Motivation mit Zielsetzung
Ziel des Teilprojektes „Vernetzten Laborinfrastruktur“ ist die Festlegung einheitlicher Schnittstellen und Übertragungsprotokolle für den digitalen Datenaustausch zwischen den Laboren und deren Zusammenschluss zu einem gemeinsam en Forschungsverbund.
Damit soll es ermöglicht werden, hoch-spezialisierte Experimentaufbauten (wie z.B. ein Brennstoffzellenlabor mit den hohen Sicherheitsanforderungen zum Umgang mit H2) in einen Gesamtverbund mit weiteren Subsystemen einer (elektrischen) Luftfahrzeugantriebsanlage zu bringen, um die bestehenden Wechselwirkungen zu untersuchen und die Systeme darauf abstimmen zu können. Die Integration unterschiedlicher Subsystem-Experimente zu einem Forschungsverbund eröffnet darüber hinaus die Möglichkeit einzelne der Komponenten wechselweise als reale Hardware oder deren Software-Modelle in den Verbund einzubringen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten der Untersuchungen auf Systemebene und erlaubt auch ganzheitliche Aussagen, wie sie z.B. in Fragen der Zulassung von solchen Anwendungen in der Luftfahrt nötig sind. Dabei können alle Disziplinen der Gesamtauslegung des Antriebsstrangs mit einbezogen werden.
Über eine Vernetzung der Versuchsstände mit der Flugsimulator-Infrastruktur am LBC kann die Anwendbarkeit und Übertragbarkeit ins System Flugzeug sichergestellt und um die Möglichkeit der Analysefähigkeit von Missions- und Flugführungseinflüssen erweitert werden.
Abbildung 1: Systemarchitektur der Vernetzten Laborumgebung
Stand von Wissenschaft und Technik mit Neuheit des Lösungsansatzes
In einem ersten Schritt wurde die Definition von Schnittstellen und Datenmodellen zwischen allen beteiligten Subsystemen und Instituten abgestimmt, um eine auf dem Data Distribution Service (DDS) basierende Architektur (Abbildung 1) zu entwickeln, die als unabhängige Middleware fungiert. Sie muss in der Lage sein die Anforderungen an Konnektivität, Kommunikation, Sicherheit, Synchronisation, Datenmanagement, Fernzugriff und -steuerung, Simulation, Benutzerfreundlichkeit und Skalierbarkeit an den Systemverbund zu erfüllen.
Bei der detaillierten Betrachtung der einzelnen Subsysteme war festzustellen, dass die Trennung von bspw. Propulsor, Motor und Regler in einzelne Labore in der Sache nicht zielführend ist. Zudem konnte zur effektiven Betrachtung des Gesamt-Thermalmanagements kein geeignetes Konzept gefunden werden, das für eine experimentelle Validierung der aufgebauten Modelle ohne eine gemeinsame Testumgebung der benannten Systeme auskommt. Daher wurde der Aufbau eines sog. Iron Bird Teststandes vorangetrieben. Dieser ermöglicht die gemeinsame Untersuchung aller auf Hardware basierender Subsysteme, wie auch Thermalmanagement über Subsystemgrenzen hinweg, sowie elektromagnetische Verträglichkeit und weitere Zulassungsrelevante Disziplinen. Darüber hinaus können aber im Iron Bird auch einzelne Systeme durch ihre Software Modelle durch eine Hardware-in-the-Loop Implementierung ersetzt werden, was ein weites Feld an Forschungspotential zu neuen Technologien auf Subsystemebene aber auch zur effizienten Erprobung kleinerer Änderungen eröffnet.
Der Erprobungsverbund, der mit dem Iron Bird bis Ende 2023 für weitere Forschung zur Verfügung stehen soll, umfasst dann Propulsor, Motor inkl. Regler, Leistungselektronik und Batterie als Energieversorgung. Die Subsysteme Brennstoffzelle und Flugführung werden weiterhin in ihren spezialisierten Labors bzw. der Flugsimulationsumgebung am LBC abgebildet und werden mit dem Iron Bird vernetzt betrieben.
Die darüber hinaus in ELAPSED final geplante Verknüpfung der Gesamtsystemuntersuchung mit Validierungsdaten der Subsysteme aus dem Höhenprüfstand stellt dabei in der Gesamtheit ein weiters Alleinstellungsmerkmal dar und eröffnet über die oben aufgezeigten Potentiale hinaus weitreichende Anwendungsmöglichkeiten.
Ergebnisse
Unter Nutzung der von der Firma RTI bereitgestellten DDS Entwicklungstools konnten erste Tests der Datenstruktur auf unterschiedlichen Laborsystemen der beteiligten Institute durchgeführt werden. Dazu gehört die Verwaltungskonsole (Abbildung 2), mit der alle Live-Kommunikationen in der Domäne verwaltet und kontrolliert werden können, was die Durchführung von Tests und die Überwachung aller Teilnehmer erheblich erleichtert. Im nächsten Schritt soll das System für deterministische Echtzeitanwendungen aufgesetzt und erprobt werden.
Abbildung 2: RTI Administration Console
Neben dem Erstaufbau des Iron Bird (siehe Input Gerling, Brenner, Alban) wird die Vernetzbarkeit der Flugsimulatoren und der Antriebssimulation umgesetzt. Nach diesen ersten Tests mit wenigen Teilnehmern besteht das Ziel für 2024 darin, die in Abbildung 1 dargestellte vollständige Architektur für das gesamte ELAPSED-Projekt zu implementieren, die entsprechenden Tests und Validierungen durchzuführen und sogar neue Iterationen im Design vorzunehmen, um weitere Teilsysteme zu verbessern oder einzubeziehen.
Verwertungsperspektive
Der vollständig vernetzte Aufbau einer Versuchsumgebung für einen (Luftfahrzeug-) Antriebsstrang mit hybrid-/elektrischen Energiequellen stellt eine äußerst effiziente Methode zur Technologieentwicklung in diesem Anwendungsbereich dar. Dabei sind die Anwendungen nicht auf den „General Aviation“ Bereich eingeschränkt, sondern können das gesamte Spektrum an relevanten Luftfahrtanwendungen (Multikopter, Unmanned Air Systems, VTOL Systeme, „Lufttaxis“, mil. Anwendungen & Flugkörper, Helikopter, etc.) umfassen. Auch Antriebsanalgen für Bodengebundene Systeme und maritime Anwendungen sind möglich.
Ansprechpartner und am Projekt beteiligte Mitarbeiter