Modelle und Methoden zur Bestimmung von Lasten durch Drohnenaufprall auf Luftfahrzeugstrukturen

Unbemannte Luftfahrzeuge, auch bekannt als Drohnen, erfreuen sich immer größerer Beliebtheit. Sie werden für die verschiedensten Einsatzzwecke und in allen Größen verwendet. Es gibt kleine Spielzeugdrohnen von wenigen Gramm Abfluggewicht bis hin zu Militärdrohnen, die mit kommerziellen Transportflugzeugen in Bezug auf Größe und Masse vergleichbar sind. Die Einsatzzwecke reichen von Überwachung und Fotografie bis hin zu Lieferdiensten und verschiedenen Freizeitaktivitäten. Durch diese Zunahme von unbemannten Luftfahrzeugen im Luftraum steigt auch das Risiko einer Kollision mit einem bemannten Luftfahrtgerät. Dies wird als Drohnenschlag bzw. Drohnenaufprall bezeichnet.

Bisher werden Drohnenschläge auf Luftfahrzeugstrukturen durch Impactexperimente und Simulationen untersucht. Diese sind enorm zeit- und kostenintensiv und eignen sich dadurch nicht zur schnellen Lastabschätzung im Rahmen eines Vorentwurfs. Ähnlich wie bei einem Vogelschlag soll der Ingenieur bei einem Drohnenschlag die auftretenden Lasten über einen analytischen Ansatz abschätzen und Strukturen darauf auslegen können, wodurch die Sicherheit von Piloten und Passagieren gewährleistet wird. In dieser Arbeit wird ein neues analytisches Berechnungsmodell entwickelt, um Kraft-Zeit-Verläufe im Falle eines Drohnenschlags bzw. Mehrkörperimpacts berechnen zu können. Die Grundlage für dieses neue Modell bildet das Flugzeugaufprallmodell, welches auf dem Impulserhaltungssatz basiert. Mit diesem Modell wird der Aufprall von fragmentierenden Projektilen beschrieben.

Dieses Modell wird mit einem Feder-Masse-Modell für den Aufprall von nicht-fragmentierenden Komponenten superponiert, wodurch sich das neue Drohnenschlagmodell ergibt. Das Drohnenschlagmodell wird durch Impacttestdaten und explizite Finite-Elemente-Simulationen (FE) validiert. Für die vollständige Drohne wird eine Ersatzstruktur entwickelt. Berechnungen und FE-Daten zeigen sehr gute Übereinstimmungen für Untersuchungen mit dem Ersatzmodell der Drohne. Insbesondere für starre Zielstrukturen ergeben sich nur geringfügige Abweichungen zwischen Analytik und Test- bzw. Simulationsdaten.

Bei der Anwendung des Drohnenschlagmodells auf Komponentenebene zeigen sich jedoch noch Defizite. Die Analytik liegt mehr als 20 % oberhalb der Verläufe aus den FE-Simulationen, sobald das Zielmodell signifikante Schäden zeigt. Das Berechnungsmodell eignet sich somit besonders für Impacts auf starre Strukturen. Es ermöglicht Analysen zum Einfluss des Designs auf die Kontaktkraft zwischen Projektil und Ziel und bietet dem Ingenieur eine Möglichkeit, auftretende Lasten bei einem Drohnenschlag im Rahmen eines Vorentwurfs abzuschätzen.