Von Lauren Nagel
Heutzutage scheint es, als gäbe es Drohnen überall – sie liefern Pakete, inspizieren Gebäude, filmen Filme und vieles mehr.
Da sie immer häufiger zu sehen sind, kann es nützlich sein, die verschiedenen Drohnentypen unterscheiden zu können.
Dieser Leitfaden hilft Ihnen, die verschiedenen Drohnen- und UAV-Typen zu unterscheiden.
In diesem Artikel werden wir Folgendes untersuchen:
- Definitionen von Drohnen (UAV vs. Drohne vs. UAS vs. RPAS)
- Tragflächen-, Rotoren- und Powered-Lift-Drohnen
- Energiequellen (elektrisch, solar, Gas, Hybrid, Wasserstoff und Laseraufladung)
- Drohnentypen wie Hubschrauber, Quadrocopter, eVTOL und mehr
Abbildung 1: DJI Mavic 3 Pro Quadrocopter-Drohne im Einsatz (Quelle)
1. Definitionen von Drohnen (UAV vs. Drohne vs. UAS vs. RPAS)
Ein „Drohne“ wird im Merriam-Webster-Wörterbuch als „ein unbemanntes Flug- oder Seefahrzeug, das ferngesteuert oder durch Bordcomputer gesteuert wird“ definiert.
Der Begriff wird synonym mit „Unmanned Aerial Vehicle“ (UAV) verwendet, das dieselbe Definition hat.
Die Bezeichnung des Fluggeräts als „unbemannt“ bezieht sich streng genommen darauf, dass sich der Pilot nicht an Bord befindet, da Drohnen für den Transport von Passagieren bereits als durchaus machbar erwiesen haben. Dies wird etwas komplizierter, wenn wir anfangen, über eVTOLs zu sprechen, aber das werden wir in einem späteren Abschnitt behandeln.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass sich „Drohne“ und „UAV“ im Allgemeinen nur auf das Fluggerät selbst beziehen, während es andere Begriffe gibt, die alle Komponenten umfassen, die die Drohne fliegen lassen: UAS und RPAS.
Ein UAS, unbemanntes Luftfahrtsystem, wird als „ein Fluggerät und seine zugehörigen Elemente definiert, die ohne Piloten an Bord betrieben werden“.
Die RPAS-Definition ist detaillierter und bezieht sich auf „ein ferngesteuertes Fluggerätsystem, seine zugehörigen ferngesteuerten Pilotenstation(en), die erforderlichen Befehls- und Kontrollverbindungen und alle anderen in der Typenzulassung festgelegten Komponenten“.
Der Hauptunterschied zwischen den beiden, laut der ICAO, besteht darin, dass UAS in der Praxis spezielle Ausnahmeregelungen im Luftraum erhalten und von anderen Fluggeräten ferngehalten werden müssen, während RPAS zusammen mit bemannten Fluggeräten in den Luftraum integriert werden können.
Der technische Unterschied zwischen den beiden besteht darin, dass RPAS nur von einer ferngesteuerten Pilotenstation (RPS) gesteuert werden können, während UAS von einer RPS oder einer Bodenkontrollstation (GCS) gesteuert werden können.
2. Tragflächen- vs. Rotoren- vs. Powered-Lift-Drohnen
Ähnlich wie bemannte Flugzeuge können Drohnen anhand der Struktur ihrer Auftriebsflächen kategorisiert werden.
Tragflächen-Drohnen
Abbildung 2: AeroVironments JUMP 20 Tragflächen-UAV (Quelle)
Erstens haben Tragflächen-Drohnen, wie der Name schon sagt, Flügel, die sich nicht bewegen, sondern fest mit dem Rumpf der Drohne verbunden sind. Sie können bewegliche und rotierende Steuerflächen wie Querruder und Seitenruder haben, aber die Flügel selbst sind fest. Abbildung 2 zeigt ein solches Beispiel, die JUMP 20 von AeroVironment, die ein einzigartiges Design aufweist, das vertikale Start- und Landefähigkeiten (VTOL) mit der Effizienz von Tragflächen kombiniert. In diesem System wird der Auftrieb während des Vorwärtsflugs durch die aerodynamische Form der Flügel erzeugt, während spezielle vertikale Rotoren ein Schweben und Starten ohne Startbahn ermöglichen.
Die Vorteile von Tragflächen-Drohnen sind, dass ihre aerodynamische Form es ihnen ermöglicht, über lange Zeiträume in der Luft zu bleiben, sodass sie große Gebiete abdecken können und energieeffizient sind. Dies ist ideal für Missionen, die erfordern, dass die Drohne stunden- oder tagelang in der Luft bleibt, wie Überwachung und Klimabeobachtung.
Weiterführende Literatur: Vergleich von UAV-Antriebssystemen
Die Hauptnachteile sind die steile Lernkurve für Bediener, der große Platzbedarf für Start und Landung und die Tatsache, dass sie nicht an Ort und Stelle schweben können.
Rotoren-Drohnen
Bei Rotoren-Drohnen rotieren die Rotorblätter um einen zentralen Mast, wodurch Luft nach unten gedrückt und der für den Flug erforderliche vertikale Auftrieb erzeugt wird. Alle vertikal startenden und landenden (VTOL) Flugzeuge fallen in diese Kategorie, einschließlich kleiner und großer Hubschrauber und Multicopter. Rotoren-Drohnen können einen einzelnen Rotor oder sogar bis zu 16+ Rotoren haben, die Schub erzeugen.
Die Vorteile von Rotoren-Drohnen sind, dass sie anfangs einfacher zu bedienen sind und an Ort und Stelle schweben können, was es ihnen ermöglicht, eine Vielzahl von Aufgaben zu erfüllen. Einfache Modelle sind auch relativ günstig, sodass kleine Rotoren-Drohnen ein großartiger Einstieg für diejenigen sind, die in die Branche einsteigen möchten.
Die Hauptnachteile hängen mit ihrer kurzen Flugzeit zusammen, da die Erzeugung von nach oben und nach vorne gerichteten Schub viel Energie erfordert, was die Reichweite und Ausdauer des Fahrzeugs einschränkt.
Powered-Lift-Drohnen
Abbildung 3: Skywalker X8 Tiltrotor-Drohne (Foto von taobao.com)
Powered-Lift-Drohnen nehmen eine faszinierende Mittelstellung zwischen Tragflächen- und Rotoren-Drohnen ein und nutzen Elemente von beiden, um einen Flug zu absolvieren.
Rotoren werden für VTOL-artige Starts und Landungen verwendet, und sobald das Fluggerät in der Luft ist, wechselt es auf einen Vorwärtsantrieb im Tragflächen-Stil. Dadurch profitieren sie von den geringen Platzanforderungen von Rotoren-Drohnen und gleichzeitig von der verbesserten Aerodynamik und Effizienz von Tragflächen.
Es gibt mehrere Arten von Powered-Lift-Drohnen, nämlich Tiltrotoren, Tiltwings und Drohnen mit zwei senkrecht zueinander angeordneten Rotorsets.
Bei Tiltrotor-Drohnen rotieren die Rotoren selbst, um während des Fluges von vertikalem zu horizontalem Schub zu wechseln. Der Skywalker X 8 VTOL ist ein hervorragendes Beispiel, bei dem drei Rotoren zwischen Copter- und Tragflächenmodus wechseln.
Etwas anders im Design sind Tiltwing-Flugzeuge, die einen dramatischeren Übergang während des Fluges durchlaufen, da die Rotoren an den Flügeln selbst befestigt sind, sodass der gesamte Flügel während der Umwandlung vom Abheben zum Vorwärtsflug rotiert.
Tiltrotoren und Tiltwings werden auch als Convertiplanes bezeichnet, da sie von einer Konfiguration in eine andere umgewandelt werden.
Der dritte Typ beschreibt Drohnen, die senkrecht zueinander angeordnete Rotorsets für den Start und Vorwärtsflug verwenden, wobei keines der Sets rotiert oder seine Position ändert. In diesem Szenario wird ein Rotorset nur für Start und Landung betrieben, während das senkrecht dazu stehende Set nur während der Flugphasen verwendet wird, die Vorwärtsschub erfordern.
Obwohl sie scheinbar das Beste aus beiden Welten vereinen, sind Powered-Lift-Drohnen ziemlich kompliziert zu konstruieren, was erklärt, warum sie nicht häufiger vorkommen. Ein System zu entwerfen, das zwischen Konfigurationen wechseln kann und dabei stabil bleibt, ist eine Herausforderung, doch wenn dies einmal erreicht ist, ist das Ergebnis ein äußerst vielseitiges Fluggerät.
3. Energiequellen - Elektrische, Solar-, Gas-, Hybrid-, Wasserstoff- und Laseraufladungs-Drohnen
Die Mehrheit der Rotoren-Drohnen auf dem Markt wird heute mit elektrischer Energie aus Lithium-Ionen-Polymer-Batterien (LiPo) betrieben, obwohl viele neue Energiequellen erforscht werden.
Elektrische / Batteriebetriebene Drohnen
LiPo-Batterien sind wiederaufladbar und leicht und damit aus Konstruktionssicht ideal. Dies ist die häufigste Energiequelle für Drohnen, die wir in unserem Leitfaden für LiPo-Batterien ausführlich behandeln.
Solarenergie wird ebenfalls als Stromquelle eingesetzt, wobei Solarzellen auf der Oberseite der Drohne angebracht sind. Dieses Konzept könnte die Branche auf den Kopf stellen, da es die Flugzeitbeschränkungen effektiv beseitigen würde, solange die Sonne scheint.
Dazu kommt, dass Solarzellen eine große Oberfläche benötigen und fast ausschließlich bei Tragflächen-Modellen verwendet wurden.
Ein vollständig solarbetriebener Quadrocopter wurde von einem Ingenieurteam der Universität von Singapur gebaut. Das Design umfasste kaum mehr als die Solarzellen und die Rotoren selbst, aber es war dennoch ein beeindruckendes Fahrzeug.
Gasbetriebene Drohnen
Am anderen Ende des Spektrums sind gasbetriebene Drohnen zu wichtigen Akteuren für Langstreckenmissionen geworden.
Obwohl Elektromotoren effizienter sind als Verbrennungsmotoren, hat Benzin etwa die 50-fache Energiedichte von LiPo-Batterien, sodass es den Energie-Vorteil behält.
Es gibt mehrere mögliche Kraftstoffoptionen für gasbetriebene Drohnen, wie bleifreies Benzin, Zweitakt-Motoröl, Nitro-Benzin und Diesel.
Die meisten gasbetriebenen Drohnen haben eine Tragflächenkonfiguration, da sie größere Motoren leichter aufnehmen können. Ihre aerodynamische Form erzeugt so viel natürlichen Auftrieb, dass nur wenig Benzin benötigt wird, um Flugzeiten von vielen Stunden oder sogar Tagen zu erreichen.
Bei einem rekordverdächtigen Flug blieb die dieselbetriebene VA001-Drohne von Vanilla Unmanned nicht nur fünf volle Tage lang in der Luft, sondern als sie landete, stellte man fest, dass noch genug Treibstoff für weitere drei Tage an Bord war.
Bisher waren Gasmotoren bei Rotoren-Drohnen selten, da ein schwererer Motor und ein Treibstoffsystem erforderlich sind.
Abbildung 5: VA001 dieselbetriebene Drohne (Foto: vanillaunmanned.com)
Darüber hinaus können sie laut sein und erfordern das Zünden des Motors zum Starten. Dennoch befinden sich einige Modelle in der Entwicklung, wie der Goliath-Quadrocopter, der einen einzelnen gasbetriebenen Motor verwendet, um vier Propeller anzutreiben.
Hybrid-Drohnen
Eine dritte Kategorie von Drohnen ist entstanden, die nicht eine, sondern zwei Energiequellen bietet. Hybridbetriebene Drohnen verändern die Spielregeln und können in verschiedenen Konfigurationen auftreten, wie gas-/batteriebetrieben oder batterie-/solarbetrieben.
Die Leistung dieser Fahrzeuge ist beispiellos und sie haben mit Rotoren- und Tragflächenflugzeugen alle Arten von Rekorden gebrochen.
Pipistrels Nuuva V300 ist ein hervorragendes Beispiel, das ein hybridelektrisches Antriebssystem nutzt, das batteriebetriebenen vertikalen Auftrieb mit einem treibstoffeffizienten Verbrennungsmotor für den Reiseflug kombiniert. Das innovative Design ermöglicht es dem Fluggerät, eine beeindruckende Reichweite von über 2.500 km zu erreichen, während es bis zu 300 kg Fracht transportiert, was die Betriebskosten im Vergleich zu herkömmlichen Hubschraubern erheblich reduziert.
Abbildung 6: Nuuva V300 startet im Januar 2025 mit einem erfolgreichen Erstflug
Auch als Beweis des Konzepts für die PHASA-35 ist zu erwarten, eine HALE-Hybriddrohne (High Altitude Long Endurance), die mit einer Flugzeit von bis zu einem Jahr in der Stratosphäre beworben wird. Die Drohne wird tagsüber mit Solarenergie und nachts mit Batterieenergie betrieben, mit einer Spannweite von 35 m, um ausreichend Auftrieb zu bieten. Die Entwickler der Drohne glauben, dass die Drohne viele der aktuellen Funktionen von Satelliten übernehmen könnte, wie die Bereitstellung von Telekommunikationsnetzen, Wetterüberwachung und Überwachung.
Wasserstoff- und Laseraufladungs-Drohnen
Zwei weitere Energiequellen, die zu erwähnen sind, sind Wasserstoff-Brennstoffzellen und die Laseraufladung von Batterien während des Fluges.
Wasserstofftreibstoff ist eine saubere und energiedichte Energiequelle mit viel Potenzial in den Drohnen-, Luftfahrt- und allgemeinen Transportindustrien.
Heven hat mehrere wasserstoffbetriebene Drohnen entwickelt, aber der Raider ist ihr neuestes UAV. Am 11. Februar 2025 auf der IDEX in Abu Dhabi vorgestellt, verfügt es über ein Wasserstoff-Brennstoffzellensystem, das bis zu 8 Stunden kontinuierlichen Flug ermöglicht. Sein modulares Design ermöglicht eine breite Palette von Anwendungen, einschließlich Frachttransport, Überwachung und Notfallreaktion, und setzt einen neuen Maßstab für Langzeithaltungs-Drohnen.
Abbildung 7: Hevens Raider wasserstoffbetriebene Drohne (Quelle)
Die Laseraufladung von Drohnen ist eine Technologie, die seit 2012 auf dem Markt ist. Kürzlich demonstrierte ein Forscherteam der Northwestern Polytechnical University in Xianyang, China, ihre laseraufladende Drohne, die unbegrenzt lange in der Luft bleiben kann. Sie verwenden einen „intelligenten visuellen Verfolgungsalgorithmus“, um den Laserstrahl auf die Drohne gerichtet zu halten, sodass sie nie an Strom verliert.
4. Drohnentypen
Nachdem wir die Möglichkeiten der Klassifizierung von Drohnen behandelt haben, werfen wir einen Blick auf einige spezifische Drohnentypen, die verfügbar sind.
Quadrocopter, Hexacopter und Octocopter
Multi-Rotoren-Drohnen sind vielleicht die bekannteste Form von UAV, komplett mit einem kompakten Körper, mehreren Armen und hochfrequenten Propellern.
Sie sind in verschiedenen Größen erhältlich und werden nach der Anzahl ihrer Rotoren benannt: Quad = 4 Rotoren, Hexa = 6, Octo = 8. Nach derselben Regel wäre eine Drohne mit 16 Rotoren ein Hexadekacopter.
Abbildung 8: Inspired Flight IF800 Tomcat mittelgroße Tragflächen-Quadrocopter-Drohne
Einzelrotor-Konfigurationen haben nur einen Rotor in einem gegebenen vertikalen Abschnitt, während Koaxial-Konfigurationen zwei haben, die entweder vollständig oder teilweise überlappen.
Viele Drohnen werden mit Sichtkontakt zum Piloten (VLOS) geflogen, wobei der Pilot das Fluggerät während des gesamten Fluges im Blick behält und es anhand seiner Beobachtungen steuert. Andere Drohnen werden aus der Ich-Perspektive oder FPV geflogen, wobei die Kameras an der Drohne Aufnahmen an eine FPV-Brille oder einen Monitor übertragen, sodass der Pilot die Drohne ferngesteuert aus der Perspektive an Bord fliegen kann.
Weiterführende Literatur: Berechnungen und Annahmen für das Drohnendesign
Hubschrauber-Drohnen
Obwohl Hubschrauber-Drohnen einst ein Nischensegment der Drohnenindustrie darstellten, wächst die Nachfrage nach ihnen. Schätzungen zufolge wird der Markt bis 2027 einen Wert von 11 Milliarden US-Dollar erreichen.
Hubschrauber-Drohnen funktionieren nach demselben Prinzip wie bemannte Hubschrauber und nutzen einen einzelnen oder koaxialen Rotor zur Erzeugung von Auftrieb sowie einen Heckrotor zur Kompensation des Drehmoments. Wie bei Multirotor-Drohnen ist ein Vorteil von Hubschraubern, dass sie praktisch überall abheben und landen können.
Dennoch sind Drohnen-Hubschrauber einzigartig, da viele mit Benzin betrieben werden, abgesehen von sehr kleinen Modellen, die mit Batterien betrieben werden. Natürlich gibt es Ausnahmen von dieser Regel, wie den VAPOR 55 Hubschrauber von AeroVironment, der rein elektrisch betrieben wird und eine Nutzlast von bis zu 10 lbs tragen kann.
Ein bedeutender gesellschaftlicher Vorteil von Hubschrauber-Drohnen ist ihr Potenzial, Menschen bei gefährlichen Einsätzen zu ersetzen.
Bemannte Hubschrauber spielen eine wichtige Rolle bei Einsätzen wie Suche und Rettung, Katastrophenhilfe, Unterstützung bei der Brandbekämpfung usw. – Aufgaben, die Flüge in anspruchsvollem Gelände und unter möglicherweise schlechten Flugbedingungen erfordern.
Unbemannte Hubschrauber könnten dies verändern, indem sie Hilfsgüter in unzugängliche Gebiete liefern, unter Rauch- oder Windbedingungen fliegen und sogar Menschen aus Gefahrensituationen evakuieren. All dies könnte erreicht werden, ohne dass dafür eine menschliche Besatzung in das Einsatzgebiet geschickt werden muss. Der speziell für diesen Zweck entwickelte LX300 Hubschrauber von Laflamme Aero kann bei extremem Wetter fliegen und verfügt über eine Nutzlast von bis zu 90 kg, was ausreicht, um einen durchschnittlich großen Erwachsenen zu transportieren.
eVTOL-Flugzeuge
Die Kategorie der elektrischen VTOL-Flugzeuge (eVTOL) umfasst alle elektrisch betriebenen VTOL-Fahrzeuge. In diesem Artikel konzentrieren wir uns jedoch auf ein großes und äußerst wettbewerbsintensives Segment der Branche: die urbane Luftmobilität (UAM).
Dieses neue Transportmittel hat das Potenzial, emissionsbedingte Transportbelastungen zu reduzieren und Pendelzeiten zu verkürzen, und fungiert dabei als eine Art Luft-Uber.
Infolgedessen findet derzeit ein Wettlauf statt, um herauszufinden, wer ein sicheres und effizientes eVTOL-Fahrzeug für den Transport von Personen in städtischen Gebieten entwerfen und herstellen kann. Unternehmen wie Archer, Joby Aviation, Lilium und Vertical Aerospace sind dabei führend.
Das eVTOL-Flugzeug Midnight von Archer ist für den Transport eines Piloten und vier Passagiere konzipiert und kann bis zu 100 Meilen weit fliegen.
Wenn alles gut geht, könnten bis zum Ende des Jahrzehnts viele Großstädte über eVTOL-Taxis verfügen.
Abbildung 10: Archer Midnight eVTOL (Foto: Archer-Website)
Innerhalb der eVTOL-Kategorie gibt es rein elektrische Fahrzeuge sowie hybride eVTOL-Fahrzeuge, die meist eine Kombination aus Batterie- und Benzinantrieb nutzen. Hybride Flugzeuge spielen eine wichtige Rolle in der UAM-Entwicklung, da sich die Batterietechnologie noch weiterentwickeln muss, um längere Flüge unabhängig zu ermöglichen.
Der Bell Nexus 4EX beispielsweise kann sowohl mit Batterie- als auch mit einem hybriden Benzin-Elektroantrieb betrieben werden und bietet dadurch Flexibilität und eine längere Flugzeit zwischen den Ladevorgängen.
Dennoch ist ein wesentlicher Treiber der Branche die Verpflichtung, nachhaltigere Transportlösungen anzubieten. Daher konzentrieren sich viele Unternehmen bei ihrer Entwicklung weiterhin auf den vollständig elektrischen Betrieb.
eVTOL-Fahrzeuge können auch in ihrer Natur hybrid sein, da sie für Flüge ohne Piloten vorgesehen sind. Das bedeutet, dass sie manuell an Bord, ferngesteuert oder für einen Flug vorprogrammiert betrieben werden können. Diese Vielseitigkeit wird nützlich sein, wenn sich die Gesellschaft an das Konzept der innerstädtischen Fortbewegung mit Drohnen gewöhnt und einen gewissen Grad an Redundanz zu schätzen weiß.
Hohe Flughöhe und lange Einsatzdauer (HALE)
HALE-Drohnen tragen ihren Namen treffend, da sie für Einsätze in großen Höhen und mit langer Einsatzdauer (HALE) konzipiert sind.
Um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben: Von „Hochaltitude-Drohnen“ wird erwartet, dass sie über 60.000 Fuß fliegen, und „Langzeitflüge“ sollen mehrere Tage, Monate oder sogar Jahre dauern.
Viele HALE-Drohnen sind für den militärischen Einsatz vorgesehen und für langfristige Überwachungs-, Informations- und Aufklärungsmissionen konzipiert. Andere können als suborbitale oder pseudo-satellitenartige Flugzeuge eingesetzt werden, um Aufgaben wie Wetterüberwachung und Bereitstellung von Telekommunikationsnetzen zu erfüllen.
Abbildung 11: RQ-4 Global Hawk (Foto von der Website der U.S. Air Force)
Das bis heute am häufigsten eingesetzte HALE-Flugzeug ist wohl die Northrop Grumman RQ-4 Global Hawk, die mit einem Rolls-Royce AE 3007-Turbofanantrieb ausgestattet ist und vor allem von der U.S. Air Force (USAF) eingesetzt wird.
Sie kann bis zu 60.000 Fuß für über 32 Stunden fliegen und wird hauptsächlich für die oben beschriebenen militärischen Zwecke eingesetzt.
Autonome Drohnen
Mit der wachsenden Beliebtheit von Automatisierung und KI hat sich diese Technologie auch ihren Weg zu Drohnen und UAVs gebahnt. Dadurch können sie fortschrittliche Sensoren nutzen, um zu navigieren und Entscheidungen zu treffen, ohne dass ein Pilot jede Bewegung steuern muss.
Skydio ist ein amerikanisches Unternehmen, das sich auf autonome Systeme für die Drohnenindustrie spezialisiert hat. Die Drohnen des Unternehmens nutzen Onboard-Computer und vortrainierte KI-Systeme, um ihre Umgebung wahrzunehmen und zu verstehen. Die Bediener wählen einfach ein Ziel aus, und die Drohne plant die effizienteste Route, passt ihre Höhe an, um einen konstanten Abstand zum Boden einzuhalten, und vermeidet Hindernisse. Diese Drohnen können sogar in engen und potenziell gefährlichen Innenräumen navigieren, was sie für Inspektionen, Überwachung, Suche und Rettungseinsätze nützlich macht.
Abbildung 12: Skydio Dock für die autonome Drohne X10 (Foto: Skydio-Website)
Fazit
Wir hoffen, dass dieser Artikel Ihnen ein besseres Verständnis für die Vielfalt der Drohnen in der Branche vermittelt hat. Das Fachgebiet steht noch vor vielen Herausforderungen, wie dem Erhalt staatlicher Zertifizierungen, der Überwindung von Konstruktionsbeschränkungen und dem Aufbau von Vertrauen bei den Verbrauchern.
Bei den zahlreichen laufenden Entwicklungen wird es nicht lange dauern, bis diese Flugzeuge größer und leistungsfähiger werden und der Gesellschaft einen dauerhafteren Dienst anbieten.
Weiterführende Literatur: Die Zukunft von Windkanaltests für Drohnen