Paketdrohne „Urban Ray“ gewinnt NASA/DLR Design Challenge 2020

Auf Bestellung vollautomatisch ein Päckchen quer durch die Stadt aus der Luft erhalten. Das ist die Vision, für die die NASA/DLR Design Challenge in diesem Jahr innovative Lösungen suchte. Sieben Studierendenteams zeigten Ende August 2020 beim finalen Symposium des deutschen Wettbewerbsteils mit Kreativität und vielfältigen Ideen, wie die Zukunft der Logistik in urbanen Räumen per unbemannter Luftfahrzeuge, Paketstationen und Landeplattformen aussehen kann. Mit dem ersten Platz prämierte die Jury des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) das Konzept Urban Ray der RWTH Aachen. Es folgten die Universität Stuttgart mit aERO auf Platz zwei und die TU-München mit Mercurius auf Platz drei. Gastgeber der Abschlussveranstaltung für die Teams in Deutschland war das Zentrum für Angewandte Luftfahrtforschung (ZAL) in Hamburg.

Das Konzept Urban Ray der RWTH Aachen besteht aus einem vollautonomen, elektrischen UAS (unbemanntes Luftfahrtzeugsystem) in Blended-Wing-Body-Konfiguration, das über einen getrennten Antrieb (Rotoren) für den Schwebeflug und den Vorwärtsflug verfügt. Dies ermöglichte dem Team eine innovative, schubbasierte Lösung für die Flugsteuerung zu entwickeln, bei dem auf herkömmliche Steuerflächen verzichtet wird. Weiterhin kombiniert das Design ein Fallschirmsystem mit einer stoßabsorbierenden Struktur aus Schaumstoff, um die hohen Sicherheitsanforderungen für den Einsatz eines solchen Systems in innerstädtischen Gebieten zu erfüllen. Die vertikale Start- und Landefähigkeit ermöglicht zudem den Einsatz von kleinen Plattformen bei gleichzeitig hoher Reisegeschwindigkeit. Für den Aufbau eines dichten und anpassungsfähigen Netzwerks wurde deshalb eine modulare Plattformfamilie entwickelt. Diese beinhaltet eine einfache, faltbare Plattform bis hin zu einem zentralen Hub, der über ein vollautomatisiertes System zur Paketbeladung, -lagerung samt Batteriewechsel verfügt. Urban Ray soll im Rahmen eines Pay-per-Use-Modells als Dienstleistung für Paketlogistikunternehmen und weitere Kunden, die beispielsweise Konsumgüter oder Gesundheitsprodukte verkaufen, angeboten werden.

Das Konzept aIRO des Teams der Universität Stuttgart ist ein unbemanntes Luftfahrzeugsystem (UAS), bestehend aus einer Paketdrohne mit vier Tragflächen, acht Rotoren und einem markanten roten Seitenleitwerk, wobei die Verbindung zum Bord- und Steuerungscomputer am Boden per Echtzeit-5G-Kommunikation aufrechterhalten wird, was deutliche Gewichtseinsparungen beim Fluggerät bringt. Ein Secondary Flight Control Computer an Bord sichert die Drohne im Falle eines Verbindungsproblems ab. Die Kombination einer Tandem- und Multicopter-Konfiguration mit leisen, elektrisch angetriebenen Kipprotoren nutzt für eine optimale Energieversorgung ein hybrides Energiesystem, bestehend aus Lithium-Schwefel-Batterien (LiS) und Lithium-Ionen-Kondensatoren. Die redundanten Systeme der Vertikalen Start- und Landefähigkeiten (VTOL) sind das Herz von aIRO. Bodenstationen in der Größe zweier Standardparkplätze können flexibel im städtischen Bereich verteilt werden. Das Risiko für Personal und Anlagen am Boden wird durch ein umfassendes Sicherheitskonzept auf ein Minimum reduziert: Ein hochleistungsfähiges, bodengestütztes Passivradar-Erkennungs- und -Vermeidungssystem (DaA) liefert Input für die Flugwegkontrolle via 5G-Netz.

Das Design der Mercurius-Drohne des Teams der TU München konzentriert sich auf maximale Effizienz bei minimalem Gewicht. Zwei feste vordere Propeller und sechs hintere schwenkbare Oberflügelpropeller vereinen die widersprüchlichen  Anforderungen an Schwebeflug und Horizontalflug. Konstruktionsmerkmale wie abgesenkte Winglets oder Oberflügelstützen führen zu guten Strömungseigenschaften. Das hybride Antriebssystem aus einer Brennstoffzelle und einem Lithium-Ionen-Akku ermöglicht eine Einsatzperformance, die für batteriebetriebene Konzepte nicht erreicht wird. Zusätzlich maximiert es die Flugsicherheit und Energieeffizienz, was zu einem Drittel reduzierter Kosten pro zugestelltes Paket führt. Die Bodenstationen vereinen einen leichten Aufbau mit fortgeschrittener Automatisierung, sodass sie eine schnelle Beladung der Drohnen samt Akkuladung gewährleisten.

Das Konzept BeeHive des Teams der Technischen Universität Dresden ist ein kostengünstiges und hochfunktionales autonomes Transportsystem, das in der Lage ist, kleine Nutzlasten bei hohen Geschwindigkeiten innerhalb einer städtischen Umgebung zu transportieren. Es besteht aus zwei Komponenten: der Trägerdrohne, genannt "Bee", und dem Bodensystem, genannt "Hive" (Bienenstock). Das Luftfahrzeug weist eine Canard-Konfiguration mit schwenkbarem Vorflügel auf und wird von vier Elektromotoren angetrieben. Dies ermöglicht senkrechtes Starten und Landen und einen energiesparenden Horizontalflug. Somit kann die Nutzlast von 2,5 Kilogramm über eine Entfernung von bis zu 72 Kilometern befördert werden. Die Stromversorgung der Motoren erfolgt über Lithiumionenakkus, die auf der Landeplattform vollautomatisch mit dem beladen neuer Fracht getauscht werden. Das System erfüllt höchste  Standards an Sicherheit, Lärmreduzierung und Effizienz. Es ist einfach skalierbar und kann leicht an die Kapazitäten der Kunden angepasst werden.

Das Konzept eCiconia des Teams der Universität der Bundeswehr München kombiniert die Vertikalstart- und -landefähigkeit (VTOL) mit treibstoffsparender konventioneller Aerodynamik auf Basis von Tragflächen. Der Horizontalflug ermöglicht ein präzises Start- und Landeverfahren auf kleinstem Raum, wobei eine Katapulttechnik energiesparende Starts der Drohne ermöglicht. Eine zentrale Basisstation am Boden arbeitet mit Fließbandbetrieb für die Be- und Entladung der Päckchen sowie den Akkuwechsel. Ein integriertes Kontrollzentrum ermöglicht einen effizienten und zuverlässigen Betrieb bei minimalem Platz- und Zeitaufwand. Ein attraktives Detail des Konzepts ist die Nutzung bereits bestehender. um eine Landeplattform erweiterter Paketstationen, was eine zuverlässige Paketzustellung ohne Risiken durch Bodenlandungen ermöglicht. Ein kombiniertes Sicherheitssystem, bestehend aus einem Fallschirm und Airbags, beugt Schäden im Falle eines Systemausfalls vor.

Das Konzept HecTO-R des einen Teams der TU Hamburg ist ein Hybrid zwischen einem Quadcopter und einem Blended-Wing-Heckstarter, der einen vertikalen Start- und Landevorgang (VTOL) mit einem schnellen Reiseflug kombiniert. Die Tragflächen sind optimiert, um stabile und sichere Flugeigenschaften zu gewährleisten und mögliche Unfallrisiken zu minimieren. Um die Luftqualität in Akkus von Licerion High Energy (HE) betrieben, die über eine ausreichende Speicherkapazität für zwei Einsätze verfügen. Um Masse und Kosten zu reduzieren, werden fast alle Komponenten aus kohlefaserverstärkten Polymeren (CFK) hergestellt. HecTO-R kann sehr flexibel auf klappbaren Stelzen, die sich an der Rückseite des Rumpfes befinden, landen. Der leichte Lademechanismus aus Aluminium ist in den Rumpf integriert, sodass HecTO-R Päckchen fast überall selbständig platzieren kann.

Die Paketdrohne des Konzepts City-Del des anderen Teams der TU Hamburg ist vollständig aus kohlefaserverstärktem Polymer, um das Gewicht zu minimieren. Um auf engem Raum zu operieren, verfügt City-Del über einen vertikalen und einen horizontalen Modus. Der Vertikalmodus wird durch acht koaxial angeordnete Rotoren ermöglicht. Dies verleiht der Drohne Manövrierfähigkeit. Der horizontale Modus wird durch zwei, an den Flügeln montierten Rotoren und einem umgekehrten V-Leitwerk ermöglicht. Während des Einsatzes versorgt ein Akkupaket, bestehend aus 60 Zellen, die Triebwerke und die Avionik mit ausreichend Energie. City-Del enthält einen Kondensator, der die Energieversorgung während des kombinierten Wechsels von Akkus und Ladeeinheit überbrückt.