Fliegend Daten sammeln
Der ISTAR soll künftig helfen, das Wissen zum automatisierten und unbemannten Fliegen zu erweitern. Das Besondere am neuen Forschungsflugzeug des DLR: Es besitzt einen digitalen Zwilling. Er sammelt alle Daten, die der echte Flieger in seinen Einsätzen generiert.
Knapp zwei Jahre lang wurde die Dassault Falcon 2000 in Frankreich als eines der ersten Modelle ihrer Serie auf eine zweite Karriere als Forschungsflugzeug mit den entsprechenden Einbauten vorbereitet. An diesem Januarmorgen wird das Flugzeug von vielen fleißigen Händen auf Hochglanz poliert. Ein kurzer Schauer überrascht die Beteiligten beim Rollen zum Hangar, in dem die feierliche Übergabe stattfinden soll. Und so wird noch schnell alles blank gerieben, bevor der große Moment der Schlüsselübergabe kommt und ein neues Kapitel der DLR-Luftfahrtforschung aufgeschlagen wird.
Gerüstet für die Umrüstung
Doch zurück zum Anfang: Im April 2018 schloss das DLR auf der Internationalen Luftfahrtmesse ILA in Berlin den Kaufvertrag mit Dassault. Am Sitz des französischen Flugzeugherstellers in Bordeaux erhielt der Twinjet zunächst Sensoren, Halterungen, neue Kabelwege und weitere Modifikationen nach DLR-Spezifikationen – alles Vorbereitungen für den Einbau der Basismessanlage. Diese zentrale Einheit in der ISTAR-Kabine wird zukünftig neben der Erfassung aerodynamischer Eckdaten des Flugzeugs gleichzeitig Signale der Experimentalsensoren und -antennen aufzeichnen. Dazu gehört eine Arbeitsstation mit zwei Plätzen für Flugversuchsingenieure, die die Experimente und Daten während des Fluges überwachen und steuern. Bis zum Sommer 2020 wird die Basismessanlage von DLR-Ingenieuren in Braunschweig integriert. Mit ihr wird ISTAR dann zunächst als Flugversuchsträger in den Bereichen Aerodynamik, Aeroelastik, Strukturen und Antrieb eingesetzt. ISTAR steht dabei für In-flight Systems & Technology Airborne Research.
Digitaler Zwilling als treuer Begleiter
Nun liegen in Bordeaux-Mérignac zwei Scheren auf einem roten Samtkissen, die Bänder sind gespannt und der DLR-Luftfahrtvorstand Prof. Rolf Henke sowie der Leiter der DLR-Flugexperimente Burkard Wigger stehen bereit. Stolz und Freude über den Neuankömmling sind ihnen anzusehen. „Unser jüngstes Forschungsflugzeug entwickelt sich zu einem Allrounder für eine optimierte Aerodynamik, Flugführung und Flugregelung. Auch ermöglicht ISTAR einen neuen großen Schritt hin zur Digitalisierung der Luftfahrt. Wir werden für ihn einen digitalen Zwilling erschaffen, der ihn sein ganzes Flugzeugleben begleiten wird“, sagt Prof. Henke. Nach der Übergabe fährt DLR-Testpilot Jens Heider gemeinsam mit einem Kollegen von Dassault auf die Rollbahn und gegen 14 Uhr ist der Take-off. Dieser Flug schließt die erste Umbauphase ab. In den nächsten Wochen, Monaten und Jahren stehen Forschungsflüge und neue Projekte im Dienste der Wissenschaft auf dem Programm.
Um jede Bewegung beim Flug zu erfassen, werden zahlreiche Beschleunigungsaufnehmer außen am Flugzeug angebracht. Diese erfassen auch, wie Schwingungen gedämpft werden.
Ein DLR-Projekt, das den ISTAR in den ersten drei Jahren eng begleiten wird, ist HighFly (High speed inflight validation). Es verbindet die Einarbeitung der DLR-Wissenschaftler auf dem neuen Flugversuchsträger mit dem Aufbau der Instrumentierung. Ab Mitte 2020 sollen erste Messflüge starten, bei denen die Forscher unter anderem flug-mechanische und flugdynamische Eigenschaften bei spezifischen Flugmanövern erfassen. Im Herbst 2020 folgen ein Taxi Vibration Test (TVT) sowie ein Ground Vibration Test (GVT). Bei diesen Untersuchungen werden die Schwingungseigenschaften gemessen. Beim GVT steht das Flugzeug, während es beim TVT rollt. Um jede Bewegung zu erfassen, werden Wissenschaftler aus dem Göttinger DLR-Institut für Aeroelastik zusätzlich zu den fest installierten Beschleunigungssensoren zahlreiche weitere Beschleunigungsaufnehmer außen am Flugzeug anbringen. Diese erfassen auch, wie die angeregten Schwingungen gedämpft werden.
Bis an die Grenzen der Fliegbarkeit
Ab 2021 wird das den ISTAR-Aufbau begleitende Projekt HighFly in eine zweite Phase gehen: Lasermesstechnik, Spezialkameras und Mikrofone erfassen turbulente Strömungen und deren Akustik hinter dem laufenden Triebwerk. Dabei kommt die im DLR in Göttingen entwickelte Methode Particle Image Velocimetry (PIV) zum Einsatz: Sie macht mit kleinsten lichtstreuenden Partikeln Strömungsmuster im gepulsten Laserlicht sichtbar. 2022 wird die Aerodynamik des ISTAR mit den neuesten Messtechniken des DLR in Braunschweig erfasst. Hierbei wird das neue Forschungsflugzeug an die Grenze seiner fliegerischen Leistungsfähigkeit gebracht. Die Ergebnisse dieser Versuche dienen dazu, Computermodelle zur Strömungssimulation zu verbessern und neue Flugzeuge exakter, leichter und energieeffizienter auszulegen.
Diese Forschungsarbeiten und Modifikationen der ersten Jahre sind wichtig, um Wissenschaftler und Piloten mit dem neuen Mitglied der großen DLR-Forschungsflugfamilie − übrigens mit zwölf Flugzeugen und Hubschraubern die größte zivile Forschungsflotte Europas − vertraut zu machen. 2023 wird ISTAR erneut zu Dassault nach Frankreich fliegen, um dort ein experimentelles System zur elektronischen Flugsteuerung (Fly By Wire) und einen experimentellen Autopiloten zu erhalten. Hiermit können automatisierte Pilotenassistenzsysteme erprobt werden, einschließlich des automatischen Rollens und Startens. Das System wird auch für Tests zur Integration unbemannter Luftfahrzeuge in den kontrollierten Luftraum zum Einsatz kommen. Mitte der Zwanzigerjahre folgt dann der dritte und finale Ausbauschritt bei Dassault. Dann können mit dem ISTAR Flugeigenschaften neuer Flugzeugentwürfe real oder virtuell, bemannt oder unbemannt, unter realen Betriebsbedingungen getestet werden. Sein digitaler Zwilling wird mit sämtlichen Daten über den ganzen Lebenszyklus von ISTAR gefüttert. Mit ihm wird die aktuelle Betriebsphase des realen Flugzeugs gespiegelt, aber auch Umbauten, Wartung und Instandhaltung sowie operationelle Aspekte werden nachvollzogen und gemanagt.
Abheben in die Zukunft
Am 31. Januar 2020 gegen 16 Uhr steht die Sonne tief über den Wolken und ISTAR geht in den Anflug auf den Forschungsflughafen Braunschweig. Die internationale Luftfahrtcommunity verfolgt die Anreise über die sozialen Medien. Erwartungen und Vorfreude auf das neue, vielseitige Forschungsflugzeug sind schier mit Händen zu greifen. Am Boden warten bereits Fotografen, Kameraleute und zwei Feuerwehr-Löschfahrzeuge für den standesgemäßen Empfang. Nach dem Aufsetzen erhält der Neuankömmling zur Begrüßung eine Dusche durch zwei Feuerwehrfahrzeuge. Vor dem DLR-Hangar ist ISTAR mit dem Sonnenuntergang in seiner neuen Heimat angekommen. Mit den Eindrücken dieses Fluges blickt DLR-Luftfahrtvorstand Prof. Rolf Henke nach vorn: „Es ist genau das richtige Flugzeug für das DLR, für die jetzige Zeit, für die Forschung, die vor uns liegt.“
Text: Falk Dambowsky
Dieser Artikel ist zuerst im DLRmagazin 164 des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt erschienen.
