Vertical Take-Off and Landing Unmanned Aerial Vehicle

Ein Vertical Take-Off and Landing Unmanned Aerial Vehicle (Englisch für Senkrecht startendes und landendes unbemanntes Luftfahrzeug), abgekürzt VTOL UAV, seltener VUAV oder VT UAV[1], ist ein unbemanntes Luftfahrzeug (Drohne), das senkrecht starten und landen kann. Das maximale Abfluggewicht liegt je nach Typ zwischen 19 g (Nano Hummingbird) und 5,5 t (Unmanned Kaman K-Max).

Krossblade SkyProwler
VUAVs verwenden VTOL-Konzepte, wie z. B. die Quadrocopterauslegung beim AirRobot AR-100B

Konstruktive Auslegung

Die meisten Typen können sowohl schweben als auch nach einer Landung selbständig wieder starten, brauchen also weder eine Start- oder Landebahn noch spezielle Start- oder Landevorrichtungen. Viele Exemplare sind mit Kameras ausgestattet und können im schwebenden oder im gelandeten Zustand Bilder und/oder Videos aufnehmen, die entweder gespeichert oder per Funktechnik übertragen werden (Hover & Stare-Funktionalität[2][3]).

Drehflügelkonzepte
Hubschrauber

Anders als in der bemannten Luftfahrt zählen innerhalb der UAV-Gemeinschaft auch die Hubschrauber zu den VTOL UAVs. Dabei ist einerseits die klassische Ausführungsform manntragender Hubschrauber als UAV realisiert worden, mit Heckrotor-, Koaxialrotor oder Flettner-Doppelrotor-Konfiguration. Weiterhin werden eine Vielzahl von Fluggeräten in der Quadrocopter-Bauweise betrieben, darüber hinaus auch mit mehr Rotoren, wie Hexa- oder Octocopter. Weiterhin gibt es Ausführungen mit einem Mantelpropeller als Hubgebläse, wie z. B. der Honeywell RQ-16 T-Hawk, Aurora Golden Eye oder ST Aero FanTail, deren Abgrenzung zu den klassischen Heckstartern darin besteht, das der Auftrieb während des gesamten Fluges überwiegend durch die Drehflügel erzeugt wird und diese UAVs nicht in den aerodynamischen Horizontalflug übergehen (Transition).

Kombinationsflugschrauber

Kombinationsflugschrauber, auch Compounds genannt, sind eine Kombination aus einem Flugschrauber und einem Starrflügelflugzeug. Wie beim Flugschrauber wird der hauptsächliche Vortrieb nicht durch den Hauptrotor erzeugt. Beim senkrechten Start erzeugt der Hauptrotor den Auftrieb während beim Horizontalflug Schub- und/oder Zugtriebwerke den Vortrieb übernehmen. Tragflächen oder sogar festgestellte Rotoren (Stopprotorflugzeug) übernehmen dann den Auftrieb. Durch diese Konfiguration können zum einen höhere Flugleistungen zum anderen eine Effizienzsteigerung gegenüber einem Hubschrauber erzielt werden. Ein Beispiel hierfür ist der Sikorsky Dragon Warrior.

Wandelflugzeuge

Wandelflugzeuge, auch als Verwandlungsflugzeuge oder Verwandlungshubschrauber bezeichnet, nutzen beim Senkrechtstart die Konfiguration eines Hubschraubers mit einem oder mehreren zumeist horizontal angeordneten Rotoren. Beim Übergang (Transition) zum Horizontalflug werden die Rotoren zur Erzeugung des Vortriebs umkonfiguriert. Dies geschieht häufig durch Kippen des Rotors mitsamt den Tragflächen (Kippflügel), als auch durch Kippen der Rotoren allein (Kipprotor oder auch Tiltrotor genannt). Sie kombinieren die Vorteile von Drehflüglern und Starrflügelflugzeugen. Beispiele hierfür sind Bell Eagle Eye oder IAI Panther, der noch einen zusätzlichen horizontalen Rotor besitzt, der jedoch, im Gegensatz zu den anderen zwei Propellern, nicht gekippt werden kann.

Es gibt auch ein erstes VTOL UAV in einer Strahlflugzeug-Ausführung. Excalibur von Aurora Flight Sciences erzeugt den Auftrieb bzw. Vortrieb durch ein einzelnes kippbares Strahltriebwerk. Die Steuerung bzw. Stabilisierung erfolgt über drei integrierte Mantelpropeller.

Starrflügelflugzeuge

Die Heckstarter (Tail Sitter)-VUAVs Skytote von AeroVironment, V-Bat von MLB Company oder Flexrotor von Aerovel[4] sind in der Erprobung. Hier wird der Propeller kurzzeitig genutzt zu schweben bzw. das UAV auf die Geschwindigkeit zu beschleunigen, die nötig ist, um genug Auftrieb an den Tragflächen für den Horizontalflug zu erzeugen.

Ornithopter

Ornithopter, auch Schlagflügelflugzeug genannt, sind dem Flügelschlag von Vögeln nachempfunden. Seit kurzem gibt es erste funktionsfähige, ferngesteuerte Ornithopter mit Kameraausstattung, die für Micro-Air-Vehicle-Anwendungen vorstellbar wären.

Luftschiffe

Luftschiffe als UAVs sind ebenfalls in der Realisierungsphase. Der überwiegende Vorteil besteht in der langen Ausdauer von mehreren Tagen.

Vor- und Nachteile

Besondere Vorteile gegenüber bemannten VTOL-Systemen bieten die VUAV bei der Schadenserkundung in lebensfeindlichen eng umgrenzten Umgebungen, wie z. B. nach einem Kernreaktor-Unfall. Im Gegensatz zu klassischen Starrflügel-UAVs kann zudem im schwebenden Zustand eine kleinere Beobachtungsdistanz eingenommen werden.

Die Nachteile liegen gerade bei den elektrisch betriebenen VUAVs in der relativ kurzen maximalen Einsatzdauer von bisher 20 bis 30 min. Erste Versuche mit Brennstoffzellen[5][6][7] konnten diese Zeit jedoch, zumindest bei Starrflüglern, vervierfachen. Auch die hybriden Konzepte versprechen einen deutlich ökonomischeren und schnelleren Horizontalflug, womit gleichzeitig eine erhöhte Reichweite einhergeht. Des Weiteren gibt es erste Konzepte, wie die Akkus von VUAVs in der Luft über Laserenergie geladen werden können.[8]

Abgrenzung zwischen UAVs und flugfähigen RPVs

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) und Remotely Piloted Vehicles (RPVs) (hier: Luftfahrzeuge) sind in der Regel beide über Funk fernsteuerbar. Ein UAV unterscheidet sich jedoch vom RPV in der Tatsache, dass ein UAV immer über ein Flight Control System (FCS) verfügt und sich auch ohne Funkverbindung in der Luft halten kann. Gleichzeitig sorgt ein weiteres System dafür, dass ein UAV autonom im Luftraum navigieren kann.

Einsatzspektren

Eingesetzt werden VTOL UAVs derzeit beim Militär, bei Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS) und in der Luftbildfotografie. Der Einsatz von VUAVs ist gerade erst in der Anfangsphase und es gibt derzeit vielfältige Ansätze zur zivilen Nutzung.

Ziviler Einsatz
Inspektionen/ Werkschutz
  • Offshore-Anlagen (z. B. Windparks, Plattformen)
  • Hafenanlagen (z. B. Containerterminal, Hafeneinfahrt)
  • Großindustrieanlagen (z. B. Raffinerien, Kraftwerke, Tanklager, Schornsteine)
  • Überlandleitungen
  • Windkraftanlagen
  • Pipelines
Umwelt-/ Naturschutz
  • Überwachung des Waldbestandes bzw. -zustandes
  • Schadensausmaßerkundung nach Ölverschmutzung
  • schnelle Messung einer örtlichen Luftverschmutzung
  • schnelle Messung einer örtlichen Wasserverschmutzung
Artenschutz
  • Überwachung der Einhaltung von Fischerei-Fangquoten
  • Überwachung von Tierbeständen (z. B. Fisch- bzw. Meeressäugetierbestände, Bestände in Nationalparks, Meeresvögel, Zugvögel)
Denkmalschutz
  • Überprüfung der Struktur geschützter Gebäude
  • Schutz vor Raubgrabungen
Überwachung von weiträumigen Sportveranstaltungen (z. B. Regatten, Rallyes, Marathonläufe)
Luftbildfotografie/ Fernsehaufnahmen
Landwirtschaft[9][10]
  • Optimierung der Erntezeiträume
  • Erkundung von Ernteschäden
  • Überwachung von Freilandherden
Forschung und Wissenschaft
  • Luftbildarchäologie

Einsatz im Aufgabenbereich der Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS)
SAR (Search and Rescue)
  • Suche nach Vermissten
  • Suche nach Verschütteten
  • Suche nach Schiffbrüchigen
Katastrophenschutz
  • Schadensausmaßerkundung bei Naturkatastrophen (z. B. Unwetter, Überschwemmungen, Schnee- und Schlammlawinen, Groß- bzw. Flächenbränden, Erdbeben, Tsunami, Vulkanaktivität)
  • Schadensausmaßerkundung bei Katastrophen technisch-biologischer Art (z. B. Kernreaktor-Unfälle, Chemie- oder Ölunfälle)
  • Messung der Ausbreitung von giftigen (Brand)Gasen
  • Unterstützung der Einsatzkoordination durch Live-Bilder
öffentliche Sicherheit
  • Überwachung von Großveranstaltungen/ -demonstrationen
  • Beitrag zur Aufklärung von Verbrechen
  • Verkehrsüberwachung
Kommunikationsrelais zur Vergrößerung der Reichweite

Militärischer Einsatz

(Quelle:[11])

  • CSAR (Combat Search and Rescue)
  • Kommunikationsrelais (z. B. zur Anforderung von CSAR-Kräften, zur Vergrößerung der Reichweite)
  • Material-Nachschub
  • Begleitschutz (z. B. Konvoi-Schutz)
  • Patrouillen-Flüge
  • Spähflüge
  • taktische Aufklärung (z. B. in urbanen Gelände oder sogar innerhalb von Gebäuden, BDA)
  • Überwachung
  • Zielmarkierung
  • Kampfmittelsuche (z. B. Minen- bzw. IED-Detektion, Aufspüren von ABC-Verseuchung)
  • Elektronische Kampfführung
  • Einsatz von Kampfmitteln (z. B. leichte Lenkflugkörper)

Beispielanwendungen
VTOL-Konzept Steuerung el. Antrieb max. Abfluggewicht max. Flugdauer Bezeichnung
OrnithopterRPVJa19 g8 minAeroVironment Nano Hummingbird
QuadrocopterUAVJa1 kg30 minAirRobot AR-100B
QuadrocopterUAVJa1,3 kg20 minAeryon Labs Inc. Scout
HubgebläseUAVJa1,5 kg25 minEMT Fancopter
HubgebläseUAVJa6 kg33 minSelex Galileo Asio
HubgebläseUAVNein8,4 kg40 minHoneywell RQ-16 T-Hawk
Wandelflugzeug (Kipprotor)UAVJa12,3 kg90 minIAI Mini-Panther
HubschrauberUAVNein13 kg60 minEADS Scorpio
Hubschrauber (Koaxial)UAVNein45 kg90 minSwiss UAV KOAX X-240
Wandelflugzeug (Kipprotor)UAVJa65 kg6 hIAI Panther
HubgebläseRPVNein154 kg3 hSikorsky Cypher
Hubschrauber (Koaxial)UAVNein190 kg4 hEADS Sharc
HubschrauberUAVNein200 kg5 hSaab V-150 Skeldar
HubschrauberUAVNein200 kg6 hSchiebel Camcopter S-100
KombinationsflugschrauberUAVNein645 kgBoeing X-50
HubschrauberUAVNein690 kg8 hEADS Orka
Wandelflugzeug (Kipprotor)UAVNein1020 kg8 hBell Eagle Eye
HubschrauberUAVNein1430 kg8 hNorthrop Grumman MQ-8 Fire Scout

Rechtliche Situation (Deutschland) Stand 18. März 2011

Für die Betreiber und Hersteller von UAVs ist der Betrieb dieser Luftfahrtgeräte in Deutschland noch nicht hinreichend geregelt. Derzeit gibt es diverse Bestrebungen zur Integration von UAVs in den Luftraum[12][13]. Hier sollen Erkenntnisse zu den Anforderungen an die Lufttüchtigkeit sowie zu der Teilnahme am Flugverkehr (Flugbetrieb in den jeweiligen Lufträumen, Vermeidung von Kollisionen, Einhaltung der Ausweichregeln) gewonnen werden. Es soll nachgewiesen werden, dass eine sichere Teilnahme am Flugverkehr mit UAVs möglich ist. Es werden u. a. Notlandeverfahren, die Robustheit von Datenlinks und die Sensorik geprüft.

Bislang finden die Vorschriften für unbemannte Flugzeuge nach § 4a Luftverkehrsordnung (LuftVO) (zuletzt geändert durch Art. 1 G vom 18. Januar 2010 I 11) i. V. m. § 1 Abs. 2 Nr. 11 (sonstige für die Benutzung des Luftraums bestimmte Geräte) Luftverkehrsgesetz (LuftVG) Anwendung, sofern sie im Luftraum in einer Höhe von mehr als 30 m über Grund oder Wasser betrieben werden. Über 30 m hinaus ist es nach § 15a Abs. 3 LuftVO verboten unbemannte Luftfahrtgeräte zu betreiben, wenn sie mehr als 25 kg wiegen oder wenn sich der Steuerer außerhalb der Sichtweite zum UAV befindet. Was unter der Sichtweite zu verstehen ist, definiert ebenfalls § 15a Abs. 3 LuftVO. Darüber hinaus bedarf der Aufstieg von unbemanntem Luftfahrtgerät im Sinne von § 1 Abs. 2 Nr. 11 LuftVG der Erlaubnis der zuständigen Behörde nach § 16 Abs. 1 u. 3 LuftVO.

Im Unterschied dazu muss für Flugmodelle die Erlaubnis der zuständigen Behörde nur eingeholt werden, wenn das Flugmodell schwerer als 5 kg ist, näher als 1,5 km an der Begrenzung von Flugplätzen oder mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet ist und näher als 1,5 km an Wohngebieten betrieben wird. Das Flugmodell grenzt sich rechtlich von einem unbemannten Luftfahrtgerät durch die Nutzungsweise ab. Während ein Flugmodell ausschließlich zum Zwecke des Sports oder der Freizeitgestaltung (§ 1 Abs. 1 Nr. 8 LuftVZO) betrieben werden darf, wird spätestens bei montierter Kamera, wie es bei einem UAVs regelmäßig üblich ist, dieser Zweck angezweifelt.[14]

Somit müssen UAVs mit einer höchstzulässigen Startmasse von über 25 kg einzeln zugelassen werden. Es gelten ähnliche Zulassungsvorschriften wie bei manntragenden Flugzeugen. Der Betrieb derartiger UAVs setzt außerdem den Besitz eines (Modell)Pilotenscheins voraus und ist nur auf dafür zugelassenen Fluggeländen möglich.

Bei der Polizei ist eine fachliche Qualifikation zum "Luftfahrzeugfernführer" zur Bedienung der UAVs nötig und kann im Rahmen einer zweitägigen Fortbildung erworben werden.

Vorschläge zu einer gesetzlichen Neuregelung zum Betrieb kleinerer UAVs unter 150 kg gibt es bereits. Über 150 kg Abflugmasse hinaus gilt europäisches Recht (Anwendung von »Part 21« durch EG-VO 1702/2003).[15]

Siehe auch

Literatur
  • Sven Angermann, Andreas Frahm: Entwicklung eines unbemannten Flugsystems(VTOL UAV): Auslegung und Konstruktion einer 4-rotorigen, schwebenden Messplattform für Nutzlastanforderungen von bis zu 10 kg. VDM, 2009, ISBN 978-3-639-22109-1.
  • Reg Austin: Unmanned Aircraft Systems: UAVS Design, Development and Deployment. John Wiley and Sons, 2010, ISBN 978-0-470-05819-0.
  • Kimon P. Valavanis: Advances in unmanned aerial vehicles – State of the art and the road to autonomy. Springer, Dordrecht 2007, ISBN 978-1-4020-6113-4.
  • Office of the Secretary of Defense: Unmanned Systems Roadmap 2007 – 2032 bei Federation of American Scientists, 188 Seiten (PDF; 12 MB). 10. Dezember 2008, abgerufen am 18. September 2020.
Commons: VTOL UAV – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise
  1. http://www.fas.org/irp/program/collect/usroadmap2007.pdf DoD USA: Unmanned Systems Roadmap 2007 - 2032
  2. http://www.military.com/features/0,15240,168741,00.html Military.com: Hover and Stare: FCS Testing UAVs
  3. Sophisticated High End UAV Technology (Memento vom 24. September 2010 im Internet Archive) Aeryon Labs Inc.: Perch-and-stare Capability
  4. http://www.suasnews.com/2011/08/7831/video-of-aerovel-flexrotor-transition sUAS News: Aerovel Flexrotor Transition
  5. http://www.avinc.com/resources/press_release/aerovironment_puma_small_uas_achieves_record_flight AeroVironment: AeroVironment Puma Small UAS Achieves Record Flight of Over Nine Hours Using Fuel Cell Battery Hybrid System
  6. Horizon Energy Systems - Products (Memento vom 15. März 2011 im Internet Archive) Horizon Energy Systems: AEROPAK - Fuel Cell Propulsion System for Unmanned Aerial Vehicles
  7. http://www.engr.colostate.edu/~thb/Publications/Conceptual%20Design%20of%20FCUAV%20v2.4.4.pdf Thomas H. Bradley et al: Design Studies for Hydrogen Fuel Cell Powered Unmanned Aerial Vehicles (PDF)(0,84 MB)
  8. UAV Power Links (Memento vom 14. April 2011 im Internet Archive) LaserMotive: UAV Power Links
  9. http://www.suasnews.com/2011/08/6580/aerial-farm-aid sUAS News: Aerial Farm Aid
  10. http://www.suasnews.com/2011/04/4977/two-year-research-project-targets-agricultural-productivity sUAS News: Agricultural Productivity
  11. http://www.insidegnss.com/auto/janfeb08-wp.pdf Maria de Fátima Bento: Unmanned Aerial Vehicles: An Overview (PDF)(0,43 MB)
  12. UAV Dach Working Group (Memento vom 10. Oktober 2010 im Internet Archive) UAV D-A-CH: Deutschsprachige Arbeitsgruppe für Unbemannte Luftfahrzeuge (UAV)
  13. http://www.bdli.de/index.php?option=com_bdliboard&view=forums&layout=forum&fid=37&Itemid=15 BDLI: Fachausschuss UAV
  14. Verordnung zur Änderung der LuftVO und anderer Vorschriften des Luftverkehrs vom 27. Januar 2010 (BGLI. 2010 Teil I Nr. 2S. 11 ff.) S. 13, buzer.de
  15. https://euro-police.noblogs.org/2010/03/unbemannte-luftfahrzeuge-ziviles-luftrecht-und-seine-auswirkungen-auf-den-milit-rischen-bereich Prof. Dr. jur. Elmar Giemulla, Technische Universität Berlin: Unbemannte Luftfahrzeuge – Ziviles Luftrecht und seine Auswirkungen auf den militärischen Bereich
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