Drohnenflügel sind aerodynamische Tragflächen, die die Effizienz, Stabilität, das Flugverhalten und die Nutzlastkapazität von Starrflügel-UAVs beeinflussen. Die Konstruktionen reichen von geraden, sich verjüngenden, nach hinten geneigten, Delta- und Nurflügeln bis hin zu Tandem-, Klapp- und modularen Konfigurationen für Vermessungs-, Überwachungs-, Inspektions-, Forschungs- und andere unbemannte Einsätze.
Auf dieser Seite werden Hersteller von UAV-Flügeln vorgestellt, die Strukturen aus Verbundwerkstoffen, mit Schaumkern, aus Metall sowie Hybridkonstruktionen entwickeln.
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Maßgeschneiderte Verbundwerkstofffertigung und Hochgeschwindigkeits-Schnellhärtungsproduktion für UAVs
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Drohnenflügel erzeugen den aerodynamischen Auftrieb, der es unbemannten Starrflügelflugzeugen ermöglicht, effizient in der Luft zu bleiben. Ihr Tragflächenprofil, ihre Geometrie, ihre Struktur, ihre Materialien sowie ihre Integration in die Steuerungssysteme beeinflussen unmittelbar Reichweite, Flugdauer, Nutzlastkapazität, Flugverhalten, Strömungsabrissverhalten und Betriebsgeschwindigkeit. Die Auswahl oder Konstruktion eines Drohnenflügels erfordert daher einen Kompromiss zwischen aerodynamischer Leistung und struktureller Festigkeit, Gewicht, Fertigungsanforderungen, Flügelbelastung sowie dem vorgesehenen Einsatzprofil.
Flügel für unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) reichen von leichten, abnehmbaren Baugruppen für kompakte Vermessungsflugzeuge bis hin zu hochintegrierten Verbundwerkstoffstrukturen, die Antriebssysteme, Antennen, Sensoren und Energiespeicher tragen. Flügel für Flugzeuge mit senkrechtem Start und Landung (VTOL) erfordern zusätzliche Überlegungen, da sie zudem Auftriebsmotoren, neigbare Antriebseinheiten oder andere für den senkrechten Start und die Landung erforderliche Hardware tragen können. Die am besten geeignete Konfiguration hängt davon ab, wie das gesamte Flugzeug starten, fliegen, manövrieren, Nutzlasten transportieren und wieder landen soll.
UAV-Flügel von Fibreworks Composites
Die Flügelgeometrie hat einen erheblichen Einfluss auf die aerodynamische Effizienz, die Stabilität, die strukturelle Belastung, die Strömungsabrisscharakteristik und die Bauraumausnutzung. Streckung, Verjüngungsverhältnis, Pfeilung, Dihedral oder Anhedral sowie die geometrische Verdrehung können alle angepasst werden, um die Leistung und das Flugverhalten zu beeinflussen. Verschiedene Drohnenflügel sind für unterschiedliche Kombinationen aus Geschwindigkeit, Ausdauer, Manövrierfähigkeit und Einsatzanforderungen optimiert.
Gerade Flügel eignen sich allgemein für UAVs, die bei relativ niedrigen bis mittleren Geschwindigkeiten betrieben werden, da sie ein vorhersehbares Flugverhalten und eine effiziente Auftriebserzeugung gewährleisten. Eine Verjüngung des Flügels zur Flügelspitze hin kann die Strukturmasse reduzieren und die Auftriebsverteilung beeinflussen, während Konstrukteure gleichzeitig das Strömungsabrissverhalten und die aerodynamische Effizienz verfeinern können. Auch eine Flügelverdrehung oder Änderungen am Tragflächenprofil können genutzt werden, um den Verlauf des Strömungsabrisses in Richtung der Flügelspitze zu steuern.
Pfeilflügel von UAVs sind von der Flügelwurzel aus nach hinten geneigt und werden üblicherweise mit Flugzeugen in Verbindung gebracht, die für den Flug bei höheren Geschwindigkeiten ausgelegt sind, wo die Pfeilung dazu beitragen kann, Kompressibilitätseffekte zu bewältigen. Die Pfeilung verändert zudem die Stabilität, die Strömung in Spannweitenrichtung, die strukturellen Belastungen, das Ansprechverhalten der Steuerung sowie die Anordnung der internen Komponenten, wodurch ihre Vorteile vom vorgesehenen Betriebsbereich abhängen.
Deltaflügel weisen eine dreieckige Grundform mit beträchtlicher Wurzelsehne und relativ geringer Streckung auf. Je nach Flugzeugkonfiguration können sie mit oder ohne separate, konventionelle Leitwerke eingesetzt werden. Ihr großes Innenvolumen und ihre strukturell effiziente Geometrie eignen sich für kompakte oder auf höhere Geschwindigkeiten ausgelegte unbemannte Flugzeuge, obwohl sich ihre aerodynamischen Eigenschaften erheblich von denen von Langstreckenflügeln mit hoher Streckung unterscheiden.
Flugflügel-UAVs vereinen die Tragfläche und einen Großteil des Flugzeugkörpers zu einer einzigen aerodynamischen Form. Der Verzicht auf einen herkömmlichen Rumpf und ein Heck kann die benetzte Fläche und den Luftwiderstand verringern, doch erfordern Stabilität, Nutzlastpositionierung, Steuerungsmöglichkeiten, die Auswahl der Tragflächenprofile und das Management des Schwerpunkts eine sorgfältige Konstruktion.
Tandemflügel-Flugzeuge verwenden separate vordere und hintere Tragflächen, die beide einen erheblichen Auftrieb erzeugen. Diese Konfiguration ermöglicht eine Lastverteilung und bietet nützliche Möglichkeiten zur Raumausnutzung; jedoch muss die aerodynamische Wechselwirkung zwischen den beiden Flügeln bei der Bestimmung der Anstellwinkel, der Auftriebsverteilung, der Stabilität und der Steuerungsstrategie berücksichtigt werden.
Faltbare oder abnehmbare Drohnenflügel können Transport, Lagerung, den Einsatz vor Ort und die Wartung vereinfachen. Mechanische Gelenke müssen die Ausrichtung und die strukturelle Steifigkeit gewährleisten und gleichzeitig wiederholtes Zusammenbauen ermöglichen; alle elektrischen Verbindungen, die durch die Flügelschnittstelle verlaufen, müssen sicher und zuverlässig bleiben.
Eine UAV-Flügelkonstruktion muss aerodynamischen, Trägheits-, Lande-, Antriebs-, Torsions- und nutzungslastbedingten Belastungen standhalten, ohne unnötige Masse hinzuzufügen. Zu den wichtigsten strukturellen Elementen gehören in der Regel:
Eine effektive Konstruktion der UAV-Flügelstruktur sorgt für ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Steifigkeit, Festigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, Reparierbarkeit, aeroelastischem Verhalten und Masse über den gesamten vorgesehenen Flugbereich hinweg.
Die Materialauswahl beeinflusst die Flügelsteifigkeit, die Haltbarkeit, die Komplexität der Fertigung, die Oberflächenqualität, das Ermüdungsverhalten und das Gesamtgewicht des Fluggeräts. Gängige Optionen bieten unterschiedliche Kombinationen dieser Eigenschaften.
| Material oder Bauweise | Typische Eigenschaften | Konstruktionsaspekte |
| Kohlefaserverbundwerkstoffe | Hohe spezifische Steifigkeit und Festigkeit | Höhere Anforderungen an Material und Fertigung |
| Glasfaserverbundwerkstoffe | Gute Festigkeit und nützliche Formflexibilität | Im Allgemeinen schwerer als vergleichbare Kohlenstoffstrukturen |
| Schaumkern- und Sandwichbauweise | Leichtbauweise mit guter Plattensteifigkeit | Erfordert geeignete Deckschichten und lokale Verstärkungen |
| Thermoplaste und additive Fertigung | Eignet sich für komplexe Geometrien und Teile in Kleinserien | Die mechanischen Eigenschaften hängen stark vom Material und vom Verfahren ab |
| Aluminium und andere Metalle | Vorhersehbare Eigenschaften und bewährte Fertigungsverfahren | Gewicht, Ermüdungsverhalten und Korrosionsschutz müssen unter Umständen berücksichtigt werden |
| Hybridbauweise | Kombiniert Werkstoffe entsprechend den lokalen Anforderungen | Schnittstellen und unterschiedliches Materialverhalten müssen berücksichtigt werden |
Viele UAV-Flügel bestehen aus mehreren Materialien, wobei jedes dort eingesetzt wird, wo seine mechanischen, fertigungstechnischen oder wirtschaftlichen Eigenschaften den größten Nutzen bieten.
Steuerflächen verändern lokale aerodynamische Kräfte, um Roll-, Nick-, Auftriebs-, Widerstands-, Sink- oder andere Flugverhalten zu steuern. Ihre Größe, Position, Scharniergeometrie und Betätigung müssen auf den Geschwindigkeitsbereich, den dynamischen Druck und die Steuerungsanforderungen des Fluggeräts abgestimmt sein.
Eine zuverlässige Betätigung ist besonders wichtig, da die Wirksamkeit der Steuerung und die Belastungen der Gelenke je nach Fluggeschwindigkeit und Flugbedingungen erheblich variieren können.
Die Anforderungen an die Tragflächen ändern sich je nach Flugzeuglayout, Missionsdauer, Startmethode, Flächenbelastung und Betriebsumgebung. Eine erfolgreiche UAV-Tragfläche wird daher auf die Anforderungen der gesamten Plattform hin ausgelegt und nicht als isolierte Komponente betrachtet.
Herkömmliche Drohnen mit starrem Flügel legen in der Regel den Schwerpunkt auf einen effizienten Vorwärtsflug. Ihre Flügel können je nachdem, ob das Fluggerät Kartierungs-, Inspektions-, Überwachungs-, Forschungs- oder andere Missionen durchführt, auf Ausdauer, Reichweite, Nutzlastkapazität oder Manövrierfähigkeit optimiert sein.
VTOL-Flügel müssen einen effizienten Reiseflug ermöglichen und gleichzeitig die für den Senkrechtflug erforderlichen Systeme aufnehmen. Je nach Architektur kann dies Auftriebsmotoren, schwenkbare Gondeln, Verkabelung, Verstärkungen und Antriebshalterungen umfassen, die die strukturelle und aerodynamische Komplexität erhöhen. Propeller-Nachlaufströmungen und Übergangslasten können ebenfalls die Konstruktion der Flügel und Steuerflächen beeinflussen.
Flying-Wing-Plattformen vereinen Auftriebserzeugung, Nutzlastunterbringung und Flugsteuerung in einer kompakten Konfiguration. Eine sorgfältige Massenverteilung ist unerlässlich, da der verfügbare Schwerpunktbereich im Vergleich zu Flugzeugen mit herkömmlichen Heckauslegern begrenzt sein kann.
Flugzeuge mit langer Flugdauer profitieren in der Regel von UAV-Flügeln mit hoher Streckung, die den induzierten Luftwiderstand während des effizienten Reiseflugs reduzieren. Diese schlanken Strukturen erfordern besondere Aufmerksamkeit hinsichtlich Biege- und Torsionssteifigkeit, aeroelastischem Verhalten, Gewichtsverteilung und Bodenhandhabung.
Kleine UAVs operieren unter aerodynamischen Bedingungen, bei denen Oberflächenbeschaffenheit, Wahl des Tragflügelprofils, Fertigungstoleranzen und Reynolds-Zahl-Effekte die Leistung erheblich beeinflussen können. Eine Leichtbauweise ist besonders wichtig, da bereits geringe Massenzunahmen erhebliche Auswirkungen auf die Flügelbelastung und die Stallgeschwindigkeit haben können.
Flügel von Hochgeschwindigkeits-UAVs können geringere Streckzahlen, eine Rückwärtsneigung, dünne Querschnitte oder andere Merkmale aufweisen, die für den vorgesehenen Geschwindigkeitsbereich geeignet sind. Konstrukteure müssen erhöhte aerodynamische Belastungen, Anforderungen an die Struktur- und Torsionssteifigkeit, die Steuerbarkeit, aeroelastische Effekte sowie gegebenenfalls die Integration von Thermik- oder Antriebssystemen berücksichtigen.
Forschung und Entwicklung erweitern die Möglichkeiten, wie UAS-Flügel ihre Form verändern, Lasten tragen und mit Antriebssystemen interagieren können. Wichtige Bereiche sind:
Mit der Weiterentwicklung dieser Technologien wird das Flügeldesign von Drohnen zunehmend mit Antrieb, Steuerung, Struktur und Bordsystemen integriert, anstatt rein als aerodynamische Oberfläche optimiert zu werden.
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