Render des aktuellen UAV-Entwurfs, entwickelt in Fusion 360
Projektübersicht
Dieses Projekt beschäftigt sich mit der Entwicklung einer vollständig autonomen Starrflügeldrohne (UAV), die kleine medizinische Güter oder andere Nutzlasten schnell und kostengünstig zwischen zwei Punkten transportieren kann.
Der Schwerpunkt liegt dabei nicht auf einer konkreten kommerziellen Anwendung, sondern auf der Entwicklung eines vollständigen Luftfahrtsystems. Ziel ist es, möglichst viele ingenieurwissenschaftliche Bereiche miteinander zu verbinden – von der aerodynamischen Auslegung über die CAD-Konstruktion und CFD-Simulation bis hin zur Flugsteuerung, Elektronik und Fertigung.
Die gesamte Konstruktion wird speziell für den 3D-Druck entwickelt, wodurch sich Bauteile kostengünstig herstellen und bei Bedarf einfach austauschen oder weiterentwickeln lassen.
Entwicklungsziele
Bereits vor Beginn des Projekts wurden mehrere technische Ziele definiert.
- Entwicklung eines vollständig autonomen Fixed-Wing-UAVs
- Transport kleiner Nutzlasten
- geringer Luftwiderstand
- möglichst lange Flugzeit
- geringer Energieverbrauch
- modularer Aufbau
- kostengünstige Herstellung
- vollständig 3D-druckbare Konstruktion
- einfache Wartung
- GPS-gestützte autonome Navigation
Technische Daten (Stand: Juli 2026)
| Eigenschaft | Wert |
|---|---|
| Spannweite | ca. 1,5 m |
| Länge | ca. 1,0 m |
| Geplantes Abfluggewicht | ca. 1,7 kg |
| Fluggeschwindigkeit | ca. 15 m/s - 20 m/s |
| Tragflächenprofil | Modifiziertes NACA 2412 |
| Flugsteuerung | SpeedyBee F405 Wing Mini |
| Autopilot | ArduPilot |
| Fertigung | 3D-Druck + Kohlefaserverstärkungen |
Projektidee
Die Grundidee besteht darin, ein autonomes UAV zu entwickeln, das Medikamente oder andere kleine Nutzlasten sicher und effizient transportieren kann. Die Nutzlast befindet sich während des Fluges in einem geschützten Fach innerhalb des Rumpfes und soll am Ziel automatisch abgeworfen werden.
Im Gegensatz zu klassischen Modellflugzeugen liegt der Schwerpunkt nicht ausschließlich auf guten Flugeigenschaften, sondern auf der Entwicklung eines möglichst vollständigen Gesamtsystems. Neben Aerodynamik und Konstruktion spielen daher auch Flugsteuerung, Elektronik, Simulation und Fertigung eine zentrale Rolle.
Konstruktion des Rumpfes
Die Entwicklung begann mit dem Entwurf eines aerodynamischen Rumpfes in Fusion 360. Dabei musste ein Kompromiss zwischen möglichst geringem Luftwiderstand und ausreichend Bauraum für die gesamte Elektronik gefunden werden.
Bereits während der Konstruktion wurden feste Montagepositionen für alle wesentlichen Komponenten vorgesehen. Dazu gehören unter anderem:
- Flight Controller
- GPS-Modul
- Telemetriemodul
- Empfänger
- ESC
- Antriebsmotor
- Akku
- FPV-System
- Nutzlastfach
Dadurch kann die Verkabelung sauber erfolgen und Wartungsarbeiten werden erheblich vereinfacht.
Ein besonderes Augenmerk lag außerdem auf einer modularen Bauweise. Einzelne Komponenten oder Baugruppen sollen sich später ohne größere Änderungen austauschen oder weiterentwickeln lassen.
Aerodynamische Entwicklung
Nachdem die ungefähre Größe des UAVs feststand, konnte das geplante Abfluggewicht auf etwa 1,7 kg abgeschätzt werden.
Auf dieser Grundlage begann die Auslegung der Tragflächen.
Die ersten Entwürfe verwendeten ein stark gewölbtes Tragflächenprofil, um bereits bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten möglichst viel Auftrieb zu erzeugen. Dies wäre insbesondere beim präzisen Abwurf einer Nutzlast von Vorteil gewesen.
Die anschließenden CFD-Simulationen zeigten jedoch, dass dieses Profil zwar hohen Auftrieb erzeugte, gleichzeitig jedoch einen deutlich höheren Luftwiderstand sowie ein weniger stabiles Auftriebsverhalten aufwies.
Nach mehreren Vergleichen fiel die Wahl schließlich auf eine modifizierte Variante des NACA-2412-Profils. Dieses Profil bietet einen sehr guten Kompromiss aus Auftrieb, Widerstand und stabilem Flugverhalten und eignet sich deshalb deutlich besser für das geplante Einsatzprofil.
CFD-Simulation
Zur Überprüfung der aerodynamischen Eigenschaften wurden erste CFD-Simulationen durchgeführt.
CFD-Simulation des Tragflächenprofils
Auftriebskraft des Tragflächenprofils
Die Simulationen zeigen, dass eine Tragfläche bei einer Fluggeschwindigkeit von 15 m/s etwa 11 N Auftrieb erzeugt.
Somit entsteht bei beiden Tragflächen eine gesamte Auftriebskraft von ungefähr 22 N, was einer theoretisch tragbaren Masse von etwa 2,24 kg entspricht. Damit besitzt das aktuelle Konzept ausreichend Leistungsreserven gegenüber dem geplanten Abfluggewicht von etwa 1,7 kg.
Die Ergebnisse dienen derzeit als Grundlage für die weitere Optimierung der Tragflächengeometrie.
Flugsteuerung
Für die Flugsteuerung ist aktuell ein SpeedyBee F405 Wing Mini vorgesehen.
Als Flugsoftware kommt ArduPilot zum Einsatz. Dadurch kann das UAV vollständig autonome Missionen entlang definierter GPS-Wegpunkte durchführen.
Geplant sind unter anderem folgende Funktionen:
- autonome Wegpunktnavigation
- Return-to-Launch (RTL)
- Stabilisierung in allen Flugphasen
- Telemetrieübertragung
- Live-Überwachung aller Flugdaten
- manuelle FPV-Steuerung
- Missionsplanung über Bodenstation
Bereits während der Konstruktion wurden alle elektronischen Komponenten so positioniert, dass kurze Kabelwege, eine gute Schwerpunktlage und eine einfache Wartung gewährleistet sind.
Aktuelle Herausforderungen
Da sich das Projekt noch in der Entwicklung befindet, stehen derzeit mehrere Optimierungsschritte im Fokus.
- weitere Reduzierung des Luftwiderstands
- Optimierung der Schwerpunktlage
- Konstruktion des Nutzlastabwurfs
- Integration einer wassergeschützten Elektronik
- Kühlung der elektronischen Komponenten
- Gewichtsoptimierung einzelner Bauteile
- Fertigung der ersten flugfähigen Prototypen
- Flugerprobung und Validierung der Simulationen
Bisherige Erkenntnisse
Bereits in der aktuellen Entwicklungsphase konnten zahlreiche Erfahrungen gesammelt werden.
- parametrische Konstruktion komplexer Baugruppen in Fusion 360
- Auswahl geeigneter Tragflächenprofile
- Durchführung und Auswertung von CFD-Simulationen
- Interpretation aerodynamischer Kennwerte
- Schwerpunkt- und Gewichtsabschätzung
- Integration elektronischer Komponenten in den CAD-Entwurf
- Entwicklung einer modularen UAV-Struktur
- Planung autonomer Flugsteuerung mit ArduPilot
Ausblick
Im nächsten Entwicklungsschritt soll der erste vollständig flugfähige Prototyp gefertigt werden.
Anschließend werden reale Flugversuche durchgeführt, um die Simulationsergebnisse zu überprüfen und das Flugverhalten weiter zu optimieren. Parallel dazu soll das Nutzlastsystem fertiggestellt und die autonome Navigation vollständig implementiert werden.
Langfristig soll aus diesem Projekt eine vollständig einsatzfähige Demonstrationsplattform entstehen, die den kompletten Entwicklungsprozess eines modernen Starrflügel-UAVs – von der Konstruktion über die Simulation bis hin zur Flugerprobung – dokumentiert.