Automatische Regelung des Formationsflugs im Aufwindfeld eines vorausfliegenden Flugzeugs

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Robert Luckner
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Verkehrs- und Transportsysteme, Intelligenter und automatisierter Verkehr
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 210166512

Der Luftverkehr muss seine Emissionen in Zukunft deutlich reduzieren. Die Möglichkeit im Formationsflug wie Zugvögel Leistung einzusparen ist seit langem bekannt, aber noch ungenutzt. Flugzeuge könnten mit dieser Technik 15-20% Treibstoff sparen. Dabei wird das Aufwindfeld eines vorausfliegenden Flugzeugs genutzt, um den Treibstoffverbrauch zu reduzieren. Treibstoffeinsparungen von 8-15% wurden in Flugversuchen mit verschiedenen Flugzeugtypen nachgewiesen und im Juli 2013 mit Boeing C-17 Transportflugzeugen über lange Strecken erfolgreich demonstriert. Diese Flüge wurden manuell oder mit experimentellen und relativ einfachen Positionsreglern durchgeführt. Die 1. Projektphase hat gezeigt, dass der enge Formationsflug auch mit Verkehrsflugzeugen möglich ist - bei Einsparungen von mehr als 10% für das nachfolgende Flugzeug. Das vorgeschlagene Verfahren für den Einflug und das Halten der Formation im automatischen Betrieb wurde von erfahrenen Linienpiloten als praktikabel bestätigt, die Reglerstruktur und die zugehörige Auslegungsmethode liegt vor, der Regler sucht die optimale Position im Aufwindfeld und ist robust gegenüber Variationen der Wirbelachse. Er ist im Flugsimulator demonstrierbar. Die Untersuchungen beschränkten sich bisher auf Formationen zweier gleichartiger Flugzeuge (homogene Formation), den stationären, geradlinigen Horizontalflug und den Flug ohne Fehlfunktionen. Auf Grundlage aller bisherigen Erkenntnisse ist also davon auszugehen, daß der Formationsflug im operationellen Linienbetrieb grundsätzlich anwendbar ist (Hypothese H1). Der zu erwartende Nutzen wird den erforderlichen Aufwand zur Entwicklung notwendiger Systeme und Verfahren rechtfertigen (H2). Was noch fehlt, ist eine breite Akzeptanz durch Flugzeugbetreiber und Piloten. Sie kann aber nur dann erreicht werden, wenn der Formationsflug nicht nur wirtschaftlich sondern auch sicher und zuverlässig möglich ist. Das erfordert ein gegenüber Parameteränderungen robustes Formationsflug-Regelungssystem inklusive Sensorik und Anzeigen sowie alle notwendigen Flugverfahren für den Normalbetrieb und den Fehlerfall (H3). Das Ziel der 2. Projektphase ist deshalb, auf Grundlage dieser drei Arbeitshypothesen zu klären, wie und unter welchen Bedingungen der automatische Formationsflug - auch von heterogenen Formationen - so sicher, effizient und komfortabel durchgeführt werden kann, dass er im Linienbetrieb anwendbar ist. Dies soll in fünf Schritten geschehen: 1) Verfahren definieren, 2) Anforderungen aufstellen, 3) Sensorik- und Anzeigekonzept erarbeiten, 4) Regler entwerfen und 5) alles im Flugsimulator bewerten. Für die Untersuchungen ist mit dem im Vorhaben erweiterten Flugsimulator SEPHIR ein bestens geeignetes Werkzeug vorhanden. Als Ergebnis soll für den Formationsflug ein in sich schlüssiges Betriebsverfahren im Normal- und Fehlerfall vorliegen und ein robustes Konzept für das Regelungssystem existieren. Auf dieser Grundlage kann eine Integration in zukünftige Flugzeuge erfolgen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen