Multikopterschlepp für Gleitschirm und Hängegleiter

Text und Grafiken von Bernd Otterpohl (Juli 2019)

Die Entwicklung von Schwerlastdrohnen ist in den letzten Jahren rasant vorangegangen, getrieben durch Agraranwendungen (Spritzen) oder industrielle Anwendungen wie das Reinigen von Windkraftflügeln. Motorenhersteller haben mit schmal gebauten Statoren großen Durchmessers sehr drehmomentstarke und trotzdem unglaublich leichte und preiswerte Antriebe entwickelt.
Auch Korrosions- und Verschmutzungsschutz sowie Lagerabdichtung wurden verbessert, offensichtlich verlangen die Kunden alltagstaugliches Gerät.
Da drängte sich die Frage auf, ob diese Technik auch geeignet ist, GS- und HG Schleppstarts durchzuführen. Diese Untersuchung soll dazu dienen, die Machbarkeit und die Perspektiven des Multikopter-Schlepps abzuschätzen und zu zeigen, wie Design, Erprobung und Zulassung aussehen könnten. Vom technischen her wäre es heute sicherlich möglich, den Drachen im Garten aufzubauen und sich von einer Drohne senkrecht in die Thermik schleppen zu lassen. Vor dem Ausklinken würde ein Sinkflug mit Vorwärtsfahrt eingeleitet, um einen sanften Übergang zum Flug zu bekommen. Mit der Zulassung sähe es weit schwieriger aus: Mit einem senkrechten Schlepp bekommen wir die Situation, dass der Multikopter menschtragend wird und damit Geräte und Zulassung richtig teuer werden. Daher erscheint der horizontale Schlepp sinnvoller, bei dem GS oder HG unabhängig davon fliegen, ob Seilzug da ist oder nicht.

Zulassungsmöglichkeit

Als Referenzen stehen dann der Windenschlepp und der Drachen UL–Schlepp zur Verfügung. Multikopter können autonom fliegen oder per Fernsteuerung dirigiert werden (Modellflugzeug). Letzteres kann trotzdem hoch automatisiert geschehen: Es geht um den Modellpiloten, der den Flug im direkten Sichtkontakt beaufsichtigt und nötigenfalls eingreift.
Die direkte Steuerung kann sehr einfach eingestellt sein, auf den Piloten zu oder von ihm weg, nach links oder rechts, hoch/runter. Eine Modellflugzeug-Zulassung nach deutschem Recht ist recht einfach, soweit es unter 25 kg bleibt. Man braucht z.B. Haftpflichtversicherung, Aufstiegserlaubnis, Eigentümerplakette und einen Kenntnisnachweis, der leicht zu erwerben ist. Es geht im unkontrollierten Luftraum G, der außerhalb von Flughafenbereichen bis 762 m über Grund reicht.
Die erste Aufgabenstellung wäre somit, auf dem Fluggelände eine gleichzeitige Zulassung von Fußstartern und einem Elektroflugmodell zu bekommen.
Oder eine kleine Gruppe thermikerfahrener HG/GS Piloten versucht, auf einem bestehenden Modellflugplatz mit genehmigt zu werden.
Dabei kommen uns 4 Dinge zugute:
1. Der Multikopter kann immer auf der gleichen, automatisch gesteuerten Bahn schleppen und zurückkehren (je nach Windrichtung natürlich verschiedene Programme).
Der Flugverlauf wird damit für alle vorhersehbar und es können Flugbereichsregelungen getroffen werden. Besonders schön dabei: Der Kopter kann mit dem Wind oder senkrecht einlanden (Abb. 1).

2. Nach dem Ausklinken kann die Geschwindigkeit z.B. auf 20km/h reduziert werden, so dass dem Schleppgerät ähnlich leicht ausgewichen werden kann wie einem Heißluftballon. Auf eine gute Sichtbarkeit ist dabei aber zu achten.
3. Die Schleppleine braucht nicht durch ein Rollensystem zu laufen und kann daher gut mit Wimpeln markiert werden.
4. Der Modellpilot kann eingreifen, wenn es trotzdem kritisch werden sollte.

Ein Schlepp ohne den Modellflugpiloten wäre von den Zulassungsvoraussetzungen her wesentlich schwieriger. Heute benötigen wir für jeden autonomen Aufstieg eines MK >5kg eine Einzelgenehmigung. Es zeichnet sich eine gesetzliche Lösung ab, zukünftig Flüge bis 150 m über Grund vereinfacht zu genehmigen. Für einen Schlepp in den Flachland-Hangaufwind würde das ausreichen, mit zusätzlicher Schleppseilneigung lassen sich 50 oder 100 Höhenmeter mehr erzielen. Auch für den Thermikeinstieg kann das genügen, wenn mit 150/200 m Höhe so lange weitergeschleppt wird, bis die Thermik gefunden ist.
Ein rein autonomer Schlepp ist nicht machbar: Wir brauchen die Startkommandos, auch ein Klinken auf der MK Seite über eine Art Notfallknopf und Richtungsänderungen seitens des geschleppten Piloten, wozu entsprechend geeignete Bedienelemente zu schaffen wären.
Es bliebe also nur noch der Rückflug nach dem Schlepp autonom.
Insgesamt wären für einen Alleinstart mit MK also noch sehr viele Hürden zu nehmen.

Horizontalschlepp mit Modellflugpiloten als am leichtesten umzusetzende Variante
In den weiteren Überlegungen gehen wir davon aus, dass der Schlepp von einem entsprechend geschulten Windenfahrer durchgeführt wird, der auch die passende Modellflugberechtigung hat. Hierbei werden dann per Fernsteuerung hauptsächlich automatische Programme umgeschaltet: analog zum Windenschlepp mit dem „Fertig“-Knopf der Modus für die Aufzieh-Zugkraft und mit dem „Start“-Knopf das eigentliche Schlepp-Programm mit einer passenden Rampe für die Krafterhöhung. Der Modellpilot kann sich voll auf die Beobachtung des Luftraums und des geschleppten Fliegers konzentrieren.
Bei genauerer Betrachtung der Schleppvideos von Skifahrern u. a. (multikopter.de unter Anwendungen/Sport+Action) fällt auf, dass die Multikopter sich nicht stark neigen. Das Schleppen hat dort immer einen stark nach oben gerichteten Zugvektor, es ist also eine Kombination von Heben und Ziehen. Würde man so ein Luftsportgerät schleppen, gäbe es wegen der Gewichtserleichterung eine deutlich reduzierte Geschwindigkeit. Schön für ein schnelles Abheben, aber sehr gefährlich bei plötzlichem Schleppkraftverlust in Bodennähe mangels ausreichender Fahrt. Wir benötigen also einen Schlepp, bei dem das Seil waagerecht ist, oder nach der Startphase mäßig nach unten geneigt, also recht vergleichbar mit dem UL-Schlepp.
Zusätzlich wünschen wir eine genaue Nachregelung der Zugkraft, wie wir sie von der Winde her kennen und eine Höhennachregelung des Schleppgeräts, damit es sich automatisch immer in passender Höhe vor dem GS/HG positioniert.

Nickachsenregelung

Die gängigen Multikopter-Steuerungen lassen einen maximalen Nickwinkel von 45° zu, was für unsere Zwecke zu wenig ist. Entwicklungsziel sollte also sein, für maximalen Zug den Neigungsbereich bis 90° zu erweitern. Wie bekommen wir die Propellerachse beim Schlepp waagerecht?
Zusätzlich zur Gewichtskraft ist nun der Seilzug zu berücksichtigen, sowohl die Größe als auch der räumliche Winkel.

(Abb. 2)

Vorschlag: Den Seilzug nicht als äußere Störgröße zu betrachten, sondern den Seilzugvektor mit dem Gewichtskraftvektor aufzusummieren und diesen Gesamtvektor Res anstatt der Gewichtskraft G in die entsprechenden Regelalgorithmen einzusetzen. Heraus kommt ein System, bei dem der Multikopter eine stabile Lage einnimmt mit Propellerachse senkrecht zum Gesamtvektor. Zur Bestimmung des Seilkraftvektors benötigen wir eine Messung von Seilwinkel und Zugkraft. Der Winkel kann mit einem Stück kardanisch angehängter Schleppstange und einem aufgesetzten Gyro recht einfach bestimmt werden. Die Kraft lässt sich mit einer Wägezelle messen, soweit diese keine Zeitabschaltung hat. Oder ganz antiquiert mit einer Feder und Federwegmessung per Linear-Poti. An der Schleppstange ist auch noch eine elektrische Ausklinkvorrichtung anzubringen.

Höhen-und Zugkraftnachregelung

Regeln wir jetzt zusätzlich die Höhe passend nach dem Soll-Seilwinkel und die Seilkraft nach dem gewählten Sollwert, haben wir das gewünschte Resultat für einen Geradeaus-Schlepp.
Wir benötigen dafür eine Lagenachregelung, die der starken Neigung der Propellerachse Rechnung trägt:
Die Höhe wird im Schlepp mit der Nickachse nachgeregelt und nicht mehr mit der Propeller-Drehzahl, die Zugkraft dagegen über die Drehzahl. Bei Neigungen im Übergangsbereich muss passend gemischt werden. Es wird daher eine Bezugssystem-Umrechnung erforderlich, die vom Welt-Koordinatensystem ins MK- Bezugssystem umrechnet (falls das in den Regelalgorithmen nicht ohnehin schon so gemacht wird). Die Zugkraftnachregelung erfolgt über eine Bahnnachregelung in Schlepprichtung. Die benötigte Soll-Position kann mithilfe von Seillänge und -elastizität aus der Istkraft explizit berechnet werden. Ein langes elastisches Schleppseil wird den Seilzug zusätzlich ausgleichen, das hat sich bei UL-Schlepp und Abrollwinde bestens bewährt.

Kurvenflug und Ausklinkerkennung

Zusätzlich brauchen wir einen Regel-Algorithmus für den Kurvenflug. Die Bahnnachregelung kann über eine vorgewählte Bahn erfolgen oder nach Steuerung des Modellpiloten. Dabei sollte die Bahnvorgabe nicht mehr als z.B. 25° von der Längsachse des Schleppseils abweichen, um einen genügend großen Kurvenradius zu bekommen. Auch benötigen wir eine sichere Erkennung, ob der Pilot geklinkt hat:
Hier kann ein sehr schneller Zugkraftabfall benutzt werden und zusätzlich eine Zeitüberschreitung, nachdem die Zugkraft langsam auf zu kleine Werte zurückgegangen ist und nicht wiederkommt (Klinken bei längerem Seildurchhang).

Programmierung und Bau

Es ist also eine Menge zu programmieren. Auch die Mehrfachabsicherung zur Ausfallsicherheit mit entsprechenden Strategien wird einige Ressourcen binden. Für fertig programmierte Schlepp-Multikopter „von der Stange“ sehe ich nur geringe Chancen, da die Kosten für gewerbliche Programmierung, Erprobung und Gewährleistung zu hoch liegen werden.
Die Pixhawk-Plattform ist in Open Source geschrieben und könnte z.B. von einer Entwicklungsgemeinschaft zukünftiger Schleppaspiranten entsprechend selber programmiert werden. Besondere Chancen sehe ich darin, Freaks für die Sache zu begeistern, die sonst ihren Speed- MK mit 200 km/h automatisch durch Tore in Handballergröße jagen lassen. Darunter gibt es vielleicht welche, die unsere Programmierung „aus dem Ärmel schütteln“.
Die Programmierung lässt sich gut in verschiedene Einzelaufgaben unterteilen.
Viele Programmbausteine, die wir brauchen, sind als Software schon vorhanden oder müssen nur etwas abgeändert werden.
Auf www.youtube.com/watch wird eindrucksvoll gezeigt, was heute möglich ist. In der Szene mit dem Netz gehen die 3 MKs auch kurzzeitig in den Modus „voller Seilzug“ mit waagerechter Propellerachse, wie wir es für den Schlepp brauchen.
wiki.roboticsapi.org/ISSE_Demo_Applications ist schon nah an einer Positions-Programmierung, die wir für einen angenehm nachgeregelten Schlepp benötigen.

Der mechanische Aufbau ist recht überschaubar, es sind hauptsächlich einige CFK- Verbindungselemente, Halterungen, Ausklinkvorrichtung usw. zu bauen.

Sicherheit

Bei der Zulassung als Modellflugplatz mit E-Flugmodell bis 25 kg greifen bewährte Sicherungsmaßnahmen, was den Umgang mit offen laufenden Propellern, Zuschauern und Überfliegen von Menschen angeht. Auf die Kollisionsverhinderung mit dem geschleppten und den anderen Fliegern ist ganz besonders zu achten. Ein umlaufend gespanntes Schutzseil ließe sich mit etwas Mehrgewicht und stärkerem Anstieg des Luftwiderstands machen.
Zeitgemäßer ist eine Kollisionsverhinderung, wie oben schon beschrieben.
Wenn zusätzlich beim Zurückflug nach dem Schlepp die Airspeed auf 30 km/h begrenzt wird, ist ein Zusammenstoß durch Annäherung des MK von hinten her ausgeschlossen. Schwieriger ist starkes Sinken nach dem Schlepp: Schließlich wollen wir ja nicht unnötig lange damit unterwegs sein. Hier ist der Modellpilot gefragt, oder eine kegelförmige Hinderniserkennung nach unten, damit der Kopter entsprechend ausweicht. Ein Oktokopter kann gegen Ausfall eines Antriebsstrangs sicher ausgelegt werden, wir verlieren nur etwas Leistung. Der Hexakopter verliert die Gierkontrolle, welche über unterschiedliche Beaufschlagung der li/re Antriebe erfolgt.
Telemetriedaten wie Seilzug, Akkuladung, Temperaturen und Stromstärken lassen sich auf den Fernsteuersender spielen, auch mit Sprachausgabe.
Für den Kollisionsschutz des geschleppten Piloten ist die Schleppleinenlänge entscheidend:
Geht man von einem unwahrscheinlichen Vollausfall der Steuerung mit einer beliebigen Flugrichtung des Kopters aus (Annahme: 1:10.000), ergibt sich mit 100m Seil eine 1:1000 Chance des Zusammenstoßes ohne Gegenreaktion, mit Ausweichmanöver des Piloten (1:5) und ggfs. Rettungsgerätbenutzung (1:5 für fatale Folgen) kommen wir auf 1:250.000.000 pro Schlepp für einen schweren Kollisionsunfall, was mir persönlich niedrig genug erscheint (die kursiv gedruckten Wahrscheinlichkeiten sind sehr grobe Schätzungen; es geht mir darum, den wichtigen Einfluss der Seillänge zu zeigen).

Kritischer Punkt: Es ist unbedingt abzusichern, dass das Schleppseil nicht in die Propeller gerät. Nach dem Ausklinken ist daher das Tempo so lange beizubehalten, bis das Seil nach unten hängt.

Fernsteuerung: Hier wird viel Ausfallsicherheit geboten, Schwierigkeiten machen jedoch die vielen anderen WLAN Nutzer. Eine zweite Verbindung mit der nur noch wenig benutzten 35 Mhz Modellflug-Frequenz kann hier Sinn machen. Bei Ausfall des Steuersignals wird auf einen noch zu definierenden autonomen Modus umgeschaltet, so dass kurze Störungen kaum Sicherheitseinbußen bewirken.

Ein übergroßer Seilzug ist durch das geringe Gewicht und die begrenzte Leistung technisch kaum möglich. Die Sollbruchstelle kann schwach ausgelegt werden.

Besondere Chancen bietet eine Steuerung, die auch mit einem Bewegungs-Signal des Piloten per WLAN kommuniziert (FANET o.ä.): Damit kann eine Lockout-Erkennung programmiert werden mit automatischem Klinken. Präventiv kann bei stärkeren Richtungsabweichungen schon frühzeitig der Zug reduziert werden.
Um den Geschleppten herum wie auch um andere Piloten mit diesem Gerät kann ein virtueller Bannkreis gezogen werden, der den MK fernhält (oder notfalls solange abstellt, bis er im freien Fall wieder draußen ist).

Geräuschemission

Wir haben kein Limit der Propellerfläche, jedoch beim Gewicht. Die gängigen Schwerlastpropeller sehen ziemlich optimiert aus, es werden sehr breite Zweiblattpropeller verwendet mit niedrigen Blattspitzengeschwindigkeiten. Da sie aufs Schweben ausgelegt sind, haben diese Propeller für unsere Zwecke jedoch eine zu kleine Steigung. Konkrete maximale Emissionen für Elektro-Flugmodelle gibt es nicht bei uns, für die Zulassung neuer Gelände in Landschaftsschutzgebieten wird der Schallpegel aber sehr wichtig sein.

Auslegungsvorschlag

Oktokopter mit niedrigem Geräuschniveau siehe Abb. 3 bis 6.

(Abb. 3)

 

 

 

(Abb. 4)

 

(Abb. 5)

 

 

(Abb. 6)

 

Die emissionsrelevante Blattspitzengeschwindigkeit für GS orientiert sich am E-Lift, beim HG wird mit gleichem Propeller die Drehzahl etwas gesteigert. Berechnung theoretisch nach Prospektangaben, ohne Gewähr! In der Praxis werden wir sicherlich Abstriche machen müssen, die mit besonders optimierten, jedoch teuren Propellern vielleicht wieder kompensiert werden können.
Luftschraube: 3-Blatt Elektro-Holzpropeller, vom schmaleren Blatt her erst einmal ein Einstiegs-Kompromiss in Richtung Serienverfügbarkeit und Kosten. Der Propellerwirkungsgrad ist mit dem Programm PropCalk abgeschätzt, ohne genaueren Abgleich mit dem gewählten Propeller.
Akku: 8 einzelne LiPo Packs nah an den 8 Reglern, so dass sich 8 unabhängige Antriebsstränge ergeben (Ausfallsicherheit) und die Akkus ein handliches Format bekommen.
LiPos mit hoher Entladerate sorgen für geringen Spannungsabfall und eine schnellere Ladefähigkeit. Sie stellen bezüglich Lebensdauer einen Kompromiss dar und sollen zur Schonung max. 80% entladen werden. Wahrscheinlich sind dann 100 oder 200 solcher Zyklen drin. Neuste LiFePo Akkus stehen von den Leistungsdaten auch schon recht gut da, für den Schlepp an einen Hang sind sie auch schon geeignet, bei höherer Lebensdauer und ohne das sehr problematisch geförderte Kobalt.
Größe: Motorenabstände 2,05x2,05 m, Prop.-ø0,76 m. Für Transport schnell in 4 Teile zerlegbar.
Die Kosten sind reine Beschaffungskosten der Komponenten mit Bau in Eigenleistung und damit als ein absolutes Minimum zu sehen, unter dem nichts geht. Es kommt sicherlich noch ein großer Posten Unvorhergesehenes hinzu sowie die aufwändige Programmierung und Erprobung.

Erprobungsprogramm

Eine sorgfältig ausgearbeitetes Sicherheitskonzept zur Erprobung und Einführung ist gerade beim Schlepp unabdingbar.
Um gleich mit vollem Sicherheitsniveau zu starten, sollte als erstes mit Experten aller Teilbereiche eine Fehlermöglichkeit-und Einflussanalyse (FMEA) erstellt werden, die sich seit der Mondlandung bei neuen Prozessen sehr gut bewährt hat. Dabei gilt es, das Produkt aus Fehlerauswirkung, Auftretens- und Enddeckungswahrscheinlichkeit zu minimieren. Das modifizierte Regelungsprogramm sollte vorab per Simulation getestet werden oder in sicherer Höhe per „Mode“- Umschaltung oder mit einem kleinen MK. Für mobile Schleppwinden gibt es die Gütesiegelerprobung, da kann vermutlich vieles übernommen werden.
Da wir ohnehin eine telemetrische Seilzugmessung an Bord haben, kann die Erprobung sehr gut mit geschleppten Fallschirmen passender Größen erfolgen, und das in sicherer Höhe.
Bei ganz groben Fehlern kommt der Kopter dann außerdem schonend runter.
Wenn alles perfekt läuft, kann der erste Schlepp mit HG bei ruhigem Wetter vorgenommen werden. Das Seilzug-Regelverhalten bei schnellen Geschwindigkeitsänderungen kann dann einfach getestet werden.
Bei den GS-Erprobungen ist ganz besonders ein mögliches Aufschwingen der Pendelbewegung im Auge zu behalten. Hierzu ist unbedingt die Eigenfrequenz der Zugkraft-Nachregelung von der Pendelfrequenz des GS zu entkoppeln, z.B. durch Abstimmung der Seilelastizität. Als Schlepppiloten benötigen wir idealerweise einen Windenfahrer, der auch Modellflieger ist.

Ausblick

Idealerweise ergibt sich eine „3D-Elektrowinde“ mit sehr guter Regulierung der Zugkraft und ohne das Höhen- und Geschwindigkeitsausgleichsproblem des UL-Schlepps. Langes Warten wegen Rückenwind am Start wird es damit kaum geben: Die Zugmaschine fliegt einen 180°-Halbkreis und es kann losgehen. Die Kosten pro Schlepp werden etwa mittig zwischen UL- und Windenschlepp liegen, hauptsächlich für Amortisation und Akkuverbrauch.
Es tun sich völlig neue Möglichkeiten bei der Geländesuche auf (Abb. 7).

Ein kostengünstiger 100 m langer Streifen mit freiem An-und Abflughorizont kann bereits genügen. Neue Hänge ohne Bergstartmöglichkeit können beflogen werden und Schleppgelände nach Thermikqualität und Nähe statt nach Geländelänge, Hindernissen und Ebenheit gewählt werden. Wer bei uns schon mal nach Windenschleppgeländen gesucht hat weiß, was das bedeutet. Gut für kleine Gruppen, die lange Anfahrten meiden möchten oder strategisch ideale Startplätze erschließen wollen.
Bei den Drachen wird der Schlepp viel einfacher als der UL-Schlepp, allerdings wie beim Windenschlepp mit Lockout-Gefahr: Bei niedriger Geschwindigkeit greift der Zug viel weiter hinten an. Hier muss den Schülern eingebläut werden, bei kritischen Abweichungen sofort kräftig zu ziehen, um den Zugpunkt nach vorne zu bekommen. Mit den vorgeschlagenen Mitteln gibt es aber auch hierzu die Möglichkeit der automatischen Absicherung.
An unserem Hausberg Porta Westfalica mühen wir uns seit 5 Jahren, bislang noch erfolglos, um eine GS-Zulassung für den Bergstart. Hier haben wir mit dem Multikopter hoffentlich bald ein weiteres Eisen im Feuer.