Das System fliegt – der Pilot steuert

Erklärtes Entwicklungsziel der Karlsruher e-volo GmbH ist es, das sicherste Luftsportgerät der Welt zu bauen. Außerdem soll das völlig neuartige, senkrechtstartende Fluggerät, der Volocopter, leicht zu fliegen und emissionsfrei sein. So ist beim ersten bemannten, elektrisch betriebenen Hubschrauber im Gegensatz zu herkömmlichen Hubschraubern die Mechanik auf ein Minimum beschränkt. Somit ist das 2-sitzige Fluggerät der Ultraleichtklasse außerordentlich wartungsarm. Ein umfassendes Redundanzkonzept für alle elektronischen Bauteile ermöglicht auch beim Ausfall mehrerer Antriebe ein sicheres Weiterfliegen und ein sicheres Landen. Gesteuert wird der Volocopter ausschließlich mit einem Joystick. Damit ist im Unterschied zu jedem anderen Fluggerät die Handhabung extrem einfach. Die Emissionsfreiheit erreicht das Karlsruher Unternehmen durch auswechselbare Energiequellen wie Wechselakkus. Auf Wunsch ist auch eine serielle Hybridlösung möglich.

 

Entwicklungsplan – Modulare Plattform für bemannte und unbemannte Flugsysteme

Das revolutionäre Sicherheits-, Steuerungs- & Antriebssystem des Volocopters wird zukünftig als Plattform für weitere Fluggeräte dienen. Es ist die perfekte Plattform sowohl für senkrecht-startende bemannte Luftfahrzeuge als auch für Schwerlastdrohnen. Das Flugkonzept des Volocopters erlaubt pilotierten, ferngesteuerten oder sogar voll-autonomen Flugbetrieb. Damit werden in Zukunft unterschiedlichste Einsatzzwecke möglich. Die modularen Flugsysteme können in verschiedenen Größenklassen entwickelt werden. Dabei kann je nach Bedarf ein rein elektrischer oder hybrider Antrieb zum Einsatz kommen. Je nach Nachfrage wird die Produktfamilie in den kommenden Jahren systematisch um bemannte und unbemannte Systeme erweitert.

 

Sicherheit

Das zentrale Element der Sicherheit beim Volocopter ist das umfassende Redundanzkonzept seiner Bauteile. So sind alle sicherheitsrelevanten Systeme mehrfach vorhanden, überwachen sich gegenseitig und gleichen den eventuellen Ausfall einer Komponente sofort aus, indem sie deren Aufgaben mit übernehmen. Selbst beim Ausfall mehrerer Antriebe beispielsweise kann der Volocopter noch sicher weiterfliegen und landen. Der Systemsicherheitscheck über alle Komponenten vor dem Flug erfolgt auf Knopfdruck automatisch und meldet nach erfolgreicher Überprüfung die Betriebsbereitschaft. Bei Turbulenzen muss der Pilot nicht eingreifen, denn diese werden vom Gerät automatisch kompensiert. Dabei reagiert das System bedeutend schneller als der Pilot, nämlich in einem Bruchteil einer Sekunde. Selbst wenn der Pilot einmal die räumliche Orientierung verlieren sollte, bietet das System eine Lösung an. Durch Drücken eines Notknopfes bleibt der Volocopter in der Luft stehen, wird stabilisiert und schwebt langsam zu Boden. Darüber hinaus ist der Volocopter mit einem Gesamtrettungssystem in Form eines Fallschirms ausgestattet. An diesem sinkt das komplette Fluggerät im Notfall sicher zu Boden.

 

Wartungsarm

Beim herkömmlichen Hubschrauber ist die Mechanik durch komplizierte Antriebs- und Steuermechanismen sehr aufwändig, dadurch ist die Wartung äußerst kostenintensiv. Beim Volocopter dagegen erfolgt die Steuerung ohne jegliche mechanische Teile, wodurch er wartungsarm ist. Auch laufen die Lager der Elektromotoren und der Rotoren nahezu verschleißfrei, folglich beschränkt sich deren Wartung auf ein Minimum. So ist der Volocopter wesentlich günstiger im Verbrauch, in der Pflege und in der Wartung als ein herkömmlicher Helikopter.

 

Einfach zu fliegen

Das Beherrschen eines Luftfahrzeuges setzt bisher großes fliegerisches Können des Piloten voraus, um die Fluglage zu überwachen und zu korrigieren. Einen senkrecht startenden und landenden Volocopter zu fliegen ist dagegen für den Piloten sehr einfach, da dieser von selbst fliegt, denn die Sensorik überwacht den Flugzustand. Das heißt, der Pilot gibt mittels Joystick die Richtung wie vorwärts, nach rechts, nach links, hinauf und hinunter vor und die Elektronik stellt den gewünschten Flugzustand her. Die adaptive Fluglageregelung hält den Volocopter dann stabil in der Luft. Damit ist im Unterschied zu jedem anderen Fluggerät die Handhabung kinderleicht.

Der Pilot muss sich keinerlei Gedanken um Gleitwinkel, Mindestgeschwindigkeiten, Strömungsabriss, Gemischregelung, Pitchverstellung und viele andere Dinge machen, die in der herkömmlichen Fliegerei so anspruchsvoll sind, denn er gibt nur die Richtung vor. Über der Kabine trägt ein ringförmiges Gestell 18 Elektromotoren, die für den Auftrieb sorgen und zur Steuerung dienen. Jeder von ihnen treibt einen eigenen Rotor an. Die Rotoren erzeugen den gesamten Auftrieb und sorgen zusätzlich durch gezielte Drehzahländerung für die Steuerung. Dabei sind an den Rotoren im Gegensatz zum herkömmlichen Hubschrauber keinerlei Mechaniken zur Blattverstellung notwendig. Die automatische Lageregelung und die Richtungssteuerung erfolgen mit mehreren unabhängigen und sich gegenseitig überwachenden Bordcomputern, die jeden Motor separat in seiner Drehzahl regeln. Ein optionaler zusätzlicher Schubantrieb kann langfristig ein noch schnelleres Fliegen ermöglichen.

 

Grüne Luftfahrt

Der Zukunftstrend bezüglich der Mobilitätsentwicklung geht eindeutig zu umweltfreundlichen Technologien: angefangen beim Auto, über das E-Bike bis hin zum Volocopter. e-volo ist das erste Unternehmen, das einen serientauglichen Hubschrauber mit einem elektrischen Antrieb entwickelt. Dieser ist zudem erheblich leiser und reduziert somit die Lärmbelästigung. Die Emissionsfreiheit erreicht das Karlsruher Unternehmen durch auswechselbare Energiequellen wie Wechselakkus. Ist derzeit eine Akku-Flugdauer von ca. 20 Minuten realisierbar, wird dies in naher Zukunft schon eine Stunde und mehr sein. Um schon jetzt Flugzeiten von mehreren Stunden zu realisieren, werden die 2-sitzigen Volocopter als seriell-hybride Elektrofluggeräte entwickelt. Hierzu wird ein Verbrennungsmotor einen Generator antreiben, der wiederum Akkumulator und Elektromotoren mit Strom versorgt. Andere, sich in der Entwicklung befindliche Technologien, wie zum Beispiel für das System geeignete Hochleistungsbrennstoffzellen, können zukünftig auch als Energieversorgung auch in Frage kommen.

Der Volocopter:

  • ist sicher
  • fliegt wie ein Hubschrauber
  • ist extrem einfach zu fliegen
  • bekommt in Deutschland eine eigene Luftfahrtklasse
  • wird elektrisch angetrieben
  • bezieht Energie aus Akkus oder seriellem Hybrid
  • erzeugt keine Lärmbelästigung
  • ist wartungsarm
  • verursacht extrem niedrige Betriebskosten
  • fliegt bis zu 100 km/h schnell
  • wiegt mit Insassen 450 kg
  • ist ein 2-Sitzer
  • dient als Plattform für weitere bemannte und unbemannte Fluggeräte


Technische Beschreibung des Volocopters


Der Volocopter, dessen Struktur aus Faserverbundwerkstoffen in Leichtbauweise gefertigt ist, beherrscht neben dem Reiseflug die Fähigkeit zum senkrechten Starten und Landen sowie auf der Stelle schweben. Der Volocopter VC200 ist voll elektrisch angetrieben. Die Elektromotoren der 18 Antriebseinheiten werden von neun unabhängigen Akkus versorgt. Der Leistungsbedarf des VC200 beträgt im Schwebezustand bei einem Abfluggewicht von 450 kg je nach Luftdruck/Temperatur in etwa 45 kW. Der Volocopter erreicht systemweit einen hohen Grad an Ausfallsicherheit durch redundante Auslegung. Dieses Prinzip realisiert der VC200 in allen für einen sicheren Flugbetrieb nötigen Systemteilen und -komponenten. Die für den der Schwerkraft entgegengesetzten Auftrieb nötige Schubkraft erzeugen beim Volocopter mehrere individuell und unabhängig angetriebene Rotoren mit jeweils zwei feststehenden Blättern. Im Unterschied zum Hubschrauber kann beim VC200 der Anstellwinkel der einzelnen Rotorblätter nicht verstellt werden. Die Größe der erzeugten Schubkraft wird daher einzig durch die Drehzahlen der einzelnen Rotoren bestimmt.

Durch geeignete Kombination der durch Drehzahlunterschiede der einzelnen Rotoren erzeugten Drehmomente um die Hochachse (Nicken/Rollen) und senkrecht dazu (Gieren) sowie durch Verändern des von allen Rotoren gemeinsam erzeugten Gesamtschubes kann der Volocopter alle drei rotatorischen Freiheitsgrade (Nicken, Rollen, Gieren) und aufgrund der festen Ausrichtung der Rotoren einen translatorischen Freiheitsgrad (vertikal, „nach oben/unten“) direkt beeinflussen. In Kombination mit dem Lagewinkel kann er insgesamt jedoch Flugbewegungen in allen sechs rotatorischen und translatorischen Freiheitsgraden ausführen, zusätzlich indirekt auch horizontal („nach vorne/hinten“ und „nach rechts/links“).

Obwohl der Volocopter aufgrund seiner mehreren Rotoren mit festem Blattanstellwinkel zunächst instabile Flugeigenschaften aufweist, sorgt sein mehrfach redundantes Flugsteuerungssystem für eine exakte Fluglage- und Positionsstabilität, die im Vergleich zu herkömmlichen Luftfahrzeugen sogar wesentlich stabiler ist. So folgt er exakt den Pilotenvorgaben und gleicht äußere Einflüsse weitestgehend selbständig aus. Dies entlastet den Piloten, der den Volocopter so auch in schwierigen Umgebungsbedingungen sicher steuern kann.

Das Flugsteuerungssystem besteht aus mehreren vollständig unabhängigen Einheiten. Jede Flugsteuerungseinheit beinhaltet einen vollständigen Satz Lagesensorik, bestehend aus Druckmesser, Gyroskope, Beschleunigungsmesser und Magnetfeldmesser für alle drei Raumachsen. Jede Flugsteuerungseinheit ist in der Lage den VC200 zu steuern. Gesteuert wird der Volocopter einhändig mittels eines Joysticks. Dabei steuert der Pilot alle Flug-Achsen intuitiv mit Achs- und Drehbewegungen des Joysticks. Die Pilotenvorgaben für Steigen und Sinken erfolgen mit einem Daumen-Höhenregler. Zur Landung drückt der Pilot den Höhenregler einfach komplett nach unten, bis der Volocopter am Boden steht. Die Steuerung verlangsamt im Bodeneffekt automatisch das Sinken und der Volocopter setzt sanft auf.

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Kathrin Mohr

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