L2 UAS Flugleistungen
1. Masse und Gleichgewichtslage, Schwerpunktlage
Flugstabilität
2. Masse und Gleichgewichtslage, Schwerpunktlage
Flugstabilität - Schwerpunkt
Der Schwerpunkt ist der Punkt, an dem die Schwerkraft effektiv angreift un das UAS nach unten zieht
Er liegt tendenziell da, wo die Dichte des UAS besonder groß ist. Z. B am Akku
Für eine stabile horizontale Fluglage sollte der Schwerpunkt möglichst zentral liegen
Je niedriger der Schwerpunkt liegt…
Liegt der Schwerpunkt seitlich…
3. Masse und Gleichgewichtslage, Schwerpunktlage
Anbringen von Nutzlasten
Werden Nutzlasten angebracht, verschiebt sich der Gesamtschwerpunkt
Wie weit sich der Schwerpunkt verschiebt, ist abhängig von…
Nutzlasten mit großer Angriffsflächen aber niedriger Masse (Banner) können sich bei Wind aufschaukeln. Wobei starke Kräfte auf das UAS wirken, was zum Absturz führen kann
Wenn eine Nutzlast seitlich am UAS befestigt werden muss, sollte auf der gegenüberliegenden Seite ein Ausgleichsgewicht angebracht werden, damit sich der Schwerpunkt nicht zur Seite verlagert
Dabei muss beachtet werden, dass die maximal zulässige Masse der Nutzlast laut Herstellerangabe nicht überschritten wird und die Nutzlast nicht vor der Sensorik des UAS angebracht wird. Außerdem verlängert sich bei erhöhter Gesamtmasse auch der Bremsweg des UAS
4.1 Masse und Gleichgewichtslage, Schwerpunktlage
Schwerpunktlage bei Dreh- und Starrflüglern
Drehflügler:
Bei windigen Verhätlnissen verringert sich die Manövrierfähigkeit und die Akkulaufzeit. Verschiebt sich der Schwerpunkt zu weit zur Seite, kann es zum Absturz kommen
Multikopter mit 6 oder mehr Rotoren
Starrflügler
4.2 Masse und Gleichgewichtslage, Schwerpunktlage
Starrflügler:
Liegt bei Starrflüglern der Gesamtschwerpunkt vor den Tragflächenm muss am Höhenruder eine Kraft nach unten erzeugt werden, um die horizontale Fluglage stabil zu halten
Umgekehrt muss bei hinter den Tragflächen liegendem Gesamtschwerpunkt an Höhenruder eine Kraft nach oben erzeugt werden.
Seitlich verschobene Schwerpunkte müssen durch Gegensteuern der Quer- bzw. Seitenruder ausgeglichen werden
5 Masse und Gleichgewichtslage, Schwerpunktlage
Greifen / Auffangen von UAS
6. Sicherung von Nutzlast
Vor jedem Betrieb muss überprüft werden, dass die Nutzlast gesichert ist und die maximale Nutzlast nach Herstellerangaben nicht überschritten wird.
Möglichst vorgefertigte Sicherungsmechanismen von Hersteller verwenden und sichertellen, dass während des Fluges nichts verrutschen kann wobei sich die Schwerpunktlage plötzlich verschieben könnte.
Ausserdem darf die Nutzlast die sichere Durchführbarkeit von Start und Landung nicht beeinträchtigen
LQ2.1
Der Schwerpunkt eines UAS liegt tendenziell da, ...
... wo die Dichte besonders groß ist (z.B. bei den Akkus).
LQ2.2
Je niedriger der Schwerpunkt liegt, ...
... desto stabiler ist die horizontale Fluglage, aber desto träger sind auch die Lenkmanöver.
LQ2.3
Beim Anbringen von Nutzlasten am UAS verschiebt sich der Gesamtschwerpunkt abhängig von ...
... der Masse des UAS, der Masse der Nutzlast sowie der Entfernung der Nutzlast zum Schwerpunkt des UAS.
LQ2.4
Welche Nutzlasten neigen besonders dazu, sich bei Wind aufzuschaukeln?
Nutzlasten mit großer Angriffsfläche aber niedriger Masse (z.B. Banner).
LQ2.5
Bei erhöhter Gesamtmasse verlängert sich ...
... der Bremsweg des UAS.
LQ2.6
Welche Drehflügler können den Ausfall einzelner Rotoren teilweise kompensieren?
Multicopter mit 6 oder mehr Rotoren (z.B. Hexacopter).
LQ2.7
Liegt bei Starrflüglern der Gesamtschwerpunkt vor den Tragflächen, muss für eine stabile horizontale Fluglage ...
... am Höhenruder eine Kraft nach unten erzeugt werden.
LQ2.8
Bei der Sicherung der Nutzlast muss darauf geachtet werden, dass ...
... die maximal zulässige Nutzlast nach Herstellerangabe nicht überschritten wird, die Nutzlast während des Fluges nicht verrutschen kann und Start, Landung und Sensorik nicht beeinträchtigt werden.
7.1 Akkus - Elektrische Stromkreise
Ein einfacher elektrischer Stromkreis besteht aus einer Stromquelle mit elektrischem Plu- und Minuspol und einem elektrischen Verbraucher (z.B. Motor)
Dabei liefert die Stromquelle eine bestimmte elektrische Spannung U, die am Verbraucher einen elektrischen Strom I hervorruft.
Für ohmsche Verbraucher, deren Widerstand R unabhängig von der Spannung ist, gilt das ohmsche Gesetz I=U/R
So ein geschlossener Stromkreis mit Spannungsquelle aber ohne Verbraucher bzw. Widerstand stellt einen elektrischen Kurzschluss dar!
Zum Schutz vor Kurzschlüssen können Sicherungen eingebaut werden, die den Stromkreis automatisch unterbrechen, wenn die Stromstärke zu stark wird. Ausserdem sollten alle Bauteile durch elektrische Isolatoren vor versehentlichen Kontakt mit leitenden Materialien geschützt werden
Benötigt ein elektrischer Verbraucher eine bestimmte Spannung so kann dies mithilfe eines elektrischen Transformators umgewandelt werden. Bei kommerziellen Geräten ist dieser Transformator in der Regel im Netzteil enthalten.
Akkus können in Reihe geschaltet werden, um eine größere Spannung zu liefern. So können z. B. zwei Akkus mit einer Nennspannung von je 4,5V einen Verbraucher betreiben der 9V benötigt.
Bei Akkus muss außerdem berücksichtigt werden, dass diese nur über eine begrenzte Kapazität verfügen und Spannung und Stromstärke während des Betribs abnehmen.
Akkus können auch parallel geschaltet werden, um die Kapazität zu vergrößern und die Geschwindigkeit der Abnahme von Spannung und Stromstärke zu verringern oder um die maximale lieferbare Stromstärke zu vergrößern
7.2 Akkus - Elektrostatik
Durch Reibung können zwischen verschiedenen Materielaien Elektronen übertragen werden, wodurch statische elektrische Ladungen entstehen.
Diese Ladungen sind zwar im Allgemeinen für Menschen ungefährlich, ABER bei Entladung…
Außerdem können antistatische (=schwach leitfähige) Verpackungen und Werkzeuggriffe verwendet werden.
LQ2.9
Wann gilt das ohmsche Gesetz und wie berechnet man damit die elektrische Stromstärke I, die eine Stromquelle mit der elektrischen Spannung U an einem Verbraucher mit dem elektrischen Widerstand R hervorruft?
Die Stromstärke I kann für ohmsche Verbraucher, deren Widerstand R unabhängig von der Spannung U ist, mit der Formel I = U / R berechnet werden.
LQ2.10
Was ist ein elektrischer Kurzschluss?
Ein geschlossener Stromkreis mit Spannungsquelle aber ohne Verbraucher bzw. Widerstand.
LQ2.11
Elektrische Isolatoren (z.B. nichtleitende Kunststoffe wie Epoxidharz) sollten verwendet werden, um ...
... alle Bauteile eines elektrischen Stromkreises vor dem versehentlichen Kontakt mit leitenden Materialien (z.B. Kupfer, Aluminium, Carbonfasern) zu schützen.
LQ2.12
Bei kommerziellen Geräten enthält das Netzteil in der Regel einen ...
... elektrischen Transformator, der die Spannung der Spannungsquelle in eine geeignete Spannung für den Betrieb des Gerätes umwandelt.
LQ2.13
Um mit 2 Akkus mit einer Nennspannung von je 4,5 V einen Verbraucher zu betreiben, der 9 V benötigt, sollten die Akkus ...
... in Reihenschaltung zusammengeschaltet werden.
LQ2.14
Um die Kapazität oder die maximal lieferbare Stromstärke zu vergrößern, können mehrere Akkus ...
... in Parallelschaltung zusammengeschaltet werden.
LQ2.15
Zum Schutz vor statischen elektrischen Ladungen sollten beim Arbeiten mit sensibler Elektronik ...
... alle Bauteile und Werkzeuge sowie der eigene Körper geerdet werden.
7.3 Akkus - Funktionsweise und Kenngrößen von Akkumulatoren
Akkumulatoren bestehen aus wiederaufladbaren galvanischen Zellen, die durch eine elektrochemische RedoxReaktion Strom produzieren. Grundlage dieser Zellen sind zwei Elektroden aus unterschiedlichen Materielaien in einem Elektrolyt mit beweglichen Ionen.
Dabei neugt eine der Elektroden eher zur Abgabe von Elektronen (Anode, Oxidation) währen die andere eher zur Aufnahme von Elektronen (Kathode, Reduktion) neigt. Dadurch entsteht zwischen den beiden Elektroden eine elektrische Spannung.
Einfaches Beispiel für eine galvanische Zelle ist das Daniell-Element
Es besteht aus einer Zinkelektrode (Anode) in Zinksulfat-Lösung sowie einer Kupferelektrode (Kathode) in Kupfersulfat-Lösung.
Da Zink eher zur Oxidation neigt, werden dort Elektronen abgegeben.
Kupfer neigt hingegen eher zur Reduktion und nimmt Elektroden auf.
Dadurch entsteht an der Zinkelektrode ein Elektronenüberschuss. Verbindet man jetzt beide Elektronen mit einem Draht, so fließen die Elektronen von der Zinkelektrode zur Kupferelektrode; es fließt also ein elektrischer Strom. Eine weitere Vorraussetzung dafür ist, dass die negativ geladenen Sulfat-Ionen im Elektrolyt durch das Diaphragma fließen können, um den erhöhten Anteil positiver Zink-Ionen in der einen und den verringerten Anteil positiver Kupfer-Ionen in der anderen Halbzelle auszugleichen. In Laufe der Raktion nimmt die Konzentration der Sulfat-Ionen in der Kupfer-Halbzelle ab, wodurch immer weniger Sulfat-Ionen und Elektronen fließen können und der elektrische Strom schwächer wird. Durch Anlegen einer entgegengesetzten Spannung können diese chemischen Reaktionen zumindest teilweise umgekehrt werden und die Zelle wird somit für die nächste Verwendung wieder aufgeladen.
Je nach aufbau der Zelle unterscheiden sich die Eigenschaften verschiedener Akkumulatoren. Um verschieden Akkumulatir-Typen miteinander vegleichen zu können, werden die folgenden Kenngrößen benötigt:
LQ2.16
Akkumulatoren bestehen aus ...
... wiederaufladbaren galvanischen Zellen, die durch eine elektrochemische Redoxreaktion Strom produzieren.
LQ2.17
Wie unterscheiden sich Nennkapazität und Reservekapazität?
Die Nennkapazität gibt an, wieviel Ladung ein Akkumulator speichern kann und wird in Amperestunden oder Coulomb gemessen. Die Reservekapazität gibt hingegen an, wie lange ein Akkumulator mit seinem maximalen Entladestrom betrieben werden kann, und berechnet sich aus dem Verhältnis von Nennkapazität und Entladestrom.
LQ2.18
Der Kehrwert der Reservekapazität ist der sogenannte ...
... C-Faktor.
LQ2.19
Der Memory-Effekt beschreibt ...
... die Verringerung der nutzbaren Kapazität bestimmter Akkumulatoren bei häufiger Teilentladung. Dieser Effekt kann bei modernen Lithium-Ionen-Akkus jedoch vernachlässigt werden.
7.4 Akkus - Wichtige Akkumulator-Typen
Um die Akkulaufzeit von UAS zu maximieren, sollten Akkus mit möglichst hohem Energiegehalt bei möglischst niedrigem Gewicht, d. h. mit möglichst hoher Energiedichte verwendet werden.
Dafür werden in modernen UAS hauptsächlich Litium-Polymer-Akkus (LiPo-Akkus) verwendet
Der früher häufig verwendete Nickel-Cadmium-Akku ist aufgrund des hohen Gehalts an giftigen Cadmium in der EU verboten. Sein Nachfolger, der Nickel-Metallhybrid-Akku, ist eine kostengünstigere Alternative, erreicht jedoch nicht die hohen Energiedichten moderner Lithium-Akkus.
LQ2.20
Um die Akkulaufzeit von UAS zu maximieren, sollten Akkus mit möglichst hohem Energiegehalt bei möglichst niedrigem Gewicht, d.h. mit möglichst hoher Energiedichte verwendet werden. Dafür werden in modernen UAS hauptsächlich ...
... Lithium-Polymer-Akkumulatoren (LiPo-Akkus) verwendet.
7.5 Akkus - Lagerung, Verwendung, Gefahren von Akkumulatoren
LiPo-Akkus sollten normalerweise nur zu 70-80% der angegebenen Kapazität entladen werden. Ein Flug mit einem UAS sollte daher beendet werden, bevor der Ladestand auf unter 20% fällt.
Werden sie zu tief entladen, können sie Schaden nehmen. Meist ist dies durch Aufblähen des Akkus sehr gut zu erkennen. Ein aufgeblähter LiPo-Akku darf nicht mehr verwendet werden.
Defekte Akkus müssen fachgerecht entsorgt werden! Herstellerangaben beachten! Wenn sich der Akku während des Einsatzes erhitzt hat, sollte er erst geladen weden, nachdem er sich wieder auf Raumtemperatur abgekühlt hat.
Wenn die Kontakte wie etwa bei modernen Drohnen (DJI) geschützt sind und die Batterie über ein BMS (Battery Management System) verfügen, ist das Laden sehr einfach und sicher geworden.
Richtwert für neue LiPo-Akkus: ca. alle 3-6 Monate.
AKKU BEIM FLIEGEN IMMER INS HANDGEPÄCK!
NIEMALS SOLLTEN AKKUS IM GEPÄCK AUFGEGEBEN WERDEN!
ACHTUNG BEI TEMPERATUREN UNTER 15GRAD!
LQ2.21
LiPo-Akkus sollten normalerweise nur zu _____-_____ % der angegebenen Kapazität entladen werden, sonst können sie Schaden nehmen. Dies ist meist durch ______ des Akkus sehr gut zu erkennen. Defekte Akkus müssen fachgerecht ______ werden. Ein Flug mit einem UAS sollte daher beendet werden, bevor der Ladestand auf unter ______% fällt.
Wenn mit einem Akku gestartet wird, dessen Temperatur unter ______°C liegt, kann es zu einem Spannungseinbruch kommen, der zum Absturz des UAV führt. Daher sollten die Akkus ggfs. vorher erwärmt und nach dem Einsetzen deren Temperatur überprüft werden.
LiPo-Akkus sollten normalerweise nur zu 70-80% der angegebenen Kapazität entladen werden, sonst können sie Schaden nehmen. Dies ist meist durch Aufblähen des Akkus sehr gut zu erkennen. Defekte Akkus müssen fachgerecht entsorgt werden. Ein Flug mit einem UAS sollte daher beendet werden, bevor der Ladestand auf unter 20% fällt.
Wenn mit einem Akku gestartet wird, dessen Temperatur unter 15°C liegt, kann es zu einem Spannungseinbruch kommen, der zum Absturz des UAV führt. Daher sollten die Akkus ggfs. vorher erwärmt und nach dem Einsetzen deren Temperatur überprüft werden.
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