Digital Zachering
Digital Zachering – Ein überregionales Messprojekt der Akaflieg Karlsruhe
Das Sondermessprojekt „Digital Zachering“ der Akaflieg Karlsruhe hat die Grundidee, den Flugzustand eines Segelflugzeuges möglichst gut mit einfachen Mitteln abzubilden. Die ersten Messflüge konnten Anfang August auf dem Sommertreffen der idaflieg durchgeführt werden.
Das Sommertreffen wird von der idaflieg (Interessengemeinschaft Deutscher Akademischer Fliegergruppen) organisiert. Besondere Unterstützung kommt dabei vom Deutschen Zentrum für Luft-und Raumfahrt (DLR) und dem Luftfahrtbundesamt (LBA).
Beim Sommertreffen kommen Mitglieder aller deutschen Akafliegs für drei Wochen zusammen, um das wissenschaftliche Fliegen zu üben und diverse Sondermessprojekte (SMPs) durchzuführen. Diese Sondermessprojekte können Erprobungsflüge von Prototypen oder aber ganz andere Forschungsprojekte, wie eben das Digital Zachering, sein. Das Großartige ist, dass man sich bei der Veranstaltung mit vielen Experten aus ganz Deutschland austauschen kann. Zudem werden die Kosten für die Messflüge vom DLR übernommen.
Das Zachern ist einer der Hauptschwerpunkte des Sommertreffens. Es dient der systematischen Erfassung der Flugeigenschaften eines Flugzeuges und gleichzeitig der Ausbildung von Piloten im Bereich des wissenschaftlichen Fliegens. Dabei müssen die Piloten diverse Steuereingaben geben und beobachten wie sich das Flugzeug verhält. Die erfassten Daten werden auf Papier festgehalten. Mit dem Digital Zachering wird zusätzlich zu der handschriftlich erfassten Beobachtung eine digitale Aufnahme der Flugbewegung realisiert.
Aufbau der Messbox
Als Herzstück des Messsystems dient ein Pixhawk Autopilot für unbemannte Luftfahrsysteme (UAS). Die Cube- und Ardupilot-Projekte sind dabei für uns besonders interessant, da sie Open-Source sind. Es können also alle Hardware- und Softwarekomponenten nachvollzogen werden und eigene Weiterentwicklungen sind dank guter Dokumentation für viele Studenten realisierbar. Mit dem CubePilot ist es uns möglich, zuverlässig umfangreiche Datensätze zu generieren. Er verfügt sowohl über ein internes Sensorsystem zum Flugzustand und bietet darüber hinaus viele Schnittstellen für externe Messtechnik. Neben des GPS- und lagebasieren Navigationssystems haben wir für Erfassung der Strömung und des Flugzustanden in dieser Kampagne ein einfaches Prandtl-Rohr, sowie einen Temperatur- und Feuchtesensor verwendet.
Pixhawk Autopilot im Messpod 
Einfaches Prandtl-Rohr auf der Oberseite des Messpods
Eine weitere Herausforderung war das aerodynamische Gehäuse der Box. Diese wurde am Institut für Mikroverfahrenstechnik am KIT aus SLA-Harz gedruckt. An diesem Institut konnten wir auch schon OpenAccess 5-Lochsonden (The Oxford Probe), mittels BinderJetting, additiv fertigen. Eine Oxford-Sonde soll im Winter in das Messsystem integriert werden. Das spannende an diesen Sonden ist, dass sie nicht im Windkanal kalibriert werden müssen (Hall and Povey 2017). Wir wollen diese Sonden erstmals für die Flugdatenerfassung einsetzen.
SLA gedruckte Messbox vor der Nachbehandlung 
„Gedruckte“ 5-Lochsonden vor dem Sintern (The Oxford Probe)
Auswertung der Daten
Einige Wochen vor Beginn unserer Messkampagne auf dem idaflieg-Sommertreffen haben wir tatkräftige neue Teammitglieder aus der Akaflieg Braunschweig gewonnen. Die Akaflieg Braunschweig arbeitet ebenfalls an Konzepten zur Flugdatenerfassung und -auswertung. Unverhofft kommt oft und so führen wir das Projekt jetzt überregional durch, ganz im Sinne der idaflieg. In Brauschweig wurde ein Online-Tool, speziell für die Auswertung der Messpoddaten entwickelt. Hiermit können Piloten ihre Flugdaten interaktiv mit einer Python-basierten Web-App auswerten. Es geht insbesondere darum einzelne Flugmanöver schnell und einfach in den Daten zu markieren und mit zusätzlichen Metadaten zu versehen. Dabei sind interessante Punkte zum Beispiel die erflogenen Manöver, in welcher Flugzeugkonfiguration gestartet wurde oder besonderheiten des Wettergeschehens. Mit diesen Metadaten wird die Auswertung der Manöver in Nachgang wesentlich vereinfacht, vor allem wenn längere Zeit zwischen dem Flug und der Auswertung liegt. Die Web-App ist auch eine hervorragende Möglichkeit für Piloten, den eigenen Flug und die Erfahrung unter Einbezug von echten Messdaten zu rekapitulieren.
Zulassung und Dokumentation
Schon im letzten Jahr haben wir eine – damals noch kastenförmige – Messbox entwickelt. Die Sensoren, im Speziellen Fünflochsonde, Inertia Navigation System, Druck-, Feuchte – und Temperatursensoren wurden von der Arbeitsgruppe Umweltphysik an der Uni Tübingen bereitgestellt. 2020 konnten einige Unklarheiten bei der Zulassung nicht ausgeräumt werden. Daher haben wir uns entschlossen für das Jahr 2021 einige grundsätzliche Änderungen im Design, wie oben beschrieben, umzusetzen.
Durch diese Erfahrung war bereits im Vorfeld klar, welche Punkte wir bei der Zulassung beachten müssen. Dies ist auch für die Gruppe eine gute Möglichkeit gewesen, um sich an der Zulassung von (Mess-)Anbauten zu versuchen. Insbesondere haben wir ganz am Anfang, gemeinsam mit Werner „Micro“ Scholz von der SFL GmbH, eine Liste von möglichen Szenarien entworfen, die sicherheitsrelevant sind und daher gleich in der frühen Konzeption für die Zulassung berücksichtigt werden müssen. Für uns war besonders die Festigkeit beim Crashfall entscheidend. Hierbei musste nachgewiesen werden, dass der gesamte Verbund auch im Crashfall am Leitwerk haften bleibt und somit auch nicht ins Cockpit einschlägt. Durch die Rechnungen konnten wir nachvollziehen dass der Verband sehr sicher am Leitwerk haftet. Einen anderen, wichtigen Punkt stellte die Lage des Schwerpunktes und der sich daraus verändernde Trimmplan dar. Bei Interesse kann gerne auf das gesamte Know-How der Zulassung zurückgegriffen werden. (Anfragen an: messpod@akaflieg-karlsruhe.de)
Zur Dokumentation gibt es einen Gitlab Repository, auf welchen jede interessierte Person Zugriff bekommen kann. Zudem sind die Gesichtspunkte der Zulassung auf dem idaflieg-Server hinterlegt. Bei weiteren Fragen kann man sich gerne jeder Zeit an die Akademische Fliegergruppe Karlsruhe wenden.
Erste Ergebnisse
Nach vielen Monaten der Vorbereitung ging es auf das Sommertreffen. Hier konnten wir am Donnerstag, dem 12.08.2021, endlich zum ersten Flug mit der Box starten. Es war ein voller Erfolg! In der Auswertung konnten wir erste Plots generieren. So wurden einige Vollkreise bei 100 km/h Fahrtmesseranzeige geflogen. Diese ließen sich auch in der Datenmenge wiederfinden.
Höhenplot des ersten Messfluges 
Vergleich von Ground, Indicated und True Airspeed
Leider konnte die zweite Woche des Sommertreffens, in der die Breitenerprobung des Messsystems geplant war, nicht mit gutem Wetter punkten. Daher konnten leider keine weiteren Messflüge durchgeführt werden. Das ist zwar schade, aber kein Genickbruch, da die AK-8 schon darauf wartet die Messanlage in Rheinstetten auszuführen. Und wir freuen uns auch schon sehr darauf.
Die Daten des Sommertreffens geben uns bereits wichtige Informationen und zeigen auf wo wir das System weiter verbessern können.
In der Zukunft hoffen wir, dass wir den Messpod als Teil eines modularen Systems ohne spezifische Sensoren zulassen können. Dann könnten andere Forschungsgruppen auf uns zukommen und ihre Sensoren und Sonden einbauen lassen. Dies würde den Gruppen dabei helfen, dass sie bei der Erprobung ihrer Sensoren und Sonden nicht auf Drohnenflug zurückgreifen müssten. Außerdem gewinnt die Akaflieg Karlsruhe an Erfahrung.
Das Projektteam ist auf jeden Fall schwer begeistert vom Digital Zachering. Daher könnt ihr euch darauf freuen, bald von weiteren Fortschritten (und vielleicht auch Rückschlägen) zu hören.
Für Anfragen, Rückmeldungen und Anregungen schreibt gerne an: messpod@akaflieg-karlsruhe.de
Referenz:
B. Hall and T. Povey (2017). „The Oxford Probe: an open access five-hole probe for aerodynamic measurements.“ Measurement Science and Technology 28(3).
