Auslegung und Simulation von hochfliegenden, dauerhaft stationierbaren Solardrohnen:
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2000
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INHALTSVERZEICHNIS
III
INHALTSVERZEICHNIS
1 EINLEITUNG
1
1.1 HOCHFLIEGENDE FLUGZEUGE MIT UNBEGRENZTER FLUGDAUER.1
1.2 STAND DER TECHNIK.2
1.2.1 ZUSAMMENSTELLUNG VON HALE-FLUGZEUGEN.2
1.2.2 FORTSCHRITTE DER LETZTEN JAHRE.4
1.2.2.1 SOLARTECHNIK. 4
1.2.2.2 ENERGIESPEICHERUNG.4
1.2.2.3 ELEKTRONIK.5
1.2.2.4 WERKSTOFFE, BAUWEISEN.5
1.3 ZIEL UND INHALT DER ARBEIT.
7
1
.4
STRUKTURIERUNG DER VORLIEGENDEN ARBEIT
.
8
2 GRUNDKONZEPT DES NUTZLASTTRAEGERS 9
2.1 KONZEPTION EINER HOCHFLIEGENDEN SOLARDROHNE.9
2.1.1 ENERGIEVERSORGUNG UND ANTRIEBSSYSTEM.9
2.1.2 ERFORDERLICHE HORIZONTALFLUGLEISTUNG.10
2.1.3 OPTIMALE FLUGHOEHE EINER SOLARDROHNE.12
2.1.4 FLUGZEUGKONFIGURATION.12
2.2 ABGRENZUNG GEGENUEBER ANDEREN NUTZLASTTRAEGERKONZEPTEN.13
2.3 VERGLEICH SOLARLUFTSCHIFF - SOLARFLUGZEUG.15
2.3.1 ALLGEMEINE LUFTSCHIFFTECHNIK.15
2.3.2 VERWENDBARKEIT DES LUFTSCHIFFS ALS HOEHENPLATTFORM.15
2.3.2.1 MODELLIERUNG DES LUFTSCHIFFS. 16
2.3.2.2 AUSLEGUNG EINES HOEHEN-SOLARLUFTSCHIFLFS.18
2.3.2.3 VERGLEICH VON LUFTSCHIFF UND FLUGZEUG.20
3 MODELLIERUNG DER FLUGZEUGSYSTEME UND DER
UMGEBUNGSBEDINGUNGEN 22
3.1 ATMOSPHAERE.22
3.2 SONNENSTRAHLUNG.23
3.2.1 MODELLIERUNG DER SONNENSTRAHLUNG.25
3.2.2 VERIFIKATION DES STRAHLUNGSMODELLS.31
BIBLIOGRAFISCHE INFORMATIONEN
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INHALTSVERZEICHNIS
3.3 WIND.33
3.4 SOLARSTROMERZEUGUNG.36
3.4.1 SOLARZELLEN.36
3.4.1.1 SOLARZELLENTYPEN.36
3.4.1.2 WIRKUNGSGRADVERHALTEN VON SI-SOLARZELLEN.38
3.4.1.2.1 STROM- SPANNRINGS KENNLINIE.38
3.4.1.2.2 TEMPERATURABHAENGIGKEIT.38
3.4.1.2.3 ABHAENGIGKEIT VOM STRAHLUNGSSPEKTRUM.39
3.4.1.2.4 ABHAENGIGKEIT VON DER STRAHLUNGSINTENSITAET.41
3.4.1.2.5 VERHALTEN IM GENERATOR.42
3.4.1.2.6 EINBETTUNG.42
3.4.1.2.7 ZELLENSELEKTION.42
3.4.1.2.8 MESSUNGEN DES WIRKUNGSGRADES DER SOLARPANEL DES
DEMONSTRATIONSMODELLS.43
3.4.1.3 BETRIEBSTEMPERATUR DER EINGEBAUTEN SOLARZELLEN.43
3.4.1.4 ZUSAMMENFASSUNG SOLARZELLENMODELLIERUNG.46
3.4.2 MAXIMUM POWER POINT TRACKER.47
3.5 ENERGIESPEICHERUNG.48
3.5.1 SCHWUNGRAD.48
3.5.2 KONDENSATOREN.49
3.5.3 AKKUMULATOREN.49
3.5.4 REGENERATIVE BRENNSTOFFEELLE.50
3.5.4.1 VORBETRACHTUNG GESAMTSYSTEMWIRKUNGSGRAD.52
3.5.4.2 BRENNSTOFFEELLE.54
3.5.4.2.1 AUFBAU EINER BRENNSTOFFEELLE.A.54
3.5.4.2.2 FUNKTIONSWEISE EINER BRENNSTOFFEELLE.55
3.5.4.2.3 CHARAKTERISTISCHE DATEN AUSGEFIIHRTER BRENNSTOFFZELLEN.56
3.5.4.2.4 KENNLINIEN EINER BRENNSTOFFZELLE.58
3.5.4.2.5 MODELLIERUNG DES BRENNSTOFLFEELLENSYSTEMS.60
3.5.4.3 ELEKTROLYSEUR.61
3.5.4.4 H2/02-TANK.63
3.5.4.4.1 SEPARATE TANKS.64
3.5.4.4.2 INTEGRIERTE TANKS.65
3.5.4.4.3 ZUKUNFTSAUSSICHTEN.65
3.6 ELEKTROMOTOR UND GETRIEBE.66
3.7 PROPELLER.70
3.7.1 PROPELLERAUSLEGUNGSMERKMALE.70
3.7.1.1 UNGESTOERTER PROPELLER.70
3.7.1.2 INSTALLATIONSVERLUSTE DES PROPELLERS.72
3.7.2 PROPELLERMASSE.73
INHALTSVERZEICHNIS
V
3.8 AERODYNAMIK.74
3.8.1 PROFILWAHL.76
3.8.2 BERECHNUNG DER DRUCKVERTEILUNGEN AN FLUEGEL UND LEITWERK.78
3.8.3 AERODYNAMIK VON EBENEN PLATTEN.78
3.9 STABILITAET UND STEUERBARKEIT.81
3.9.1 EINFLUESSE SCHWENKBARER ZUSATZFLAECHEN.81
3.9.1.1 LAENGSSTABILITAET MIT ZUSATZFLAECHEN.81
3.9.1.2 SEITENSTABILITAET MIT ZUSATZFLAECHEN.82
3.9.2 DYNAMISCHE STABILITAET MIT ZUSATZFLAECHEN.82
3.10 STRUKTUR.84
3.10.1 BAUWEISEN.84
3.10.2 MASSENMODELLE.85
3.10.3 TRAGFLUEGEL UND LEITWERK.86
3.10.3.1 LASTANNAHMEN UND DIMENSIONIERUNG DER FLUEGELSTRUKTUR.86
3.10.3.2 FLUEGELMASSENMODEL].88
3.10.4 GEWICHTE VON RUMPF, SEITENLEITWERK UND ZUSATZFLAECHEN.90
3.11 WEITERE UNTERSYSTEME.90
3.11.1 FAHRWERK.90
3.11.2 ELEKTRISCHE LEITUNGEN.91
3.11.3 AKTUATOREN.92
3.11.4 AVIONIK.93
4 RANDBEDINGUNGEN UND FLUGFUEHRUNG EINES HOCHFLIEGENDEN
SOLARFLUGZEUGS 94
4.1 GESAMTSYSTEMKOMPONENTEN.94
4.2 NUTZLASTANFORDERUNGEN.95
4.3 ZULASSUNG, VERSICHERUNG, RECHTLICHE ASPEKTE.96
4.3.1 LUFTFAHRZEUGE UNTER 20 KG ABFLUGGEWICHT [82].96
4.3.2 LUFTFAHRZEUGE UEBER 20 KG ABFLUGGEWICHT [32, 82].96
4.3.3 BAUVORSCHRIFTEN UND LASTANNAHMEN.98
4.4 FLUGFUEHRUNGSSTRATEGIEN.98
4.4.1 AUTONOMIEGRAD UNBEMANNTER FLUGZEUGE. 98
4.4.2 HARDWAREVORAUSSETZUNGEN/SENSORKONZEPT
99
VI
INHALTSVERZEICHNIS
4.4.3 FLUGPHASEN.100
4.4.3.1 START UND LANDUNG.100
4.4.3.2 NOTFALLVERFAHREN.102
4.4.3.3 FLUG NACH WAY-POINTS.102
4.4.3.4 POSITIONIERUNG.102
5 BESCHREIBUNG DER AUSLEGUNGS- UND SIMULATIONSSOFTWARE 105
5.1 BESCHREIBUNG VON SALT UND SAMS.105
5.1.1 SALT - SOLAR AIRCRAFT LAYOUT TOOL [70].105
5.1.2 SAMS - SOLAR AIRCRAFT MISSION SIMULATOR.107
5.1.3 ENTWICKLUNGSGESCHICHTE DER PROGRAMME.109
5.2 VERIFIZIERUNG DER SOFTWARETOOLS.109
5.2.1 PATHFINDER.110
5.2.2 VELAIR 89.111
5.2.3 SUNRISE II.112
5.2.4 SOLARFLUGMODELL WS 16.113
6 KONFIGURATIONSENTWICKLUNG EINES HOCHFLIEGENDEN SOLARFLUGZEUGS 115
6.1 BESCHREIBUNG VERSCHIEDENER AUSLEGUNGSKONZEPTE.115
6.1.1 PRINZIPIELLE ZIELKONFLIKTE.115
6.1.2 ANBRINGUNG DER SOLARZELLEN AUF DER FLUEGELOBERSEITE.115
6.1.3 VOR- UND NACHTEILE VON ZUSATZSOLARFLAECHEN. 117
*
6.1.4 AUSLEGUNGSKONZEPTE.118
6.2 AUSWAHL VON GRUND-KONFIGURATIONEN.119
6.2.1 DEFINITION DER RANDBEDINGUNGEN.119
6.2.2 ALLGEMEINE UEBERLEGUNGEN.119
6.2.3 AUSGEWAEHLTE KONFIGURATIONEN.120
6.2.3.1 NURFLUEGEL.120
6.2.3.2 ZWEIFLAECHEN-FLUGZEUG MIT ZUSATZSOLARFLAECHEN.122
6.3 PARAMETERVARIATIONEN UND VERGLEICH DER KONFIGURATIONEN.124
6.3.1 POLARE / ENVELOPE / ERZIELBARE FLUGHOEHE.124
6.3.2 AUSLEGUNG DES ENERGIESPEICHERSYSTEMS.127
6.3.3 EINFLUSS DES BREITENGRADES.128
6.3.4 VARIATION VON MASSE UND LEISTUNGSBEDARF DER NUTZLAST.131
INHALTSVERZEICHNIS
VII
6.3.5 GROESSE DER SOLARFLAECHEN.133
6.3.6 VERTEILUNG DER SOLARZELLEN AUF FLUEGEL UND ZUSATZPANELS.134
6.3.7 FALTBARE SOLARPANELS.135
6.3.8 EINFLUSS DES SOLARZELLENWIRKUNGSGRADES.136
6.3.9 EINFLUSS VON MASSE UND WIRKUNGSGRAD DES
ENERGIESPEICHERSYSTEMS. T.136
6.3.10 POSITIONIERUNGSEINFLUESSE.137
6.3.11 MAXIMAL MOEGLICHE NUTZLAST.138
6.3.12 STATIONIERUNGSWAHRSCHEINLICHKEIT.139
6.4 BAU UND FLUGERPROBUNG DER SOLITAIR 1 KONFIGURATION.141
6.4.1 BESCHREIBUNG DES DEMONSTRATIONSMODELLS.141
6.4.1.1 KONFIGURATION, STRUKTUR.141
6.4.1.2 ZUSATZSOLARFLAECHEN, ANTRIEB.142
6.4.1.3 FERNSTEUERUNG.142
6.4.1.4 MESSANLAGE.142
6.4.2 ERGEBNISSE DER FLUGERPROBUNG.143
6.4.2.1 FLUGEIGENSCHAFTEN. 144
6.4.2.2 FLUGLEISTUNGEN.145
6.5 VORSCHLAG FUER EINE VERBESSERTE SOLITAIR KONFIGURATION.147
6.5.1 ANWENDUNGSBEREICH.147
6.5.2 KONFIGURATIONSBESCHREIBUNG.147
6.5.3 FLUGLEISTUNGEN, ENVELOPE, STATIONIERUNGSWAHRSCHEINLICHKEIT.148
7 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 152
8 ANHANG 1: HALE FLUGZEUG BESCHREIBUNGEN 154
8.1 BEMANNTE FLUGZEUGE. 154
8.2 UNBEMANNTE FLUGZEUGE.158
9 ANHANG 2: DATEN VERSCHIEDENER KONFIGURATIONEN 162
LITERATURVERZEICHNIS
174 |
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