Es ist eine Fliege! Es ist ein Bug! Es ist ein Mikroflugzeug!

Fast alle von uns haben sich schon einmal gewünscht, eine Fliege an der Wand zu sein – aber niemand will geschlagen werden. Eine sicherere Option könnte darin bestehen, eine Flotte intelligenter Fliegen zu befehligen, die kritische Informationen suchen und melden können, während wir sicher vor Gefahren geschützt bleiben. Mit dieser Idee im Hinterkopf entwickeln Ingenieure des Lincoln Laboratory des MIT jetzt ein Mikroluftfahrzeug – ein halbautonomes Spionageflugzeug, das klein genug ist, um es in Ihrer Handfläche zu halten.

NASA-Astronauten-Raumanzug

Die Idee, das weltweit erste Miniaturflugzeug zum Sammeln von Informationen zu produzieren, wurde vor drei Jahren im Lincoln Lab vorgeschlagen, als Forscher nach einem Weg suchten, Soldaten, die in kleinen Militäreinheiten, wie sie in städtischen Umgebungen eingesetzt werden, dienten, direkten Zugriff auf Aufklärungsdaten zu ermöglichen. Sie stellten sich ein tragbares Überwachungssystem vor, das Soldaten schnell über drohende, unsichtbare Gefahren informieren könnte. In städtischen Gebieten könnte ein solches System beispielsweise Soldaten ermöglichen, über den Hügel und um die Ecke zu sehen, sagt William R. Davis, der das Mikroluftfahrzeugprogramm des Lincoln Lab leitet. Fortgeschrittene Versionen können nukleare, biologische und chemische Waffen in feindlichem Gelände erschnüffeln, Gefechtsschäden beurteilen oder Geiselkrisen oder Distanzen im Waco-Stil überwachen.

Beam es runter

Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom Oktober 1997



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Basierend auf den im Lincoln Lab skizzierten Konzepten hat die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) in diesem Jahr ein 35-Millionen-Dollar-Programm zur Entwicklung von Prototypen von Mikroluftfahrzeugen gestartet, wobei vorläufige Vorschläge von Industrie und Wissenschaft eingeholt wurden. Zu den Organisationen, die um eine Finanzierung konkurrieren, gehören Universitätslabore wie das Georgia Tech Research Institute (GTRI), Luft- und Raumfahrtunternehmen und kleine Unternehmen.

Gleichzeitig hat die DARPA dem Lincoln Lab eine Anschubfinanzierung zur Verfügung gestellt, um einen voll funktionsfähigen Prototyp zu entwickeln, den die Forscher voraussichtlich innerhalb von drei Jahren fertigstellen werden. Mit einem Gewicht von zwei Unzen und einer Länge und Breite von weniger als 15 Zoll fliegt der Prototyp mit 20 bis 30 Meilen pro Stunde und arbeitet in einem Umkreis von bis zu 5 Meilen (die Grenze bezieht sich auf die erwartete Reichweite des Kommunikationssystems des Fahrzeugs). , und bleiben bis zu einer Stunde in der Luft. Es muss auch Aufklärungs- und Navigationsfähigkeiten haben.

Im Großen und Ganzen, sagt Milan Vilajenik, der die Engineering Division von Lincoln Lab leitet, wird dies ein fliegender Chip sein.

Angesichts seiner engen Größen- und Gewichtsbeschränkungen ist es keine leichte Aufgabe, diesen fliegenden Chip vom Boden zu heben und dort zu halten. Mit abnehmender Größe sei die vorhandene Technologie zu groß, erklärt Vilajenik. Die meisten Subsysteme müssen entwickelt werden.

Die erste Herausforderung besteht darin, ein effizientes Flügeldesign zu schaffen, das für ein Fahrzeug dieser Größenklasse, in dem sich das aerodynamische Verhalten von dem größerer, schnellerer Flugzeuge unterscheidet, ausreichend Auftrieb und ausreichend geringen Luftwiderstand bietet. Das Lincoln-Lab-Team berechnete, dass ein schwebendes Fahrzeug mit Rotorblättern etwa die doppelte Leistung eines Starrflüglers benötigen würde. Um den Energiebedarf zu minimieren, evaluiert das Team daher mehrere Starrflügelkonfigurationen mit Propellern als Antrieb, sagt Programmmanager Davis.

Robert J. Englar, ein leitender Forschungsingenieur am Georgia Tech, argumentiert jedoch, dass ein konventioneller Flügel selbst mit einem Propeller nicht genug Auftrieb erzeugt, um ein sehr kleines, langsames Fahrzeug durch den störenden Luftstrom zu bewegen, auf den es wahrscheinlich stoßen wird. Georgia Tech hat einen Vorschlag eingereicht, den Englar nicht diskutieren will, aber Sam Blankenship, Koordinator des GTRI-Mikroflyer-Programms, sagt, dass Ingenieure möglicherweise letztendlich die Flügelschläge kleiner Vögel und Insekten als Modelle für energieeffizienten Flug betrachten müssen.

Ein starkes Antriebssystem kann Mängel in der aerodynamischen Leistung ausgleichen, bemerkt Davis, aber leistungsstärkere Antriebseinheiten werden wahrscheinlich mehr wiegen – und Designer möchten Gewicht für datensammelnde Sensoren und Kommunikationssysteme reservieren. Das Team des Lincoln Lab stellte fest, dass Düsentriebwerke im erforderlichen kleinen Maßstab zu viel Treibstoff verbrauchen würden, während Stromquellen wie Batterien zu viel wiegen und zu wenig Leistung liefern würden. Die Ingenieure des Lincoln Lab identifizierten Verbrennungsmotoren und Brennstoffzellen als die vielversprechendsten kurzfristigen Alternativen und hoffen, innerhalb von ein bis zwei Jahren miniaturisierte Versionen von Verbrennungsmotoren entwickeln zu können.

Neben einem robusten Antrieb benötigt das winzige Fahrzeug eine Flugsteuerung, damit es bei Luftturbulenzen oder plötzlichen Windböen seinen Kurs halten kann. Da das Flugzeug außerhalb der Sichtweite der Truppen fliegt und sich schnell ändernde Flugbedingungen treffen können, kann ein Soldat das Fahrzeug nicht wie ein Modellflugzeug fliegen, sagt Davis. Sein Team stellte fest, dass sich der Prototyp zur Ausführung von Manövern auf kleine Geräte verlassen konnte – Sensoren, die die Flugzeuggeschwindigkeit, Beschleunigung und den Atmosphärendruck messen, sowie elektrische Aktuatoren, die die aerodynamischen Oberflächen des Flugzeugs bewegen.

Davis weist darauf hin, dass ausgeklügelte Mikrofertigungstechniken es ermöglichen, Sensoren und Aktoren mit geringem Energiebedarf in sehr kleinem Maßstab herzustellen. Mit zunehmender Entwicklung der Mikroebenen-Entwicklung erwarten Designer jedoch, diese winzigen Bauelemente, die bewegliche Teile verwenden und separat montiert werden müssen, durch mikroelektromechanische Systeme zu ersetzen – hochpräzise Systeme, die Computerchips ähneln und mit Verfahren ähnlich der Herstellung von Mikroschaltungen hergestellt werden. Diese könnten in den Flügel eines Mikroflugzeugs eingebettet werden, was wertvolles Gewicht spart und eine effizientere Kontrolle bietet.

Schließlich planen die Forscher von Lincoln, ein sehr kleines Bildgebungssystem für das Fahrzeug und eine tragbare Bodenstation – einen Laptop und eine kleine parabolische Kommunikationsschüssel – zur Übertragung von Fotos zu entwickeln. Sie stellen sich eine zwei Gramm schwere, einen Kubikzentimeter große Kamera für sichtbares Licht vor, die unter dem Flugzeug positioniert ist und Millionen-Pixel-Bilder liefert – Bilder, die scharf genug sind, um Militärfahrzeuge und -personal aus einer Höhe von 100 Metern zu identifizieren. Die Herausforderung bei der Entwicklung des Bildgebungssystems besteht nicht darin, einzelne Komponenten zu konstruieren oder herzustellen, sondern sie zu integrieren, ohne enge Massen- und Leistungsbeschränkungen zu überschreiten.

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Tatsächlich wird die Integration dieses dicht gepackten Sortiments von Aufklärungs-, Antriebs-, Flugsteuerungs- und anderen Subsystemen die letzte Hürde sein, bemerkt Vilajenik. Beispielsweise müssen Konstrukteure möglicherweise einen vibrierenden, Wärme erzeugenden Verbrennungsmotor von einem auf diese Störungen empfindlichen Abbildungssystem isolieren und elektromagnetische Interferenzen zwischen Elektromotoren und der Kommunikationsantenne verhindern.

Da Ingenieure in den nächsten ein oder zwei Jahrzehnten Möglichkeiten entwickeln, mehr Funktionen in kleinere Pakete zu packen, erwarten sie, dass Nutzlastkapazität, Ausdauer und Reichweite steigen werden. Das Team von Lincoln Lab stellt sich fortschrittliche Mikroluftfahrzeuge vor, die so unterschiedliche Aufgaben erfüllen wie die Erkennung chemischer Signaturen von unkonventionellen Waffen, den Einsatz stationärer Sensoren zur Überwachung nicht patrouillierter Bereiche sowie die Abbildung und Aufzeichnung von Szenen in und um Gebäude herum.

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