Der gefährlichste Moment bei einem Hubschrauberflug ist die Landung. Sie erfolgt in der letzten Phase auf Sicht. Denn Instrumente, die genau genug messen, gab es bis vor kurzem nicht, sagt Professor Oliver Ambacher, der Leiter des Fraunhofer-Instituts für angewandte Festkörperphysik in Freiburg.
"Bei einem Hubschrauber geht es um einen Bereich von Zentimetern. Denn schon wenn ein Hubschrauber auf einen Stein trifft, der groß genug ist, kann das zum Kippen des Hubschraubers führen. Das ist auch schon passiert. Und deswegen sind die Anforderungen an die Elektronik, die die Genauigkeit leisten muss, wesentlich höher."
Höher jedenfalls als bei Flugzeugen, die eine große Landebahn zur Verfügung haben. Die Freiburger Forscher haben deshalb Sensoren entwickelt, die Hubschrauberpiloten bei der Landung unterstützen sollen. Dieser Assistent ist so genau wie die Parkhilfe eines Autos, funktioniert aber aus deutlich größerer Entfernung. Ambacher:
"Die Genauigkeit, die wir im Moment erzielen: Bei 30 Metern Höhe des Hubschraubers über Grund kann er auf 2,5 Zentimeter genau gucken, was die Höhe angeht. Und bei der Geschwindigkeit ist es halbe Schrittgeschwindigkeit, die noch gemessen wird. Und das reicht auch, damit der Hubschrauber sicher landen kann."
Erreicht wird das mit einem Chip, der nicht einmal so groß ist wie ein kleiner Fingernagel. In ihm stecken ein Sender und ein Empfänger für Mikrowellen. Sie haben eine deutlich höhere Frequenz als die Radiowellen, die beim herkömmlichen Radar verwendet werden, und entsprechend ist die Ortung viel genauer. Zwei Dinge werden gemessen: Wie lange braucht das ausgesandte Signal, bis es wieder zum Sensor zurückkommt – daraus lässt sich die Entfernung zum Boden berechnen. Und wie weit hat sich die Frequenz verschoben – anhand dieses sogenannten Doppler-Effekts kann man auf die Geschwindigkeit des Hubschraubers schließen. Auf das Standardmaterial der Elektronik, nämlich Silizium, konnten die Forscher hier nicht zurückgreifen.
"Silizium ist beschränkt in der Schnelligkeit, mit der Elektronen durch dieses Material bewegt werden können. Was dazu führt, dass die Frequenzen nach oben limitiert sind. Weil wir, um diese Genauigkeit zu erzielen, zu sehr hohen Frequenzen gehen müssen, nehmen wir ein Material namens Indium-Gallium-Arsenid. In diesem Material sind Elektronen 'leichter', können sich schneller bewegen, wir kommen zu höheren Frequenzen und können deswegen auch durch das Oszillieren der Elektronen in diesem Material eine elektromagnetische Welle erzeugen mit dieser Frequenz, die dann abgestrahlt wird. Also die Bewegung der Elektronen ist direkt übersetzbar in eine elektromagnetische Welle der entsprechenden Frequenz. Und diese Bewegung der Elektronen passiert in schnellen Transistoren."
Ein einziger Sensor genügt bei einem Landeassistenten nicht. Denn der Pilot muss auch wissen, ob der Hubschrauber parallel zum Boden schwebt oder leicht gekippt ist, und ob der Grund selbst eben ist oder nicht. Erforderlich sind drei Höhen- und drei Geschwindigkeitssensoren. Tatsächlich sind aus Sicherheitsgründen jeweils fünf davon an Bord. Derzeit wird das System bei der Bundeswehr getestet. Deren Piloten schätzen die Landehilfe aus Freiburg, aber sie haben Oliver Ambacher auch Verbesserungen vorgeschlagen.
"Was ein Pilot gerne hätte, wäre letztendlich ein Höhenbild. Und was wir im Moment liefern – ähnlich wie beim Fahrzeug -, ist ein künstlich erzeugtes Bild mit einer Farbkodierung oder einem akustischen Signal. Das ist schon sehr gut, aber es kam der Vorschlag: Macht doch ein Bild daraus, dann kann ich es gleich sehen. Und das sind die Arbeiten für die Zukunft, die wir gerne als Anregung aufnehmen und auch umsetzen werden."
Auch die Zulassung der elektronischen Landehilfe steht noch aus. Fluginstrumente müssen in langwierigen Tests beweisen, dass sie in jeder Situation zuverlässig funktionieren. Rund eineinhalb Jahre lang müssen die neuen Sensoren jetzt zeigen, was sie können, bevor sie endgültig in Hubschrauber eingebaut werden dürfen.
"Bei einem Hubschrauber geht es um einen Bereich von Zentimetern. Denn schon wenn ein Hubschrauber auf einen Stein trifft, der groß genug ist, kann das zum Kippen des Hubschraubers führen. Das ist auch schon passiert. Und deswegen sind die Anforderungen an die Elektronik, die die Genauigkeit leisten muss, wesentlich höher."
Höher jedenfalls als bei Flugzeugen, die eine große Landebahn zur Verfügung haben. Die Freiburger Forscher haben deshalb Sensoren entwickelt, die Hubschrauberpiloten bei der Landung unterstützen sollen. Dieser Assistent ist so genau wie die Parkhilfe eines Autos, funktioniert aber aus deutlich größerer Entfernung. Ambacher:
"Die Genauigkeit, die wir im Moment erzielen: Bei 30 Metern Höhe des Hubschraubers über Grund kann er auf 2,5 Zentimeter genau gucken, was die Höhe angeht. Und bei der Geschwindigkeit ist es halbe Schrittgeschwindigkeit, die noch gemessen wird. Und das reicht auch, damit der Hubschrauber sicher landen kann."
Erreicht wird das mit einem Chip, der nicht einmal so groß ist wie ein kleiner Fingernagel. In ihm stecken ein Sender und ein Empfänger für Mikrowellen. Sie haben eine deutlich höhere Frequenz als die Radiowellen, die beim herkömmlichen Radar verwendet werden, und entsprechend ist die Ortung viel genauer. Zwei Dinge werden gemessen: Wie lange braucht das ausgesandte Signal, bis es wieder zum Sensor zurückkommt – daraus lässt sich die Entfernung zum Boden berechnen. Und wie weit hat sich die Frequenz verschoben – anhand dieses sogenannten Doppler-Effekts kann man auf die Geschwindigkeit des Hubschraubers schließen. Auf das Standardmaterial der Elektronik, nämlich Silizium, konnten die Forscher hier nicht zurückgreifen.
"Silizium ist beschränkt in der Schnelligkeit, mit der Elektronen durch dieses Material bewegt werden können. Was dazu führt, dass die Frequenzen nach oben limitiert sind. Weil wir, um diese Genauigkeit zu erzielen, zu sehr hohen Frequenzen gehen müssen, nehmen wir ein Material namens Indium-Gallium-Arsenid. In diesem Material sind Elektronen 'leichter', können sich schneller bewegen, wir kommen zu höheren Frequenzen und können deswegen auch durch das Oszillieren der Elektronen in diesem Material eine elektromagnetische Welle erzeugen mit dieser Frequenz, die dann abgestrahlt wird. Also die Bewegung der Elektronen ist direkt übersetzbar in eine elektromagnetische Welle der entsprechenden Frequenz. Und diese Bewegung der Elektronen passiert in schnellen Transistoren."
Ein einziger Sensor genügt bei einem Landeassistenten nicht. Denn der Pilot muss auch wissen, ob der Hubschrauber parallel zum Boden schwebt oder leicht gekippt ist, und ob der Grund selbst eben ist oder nicht. Erforderlich sind drei Höhen- und drei Geschwindigkeitssensoren. Tatsächlich sind aus Sicherheitsgründen jeweils fünf davon an Bord. Derzeit wird das System bei der Bundeswehr getestet. Deren Piloten schätzen die Landehilfe aus Freiburg, aber sie haben Oliver Ambacher auch Verbesserungen vorgeschlagen.
"Was ein Pilot gerne hätte, wäre letztendlich ein Höhenbild. Und was wir im Moment liefern – ähnlich wie beim Fahrzeug -, ist ein künstlich erzeugtes Bild mit einer Farbkodierung oder einem akustischen Signal. Das ist schon sehr gut, aber es kam der Vorschlag: Macht doch ein Bild daraus, dann kann ich es gleich sehen. Und das sind die Arbeiten für die Zukunft, die wir gerne als Anregung aufnehmen und auch umsetzen werden."
Auch die Zulassung der elektronischen Landehilfe steht noch aus. Fluginstrumente müssen in langwierigen Tests beweisen, dass sie in jeder Situation zuverlässig funktionieren. Rund eineinhalb Jahre lang müssen die neuen Sensoren jetzt zeigen, was sie können, bevor sie endgültig in Hubschrauber eingebaut werden dürfen.