Da liegt was in der Luft

In den Anfängen der Verkehrsluftfahrt wurden sämtliche Steuerbefehle mithilfe von Seilzügen oder Schubstangen vollzogen. Dies brachte Vorteile: So konnten Kräfte ohne Verzögerung und ohne Verluste übertragen werden. Da die damaligen Flugzeuge klein waren, konnten die Piloten mit einfacher Muskelkraft alles bedienen. Ein modernes Grossraumflugzeug allein mit Muskelkraft zu fliegen, wäre allerdings völlig unmöglich.

Hydraulik

Um diese Kräfte aufzubringen, nutzt man die Technik der Hydraulik. Bereits im Jahr 1795 entwickelte ein Engländer namens Joseph Bramah eine mit Druckwasser betriebene, hydromechanische Maschine. Diese Maschine verwendete die Kraft des Wassers, um die vorhandene Muskelkraft um den Faktor 2000 zu vergrössern. Grundsätzlich eignet sich dafür jede Flüssigkeit. Durchgesetzt haben sich Hydrauliköle aufgrund ihrer chemischen und thermischen Eigenschaften.

So funktioniert's

Hydraulik ermöglicht es, über fast beliebige Distanzen Kräfte zu übertragen. Mit einer rein mechanischen Kraftübertragung benötigt man immer eine Welle oder Schubstangen und Seile, um einen Antrieb zu gewährleisten. In einem Flugzeug ist Platz aber knapp. Deshalb hat sich der Einsatz der Hydraulik schnell durchgesetzt. Da das gesamte System unter Druck stehen muss, benötigt man an Bord Pumpen, die ihn dauerhaft oder zweckbezogen (z. B. Fahrwerk) gewährleisten. Der Sicherheit halber sind hydraulische Systeme in solchen Anwendungen stets redundant ausgelegt.

Vor- und Nachteile hydraulischer Antriebe

Hydraulische Anlagen erzeugen sehr hohe Drücke und somit grosse Kräfte auf kleinem Raum. Bei einmal aufgebautem Druck kann ein hydraulischer Antrieb die gewünschte Position ohne zusätzlichen Energieaufwand beliebig lange halten.

Hier liegt aber auch eine Schwachstelle hydraulischer Systeme: Dort, wo hohe Drücke entstehen, ist der Energieverlust im Falle von Leckagen hoch. In den verwendeten Leitungen können neben Leckagen zudem Verschmutzungen auftreten. Die Viskosität des Hydrauliköles ist darüber hinaus abhängig von der Aussentemperatur, und durch die Kompressibilität des Öls treten weitere Druckverluste auf. Hauptargument gegen Hydraulik in zukünftigen Fluggeräten ist aber ihre hohe Masse. Aus Sicherheitsgründen müssen sie mit viel Marge ausgestattet und redundant aufgebaut sein. Das macht sie sehr schwer. Kurz: Hydraulische Antriebe sind anfälliger und wartungsaufwendiger als ihre elektrischen Gegenstücke.

Vor- und Nachteile elektrischer Antriebe

Elektrische Antriebe gelten als leicht regelbar. Während der Bewegung verbrauchen sie weniger Energie als hydraulische Antriebe. Sie arbeiten weitestgehend ruckelfrei. Neue Möglichkeiten der Integration in die Flugzeugstruktur und in das Steuerungssystem erweitern die Anwendungsmöglichkeiten deutlich. Im Vergleich zu hydraulischen Systemen ist ein elektrisches Antriebssystem einfacher zu installieren. Es benötigt in den allermeisten Anwendungen weniger Platz, da keine Schläuche und Pumpen vorhanden sind, die regelmässig gewartet werden müssen. Ein elektrischer Antrieb hat eine lange Lebensdauer und benötigt keine oder kaum Wartung. Die initialen Investitionskosten liegen zwar höher, durch den günstigeren Betrieb amortisieren sich diese aber schnell.

Nachteile werden elektrischen Antrieben bei der Linearbewegung in Verbindung mit einem hohen Kraftaufwand nachgesagt. Und wie bereits angesprochen: Ein hydraulischer Antrieb kann ohne weitere Energiezufuhr in einer belastenden Position verharren, währenddessen ein Elektromotor diese während des gesamten Vorgangs aufrechterhalten muss, um die nötige Kraft aufzubringen.

Spannung hoch – Strom runter

Analog der Automobiltechnik gehen die Entwickler von Elektro-Flugzeugen den Weg der hohen Bordspannung. Leistung ist das Produkt aus Spannung mal Strom. Geht man mit der Systemspannung für Aktoren und Steuereinheiten sowie Antriebsysteme wie Propeller hoch, so fliessen nurmehr geringe Ströme. Dies erlaubt den Einsatz dünnerer und somit leichterer Kabel. So lässt sich Masse einsparen. Bei der Unmenge an Kabeln, welche in einem Flugzeug verbaut wird, kommt da einiges zusammen. Wenig Masse führt zu einem geringeren Energieverbrauch, das Fluggerät erlaubt grössere Reichweiten.

Zuverlässigkeit und Sicherheit

Selbstredend werden an zukünftige Elektro-Flugzeuge dieselben Anforderungen bezüglich Sicherheit gestellt wie bis anhin. Ganz einfach ist das aber nicht: Für ein Flugzeug muss man einiges an Leistung bereitstellen. Systemspannungen von rund 1000 V und Leistungen von mehreren Hundert kW sind hier gefordert. Der Einsatz redundanter Systeme versteht sich von selbst. Hierbei werden verschiedenste Konzepte verfolgt. Eine mit vier Propellern ausgestatte Drohne (Quadcopter) etwa muss schliesslich auch in der Lage sein, sicher zu landen, wenn eines der vier Antriebsysteme ausfällt.

Anforderungen

Diese Daten stellen extremste Anforderungen an die elektrische Absicherung, an ein Fail Safe-Konzept. Solche Sicherungen sind für Dauerströme von mehreren Hundert Ampere ausgelegt, müssen im Fehlerfall sehr zuverlässig, präzise und schnell unterbrechen können und verfügen über ein Ausschaltvermögen von mehreren kA bei 1 kV. Zudem müssen sie klein, leicht und absolut zuverlässig sein.

Erfahrungen aus der Raumfahrt

SCHURTER, seit 2008 einziger qualifizierter Lieferant von Sicherungen der European Space Agency (MGA-S und HCSF), weiss um die Probleme, welche solche Anforderungen an eine Sicherung bezüglich Entwicklungs- und Prozessqualität stellen. Auf Basis der bereits verfügbaren UMT-W, einer ultrakompakten, pulsfesten SMD-Sicherung mit einem Ausschaltvermögen von bis 1000 A wird an noch leistungsfähigeren Versionen geforscht.

Die SCHURTER UMT-W eignet sich ideal bei Anwendungen mit besonders grossen Kabellängen, wie sie in der Aviatik gang und gäbe sind, welche primärseitig durch eine elektronische Absicherung geschützt werden. Fällt diese Überwachung aus, oder verrichtet sie ihre Aufgabe nicht in korrekter Weise, dann übernimmt die UMT-W als Fail Safe Device und überführt das System in einen sicheren stromlosen Zustand.

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