Unbemannte Luftfahrzeuge könnten mit weniger Energie länger in der Luft bleiben, wenn sie die scheinbar unlogische Wanderfalken-Schwebestrategie verwenden würden.
Analyse von Aufwind und Steigstrategie nach Reichmanns Regeln.
Thermische Aufwinde (Thermik) entstehen durch die Erwärmung der Oberflächenluftschicht in bestimmten Gebieten des Territoriums. Piloten und Vögel nutzen solche Strömungen, um an Höhe zu gewinnen oder ihre Sinkgeschwindigkeit zu verlangsamen. Bei kleinen Motorflugzeugen hilft die Thermik ihnen, länger in der Luft zu bleiben, wodurch die Energiekosten gesenkt werden. Es überrascht nicht, dass Entwickler von unbemannten Luftfahrzeugen (UAV) nach optimalen Strategien suchen, um Aufwinde zu finden und auszunutzen.
Es gibt eine Reihe von Regeln, die Segelflieger beim Kreisen in der Thermik anwenden. Diese Regeln wurden vom deutschen Piloten Helmut Reichmann formuliert:
1. Wenn die Steiggeschwindigkeit zunimmt, erweitern Sie die Helix, indem Sie den Querneigungswinkel verringern.
2. Wenn die Steiggeschwindigkeit abnimmt, komprimieren Sie die Helix, indem Sie den Querneigungswinkel erhöhen.
3. Bleibt die Steiggeschwindigkeit konstant, lasse den Spiralradius unverändert.
Reichmanns Regeln funktionieren ganz gut, haben aber noch einige Einschränkungen. Beispielsweise können Turbulenzen einen Piloten verwirren, indem sie den Eindruck erwecken, er befinde sich in einer Thermik, oder umgekehrt - einen vorhandenen Aufwind maskieren.
Es gibt andere Ansätze. Beispielsweise haben Forscher vor kurzem damit begonnen, GPS-Daten und Querneigungswinkelinformationen im Flug gegen die vertikalen Geschwindigkeiten des Flugzeugs entlang einer Route zu analysieren. Diese Analyse ermöglicht es Ihnen, die Parameter der Thermik zu bewerten und effizienter zu nutzen. Das Problem des beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass es beträchtliche Rechen- und Energieressourcen erfordert. Und für UAVs ist dieser Faktor entscheidend.
Zsuzsa Ákos von der Universität Eötvös in Ungarn bietet zusammen mit einer Gruppe von Kollegen einen anderen Ansatz. Nachdem sie den Flug der Wanderfalken mit Videokameras und GPS verfolgt hatten, stellten die Forscher fest, dass diese hochfliegenden Meister eine Strategie anwenden, die kontraintuitiv erscheint: Anstatt sich in eine Richtung zu drehen, um in derselben Thermik zu bleiben, ändern die Vögel ständig die Richtung der Spiralen.
Auf den ersten Blick sieht es seltsam aus: Ändert man die Richtung der Spirale, befindet sich der Flieger schnell außerhalb des Aufwinds. Aber Akos und ihre Kollegen haben einen solchen Flug simuliert und argumentieren, dass es eine gewisse Logik gibt. Der Schlüssel zum Verständnis dieser Logik ist, dass die Atmosphäre mit Aufwinden gefüllt ist, die sich auf sehr komplexe Weise durch den Raum ausbreiten. Laut dem von den Wissenschaftlern erstellten Modell ermöglicht die Änderung der Richtung der Spirale dem Flieger, die Luft gründlicher zu "fühlen", was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass er die beste Thermik findet. Dieser Ansatz ist am effektivsten in turbulenten Atmosphären.
Die neue Strategie ist rechnerisch einfach und erfordert wenig Energie für die Implementierung. UAVs können länger fliegen und das Flugverh alten des Wanderfalken nachahmen.
Die Arbeit ungarischer Forscher kann jedoch nicht als vollständig bezeichnet werden. Unklar ist beispielsweise, wie genau der neue Ansatz effektiver ist als die gleichen Reichmann-Regeln. Laut Akos demonstrieren die Simulationen die Überlegenheit der Umleitungsstrategie für relativ kleine thermische Durchmesser, während die Reichmannschen Regeln für große Strömungen angewendet werden sollten, die leichter von turbulenten Störungen zu unterscheiden sind.
Wissenschaftler müssen noch im Detail untersuchen, wie Vögel dieses Problem lösen. Die Natur hatte etwas mehr Zeit, um an dem Problem zu arbeiten, als UAV-Entwickler. Und obwohl Wissenschaftler bereits damit begonnen haben, evolutionäre Algorithmen zu verwenden, um Lösungen zu finden, müssen sie noch viel von Vögeln lernen.
Für Informationen darüber, wie Thermik von Flugzeugen genutzt wird, deren Piloten am Boden bleiben, lesen Sie den Artikel Soaring: Quiet Freedom.
