Multidisziplinäre Simulation zur Bewertung und systemtechnischen Optimierung solarelektrischer Höhenflugzeuge

Abstract

Dauerhaft flugfähige solarelektrische Höhenflugzeuge stellen eine kostengünstige und umweltverträgliche Alternative zu Low-Earth-Orbit-Satelliten dar. Die für den kontinuierlichen Flug erforderliche Energie wird dabei ausschließlich von der Sonne bereitgestellt, durch Photovoltaikzellen in elektrische Energie umgewandelt und für die Nacht in wiederaufladbaren Batterien gespeichert. Verschiedene internationale Entwicklungsaktivitäten, wie beispielsweise der Airbus Zephyr oder der AeroVironment Sunglider, verfolgen das Ziel, derartige Plattformen zu entwickeln und zu vermarkten. Obwohl über mehrere Jahrzehnte hinweg kontinuierliche Fortschritte erzielt wurden, hat bisher kein Projekt die Marktreife erreicht. Die technischen Herausforderungen sind nach wie vor erheblich, insbesondere die Realisierung des notwendigen Leichtbaus in Einklang mit der Zuverlässigkeit der Systeme. Zur Technologieentwicklung für diese Flugzeuge sowie als Forschungsplattform für Sensorsysteme, die von den Flugzeugen getragen werden, wird am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) ein solarelektrisches Höhenflugzeug mit der Bezeichnung High Altitude Platform, Version alpha (HAP-alpha) entwickelt. Das Flugzeug besitzt eine Spannweite von 27m sowie eine Masse von 138kg. Zur Bewertung der Missionsfähigkeit dieses sowie verwandter solarelektrischer Höhenflugzeuge wurde im Rahmen dieser Arbeit eine modulare Simulationsumgebung entwickelt. Sie umfasst ein leistungsfähiges spektrales Sonnenmodell, ein weltweites orts- und zeitabhängiges Atmosphären- und Windmodell sowie das Flugzeug mit einem detaillierten, verteilten Modell des Antriebsstrangs. Die Modellierung des Antriebsstrangs berücksichtigt sämtliche im Flügel verteilten Einzelkomponenten, wie bspw. Batterien und Solarpaneele, sowie deren Zusammenschaltung innerhalb eines elektrischen Netzwerks. Zur Lösung dieses Netzwerks und zur Ermittlung der Spannungen und Ströme der Komponenten wurde ein geeigneter Lösungsalgorithmus entwickelt. Darüber hinaus wurde eine thermische Modellierung der Solarpaneele und Batterien vorgenommen, einschließlich ihrer Wechselwirkungen mit den Strukturkomponenten in der Nähe ihres Einbauorts. Das Ergebnis ist eine objektorientiert entwickelte, modulare Simulationsumgebung, die alle relevanten Einflüsse integriert und für die Analyse solarelektrischer Höhenflugzeuge genutzt werden kann. Diese Umgebung wurde verwendet, um die Missionsfähigkeit des Forschungsflugzeugs HAP-alpha zu demonstrieren sowie, basierend auf einem angepassten Entwurf, einen langandauernden Flug zu simulieren. Das Modellierungskonzept des elektrischen Energiesystems ermöglicht dabei die Untersuchung detaillierter systemtechnischer Fragestellungen. Exemplarisch wurde die Frage nach dem Nutzen sogenannter Maximum Power Point Tracker (MPPT) als Impedanzwandler zur Optimierung der Energieausbeute der Solarpaneele untersucht. Für das Forschungsflugzeug HAP-alpha, das auf eine Einsatzhöhe von 20.000 m aufsteigen, dort etwa zwei Stunden verweilen und anschließend zur Ausgangshöhe zurückkehren und landen soll, konnte der Nutzen von MPPT klar aufgezeigt werden. Für langandauernde Höhenflüge zeigte sich hingegen, dass die Leistungssteigerung durch den Einsatz von MPPT bei entsprechender Auslegung des Flugzeugs marginal sein kann. Anhand eines auf HAP-alpha basierenden und für langandauernde Flüge modifizierten Flugzeuges wird gezeigt, dass dort auf MPPT verzichtet werden kann. Die Weichen dafür werden früh im Flugzeugentwurf gestellt, da für ein optimales Zusammenwirken der Komponenten im Antriebsstrang unter Verzicht auf MPPT eine sehr gute Abstimmung der Betriebsspannung der Batterien sowie der Solarpaneele unter Berücksichtigung deren Temperatur erfolgen muss. Die Ergebnisse dieser Arbeit sowie die entwickelte Simulationsumgebung können dabei als Entscheidungshilfe und Analysetool bei der Systementwicklung solarelektrischer Höhenflugzeuge dienen.