Gezeigt werden technische Innovationen für effizienteFlugzeuge mit geringeren CO2- und Lärmemissionen bis hin zum elektrischen Fliegen sowie die DLR-Falcon 20E, das fliegende Labor für Umwelt- und Klimaforschung und Raumfahrtprojekte.
Mit aktuellen Projekten und Forschungsergebnissen präsentiert sich das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) bis 23. Juni 2019 auf der diesjährigen Paris Air Show. Am deutschen Gemeinschaftsstand in Halle 2C widmet sich das DLR besonders den Schwerpunkten Digitalisierung, Klimawandel und Erhalt der Mobilität.
Das globale Monitoring des dynamischen Systems Erde aus dem All steht mit der deutsch-französischen Satellitenmission MERLIN zur Beobachtung des Treibhausgases Methan im Fokus. Der mobile Astronauten-Assistent CIMON®, der geplante Demonstrator einer wiederverwendbaren Raketenstufe sowie die beiden DLR-Instrumentenbeiträge zur europäischen Merkur-Mission Bepi-Colombo runden den Messeauftritt im Bereich Raumfahrt ab.
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„Als die größte europäische Forschungseinrichtung für Luft- und Raumfahrt arbeitet das DLR an der wissenschaftlich-technologischen Basis für neue, innovative Produkte, die unter anderem dazu beitragen, unsere Mobilität auch in Zukunft zu erhalten“, erläutert Frau Prof. Pascale Ehrenfreund, Vorstandsvorsitzende des DLR. „Moderne Technologien wie die aus der Luft- und Raumfahrt sind aus unserer Gesellschaft nicht mehr wegzudenken. Es gilt, diese Technologien verantwortungsvoll im Interesse der Erhaltung der Umwelt zu gestalten und nachhaltig einzusetzen. Eine Aufgabe, der sich das DLR im Auftrag der Gesellschaft mit Nachdruck widmet.“
Der 53. Aerosalon Paris, als eine der größten Luftfahrtmessen der Welt, bietet auch die Plattform für neue Partnerschaften. Zuletzt waren Delegationen aus 98 Ländern vertreten. Begleitet wird die Messe zudem von einem B2B-Meeting-Programm, in dem der Wissens- und Erfahrungsaustausch in Kombination mit der Lösungssuche im Luft- und Raumfahrtsektor im Vordergrund steht. Im Rahmen der Paris Air Show 2019 sind verschiedene Kooperationsvereinbarungen des DLR mit ONERA, CNES, JAXA und NASA geplant. Das DLR präsentiert im Einzelnen auf dem diesjährigen Aerosalon in Paris insbesondere ausgewählte Themen aus der Luft- und Raumfahrt.
Regionalflugzeugkonzept mit Elektromotoren
Schadstofffrei, effizient, leise und sicher – in Anbetracht des steigenden Luftverkehrsaufkommens sind dies die primären Ziele der europäischen Luftfahrtforschung. Die Entwicklung elektrischer Antriebskonzepte spielt dabei eine entscheidende Rolle. Bei dem vorliegenden Konzept eines Regionalflugzeugs konnten durch die Anordnung vieler Antriebe entlang des Flügels eine Vergrößerung des Auftriebs sowie eine Erhöhung des Antriebswirkungsgrads erreicht werden.
Der vergrößerte Auftrieb lässt sich zur Verkleinerung der Tragflügelfläche und damit zur Reduktion von Gewicht und Luftwiderstand nutzen. Außerdem kann die Steuerung des Flugzeugs durch individuelle Ansteuerung der Antriebsmotoren teilweise übernommen werden, sodass die Leitwerke kleiner, damit ebenfalls leichter und widerstandsärmer entworfen werden können. Die elektrische Leistung kann durch Brennstoffzellen oder ein Hybridsystem mit Gasturbine bereitgestellt werden.
Multimodal Cockpit Simulator (MMCS)
Die Cockpit- und Umgebungsdarstellung des MMCS-Simulators basiert auf einer auf dem Kopf getragenen Virtual-Reality-Anzeige. Dadurch können die Forscher verschiedene existierende Helikoptertypen simulieren, aber auch eigens entwickelte Cockpitlayouts darstellen und neue Flugführungstechnologien testen.
Der Simulator ist mit einem virtuellen 3D-Audiosystem ausgestattet; dieses schafft eine realistische akustische Umgebung, um tiefer in die Simulation einzutauchen und zukünftige Audioassistenzsysteme für Piloten zu testen. Der Simulator wird – wie ein konventioneller Helikopter – mit Hilfe von drei Steuerelementen geflogen: Cyclic Stick, Kollektiv und Pedale. Es handelt sich dabei um aktive Steuerkraftkomponenten. Sie erzeugen durch eingebaute Motoren ein präzises Kraft-Feedback und vermitteln dem Piloten somit realistische Steuereindrücke.
Die zugrundeliegende Flugsimulation erfolgt entweder durch die kommerzielle Software X-Plane 11 oder durch DLR-eigene Helikopterflugmodelle inklusive neuartiger Flugregelungssysteme. Eine solche schnell konfigurierbare Testumgebung ist insbesondere in einer frühen Entwicklungsphase relevant, um verschiedene Konfigurationen ohne großen Zeitaufwand und trotzdem möglichst realitätsnah miteinander vergleichen zu können.
Flugzeuge dank Numerischer Simulation
Herausforderungen der Digitalisierung beschäftigen die Luftfahrtforscher schon seit vielen Jahren. Ihre Vision: Der gesamte Lebenszyklus eines Flugzeugs – vom ersten Entwurf, über Entwicklung, Zulassung und Wartung bis hin zur Außerbetriebnahme – soll digital im Rechner abgebildet werden. Dieses „virtuelle Produkt“ würde Kosten und Risiken enorm senken.
Doch ein Flugzeug und seine aerodynamischen Eigenschaften sind komplex. Um sich der Realität digital anzunähern, unterteilen Wissenschaftler bei ihren Berechnungen am Computer den Raum um ein Flugzeug herum in ein Netz aus sehr vielen Kontrollzellen. In jeder Zelle können dann physikalische Kräfte wie Druck, Dichte und Geschwindigkeit berechnet werden. Je kleiner die Zellgröße umso höher ist die Genauigkeit der Simulation. Daraus ergibt sich ein riesiges System von mathematischen Gleichungen für die zu berechnenden Strömungsgrößen.
Hochleistungsrechner ermöglichen es, Abermillionen von Rechenschritten pro Sekunde durchzuführen und ein solches Netz mit konsistenten Werten zu füllen. Aufwendige Simulationsrechnungen zu lösen und das Verhalten von Flugzeugen im Rechner zu simulieren, sind maßgebliche Schritte in der Luftfahrtforschung, um Treibstoffverbrauch sowie Schadstoff- und Lärmemissionen zu reduzieren und die Flugzeuge der Zukunft sicherer, umweltfreundlicher und wirtschaftlicher zu machen – bis hin zum Zero-Emission-Aircraft.
Falcon 20E: Fliegen für das Klima
Mit dem Ausbruch des isländischen Vulkans Eyjafjallajökull im April 2010 kam die Falcon 20E-5 des DLR zu ihrem bisher spektakulärsten Einsatz: Als „Volcano Ash Hunter“ flog sie in die Aschewolke über Deutschland, dem Vereinigten Königreich und Island. Dort untersuchte sie die Zusammensetzung und Konzentration der Vulkanpartikel, die den Linienflugverkehr zum Erliegen brachten. Wissenschaftler nutzen die Falcon, um vielfältige Fragen der Atmosphären- und Klimaforschung zu untersuchen.
Direkt an Bord vermessen sie Spurengase und Aerosole und sammeln Luftproben für spätere Laboranalysen. In den letzten Jahren war die Falcon eines der wichtigsten Großforschungsgeräte des DLR, um die Auswirkungen von Flugzeug-Emissionen auf die Atmosphäre zu erforschen. Ihre einzigartige Modifikation und Ausstattung machen die Falcon zu einer echten Mehrzweckplattform für Forschungsanwendungen, die den individuellen Bedürfnissen entsprechend angepasst werden kann.
Unbemannter Hubschrauber superARTIS
Seit 2012 betreibt das DLR den unbemannten Hubschrauber mit über 80 Kilogramm Gesamtmasse unter dem Namen superARTIS (Autonomous Rotorcraft Testbed for Intelligent Systems). Im Jahr 2015 wurden zwei neue Hubschrauber vom Typ SDO 50V2 der Firma SwissDrones Operating AG in Betrieb genommen. Mit Hilfe dieser Systeme werden – unterstützt durch eine aufwändige Simulationsumgebung – anspruchsvolle automatische Flugmissionen entwickelt und erprobt.
Im Fokus der Forschung stehen dabei die selbstständige Umwelterkennung, die Pfadplanung, Flugregelung auch für agile Manöver sowie Navigationsmethoden unter Berücksichtigung der Störanfälligkeit von Satellitennavigation. Durch eine hohe Nutzlastkapazität, Reichweite und Fluggeschwindigkeit ist superARTIS zu realitätsnahen Forschungseinsätzen in der Lage – beispielsweise über dem Meer, im Verband mit anderen Luftfahrzeugen oder als Träger von Multisensor-Systemen.
Deutsch-französische Klimamission MERLIN
Methan (CH4) ist nach Kohlendioxid (CO2) der zweitgrößte Beitrag zur vom Menschen verursachten Klimaerwärmung. Ein von den Vereinten Nationen eingesetztes Wissenschaftlergremium bescheinigte Methan ein rund 25-fach höheres Potenzial zur globalen Erwärmung als CO2. Um effektiven Klimaschutz betreiben zu können, ist es dringend notwendig, den Zyklus des Treibhausgases Methan besser zu verstehen. Die hochpräzise globale Vermessung des Methangehaltes in der Erdatmosphäre kann nur vom Weltraum aus erfolgen.
Besonders Schlüsselregionen wie tropische Feuchtgebiete, Regenwälder und Permafrost-Regionen sind ohne Satelliten nur schwer zugänglich. Der deutsch-französische Kleinsatellit MERLIN (Methane Remote Sensing LIDAR Mission) soll mit Hilfe eines LIDAR-Instruments (Light Detecting and Ranging) ab 2024 aus einer Höhe von rund 500 Kilometern Methan aufspüren und überwachen. Ziel der dreijährigen Mission des DLR und der französischen Raumfahrtagentur CNES ist unter anderem die Erstellung einer globalen Weltkarte der Methankonzentrationen.
Astronauten-Assistenzsystem mit künstlicher Intelligenz
CIMON® ist ein innovatives, weltweit einzigartiges Astronauten-Assistenzsystem, das in Deutschland entwickelt und gebaut wurde. Das fliegende und autonom agierende System ist mit künstlicher Intelligenz (KI) von IBM ausgestattet und wurde erstmalig von ESA-Astronaut Alexander Gerst auf seiner Mission horizons eingesetzt. CIMON® soll zeigen, dass die Mensch-Maschine-Interaktion die Arbeit eines Astronauten unterstützen und seine Effizienz steigern kann. Der fliegende Begleiter kann vielfältige Informationen sowie Anleitungen zu wissenschaftlichen Experimenten und Reparaturen abbilden und erklären.
So hat der Astronaut durch CIMON® per Sprachsteuerung Zugriff auf Dokumente und Medien und kann dabei mit seinen Händen frei arbeiten – ein großer Vorteil. Der Astronaut kann CIMON® außerdem als mobile Kamera für operationelle und wissenschaftliche Zwecke nutzen. Der fliegende Assistent kann Routineaufgaben erledigen, wie etwa die Dokumentation von Experimenten, Suche nach Objekten und Inventarisierung. CIMON® kann sehen, hören, verstehen und sprechen. Kameras und Software zur Gesichtserkennung, zur Orientierung und zur Videodokumentation dienen ihm als „Augen“.
Ultraschallsensoren messen Abstände, um Kollisionen zu vermeiden. Seine „Ohren“ sind mehrere Mikrofone zur Richtungserkennung und ein Richtmikrofon für eine gute Spracherkennung. CIMON® wurde als Auftrag des DLR Raumfahrtmanagements mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) an Airbus vergeben und für den Einsatz im europäischen Columbus-Modul auf der ISS entwickelt.
Wiederverwendbarkeit von Trägersystemen
CALLISTO (Cooperative Action Leading to Launcher Innovation in Stage Toss back Operations) ist ein wiederverwendbarer Demonstrator für eine vertikal startende und vertikal landende Raketenstufe (VTVL). Wiederverwendbarkeit bei Trägersystemen kann zur Reduzierung von Startkosten und zur Erhöhung der Vielseitigkeit beitragen. Das deutsch-französisch-japanische Projekt von DLR, CNES und JAXA zielt darauf ab, die Kenntnis über VTVL-Raketenstufen zu verbessern sowie Fähigkeiten und Technologien zu demonstrieren, die notwendig sind, um eine wiederverwendbare, vertikal startende und landende Raketenstufe zu entwickeln und zu vermarkten.
Das CALLISTO-Raumfahrzeug wird aus einer mit flüssigem Sauerstoff (LOx) und Wasserstoff (LH2) betriebenen Raketenstufe bestehen. Der Antrieb kann gedrosselt werden, um präzise und weiche Landungen zu erzielen. Mindestens fünf unterschiedliche Missionen sollen zukünftig mit demselben Raumfahrzeug vom europäischen Raumfahrt-Startplatz in Französisch-Guayana aus durchgeführt werden. Die Ergebnisse der Flugtests werden benutzt, um das Design eines zukünftigen wiederverwendbaren Raumtransportsystems zu optimieren.
Instrumente der Merkur-Mission BepiColombo
Das Laseraltimeter BELA und das abbildende thermische Infrarot-Spektrometer MERTIS sind am 20. Oktober 2018 an Bord der Mission BepiColombo zum Merkur gestartet. BepiColombo wird nach mehreren Vorbeiflügen an Erde, Venus und Mars 2025 die Umlaufbahn um Merkur erreichen. Die Mission ist ein Gemeinschaftsprojekt von ESA und JAXA und besteht aus einem Antriebsmodul und zwei Orbitern, dem Mercury Planetary Orbiter (MPO) und dem Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO). Insgesamt werden 16 Experimente mitgeführt, darunter das Laseraltimeter und das Infrarotspektrometer aus Deutschland.
Nach der Ankunft des MPO wird BELA mittels eines Lasers die Oberfläche des Planeten aus einer Entfernung von bis zu 1000 Kilometern vermessen. Pro Sekunde werden zehn Laserpulse mit einer Energie von 50 Millijoule und mit einer Wellenlänge von 1064 Nanometern in Richtung Merkur ausgesandt und nach einer Laufzeit von wenigen Millisekunden am Empfänger des Instruments detektiert. Aus der Laufzeit der Laserpulse erhalten die Wissenschaftler genaue Informationen über Form und Oberfläche des Merkur. Auf Basis dieser Daten ermitteln die Forscher das Höhenmodell und die Topografie des Planeten.
Das Infrarotspektrometer MERTIS wird auf dem MPO in der Umlaufbahn um Merkur die Oberfläche und indirekt auch das Innere des Planeten genau untersuchen. MERTIS vermisst den Planeten global im mittleren Infrarot mit einer räumlichen Auflösung von 500 Metern und identifiziert gesteinsbildende Mineralien auf der Oberfläche. Die Kenntnis der mineralogischen Zusammensetzung ist für die Forscher entscheidend, um die Entwicklung des sonnennächsten Planeten zu verstehen. Das integrierte Radiometer von MERTIS misst die Oberflächentemperatur des Planeten über die gesamte Temperaturspanne von etwa -190 bis +430 Grad Celsius.
Jagd auf Dunkle Energie mit eROSITA
Seit dem Urknall dehnt sich das Universum aus. Eigentlich sollte diese Expansion durch die Schwerkraft der Materie verlangsamt werden. Doch angetrieben durch die Dunkle Energie beschleunigt sich die Ausdehnung sogar. Dunkle Energie ist unsichtbar und macht sich nur auf riesigen Entfernungen bemerkbar. Wie kann man sie mit einem Röntgenteleskop erforschen? Der Schlüssel dazu sind Galaxienhaufen, Ansammlungen von bis zu mehreren Tausend Einzelgalaxien. Sie ziehen das sie umgebende Wasserstoffgas an. Dieser Prozess wird als Akkretion bezeichnet. Er produziert sehr hohe Temperaturen, die das Gas dazu anregen, Röntgenstrahlung auszusenden. So werden Galaxienhaufen für eROSITA (extended Roentgen Survey with an Imaging Telescope Array) sichtbar. eROSITA wird die räumliche Verteilung von etwa 100.000 Galaxienhaufen untersuchen.
Durch die Bestimmung der Verteilung von Galaxienhaufen im Raum können Astronomen Rückschlüsse auf die Struktur des Universums – heute und in der Vergangenheit – ziehen. Dies ist möglich, weil Licht, das aus großer Entfernung beim Betrachter ankommt, eine lange Zeit von der Quelle bis zur Erde unterwegs war. Fern der Erde soll das „siebenäugige“Teleskop als Hauptinstrument der deutsch-russischen Satellitenmission Spektrum-Röntgen-Gamma den Himmel ab Mitte 2019 systematisch nach Röntgenquellen abscannen. eROSITA wird unter der Federführung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching gebaut und durch das DLR Raumfahrtmanagement mit Mitteln des BMWi gefördert.
Projekte beim DLR auf der Paris Air Show in Bildern
Elektrisches Fliegen – emissionsfrei, mit neuem Look und leiser: Elektrischs Fliegen vereint mehrere Vorteile: Es ist lokal emissionsfrei, leiser und ermöglicht völlig neue Mobilitätsangebote.
Die ESA-Raumsonde BepiColombo am Merkur
Zahlreiche Beiträge beim European Planetary Science Congress 2018 vom 16. bis 21. September 2018 beschäftigen sich mit der Durchführung von Experimenten und den wissenschaftlichen Zielen der Mission BepiColombo, die am Morgen des 20. Oktober 2018 auf ihre siebenjährige Reise zum innersten und kleinsten Planeten des Sonnensystems aufbrechen wird. An Bord von BepiColombo befinden sich mit dem Spektrometer MERTIS und dem Laser-Höhenmesser BELA auch zwei am DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof entwickelte Instrumente.
Fotomontage von CIMON auf der ISS
Fotomontage von CIMON schwebend im Columbus Public Relation Modul am ESA European Astronaut Centre (EAC) in Köln-Porz (30. Januar 2018). CIMON ist ein fliegender und autonom handelnder Astronauten-Assistent. Ausgestattet mit Künstlicher Intelligenz unterstützt diese weltweit einzigartige Technologie-Demonstration die Arbeit von Astronauten auf der ISS während der Horizons-Mission von ESA-Astronaut Alexander Gerst im Sommer 2018.
Pilotenassistenzsystem: Die vom Assistenzsystem berechnete Flugbahn wird dem Piloten direkt im Sichtfeld seines Helmvisiers eingeblendet.
CALLISTO
CALLISTO steht für Cooperative Action Leading to Launcher Innovation in Stage Toss back Operations und ist ein wiederverwendbarer Demonstrator für eine vertikal startende und vertikal landende Raketenstufe (VTVL). Das deutsch-französisch-japanische Projekt von DLR, CNES und JAXA zielt darauf ab, die Kenntnis über VTVL-Raketenstufen zu verbessern.
Der unbemannte superARTIS (Autonomous Research Testbed for Intelligent Systems): Der unbemannte Forschungshubschrauber superARTIS ist mit einer umfangreichen Instrumentierung ausgestattet. Außerdem verfügt er über einen DLR-eigenen Flugsteuerungsrechner der das Verhalten der Drohne z.B. im Formationsflug regelt.
Künstlerische Darstellung MERLIN
Der deutsch-französische Klimasatellit MERLIN soll ab 2021 die globale Methan-Konzentration in der Atmosphäre messen. MERLIN baut auf dem neuen Satellitenbus „Myriade Evolutions“ auf, der von CNES zusammen mit der französischen Raumfahrtindustrie entwickelt wurde. Die Nutzlast des Satelliten – ein sogenanntes LIDAR-Instrument (LIght Detection And Ranging), das auch bei Nacht und durch dünne Wolken hindurch messen kann – wird im Auftrag des DLR Raumfahrtmanagements mit Mitteln des BMWi in Deutschland entwickelt und gebaut. Zum Methan-LIDAR gehört ein Laser, der Licht in zwei unterschiedlichen Wellenlängen aussenden kann und dadurch in der Lage ist, unabhängig vom Sonnenlicht äußerst präzise Messungen der Methankonzentration auf allen Breitengraden durchzuführen.
Die Falcon 20E der DLR-Forschungsflotte: Bisher benötigen die Piloten für das letzte Stück, den Präzisionsanflug, das Instrumentenlandesystem ILS. Mit Hilfe des am DLR mitentwickelten Verfahrens ARAIM (Advanced RAIM) wird es nach der Einführung von Galileo erstmals möglich sein, Anflüge bis zu einer Entscheidungshöhe von knapp 70 Metern über der Landebahnschwelle durchzuführen – ohne zusätzliche Stützsysteme.
Spiegelmodule von eROSITA: Die sieben parallel ausgerichteten identischen Spiegelmodule des Weltraumteleskops eROSITA sammeln hochenergetische Photonen und leiten diese an Röntgenkameras weiter. Rund 100.000 Galaxienhaufen soll das Instrument während seiner Mission neu entdecken.
DLR-Stand auf dem Aerosalon in Paris: Am deutschen Gemeinschaftsstand in Halle 2C widmet sich das DLR besonders den Schwerpunkten Digitalisierung, Klimawandel und Erhalt der Mobilität.
