit des Geräte- Koffers (Bild 3) – ein kleiner Wermuts­tropfen. Aber dieser wird durch viele andere Vorzüge mehr als kompensiert: Denn als Alukonstruktion ist das Gehäu­se alles andere als schwer, und es passt gut zu den im Zeppelin verarbeiteten Materialien.“

Abschließend fügt er noch hinzu: „Das Preis-Leistungs-Verhältnis bewer­ten wir angesichts der zusätzlich reali­sierten Dienstleistungen als sehr gut: So wurden von Herstellerseite beispiels­weise alle Ausbrüche am Koffer für die zahlreichen Stecker, Anzeigen, Signali­sierungen, Schalter usw. eingebracht sowie alle erforderlichen Halte- und Befestigungspunkte für die einzelnen Komponenten-Ebenen professionell verwirklicht. Dadurch haben wir uns in Friedrichshafen viel knappe Zeit ge­spart. Die Projektabwicklung war in allen Phasen bestens, die Kommunika­tion war zielführend und die pünktliche Lieferung vorbildlich. Schon jetzt sind die Erfahrungen so gut, dass wir diese Lösung international zum Standard machen.“

Wissenswertes zu Luftschiffen und Zeppelin NT
Als Faustregel kann gelten: Um 1 kg Masse zu heben, ist rund 1 m³ Helium­gas erforderlich. Mit 75 m Länge sind die Zeppeline NT derzeit die weltweit größten Luftschiffe. Das Gesamtvolu­men beträgt 8400 m³, die Heliumfüllung umfasst 7400 m³. Gestartet wird grund­sätzlich mit 300 bis 400 kg statischer Schwere. Der zum Start erforderliche zusätzliche Auftrieb wird über die schwenkbaren Motorgondeln erzeugt (Starten und Landen wie ein Hubschrau­ber). Im Horizontalflug wird über den Anstellwinkel des Zeppelins dieser Auftrieb aerodynamisch erzeugt (Trim­mung über die Ballonets). Darüber hin­aus wird der NT über ein leistungsfähi­ges „Fly by Wire“ manövriert.

Das tragende Skelett des Zeppelin NT ist eine Dreiecks-Trägerstruktur und hat eine Masse von rund 1,2 t. Die über dem Skelett liegende, dreischichtige Hülle (Außenhaut) besteht aus einem speziellen, nur für den Zeppelin NT verwendeten Material. Sie überdeckt eine Oberfläche von 2630 m² und hat ein Gewicht von rund 1 t. Die „unter Weltmeisterschaftbedingungen“ ermit­telte maximale Geschwindigkeit des NT liegt bei 115 km/h, die Dienstgipfelhöhe bei 3000 m sowie die unterbrechungs­freie Flugzeit bei rund 22 h (respektive bis 40 h unter besonderen Bedingun­gen).

Neben seinem Einsatz im Passagier­flug ermöglicht der Zeppelin NT ver­schiedenen Forschungsinstituten kom­plexe Messungen. Behörden nutzen ihn als Überwachungsplattform und in der Werbung wird sein hoher Sympathie­wert geschätzt.

Am Boden ist der Zeppelin am si­chersten im Schwebeflug am Haltemast, der beim NT als aufwendige Mastfahr­zeugkonstruktion (Lkw) ausgeführt ist (z.B. eigener Generator, Datenübertra­gung von der Zeppelinspitze zum Fahr­zeug über Schleifring). Bei der Landung wird das Luftschiff per Seilwinde und Fernsteuerung – gegen den Widerstand der Propeller im Gegenschub – an den Mast herangezogen. Der dafür als zen­traler Sternpunkt fest in die tragende Konstruktion integrierte Bugtopf muss bis zu 5000 kg Mastlast aushalten kön­nen. Durch die neuartige Schub-Vek­torsteuerung der Motorgondeln ist zudem auch nur eine kleine Boden­mannschaft erforderlich.

Der Zeppelin kann Tag und Nacht bei Windgeschwindigkeiten bis 130 km/h am Mastfahrzeug geparkt werden. Um den sicheren Schwebeflug am Mast auch bei Sturm sicherzustellen (es darf dabei das Heck nicht nach oben ausreißen oder auf den Boden aufschla­gen), musste bisher ein Bediener in der Kabine die entsprechenden Steuerungs­funktionen übernehmen. Dies erfolgt nun über das neue automatische „Watch-Standing-System“ (Bild 3) und per Fernsteuerung.

Veröffentlicht in Elektronik components 2014

Die Autoren: 

Peter Hauser ist Gründer des Unternehmens Santox-Industriekoffer und ist im heutigen Unternehmen verantwortlich für Technik und Entwicklung.

Gerhard Sprissler ist freier Fachjournalist und Inhaber des Dienstleistungsunternehmens G.S. Markom in Mertingen.

SANTOX Gehäuse-Systeme GmbH
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