So lässt sich der Kraftstoffverbrauch von UAVs senken

Eine genaue Schätzung des Kraftstoffverbrauchs Ihrer UAV ist ein Schlüsselfaktor für die Einsatzbereitschaft und den Erfolg der Mission. Dieser einzelne Leistungsfaktor verrät Ihnen, ob Ihre Drohne das Paket liefern, bis in die hintere Ecke des Feldes gelangen oder Ihr Ziel erreichen kann.

Abbildung 1: UAV mit Verbrennungsmotor im Flug

Für Flugrouten, die nur knapp machbar sind, gibt es mehrere Techniken, die Sie anwenden können, um Ihren Kraftstoffverbrauch zu senken, Ihre Reichweite zu erhöhen und Ihr Vertrauen in die Mission zu stärken.

Die Ermittlung, wie man den Kraftstoffverbrauch verbessert, beginnt mit der Berechnung oder Messung des Kraftstoffverbrauchs Ihrer UAV. Bei fortschrittlicheren UAVs mit integrierten Kraftstoffdurchflussmessern lässt sich dieser Wert problemlos aus Ihrem Kraftstoffüberwachungssystem ablesen. Bei einfacheren UAVs ohne Kraftstoffüberwachungssysteme können wir stattdessen einige Konzepte zur Kraftstoffschätzung aus der bemannten Luftfahrt übernehmen.

In diesem Artikel zeigen wir Ihnen, wie Sie Ihren Kraftstoffbedarf schätzen, den tatsächlichen Kraftstoffverbrauch messen und den Kraftstoffverbrauch Ihrer UAV senken bzw. ihre Kraftstoffeffizienz verbessern können.

Inhaltsverzeichnis

1. Wie man den Kraftstoffbedarf einer UAV schätzt

• Missionsprofil und Leistungstabellen

• Beispielaufgabe

• Rollen, Vorlauf und Start

• Steigflug

• Reiseflug

• Sinkflug und Landung

• Gesamter Kraftstoffbedarf

• Kraftstoffreserve und BINGO-Zeit

• Höhe und Windbedingungen

2. Wie man den Kraftstoffverbrauch einer UAV misst

• Kraftstoffdurchflussmesser der UAV

• Flugaufzeichnung-Software

• Häufige Probleme bei der Messung des Kraftstoffdurchflusses

• Richtige Richtung des Kraftstoffflusses

• Luftblasen in der Kraftstoffleitung

• Kraftstoff-Öl-Verhältnis

3. Wie man den Kraftstoffverbrauch einer UAV senkt

• Drehzahl und Leistungseinstellung

• Vergaserabstimmung

• Optimierung des Kraftstoffgemischs

• Steuerungsverstellung

• Höhe und Wind

• Flugbahnoptimierung

• Motor-Propeller-Abstimmung

Wie man den Kraftstoffbedarf einer UAV schätzt

Viele UAV-Datenblätter geben die maximale Kraftstoffautonomie oder maximale Flugzeit an, aber diese Schätzungen gehen in der Regel von idealen Bedingungen aus. Gegenwind, Luftfeuchtigkeit und verschiedene Flugmanöver können die maximale Flugzeit allmählich Minute für Minute reduzieren.

Nachdem wir erklärt haben, wie sich jede Variable auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt, werden wir ein Beispiel verwenden, um zu zeigen, wie Sie solche Referenztabellen nutzen können, um die Leistung Ihrer UAV zu schätzen, selbst wenn Ihre UAV nicht mit diesen Diagrammen geliefert wird.

Missionsprofil und Leistungstabellen

Hier werden wir zunächst Inspiration aus der bemannten Luftfahrt ziehen. Bemannte Flugzeuge verfügen über Leistungsspezifikationen, die den Kraftstoffverbrauch des Flugzeugs unter verschiedenen Bedingungen detailliert beschreiben. Nachfolgend finden Sie ein Beispiel aus dem Flugbuch einer Cessna 172M Skyhawk:

Abbildung 2: Reiseleistungstabelle der Cessna 172M Skyhawk 1976 aus dem POH

Wie Sie sehen können, haben die Druckhöhe, die Temperatur und die Drehzahl alle Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch.

Bei 10.000 ft und Standardtemperatur sowie einem Betrieb bei 2.400 U/min verbraucht das Flugzeug etwa 6,4 gph Kraftstoff.

Wenn Sie an einem kälteren Tag unter denselben Bedingungen fliegen würden, nämlich bei 20° C unter der Standardtemperatur oder -5° C, verbrauchen Sie 6,6 gph Kraftstoff. Ein geringer, aber potenziell bedeutsamer Unterschied.

Sehen wir uns nun die Steigleistung an:

Abbildung 3: Steigleistungstabelle der Cessna 172M aus dem POH

Um an einem Tag mit Standardtemperatur am Boden von Meereshöhe auf 10.000 Fuß zu steigen, benötigen Sie 25 Minuten und verbrauchen 4,5 Gallonen Kraftstoff. Das entspricht einem Verbrauch von 10,8 gph, also 69 % mehr als im Reiseflug.

Beispielaufgabe

Angenommen, wir haben eine Starrflügel-UAV mit 2.300 lb, und wir wissen aus ihrem Datenblatt, dass sie im Reiseflug bei 10.000 ft ASL und 2.400 U/min etwa 5 gph Kraftstoff verbraucht. Wir haben jedoch keine detaillierten Leistungsdaten oder Diagramme über diesen Wert hinaus.

Abbildung 4: MQ-1 Predator UAV mit MTOW von 2.250 lbs

Angenommen nun, dass wir für unsere Mission auf 12.000 ft ASL steigen, 30 Minuten im Reiseflug fliegen und anschließend direkt zur Landung sinken möchten. Die Temperatur beträgt 35 °C und unser Startpunkt liegt auf Meereshöhe.

Wie viel Kraftstoff benötigen wir, um die Mission zu absolvieren? 

Wir können die obigen Diagramme verwenden, um eine realistische Schätzung zu erhalten, oder wir können nach ähnlichen Leistungstabellen für eine UAV oder ein Flugzeug mit ähnlichen Eigenschaften wie unserem suchen.

Für diesen Artikel verwenden wir die Diagramme aus Abbildung 2 und 3.

Um dieses Beispiel einfach zu halten, gehen wir von neutralem Wind (kein Gegen- oder Rückenwind) aus, aber wir behandeln in einem späteren Abschnitt, wie sich Windbedingungen auf den Kraftstoffverbrauch auswirken.

Wir wissen bereits, dass unsere Drohne unter denselben Bedingungen etwa 5 gph Kraftstoff verbraucht, bei denen eine Cessna 172M 6,4 gph verbraucht. Daher verbraucht unsere Drohne etwa 78 % des Kraftstoffs unseres Referenzflugzeugs, zumindest im Reiseflug. Zur Vereinfachung gehen wir für alle Flugphasen vom gleichen Verhältnis aus.

Wir müssen unseren Kraftstoffverbrauch für vier Flugphasen berechnen:

1. Rollen, Vorlauf und Start

2. Steigflug

3. Reiseflug

4. Sinkflug und Landung

Dann können wir unseren Gesamtkraftstoffbedarf berechnen und unsere Kraftstoffreserve und BINGO-Zeit berücksichtigen.

Rollen, Vorlauf und Start

Für eine Cessna 172M mit 2.300 lb, die dieselbe Masse wie unsere Drohne hat, wird geschätzt, dass 1,1 Gallonen Kraftstoff für Rollen, Vorlauf und Start erforderlich sind. Wir wenden unser Verhältnis von 78 % an (1,1*0,78), runden auf und schätzen 1 Gallone Kraftstoff für diese Flugphase.

In dieser Übung runden wir immer auf, um einen Sicherheitszuschlag hinzuzufügen.

Steigflug

Für die Steigphase können wir Abbildung 3 verwenden, um unsere Schätzung zu erhalten. Das Diagramm zeigt, dass 6,1 Gallonen benötigt werden, um auf unsere Zielhöhe von 12.000 Fuß zu steigen. Wir können dann unser Verhältnis von 78 % anwenden (6,1*0,78), um 4,8 Gallonen zu schätzen.

Damit sind wir jedoch noch nicht fertig, da die Steigleistung von der Temperatur beeinflusst wird und wir an einem milden Tag mit 35° C operieren. Das Cessna POH besagt: „Der ungefähre Effekt einer nicht standardmäßigen Temperatur besteht darin, die Zeit, den Kraftstoff und die Entfernung um 10 % zu erhöhen, für jedes Grad Celsius über der Standardtemperatur, aufgrund der geringeren Steigrate.“

Daher müssen wir unsere Kraftstoffverbrauchsschätzung um volle 20 % erhöhen, da wir 20° C über der Standardtemperatur liegen.

4,8*1,2 = 5,76, und wir runden auf 6 Gallonen auf, um uns einen kleinen Sicherheitszuschlag zu verschaffen.

Reiseflug

Die Berechnung des Kraftstoffverbrauchs im Reiseflug ist unkompliziert - wir können unseren Grundwert aus Abbildung 2 entnehmen: bei 2.400 U/min, 12.000’ und 20° C über der Standardtemperatur beträgt der Kraftstoffverbrauch für eine 172M 6 gph. Da wir 30 Minuten im Reiseflug fliegen, wären das insgesamt 3 Gallonen, multipliziert mit 78 %, was 3*0,78 = 2,34 ergibt, was wir auf 2,5 Gallonen aufrunden.

Sinkflug und Landung

Das POH enthält keinen spezifischen Abschnitt über den Kraftstoffverbrauch im Sinkflug, aber wir können die Diagramme dennoch verwenden, um eine Schätzung abzuleiten. Im Sinkflug wird eine niedrigere Leistungseinstellung verwendet, daher können wir die niedrigste in der Reiseflugtabelle angegebene Einstellung als Referenz verwenden, nämlich 2.200 U/min.

Der Kraftstoffverbrauch bei 2.200 U/min unterscheidet sich bei unserer Starthöhe (5,3 gph bei 12.000’) und der niedrigsten Höhe in der Tabelle (6,1 gph bei 2.000’). Wir wählen für unsere Berechnungen einen konservativen Durchschnittswert von 5,8 gph.

Eine Sinkrate von 500 Fuß/Minute bietet eine angenehme Sinkrate, und von 12.000 Fuß bis auf Meereshöhe würde das 24 Minuten dauern. (24/60)*5,8 = 2,32; 2,32*0,78 = 1,8 Gallonen, was wir auf 2 Gallonen aufrunden.

Wir gehen davon aus, dass wir eine direkte Landeflugbahn fliegen und dass der zur Landung erforderliche Kraftstoff bereits in dieser Sinkflugberechnung enthalten ist.

Gesamter Kraftstoffbedarf

Wenn wir all unsere Schätzungen zusammenfassen, beträgt unser Gesamtkraftstoffbedarf für diese Mission:

1. Rollen, Vorlauf und Start: 1 Gallone

2. Steigflug: 6 Gallonen

3. Reiseflug: 2,5 Gallonen

4. Sinkflug und Landung: 2 Gallonen

Gesamt = 11,5 Gallonen Kraftstoff erforderlich.

Kraftstoffreserve und BINGO-Zeit

Es gibt zwei weitere Faktoren, die bei der Schätzung des für unsere Mission erforderlichen Kraftstoffs zu berücksichtigen sind.

Der erste ist, welche Größe an Kraftstoffreserve wir bei der Landung an Bord haben möchten. In der bemannten allgemeinen Luftfahrt wird empfohlen, für Flüge bei Tag bei der Landung mindestens 30 Minuten Kraftstoff an Bord zu haben, oder für Flüge bei Nacht 45 Minuten.

Bei unbemannten Missionen müssen wir nicht so streng sein, da keine Personen an Bord sind, obwohl wir unsere Drohne vermutlich zurückholen möchten. Dementsprechend gehen wir für diese Mission davon aus, dass wir mit 15 Minuten Kraftstoff landen möchten, was im Reiseflug 6,4*(15/60)*0,78 = 1,25 Gallonen entspricht, was wir auf 1,5 Gallonen aufrunden.

Um sicherzustellen, dass unsere Drohne genug Kraftstoff hat, um mit einem Sicherheitszuschlag zu landen, stellen wir sicher, dass wir zu Beginn dieser Mission mindestens 13 Gallonen Kraftstoff (11,5 + 1,5) an Bord haben.

Die BINGO-Zeit ermöglicht es uns zu bestimmen, wann wir umkehren und zur Basis zurückkehren müssen, um mit der von uns festgelegten Kraftstoffreserve zu landen. Die BINGO-Zeit stellt sicher, dass wir, egal wo wir uns in unserer Mission befinden, wenn wir sofort umkehren, mit mindestens 15 Minuten Kraftstoff im Tank zur Basis zurückkehren können.

Um die BINGO-Zeit zu berechnen, bestimmen wir zunächst die Entfernung zwischen unserer Heimatbasis / unserem Betankungsstützpunkt und dem entferntesten Punkt unserer Mission. Angenommen, das sind 10 Meilen. Dann bestimmen wir, wie viel Zeit erforderlich ist, um diese Entfernung zurückzulegen. Basierend auf unseren Reiseleistungstabellen können wir schätzen, dass wir mit etwa 100 Knoten, also 115 mph, fliegen. Um 10 Meilen zurückzulegen, werden wir etwas mehr als 5 Minuten benötigen, oder etwa 0,5 Gallonen Kraftstoff.

Wir addieren diese Flugzeit (5 Min.) zu unserer Reserve (15 Min.) und stellen fest, dass wir zur Basis umkehren müssen, wenn wir noch 20 Minuten Kraftstoff an Bord haben. Wenn wir mit 13 Gallonen Kraftstoff starten und einen durchschnittlichen Verbrauch von 5 gph annehmen, haben wir etwa 2,6 Stunden (2 Stunden und 36 Minuten) Kraftstoff an Bord. Daher müssen wir nach 2 Stunden und 16 Minuten (2 Stunden und 36 Minuten - 20 Minuten) zur Basis umkehren.

Der BINGO-Zeitcountdown beginnt, sobald wir unseren Motor starten. Wenn wir den Motor der Drohne um 10:00 Uhr starten, ist unsere BINGO-Zeit 10:00 + 2 Stunden 16 Minuten, so dass unsere UAV spätestens um 12:16 Uhr zur Basis umkehren würde.

Höhe und Windbedingungen

Windbedingungen müssen ebenfalls für eine genaue Kraftstoffverbrauchsanalyse berücksichtigt werden, insbesondere wenn die Mission auf einer Route basiert und nicht auf einer Zeit.

Es gibt zahlreiche Apps, die Sie verwenden können, um die Windgeschwindigkeiten und -bedingungen auf Ihrer Zielhöhe zu bestimmen, wie die Windy-App oder Ihr lokaler Anbieter für Luftfahrtwetter (NAV CANADA, AWC usw.).

Abbildung 5: Windy-App-Desktopoberfläche mit höhenspezifischer Windgeschwindigkeit

Der erhöhte Kraftstoffverbrauch wird berechnet, indem bestimmt wird, wie viel länger die Mission unter diesen Bedingungen dauern wird, und bringt das Konzept von Fluggeschwindigkeit und Grundgeschwindigkeit ein.

Die Fluggeschwindigkeit misst die Geschwindigkeit des Flugzeugs relativ zur umgebenden Luft, während die Grundgeschwindigkeit die tatsächliche Geschwindigkeit relativ zur Erdoberfläche darunter ist. Bei konstanter Drosselstellung ändert sich die Fluggeschwindigkeit nicht bei Gegen- oder Rückenwind, während sich die Grundgeschwindigkeit ändert.

Zum Beispiel würde das Fliegen einer 50-Meilen-Route mit einer Fluggeschwindigkeit von 115 mph ohne Wind etwa 26 Minuten dauern. Wenn wir jedoch einen Gegenwind von 15 mph hinzufügen, sinkt unsere Grundgeschwindigkeit auf 100 mph, und dieselbe Route würde uns etwa 30 Minuten kosten.

Wenn wir bei 10.000 Fuß mit einem Kraftstoffverbrauch von 5 gph fliegen, ergibt sich für diesen Abschnitt der Mission ein Unterschied von etwa 0,3 Gallonen (2,2 vs. 2,5 Gallonen).

Bei kritischen Missionen können solche kleinen Unterschiede Auswirkungen auf Ihre Nutzlast, Reichweite und darauf haben, ob Ihre Drohne sicher zurückkehrt oder nicht.

Wie man den Kraftstoffverbrauch einer UAV misst

Die Variablen aus dem letzten Abschnitt können verwendet werden, um eine Schätzung des Kraftstoffbedarfs Ihrer UAV zu berechnen. Allerdings kann eine Modellierung den tatsächlichen Kraftstoffverbrauch nur bedingt genau abbilden, insbesondere ohne drohnenspezifische Leistungsdaten.

In Hyokawa et al. wurde beispielsweise eine Methode zur Schätzung des UAV-Kraftstoffverbrauchs untersucht. Während die Autoren die Methode als gültig betrachteten, da der tatsächliche Kraftstoffverbrauch (0,05 g/s) knapp innerhalb des geschätzten  Bereichs von 0,04-0,1 g/s lag, war die obere Grenze des Bereichs 150 % höher als die untere, was die Methode nicht besonders präzise machte.

Um den Kraftstoffbedarf Ihrer Drohne viel genauer abzuschätzen, empfehlen wir die Verwendung eines UAV-Motorprüfstands, der einen UAV-Kraftstoffdurchflusssensor und eine Flugwiedergabefunktion umfasst, mit der Sie den Kraftstoffverbrauch unter Bedingungen messen können, die Ihrem Flug ähneln. Weitere Details finden Sie unten.

Um das Antriebssystem Ihrer UAV mit dem Prüfstand zu testen, montieren Sie einfach Ihren Motor und Ihre Propeller mit der mitgelieferten Motorhalterplatte und verbinden Sie Ihren Kraftstofftank mit dem Kraftstoffdurchflusssensor.

Abbildung 6: Flight Stand 60 Motorprüfstand

UAV-Kraftstoffdurchflusssensor

Der mit dem Flight Stand 60 Motorprüfstand enthaltene Kraftstoffdurchflusssensor kann Durchflussmengen zwischen 20 - 800 mL/min mit einer Auflösung von 1 mL/min messen.

Es handelt sich um einen turbinenartigen Kraftstoffdurchflusssensor, der funktioniert, indem ein internes Laufrad rotiert, während Kraftstoff hindurchfließt, wobei die Drehzahl proportional zur Durchflussrate ist.

Flugwiedergabe-Software

Die Flight Stand-Software ist kostenlos im Lieferumfang des Flight Stand 60 Motorprüfstands enthalten. 

Eine der nützlichsten Funktionen der Software für UAV-Motortests ist die Flugwiedergabefunktion. Mit ihr können Sie Daten des Gashebelcontrollers eines früheren Fluges hochladen und das Gashebelmuster wiedergeben, während Ihr Motor am Prüfstand angeschlossen ist. Das untenstehende Video zeigt, wie diese Funktion funktioniert.

Abbildung 7: Flugwiedergabe-Benutzeroberfläche in der Flight Stand-Software

So erhalten Sie eine verlässliche Schätzung des Kraftstoffverbrauchs Ihrer Drohne während dieses spezifischen Fluges. Dynamische Bedingungen können mithilfe einer Windwand hinzugefügt werden, um noch realistischere Bedingungen zu schaffen.

Häufige Probleme bei der Messung des Kraftstoffdurchflusses

Kraftstoffflussrichtung

Bei der Messung des UAV-Kraftstoffdurchflusses gibt es einige Punkte, auf die Sie achten sollten. Erstens muss sichergestellt werden, dass der Kraftstoffdurchflusssensor so angeschlossen ist, dass der Kraftstoff in die richtige Richtung fließt. Der Sensor verfügt über Pfeile, die anzeigen, in welche Richtung der Kraftstoff zwischen Kraftstofftank, Sensor und Motor fließen sollte.

Luftblasen in der Kraftstoffleitung

Das zweite Problem sind Luftblasen in der Kraftstoffleitung. Um Luftblasen in einem UAV-Kraftstoffsystem zu minimieren, stellen Sie sicher, dass alle Kraftstoffleitungen, Tankanschlüsse und Verbindungen ordnungsgemäß abgedichtet und rissfrei sind, da bereits kleine Lecks dazu führen können, dass Luft in das System gesaugt wird. Überprüfen und ersetzen Sie regelmäßig alternde Kraftstoffschläuche, stellen Sie sicher, dass der Tankansaugstutzen (Clunk) während des gesamten Fluges untergetaucht bleibt, und verlegen Sie Kraftstoffleitungen fern von heißen Komponenten, um die Verdampfung von Kraftstoff und die Bildung von Blasen zu reduzieren.

Kraftstoff-Öl-Verhältnis

Schließlich ist bei der Verwendung eines Zweitaktmotors das richtige Öl-Kraftstoff-Verhältnis unerlässlich. Dieses Verhältnis kann während der Einlaufphase und im regulären Betrieb unterschiedlich sein, daher prüfen Sie die Bedienungsanleitung Ihres Motors auf Anweisungen. Das richtige Verhältnis zu wahren, hilft, Unterölung und Ablagerungen zu vermeiden und sorgt für eine gleichmäßigere Leistung und ununterbrochene Tests.

So reduzieren Sie den UAV-Kraftstoffverbrauch

Nachdem wir gelernt haben, wie man den UAV-Kraftstoffdurchfluss schätzt und misst, sehen wir uns nun an, wie wir ihn optimieren können.

Nachfolgend finden Sie 7 Möglichkeiten, den UAV-Kraftstoffverbrauch zu verbessern.

1. Drehzahl und Leistungseinstellung

Eine der einfachsten Möglichkeiten, den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren, besteht darin, den Motor bei seiner effizientesten Drehzahl statt bei maximaler Leistung zu betreiben.

In einer Studie aus dem Jahr 2025 von Öztürk und Öncü untersuchten Forscher einen Zweitakt-UAV-Motor unter verschiedenen Propeller- und Drehzahlkombinationen zwischen 3.000 und 5.000 U/min. Sie stellten eine optimale Betriebsdrehzahl von etwa 4.000 U/min fest. Bei dieser Einstellung sank der Kraftstoffverbrauch während einer repräsentativen vierteiligen Mission von 2,51 l auf 1,86 l, während sich die Gesamtleistung um 47 % verbesserte.

Die Studie ergab außerdem, dass eine Erhöhung der Drehzahl über den optimalen Bereich hinaus zu abnehmenden Schubzuwächsen führte, während der Kraftstoffverbrauch und die Motortemperatur erheblich anstiegen. Bei Langstreckenmissionen kann die Auswahl der niedrigsten Leistungseinstellung, die dennoch die Anforderungen an Fluggeschwindigkeit und Nutzlast erfüllt, die Kraftstoffeffizienz erheblich verbessern.

2. Vergaserabstimmung

Eine sachgemäße Vergaserabstimmung kann überraschend große Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch haben, insbesondere bei Zweitaktmotoren.

Ein zu fettes Gemisch verschwendet Kraftstoff und kann zu Ablagerungen führen, während ein zu mageres Gemisch zu Überhitzung, Zündfehlzündungen oder Motorschäden führen kann. Kleine Anpassungen an den Hoch- und Langlaufnadeln, oft nur 1/8 bis 1/4 Umdrehung, können die Motorlaufruhe, das Ansprechverhalten des Gashebels und die Kraftstoffeffizienz drastisch verbessern.

Bei der Abstimmung eines Vergasers sollten die Anpassungen schrittweise vorgenommen und dabei die Motortemperatur, Drehzahl und der Kraftstoffverbrauch überwacht werden. Ein Motorprüfstand, der mit einem Kraftstoffdurchflusssensor ausgestattet ist, erleichtert diesen Vorgang erheblich und ermöglicht es, Änderungen zu quantifizieren, anstatt sie nur nach Gefühl zu beurteilen.

3. Optimierung des Kraftstoffgemischs

Die Optimierung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses bietet eine weitere Möglichkeit, den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren.

Mahadevappa et al. untersuchten Methoden zur Verlängerung der Flugdauer von Starrflügel-UAVs durch automatisiertes Motormanagement. Ihre Arbeit zeigte, dass die Kombination von Kraftstoffgemischregelung und variabler Propellerverstellung die Flugdauer bei Langstrecken-UAV-Plattformen um bis zu 12 Stunden erhöhen kann.

Fortschrittlichere Systeme können diesen Vorgang automatisieren. Wang et al. entwickelten eine Kraftstoffversorgungsstrategie auf Basis einer geschlossenen Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (AFR) mithilfe eines Fuzzy-PID-Reglers. Im Vergleich zu herkömmlichen Kraftstoffkalibrierungsverfahren mit offener Regelung verbesserte das AFR-geregelte System die Leistungseffizienz um 9-33 % und erhöhte gleichzeitig die Flugdauer um etwa 30 Minuten. Der geschlossene Regelungsansatz verbesserte auch die Motorstabilität und reduzierte den Kraftstoffverbrauch bei Gashebeländerungen.

Bei UAVs, die mit elektronischen Kraftstoffeinspritzsystemen ausgestattet sind, können AFR-Überwachung und automatisierte Gemischregelung die Kraftstoffeffizienz erheblich verbessern und gleichzeitig eine gleichbleibende Motorleistung aufrechterhalten.

4. Steuerung der Propellerverstellung

Der Propeller spielt eine wichtige Rolle dabei, wie effizient die Motorleistung in Schub umgewandelt wird.

Propeller mit fester Verstellung sind nur für einen engen Bereich von Fluggeschwindigkeiten und Betriebsbedingungen optimiert. Im Gegensatz dazu ermöglichen Propeller mit variabler Verstellung, dass der Blattwinkel während des gesamten Fluges angepasst werden kann, was dem Propeller hilft, während Steigen, Kreuzen und Sinken eine höhere aerodynamische Effizienz beizubehalten.

Stevenson et al. verglichen Antriebssysteme mit fester und variabler Propellerverstellung und stellten fest, dass Propeller mit variabler Verstellung während des Kreuzfluges weniger Energie verbrauchten. In sieben Flugtests mit derselben Flugzelle und ähnlichen Flugbedingungen benötigte das System mit variabler Verstellung durchweg weniger Energie als die Konfiguration mit fester Verstellung und reduzierte den normierten Energieverbrauch je nach Testbedingungen um etwa 12-23 %. Durch die Anpassung der Blattverstellung anhand der Drehzahl und Fluggeschwindigkeit arbeitete das Antriebssystem während der gesamten Mission näher an seinem optimalen Effizienzpunkt.

Obwohl Systeme mit variabler Verstellung Komplexität, Gewicht und Kosten erhöhen, können sie bei Langstrecken-UAV-Operationen eine deutliche Verbesserung der Flugdauer bieten.

5. Höhe und Windbedingungen

Umweltbedingungen können erhebliche Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch haben.

Das Fliegen gegen den Wind erhöht die Zeit, die für die Bewältigung einer Route benötigt wird, und steigert den Kraftstoffverbrauch, selbst wenn die Gashebelstellung unverändert bleibt. Rückenwinde haben den gegenteiligen Effekt und können die Reichweite erheblich verlängern.

Die Höhe beeinflusst ebenfalls den Kraftstoffverbrauch. Höhere Flughöhen reduzieren im Allgemeinen die Luftdichte, was den aerodynamischen Widerstand verringert und die Effizienz im Kreuzflug verbessern kann. Eine geringere Luftdichte verringert jedoch auch die Motorleistung und den Propellerschub. Die optimale Kreuzflughöhe hängt vom jeweiligen Motor, der Flugzelle und dem Missionsprofil ab.

Überprüfen Sie vor einer Mission die prognostizierten Windverhältnisse in der geplanten Flughöhe, da die Wahl einer Höhe mit günstigeren Windverhältnissen erhebliche Vorteile für die Flugdauer bieten kann.

Wenn Sie die Leistung Ihrer Drohne vor dem Test im Freien unter verschiedenen Windbedingungen überprüfen möchten, ist eine WindShaper-Windwand eine hervorragende Möglichkeit, diese Bedingungen in Innenräumen zu schaffen.

Abbildung 8: Test der UAV-Windleistung mit einem WindShaper

6. Flugbahnoptimierung

Die kürzeste Route ist nicht immer die kraftstoffeffizienteste.

Schlechte Kurven, häufige Höhenänderungen und aggressive Manöver erhöhen alle den Kraftstoffverbrauch. Ruhigere Flugbahnen reduzieren den Widerstand, senken die Belastungsfaktoren und ermöglichen es dem Fluggerät, in seinem effizientesten Betriebsbereich zu bleiben.

Roberge et al. demonstrierten dieses Konzept mithilfe der Partikelschwarmoptimierung (PSO), um die Leistungseinstellungen von UAVs entlang von Überwachungsrouten zu optimieren. Ihr Algorithmus kombinierte eine dreidimensionale Flugbahnvereinfachung mit einem optimierten Leistungsmanagement und hielt dabei die Leistungsgrenzen des Fluggeräts ein. Die resultierenden Flugbahnen reduzierten den Kraftstoffverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Flugplanungsverfahren um bis zu 25 %.

Bei autonomen UAVs kann Flugbahnoptimierungssoftware die Flugdauer erheblich steigern, ohne dass jegliche Hardwareänderungen erforderlich sind.

7. Motor-Propeller-Abstimmung

Selbst ein hocheffizienter Motor verschwendet Kraftstoff, wenn er mit dem falschen Propeller kombiniert wird.

Motor, Propeller und Flugzelle sollten als ein komplettes Antriebssystem betrachtet werden. Ein zu kleiner Propeller kann den Motor dazu zwingen, mit einer unnötig hohen Drehzahl zu arbeiten, während ein zu großer Propeller den Motor überlasten und die Effizienz verringern kann.

Die Arbeit von Öztürk und Öncü unterstrich die Bedeutung einer sachgemäßen Motor-Propeller-Abstimmung. Ihre Analyse zeigte, dass die Propellerwahl einen großen Einfluss auf das Motorverhalten hatte und für etwa 86 % der beobachteten Schwankungen der Motortemperatur verantwortlich war. Optimierte Propellerkonfigurationen reduzierten den Kraftstoffverbrauch zudem um etwa 7 %.

Bewerten Sie bei der Auswahl eines Antriebssystems Kraftstoffverbrauch, Schub und Betriebstemperaturen gemeinsam. Kleine Änderungen des Propellerdurchmessers oder der Verstellung können oft messbare Verbesserungen der Flugdauer bewirken, ohne dass der Motor selbst modifiziert werden muss.

Fazit

Die Verbesserung der Kraftstoffeffizienz von UAVs hängt selten von einer einzigen Modifikation ab. Stattdessen ergeben sich die größten Vorteile in der Regel aus der Kombination genauer Kraftstoffverbrauchsmessungen mit optimierten Motoreinstellungen, einer passenden Propellerwahl, einer durchdachten Flugplanung und effizienten Betriebsabläufen. Indem Sie verstehen, wie Ihre UAV Kraftstoff verbraucht, und die Leistung durch Tests unter realen Bedingungen validieren, können Sie die Flugdauer erhöhen, die Reichweite verlängern, die Zuverlässigkeit der Mission verbessern und jeden Liter Kraftstoff an Bord effektiver nutzen.