Lösch­flug­zeug IN­FER­NO auf Platz 1 der DLR De­sign Chal­len­ge

INFERNO vom Siegerteam der Universität Stuttgart
INFERNO vom Siegerteam der Universität Stuttgart (© Universität Stuttgart/INFERNO)
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Mit dem ersten Platz prämierte die Jury des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) bei der diesjährigen DLR Design Challenge das Konzept INFERNO der Universität Stuttgart. Es folgten die TU Dresden mit PEL-E-FAN-T auf Platz zwei und die RWTH Aachen mit FireWasp auf Platz drei. Aufgrund des Klimawandels nimmt das Risiko für Waldbrände aktuell auf der ganzen Welt zu. Die Aufgabe der DLR Design Challenge 2022 greift dieses Thema auf und erfordert einen ganzheitlichen Ansatz. Ein systemischer Entwurf mit optimalem Zusammenwirken einer Flotte von Löschflugzeugen sowohl untereinander als auch mit Einheiten am Boden soll die transportierte Wassermenge innerhalb von 24 Stunden zum Brandgebiet maximieren. Sechs Studierendenteams präsentierten Anfang August 2022 beim finalen Symposium des Wettbewerbs ihre Entwürfe. Gastgeber der Abschlussveranstaltung für die Teams war das austragende DLR-Institut für Systemarchitekturen in der Luftfahrt in Hamburg.

„Die aktuellen Medienberichte über den Klimawandel und den damit verstärkt auftretenden Waldbränden führen uns vor Augen, wie wichtig es ist, zu handeln“, sagt Dr. Markus Fischer, DLR-Bereichsvorstand Luftfahrt und Juryvorsitzender der DLR Design Challenge. „Die Studierenden im Wettbewerb haben durch ihr Engagement beachtliche Impulse gesetzt, wie eine hochwirksame Waldbrandbekämpfung aussehen könnte. Gewinner sind dabei alle Teilnehmenden, die die Erfahrung mitnehmen, sich im Team einem Wettbewerb zu stellen und gemeinsam die persönliche Leistung zu erbringen.“

Dr. Björn Nagel, Direktor des DLR-Instituts für Systemarchitekturen in der Luftfahrt betont, wie positiv die Jury die Zusammenarbeit in den Teams wahrgenommen hat: „Trotz der erschwerten Umstände der Corona-Pandemie haben die Studierenden äußerst gelungene Konzepte präsentiert. Hierdurch konnten wir auch die Kooperation mit den Universitäten vertiefen und Entwürfe, Ideen, Inspiration austauschen.“

Löschluftfahrzeug- und Flottenentwurf

Die Aufgabenstellung war, eine Flotte von Luftfahrzeugen für die Indienststellung bis zum Jahr 2030 zu konzipieren, die zusammen mindestens 11.000 Liter Wasser in einem einzigen Löschangriff an einen Brandort liefern kann. Die Anzahl der Flugzeuge und deren jeweilige Nutzlast blieb den Teams überlassen und sollte Teil des Betriebskonzepts sein. Die Vehikel müssen Wasser aus nahen Wasserquellen wie Seen, Flüssen oder Meeren aufnehmen können und dabei kleine oder von Bäumen umgebene Gewässer zu erreichen. Dies erfordert sehr kurze Start- und Landefähigkeiten. Jedes Luftfahrzeug muss entweder von einer Person an Bord, vom Boden aus oder gar hochautomatisiert gesteuert werden können und sowohl nachts als auch bei schlechten Sichtverhältnissen starten, landen und Wasser aufnehmen können. Das Ziel war es, die innerhalb von 24 Stunden zum Brandort transportierte Wassermenge zu maximieren. Die einzelnen Flugzeuge sollten so aufgebaut sein, dass sie auch als Passagier- oder Frachttransportvariante produziert werden können. Außerdem sollten neben der Waldbrandbekämpfung auch weitere Verwendungszwecke für die Löschflugzeuge betrachtet werden.

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Die jährliche Design Challenge findet nun bereits zum sechsten Mal in Folge statt. Aufgrund der Einschränkungen durch die Corona-Pandemie fanden sowohl die Auftaktveranstaltung als auch viele Entwurfsarbeiten der Teams zu einem großen Teil online statt. Die Abschlussveranstaltung konnte als hybride Veranstaltung am DLR-Standort Hamburg im ZAL Tech Center durchgeführt werden. Im Nachklang der DLR Design Challenge 2022 werden die drei erstplatzierten Teams ihre Konzepte auf dem Deutschen Luft- und Raumfahrtkongress (DLRK 2022) in Dresden präsentieren. Darüber hinaus wird das Siegerteam seinen Entwurf auf dem Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences (ICAS 2022) in Stockholm vorstellen sowie in einem DLR-Workshop zur luftgestützten Waldbrandbekämpfung weiter vertiefen.

Insgesamt haben 33 Studierende verteilt auf sechs Teams aus fünf Hochschulen erfolgreich an der DLR Design Challenge 2022 teilgenommen. Dabei hat zum ersten Mal aufgrund der digitalen Zusammenarbeit ein interuniversitäres Team bestehend aus Studierenden zweier Hochschulen teilnehmen können. Die drei Erstplatzierten und die drei weiteren erfolgreichen Beiträge ohne Rangfolge im Einzelnen:

1. Platz: Universität Stuttgart mit INFERNO

INFERNO (kurz für INtelligent FirE RespoNse Operation) vom Siegerteam der Universität Stuttgart nutzt acht horizontale Rotoren um senkrecht starten und landen zu können und zwei Propeller für den Vorwärtsflug. Möglichgemacht wird dies durch das hybridelektrische Antriebskonzept das durch Sustainable Aviation Fuel (SAF) angetrieben wird. Das Team nutzt neben dem bekannten Scooping-Verfahrens, die Immersion-Methode, um Wasser von kleinen Gewässern aufzunehmen. Da INFERNO von einer Person an Bord gesteuert wird, hat das Team ein umfangreiches Cockpitdesign entwickelt, um auch bei schlechter Sicht und bei Nacht sicher fliegen zu können. INFERNO ist hoch modular entworfen, um auch Fracht oder Passagiere zu transportieren. Um die Löschaktivitäten noch effektiver zu machen, sieht das Betriebskonzept die Möglichkeit zur Luftbetankung vor.

Team: Ahmet Günay Can, Hannes Kahlo, Benjamin Knoblauch, Nicolas Mandry, Prishit Modi, Johannes Ritter

2. Platz: TU Dresden mit PEL-E-FAN-T

Das Konzept PEL-E-FAN-T (kurz für proPELlor driven turbo Electric hybrid Firefighting AutoNomous vTol) der TU Dresden ist eine unbemannte Drohne. Die hybridelektrische Antriebsarchitektur erlaubt Vertikal- und Horizontalflug. Die vier Vertikalen Propeller ermöglichen der Drohe senkrecht zu starten und zu landen. Dies befähigt PEL-E-FAN-T auch sehr kleine Wasserquellen für die Löschaktionen zu nutzen. Der Entwurf sieht vor, je nach Anwendung unterschiedliche Module unter dem Rumpf anzubringen. So werden im Flotteneinsatz zunächst zwei Drohnen mit einem Aufklärungsmodul ausgerüstet, um wichtige Informationen für den Löscheinsatz an die übrige Flotte weitergeben zu können. Durch Pumpen kann PEL-E-FAN-T Wasser an Bord nehmen. Des Weiteren sieht das Team Fracht- und Passagiermodule vor um die Nutzung auch außerhalb der Waldbrandsaison zu ermöglichen.

Team: Dominik Brunner, Hannes Jerzembek, Lennard Köhler, Paul Sanderbrand, Maximilian Wenk

3. Platz: RWTH Aachen mit FireWasp

Der Kombinationsflugschrauber FireWasp der RWTH Aachen vereint die positiven Eigenschaften von Hubschraubern und Flugzeugen. Rotoren sowie Tragflächen sorgen für einen effizienten Reiseflug bei gleichzeitig hohen Fluggeschwindigkeiten. Für den Antrieb wird eine konventionelle Gasturbine vorgesehen, die bis zur Indienststellung im Jahr 2030 vollständig mit SAF betrieben werden kann. FireWasp kann durch die gewählte Systemarchitektur sowohl effizient senkrecht starten und landen, was eine Wasseraufnahme aus sehr kleinen Quellen mittels Schnorchelpumpe ermöglicht. Die Flotte, bestehend aus einem Aufklärungsflugschrauber mit spezieller Ausrüstung und sechs weiteren Vehikeln mit Löschausrüstung, wird autonom betrieben und kann bei Bedarf von einer mobilen Bodenstation aus ferngesteuert werden. Durch die modulare Integration der Subsysteme kann FireWasp auch zum Frachttransport, zur Ausbringung von Pflanzenschutzmitteln, sowie zur luftgestützten Umweltbeobachtung genutzt werden.

Team: Mucahit Fatih Evliyaoglu, Selim Karakus, Dominik Kau, Robin Mörsch

Erfolgreicher Beitrag: TU Dresden und TU Braunschweig mit GLAROS

Die Flugzeugkonfiguration des interuniversitätren Teams der TU Dresden und TU Braunschweig ermöglicht hohe Effizienz im Reiseflug um größere Mengen Wasser aufzunehmen. Um die Nachteile gegenüber senkrecht startenden Vehikeln auszugleichen, nutzt GLAROS, griechisch für Möwe, den erhöhten Auftrieb aufgrund der verteilten Antriebe des turboelektrischen Systems um die Startstrecke zu minimieren. Zwei Batterien und ein Turbogenerator dienen als Energiequelle. Um die Klimawirkung zu reduzieren, kann SAF genutzt werden. Da GLAROS ein ferngesteuertes Luftfahrzeug ist, nutzt das Team Kommunikation per 4G/5G-Mobilfunknetzwerk und Satellit für eine zuverlässige Steuerung. GLAROS ist ein Flugboot und nutzt die bekannte Scooping-Technik, um Wasser aufnehmen, das in einem Container gesammelt wird.

Team: Alejandro Antonio Arjona Reyes, Alexander Bloi, Jannis Link, Benedikt Rings, Dominik Vogt, Philipp Wilkendorf

Erfolgreicher Beitrag: DHBW Ravensburg mit Dipper & AEGIS

Dipper ist ein hybrid-elektrisches Amphibienflugzeug, entworfen von einem der Teams der DHBW Ravensburg. Zur zusätzlichen Abwägung und Bestimmung der Flottenanforderungen dient ein Simulationsmodell. Verteilte elektrische Antriebe durch sechs gegenläufige Propeller entlang der Spannweite sowie zwei Propeller an den Flügelspitzen steigern die aerodynamischen Eigenschaften. Diese Konfiguration erlaubt kurze Strecken für Start, Landung und Scooping auf Wasserfreiflächen. Für die Umsetzung des systemischen Flotten-Einsatzes bei der Brandbekämpfung hat das Team die Software AEGIS (kurz für Aerial Extinguishing Grouped Intervention System) konzipiert. Die Luftfahrzeugflotte besteht aus sechs Vehikeln, die über AEGIS ferngesteuert, koordiniert und überwacht werden. Das Flugzeug kann zudem als Transport- oder Forschungsflugzeug in entlegenen und rauen Gebieten eingesetzt werden. Darüber hinaus ist auch eine Umrüstung für humanitäre Missionen nach Naturkatastrophen möglich.

Team: Brendan Berg, Paul Droste, Isabella Kullmer-Ispas, Magnus Schoder, Pascal Trapp, Florian Wolff

Erfolgreicher Beitrag: DHBW Ravensburg mit FireF(l)ighter

FireF(l)ighter vom weiteren Team der DHBW Ravensburg ist eine Kombination aus Hub- und Tragschrauber. Die Leistung sowohl für den Vertikalflug als Hubschrauber als auch für den Horizontalflug als Tragschrauber wird durch eine konventionelle Gasturbine bereitgestellt. Im Hubschraubermodus können sehr kleine und bewaldete Wasserquellen genutzt werden, um Löschwasser aufzunehmen. Über eine Saugvorrichtung wird der Wassertank im unteren Bereich des Rumps befüllt. Durch Verwendung von Löschzusätzen können Schaumteppiche bei der Unterdrückung von wieder aufflammenden Feuern in Abstimmung mit Feuerlöschtrupps am Boden unterstützen. Der Flottenbetrieb von insgesamt zehn Vehikeln wird durch mehrere Personen vom Boden aus gesteuert.

Team: Hannah Feiler, Hannes Loheide, Sabrina Schaible, Maren Traber, Frieder Völkle, Tristan Wiegner