Bodengebundene Fahrzeuge

Das DLR verfügt über Prüfstände und messtechnische Ausstattungen zur Untersuchung von neuartigen Antriebskonzepten für Straßenfahrzeuge. Schwerpunkte sind die Charakterisierung von (teil-)elektrifizierten Antriebssträngen und Brennstoffzellen-Antriebssystemen. Für die Betriebsstrategie-Entwicklung wird Rapid-Control-Prototyping eingesetzt. Einzelne, noch nicht als Hardware verfügbare Komponenten werden durch Closed-Loop-Simulationen ersetzt. Abwärmenutzungs-Aggregate werden auf einem Heißgasprüfstand entwickelt und charakterisiert.

Das DLR betreibt einen Allrad-Rollenprüfstand mit Abgasanalyse und Klimatisierung für Personenkraftwagen und Kleintransporter. Der Prüfstand simuliert Fahrbedingungen für alle Einachs- und Allrad-Antriebskonzepte in einem variablen Temperaturbereich von -25 Grad Celsius bis 50 Grad Celsius. Durch die Explosionsschutz-Ausführung können auch Wasserstoff- und Erdgasfahrzeuge untersucht werden. Die Anlage erlaubt Abgasmessungen im Rohgas mit einer Euro 5 geeigneten Messgenauigkeit.

Die Leistungsfähigkeit von faserverstärkten Kunst- und Verbundwerkstoffen wird durch die mechanischen Eigenschaften der Verstärkungsfaser gegenüber denen der Matrix dominiert. Neben den mechanischen Eigenschaften der Faser stehen bei der Anwendung die Optimierung des gesamten Fasergerüsts, die Reproduzierbarkeit der Eigenschaften sowie die Kosten für Halbzeuge und Verarbeitung im Vordergrund. Eine Vielzahl von Anlagen ermöglicht es dem DLR, die gesamte Kette von der Bauteilgestaltung und dem Design bis zum fertigen Prototyp durchgängig abzubilden.

Die Fügetechnologie ist im modernen Multi-Material-Design ein zentrales Forschungsgebiet. Das Fügen unterschiedlichster Werkstoffe erfordert den Einsatz spezieller Verbindungstechnologien. Hierbei werden vor allem mechanische Technologien, das Kleben sowie das Hybridfügen als Kombination beider Verfahren betrachtet.

Grundvoraussetzung aussagekräftiger Materialsimulationen ist die Verwendung realistischer Werkstoffkenngrößen. Zur Gewinnung mechanischer Kennwerte stehen verschiedene Prüfmaschinen zur Verfügung. Deren Messdaten dienen für Berechnungen, aber auch für die Entwicklung und Validierung neuer, numerischer Material- und Fügemodelle. Forschungsschwerpunkt ist die Schadensentwicklung und -progression. Zudem werden mit unterschiedlichsten Anlagen mechanische Belastungsprüfungen oder Lebensdaueruntersuchungen vorgenommen.

Im Juni 2011 hat das DLR mit dem Thermoelektrischen Generator - der so genannten TEG-Line - eine eigenständige Entwicklungslinie von der Materialforschung über Komponentenrealisierung und Systemdemonstration bis zur Qualifizierung von Hochtemperatur-Thermogenerator-Modulen eröffnet. Diese Anlage baut das vorhandene breite Spektrum an Charakterisierungsverfahren aus und bildet die technische Basis für leistungsstarke und unabhängige Entwicklungsaktivitäten. Eine Kernkomponente besteht aus speziellen Kompaktierungsverfahren, die bei reduzierter Temperaturbelastung dichte thermoelektrische Materialien hoher Festigkeit aus Pulvern herstellen können. Beschichtungs-, Verbindungs- und Versiegelungstechnologien, die für die Fertigung thermoelektrischer Module aus einzelnen Halbleiter-Pellets und metallischen Kontaktbrücken benötigt werden, ergänzen die Anlage.

Zur Durchführung von Versuchen mit Hochgeschwindigkeitsaufprall hat das DLR eine Beschussanlage installiert. Mit ihr können Impact-Szenarien für Hochgeschwindigkeitszüge und Straßenfahrzeuge dargestellt werden. Neben der Messung der Projektilgeschwindigkeit wird der Aufprallvorgang mit analogen und digitalen Hochgeschwindigkeitskameras aufgezeichnet. Zudem verfügt das DLR über einen Fallprüfstand, der zur Untersuchung des Energieabsorptionsverhaltens von Werkstoffen, Bauweisen, Komponenten und Strukturen dient.

Für aerodynamische und aeroakustische Untersuchungen bodengebundener Fahrzeuge stehen mehrere Wind- und Wasserkanäle zur Verfügung. Im Kryo-Kanal Köln (KKK) können anders als in den meisten anderen Windkanälen weltweit Mach- und Reynoldszahl unabhängig voneinander verändert werden. Im Wasserschleppkanal wird ein Modell mit variabler oder fester Geschwindigkeit gezogen. Die Messtechniken beinhalten konventionelle Kraft- und Druckmessverfahren, Hitzdraht- und Heißfilmverfahren sowie modernste Laser-optische Werkzeuge wie etwa die Particle Image Velocimetry (PIV).

Tunneldurchfahrten von Hochgeschwindigkeitszügen erzeugen Druckstöße, die von Passagieren als unangenehm empfunden werden. Alle in Deutschland geplanten Tunnelneubauten sind ein- statt doppelgleisig, was zu geringeren Querschnitten und steigenden Druckgradienten führen wird. Im Barokammer-Komplex können die auftretenden Effekte am Menschen untersucht werden. Hierzu wird ein Zugabteil mit sechs bis acht Versuchspersonen und realistischen Druckänderungen simuliert.

Die absehbare Reduzierung der Querschnitte von Eisenbahntunnel-Anlagen durch die Umstellung auf eingleisige Tunnel wird zu deutlich höheren Druckbelastungen für Passagiere und Zugstrukturen führen. Eine fahrzeugspezifische Vorhersage dieser Lasten ist derzeit weder numerisch noch experimentell möglich. Das DLR hat deshalb im Oktober 2010 eine Tunnel-Simulationsanlage eröffnet, die die Schwächen der wenigen bisher weltweit existierenden Anlagen behebt. Die Anlage soll bildgebende, mehrdimensionale Feldmessverfahren zur Strömungsanalyse ermöglichen und die zur strömungstechnischen Analyse notwendigen Ähnlichkeitsparameter realisieren können. Die messtechnische Ausstattung wird zudem für die Untersuchung instationärer Lasten ausgelegt sein.

Für die Arbeiten zum DLR-Projekt Next Generation Train hat das DLR auch eine Seitenwind-Versuchsanlage installiert, um instationäre Effekte sowie Kompressibilitätseffekte mess- und versuchstechnisch hochgenau erfassen und analysieren zu können. Die Anlage soll zutreffende physikalische Modelle für künftige Simulationsverfahren ableiten. Bestehende Anlagen, die nur annähernd Reynolds- und/oder Machzahlähnlichkeit bzw. Böenlasten herstellen könnten, sind auf einfache konventionelle Messverfahren beschränkt und nicht für die Untersuchung instationärer Vorgänge ausgelegt.

Im Systemhaus Technik erfolgt die Konstruktion von CAD-Bauteilen und die CNC-Programmierung der Werkzeugmaschinen. Das DLR verfügt über Fertigungstechniken wie CNC-Fräsen und -Drehen, Erodieren und Fügen, kann Faserverbundwerkstoffe verarbeiten und Platinen herstellen. Die Experimentalgeräte und Systemkomponenten sind für den kryogenen Einsatz geeignet. Leichtbaumodelle und Systemkomponenten aus Faserverbundwerkstoffen, elektronische Systeme sowie Konstruktion, Fertigung und Integration von Messtechnik genügen höchsten Industriestandards

Zur Analyse von Fahrfehlern, der Entwicklung funktionaler Assistenzsysteme und ihrer Erprobung hat das DLR eine vollständige Mess- und Versuchskette aufgebaut. Das Versuchsfahrzeug ViewCar^® dient der Analyse der Wahrnehmungsprozesse und des Verhaltens von Fahrern im Straßenverkehr. Es ist mit Sensoren zur Messung und Aufzeichnung der Verkehrsumgebung, der Fahrerbeanspruchung und des Fahrerverhaltens einschließlich der Bedienung des Fahrzeugs sowie des daraus resultierenden Fahrzeugverhaltens ausgestattet. Im Virtual-Reality-Labor können neue Fahrerassistenz-Systeme und Funktionen schnell und flexibel hinsichtlich ihrer Nutzbarkeit und Akzeptanz bewertet werden. Stereoprojektion und Headtracking sorgen für räumlich wahrnehmbare Simulationen von Autocockpit und Umwelt. Der dynamische Fahrsimulator dient der Erprobung von Assistenzfunktionen in einem fortgeschrittenen Entwicklungsstadium. Die realitätsnahe Gestaltung der Simulation ermöglicht eine valide Beurteilung der Funktionen und damit einen sicheren Übergang in das Versuchsfahrzeug und den realen Verkehr. Ein realistisches Fahrgefühl vermittelt der Fahrsimulator durch ein leistungsstarkes Bewegungssystem, ein hochwertiges Projektionssystem und die Integration eines kompletten Fahrzeugs. Das Testfahrzeug FASCar nutzt das DLR zur Erprobung neuartiger, aktiver Assistenzfunktionen. Seine Betriebsart "Straße" genügt höchsten Sicherheitsanforderungen für Untersuchungen im realen Straßenverkehr. Fahrerassistenz greift dabei nur beschränkt aktiv ein. Übersteuern und Abschalten der Systeme sind jederzeit möglich. In der Betriebsart „Testgelände“ können alle Eingriffsmöglichkeiten bis zum autonomen Fahren genutzt werden. Die Steuerung von Gas, Bremse und Lenkrad erfolgt durch einen virtuellen Copiloten.

Verkehrsmanagement

Für die Planung, Simulation und Steuerung von Verkehrssystemen werden Verkehrsdaten erhoben. Das DLR betreibt zwei Messfahrzeuge, die mit Sensoren und Systemen zur Datenerfassung und -bearbeitung ausgestattet sind. Dazu gehören unter anderem Video- und Radarsysteme, D-GPS sowie ein ausfahrbarer Teleskopmast. Im mobilen Betrieb können Geschwindigkeiten, Fahrzeugbeschleunigungen sowie CAN-Bus-Daten erfasst werden. Stationär können komplette Kreuzungsdaten aufgenommen werden.

Zur Verkehrsdatenerfassung unter realen Einsatzbedingungen und der Untersuchung von Sensoren hinsichtlich Qualität und Zuverlässigkeit wurde eine 1,2 Kilometer lange Mess- und Versuchsstrecke aufgebaut, die täglich etwa 30.000 Fahrzeuge passieren. Auf zwei begehbaren Schilderbrücken installiert und in die Straße eingelassen ist Mess- und Beobachtungstechnik, darunter Videokameras, Radarsensoren, Sichtweitenmessgerät, Wetterstation und Doppelinduktionsschleifen. Die erhobenen Daten werden normgerecht aufbereitet, in die Datenzentrale übermittelt, visualisiert und archiviert.

Mit dem Traffic Tower entwickelt und betreibt das DLR eine voll funktionsfähige virtuelle Verkehrsmanagement-Zentrale. Ob Verkehrsmonitoring bei Großveranstaltungen oder Evaluation von Verkehrssteuerungsalgorithmen, der Traffic Tower unterstützt die Forschungsarbeiten durch die virtuelle Nachbildung von Straßenverkehr und Verkehrssteuerungsanlagen. Er ist mit Systemen und Funktionen zur Simulation, Nachfrageberechnung und Verkehrslagedarstellung ausgestattet.

Das DLR betreibt umfangreiche Anlagen zum Empfang sowie zur Aufbereitung, Archivierung und Verteilung von Satellitendaten. Hierbei handelt es sich um fest installierte Antennensysteme und mobile Stationen auf allen Kontinenten. Die Archivierung der Satellitendaten erfolgt durch vollautomatisierte Datenbibliotheken. Eine digitale Bildauswertung greift auf zentrale Spezialhardware sowie das Robotarchiv zu und erlaubt die Generierung von Videoanimationen aus Satellitendaten und Zusatzinformationen.

Das eisenbahntechnische Labor RailSiTe^® bildet die komplette Kette vom Stellwerksbediener über Strecke und Zugdynamik bis zum Triebfahrzeugführer ab. Mit dem Labor können Systeme, Subsysteme und Komponenten der Eisenbahnleit- und Eisenbahnsicherungstechnik sowie Betriebskonzepte analysiert werden. So ist etwa für ETCS (European Train Control System) eine Validation des Zusammenspiels von Systemkomponenten unterschiedlicher Hersteller aus funktionaler und sicherheitstechnischer Sicht möglich. Neben Softwaresimulationen können auch Hardware-in-the-Loop- und Cross-Reference-Tests durchgeführt werden. Mit der Zertifizierung als Unterauftragnehmer der Benannten Stelle Interoperabilität durch Eisenbahn-Cert (EBC) verfügt das DLR mit dem RailSiTe^® über das weltweit einzige anerkannte ETCS-Labor.

Moderne Betriebsverfahren im Schienenverkehr mit ihren hohen Anforderungen an Effizienz und Sicherheit erfordern eine kontinuierliche Fahrzeug-basierte Ortung. Mit dem Versuchs- und Vermessungsfahrzeug RailDriVE^® kann die von Sensoren geforderte Qualität in Feldtests erprobt werden. Zur umfangreichen Ausstattung des Zweiwege-Fahrzeugs gehören Ortungs- und Kommunikationskomponenten, Arbeitsplätze zur Überwachung und ersten Online-Auswertung der Messdaten, ein GPS-Modul und Funkmodem. RailDriVE^® dient der Erprobung neuer Ortungssysteme, als Testplattform von Ortungskomponenten und der Untersuchung verschiedener Sensorkombinationen.

Verkehrssystem

Das DLR verfügt über Forschungsflugzeuge, die als Plattformen für die Beobachtung der Erde, der Meeresoberflächen und der Atmosphäre eingesetzt werden. Das Luftfahrt-Bundesamt hat die DLR-Flugbetriebe als Luftfahrttechnischen Betrieb zur selbstständigen Durchführung von Wartungsarbeiten an seinen Flugzeugen anerkannt. Das DLR betreibt die größte zivile Flotte von Forschungsflugzeugen in Europa.

In der Arbeitsmedizinischen Simulationsanlage AMSAN können bis zu acht Versuchspersonen für mehrere Tage oder auch Wochen untergebracht werden. Die 300 Quadratmeter große Anlage kann als geschlossenes System unter kontrollierten Umweltbedingungen betrieben werden. Sie ist vollklimatisiert, schallgeschützt, hat nur künstliches Licht und wird insbesondere für Untersuchungen zur Wirkung von nächtlichem Verkehrslärm auf Schlaf und Leistungsfähigkeit eingesetzt.

Geplante Infrastrukturen

Vor dem Hintergrund zunehmender Reisegeschwindigkeiten von Fernzügen ist zu erwarten, dass die relevanten aerodynamischen Kenngrößen zukünftig neben der Reynoldszahlabhängigkeit vermehrt durch die Machzahl dominiert werden. Zur Analyse entsprechender Fragen werden Windkanäle benötigt, die auf hohe Reynoldszahlen spezialisiert sind und einen niedrigen Turbulenzgrad aufweisen. Diesen grundlegenden Anforderungen genügt der Kryo-Kanal Köln in besonderem Maß. Notwendig ist jedoch die Anpassung optischer Messtechniken für Untersuchungen bei hohen Reynoldszahlen sowie die Bereitstellung einer geeigneten Bodensimulation, um auch transiente Effekte im sicherheitstechnisch benötigten Umfang beobachten zu können.

Bislang fehlt der Nachweis, dass hochwertige Faserverbund-Bauteile für den Wagenkasten eines Hochgeschwindigkeitszuges in großen Stückzahlen bei akzeptablen Kosten gefertigt werden können. Ziel des DLR sind signifikante Produktivitätssteigerungen um den Faktor 10 bis 100. Hierzu wird sowohl eine Langfaserspritzanlage zur Herstellung flächiger, glasfaserverstärkter Bauteile für begrenzte mechanische Belastungen als auch eine Pultrusionsanlage für hochbelastete Tragstrukturen benötigt. Beide Verfahren sollen, in einer gemeinsamen Anlage kombiniert, verwirklicht werden.