Drohnen sind ein relativ neuer Fluggerätetyp mit besonderen Eigenschaften, die sich von dem unterscheiden, was wir aus der herkömmlichen Luftfahrt kennen. Drohnen reagieren zum Beispiel viel empfindlicher auf Wetterbedingungen als der "normale" Luftverkehr.
Der Einfluss des Wetters auf den Drohnenflugbetrieb
Dieser Abschnitt beleuchtet kurz die Auswirkungen, die Wetterbedingungen auf den Drohnenflugbetrieb haben können. Er verdeutlicht, warum es wichtig ist Wind, Nebel, Regen und Vereisung zu verstehen, um sichere Flüge zu gewährleisten.
Wie wirkt sich der Wind auf Drohnen aus?
Alle Fluggeräte, einschließlich Drohnen, werden vom Wind beeinflusst. Die Art, die Größe und das Gewicht der Drohne haben einen großen Einfluss darauf, wie der Wind die Drohne in der Luft beeinflusst. Eine große und schwere Drohne wird in der Regel weniger vom Wind beeinflusst als eine kleine Drohne.
Beim Schweben über dem Boden erzeugt der Wind eine Fluggeschwindigkeit für die Drohne. Die Drohne muss darauf reagieren und entsprechend gegensteuern, um an Ort und Stelle zu bleiben, was sich auf die erforderliche Motorleistung und den Akkuverbrauch auswirkt. Bei starkem Wind ist die Drohne möglicherweise nicht in der Lage, ihre Position zu halten (1).
Bei kommerziellen Drohnen gibt der Hersteller an, bei welchen Windbedingungen die Drohne sicher fliegen kann und wo die jeweiligen Betriebsgrenzen liegen. Um einen sicheren Flugbetrieb zu gewährleisten, müssen die Piloten die Grenzwerte des Herstellers einhalten, um zu verhindern, dass die Drohne mit dem Wind abdriftet oder ihr die Akkuleistung ausgeht, bevor sie den Landepunkt erreicht.
Warum sind Drohnen stärker vom Wind betroffen?
Ein düsengetriebenes Flugzeug bewegt sich mit einer Reisegeschwindigkeit von etwa 700-900 km/h. Drohnen bewegen sich, je nach Typ, mit 30-70 km/h. Bei einem Gegenwind von 20 km/h würde eine Drohne mit einer Fluggeschwindigkeit von 70 km/h eine reduzierte Geschwindigkeit von 50 km/h am Boden zurücklegen und benötigt daher 40 % mehr Zeit, um die gleiche Strecke zurückzulegen.
Im Falle des Flugzeugs ist dies ganz anders: Bei einem Gegenwind von 20 km/h braucht ein Flugzeug nur etwa 2,6 % länger als ohne Wind, da die Windgeschwindigkeit im Vergleich zur Höchstgeschwindigkeit des Flugzeugs vergleichsweise geringen Einfluss hat. Der Größenunterschied verdeutlicht, warum Drohnen viel empfindlicher auf Windbedingungen reagieren, und unterstreicht, dass diese Windempfindlichkeit für den kommerziellen Flugbetrieb eher neu ist, da herkömmliche Flugzeuge viel weniger betroffen sind. Die längere Flugzeit wirkt sich auch auf die Energie aus, was auf die geringere Energiedichte einer Batterie (im Vergleich zu Kerosin) zurückzuführen ist, die bei elektrisch betriebenen Drohnen in der Regel ein kritischer Faktor ist.
Können Drohnen bei Nebel und Regen fliegen?
Zusätzlich zu den Windverhältnissen beeinträchtigen auch Nebel und Regen die Flugsicherheit. Die meisten Drohnen verfügen nicht über eine IP-Klassifizierung (eine Klassifizierung, die angibt, wie gut elektrische Geräte vor äußeren Gefahren wie Staub und Feuchtigkeit geschützt sind), so dass Drohnen anfällig für Regen, Nebel und Schnee sind (2). Feuchtigkeit kann in das Gehäuse der Drohne eindringen und die Komponenten des Steuerungssystems beschädigen. Bevor Sie bei hoher Luftfeuchtigkeit oder Regen fliegen, müssen Sie den vom Drohnenhersteller angegebenen Schutzgrad und die zulässigen Bedingungen überprüfen. Feuchtigkeitsschäden können auch bei einem späteren Einsatz der Drohne auftreten und als Fehlfunktion aufgefasst werden.
Wie wirkt sich die Vereisung auf Drohnen aus?
Ein weiterer wichtiger Wetterparameter ist die Vereisung. Diese kann zur Bildung von Eis auf einem Luftfahrzeug führen.
Die Vereisung von Drohnen während des Fluges ist eine ernstzunehmende Gefahr. Drohnen sind aus folgenden Gründen empfindlicher für Vereisung als herkömmliche Flugzeuge (3).
Die Größe und das Gewicht: Im Vergleich zu großen Flugzeugen sammelt sich bei Drohnen schneller Eis an und es entsteht mehr Eis pro Flächeneinheit. Außerdem kann sich die zusätzliche Masse der Eisansammlung bei Drohnen mit strengen Gewichtsbeschränkungen schnell negativ auswirken. Im Allgemeinen sammeln kleinere Flugzeuge unter denselben Vereisungsbedingungen mehr Eis an, was zu einem Verlust der aerodynamischen Fähigkeiten führen kann.
Die Fluggeschwindigkeit: Mit zunehmender Geschwindigkeit erzeugt das Flugzeug mehr Reibung mit der Luft. Diese Reibung erzeugt Wärme an den Flügeln oder Propellern des Flugzeugs, was die Eisbildung verringert. Daher können hohe Fluggeschwindigkeiten der Vereisung bis zu einem gewissen Grad entgegenwirken, und schnellere Flugzeuge sind weniger von der Vereisung betroffen als langsamere Flugzeuge wie Drohnen, wenn sie unter den gleichen Wetterbedingungen fliegen. Die Teile der Drohnen, die der Vereisung am meisten ausgesetzt sind, sind der Fluggeschwindigkeitssensor, die Vorderkanten der aerodynamischen Oberflächen, die Rotoren und die Propeller. Während die Vereisungsbedingungen für große Flugzeuge als mäßig angesehen werden können, können die gleichen Bedingungen für kleine Drohnen als gravierend angesehen werden und zu einem Absturz der Drohne führen. Es wird daher dringend empfohlen, die Auswirkungen der Vereisungsbedingungen auf den Drohneneinsatz regelmäßig zu überprüfen.
Was ist Konvektion im Allgemeinen?
Konvektion kann auch als konvektive Zirkulation bezeichnet werden. Sie ist der Prozess der Übertragung von Wärmeenergie von einem Ort zum anderen und beschreibt die Bewegung innerhalb eines Fluids (Flüssigkeit oder Gas), die durch Temperaturunterschiede angetrieben wird. Konvektion ist daher immer mit dem Transport von Teilchen verbunden (4).
Wie entstehen Konvektionsströme?
Wenn eine Flüssigkeit oder ein Gas (Fluid) von unten erhitzt wird, beginnen sich die Moleküle am Boden stärker zu bewegen. Dadurch nehmen sie mehr Raum ein, weshalb die Dichte des Fluids an dieser Stelle abnimmt. Aufgrund der geringeren Dichte wird das Fluid leichter und steigt auf. Beim Aufsteigen in größere Höhen gibt es seine Energie ab und wird kühler. Die Bewegung der Moleküle wird dadurch verringert und die Dichte des Fluids nimmt wieder zu. Das Fluid sinkt daher wieder zu Boden: Es entsteht eine Konvektionsströmung.
Wir kennen diesen Vorgang vom Heizen unserer Häuser. Die Luft wird am Heizkörper erwärmt, dehnt sich aus und steigt nach oben. Auf der anderen Seite des Raumes kühlt sich die Luft ab, zieht sich wieder zusammen, sinkt ab und strömt zurück zum Heizkörper, wo der Prozess erneut beginnt.
Zusammenfassend lässt sich sagen: Konvektion entsteht, wenn sich eine Flüssigkeit oder ein Gas stärker erwärmt als ihre Umgebung (5). Dadurch entstehen Temperaturunterschiede. So steigen die heißeren Bereiche auf und die kühleren Bereiche sinken ab. Dadurch wird die Temperaturzirkulation unterstützt und starke Temperaturunterschiede werden abgebaut.
Was sind konvektive Wolken?
Bisher haben wir die Konvektion aus einer physikalischen Perspektive betrachtet. Konvektion spielt aber auch in der Meteorologie und damit auch in der Luftfahrt eine erhebliche Rolle.
Konvektionswolken sind Wolken, die durch Konvektion geformt werden. Sie entstehen durch den raschen vertikalen Auftrieb feuchter und warmer Luft, die durch eine erzwungene vertikale Strömung, z. B. durch Gebirge oder Kaltfronten, hervorgerufen wird. Die Abkühlung dieser Luft mit zunehmender Höhe führt dann zur Bildung von optisch dichten und hohen Wolken (6). Das beste Beispiel ist die Cumulonimbuswolke - die Weiterentwicklung einer großen Kumuluswolke.
Warum muss man Konvektion bei Drohnenmissionen berücksichtigen?
Konvektive Gewitter sind schwere Stürme, die sich aus konvektiven Wolken bilden. Sie können zu schweren Gewittern und heftigen Niederschlägen führen, die oft mit Hagel verbunden sind, was ihre große Bedeutung bei Unwetterwarnungen erklärt. Sie können sich sehr schnell bilden und vergrößern, aber auch rasch wieder verschwinden. Aufgrund ihres Gefahrenpotenzials müssen sie bei der Flugplanung berücksichtigt werden.
Wie wird die Konvektion in der Luftfahrt gehandhabt?
Es gibt Konvektionszonen, in denen die Wahrscheinlichkeit für die Entwicklung eines Gewitters größer ist. Dies ist insbesondere in den Tropen entlang des Äquators der Fall. Der Grund dafür ist eine Mischung aus vielen Faktoren, wobei der wichtigste Faktor die sehr warme und feuchte Luft ist (7). Im Laufe des Tages wird es immer heißer, und die heiße Luft steigt nach oben. Weiter oben in der Atmosphäre kühlt sie langsam ab. Dadurch kondensiert der Wasserdampf zu Wolkentröpfchen, und in der Folge bilden sich Eispartikel und konvektive Stürme. Diese Stürme bringen oft Regen und starken Wind mit sich. Sobald der Wind mit hoher Geschwindigkeit auf den Boden trifft, breitet er sich in alle Richtungen aus und kann über beträchtliche Entfernungen weiterwehen. Deshalb kommt es manchmal vor einem Gewitter zu starken Winden.
Aufgrund der schwerwiegenden Auswirkungen, die konvektive Aktivitäten auf einen Flug haben können, ist die so genannte SIGMET (Significant Meteorological Information) Teil des Pilotenbriefings und des Flugplanungsprozesses, um die Piloten über Unwetterbedingungen zu informieren. Ein Beispiel dafür ist in der folgenden Abbildung zu sehen, in der die Gebiete gezeigt werden, in denen ungünstige Wetterbedingungen auftreten (8).
SIGMETs werden in englischer Sprache verteilt und für jeden Tag, beginnend um 00:01 UTC, durchnummeriert. Die Gültigkeitsdauer beträgt in der Regel vier Stunden. Da Drohnen empfindlicher auf starken Wind, Regenfälle und Gewitter reagieren, ist die Bedeutung konvektiver Aktivitäten umso größer als in der konventionellen Luftfahrt.
Wie nutzen wir dieses Wissen bei Unisphere?
Da Drohnen empfindlicher auf die Wetterbedingungen reagieren als große Flugzeuge, wird SIGMET den Anforderungen des Drohnenbetriebs nicht vollständig gerecht, da die räumliche Auflösung recht groß ist und die Informationen statisch angezeigt werden.
Die in einem SIGMET enthaltenen Informationen spielen aber auch für den Flugbetrieb von Drohnen eine wichtige Rolle. Um sie an die speziellen Bedürfnisse von Drohnen anzupassen, müssen die Informationen zur konvektiven Aktivität in einem geografisch kleineren Maßstab dargestellt werden, da die großräumigen Informationen in den heutigen SIGMETs für Drohnenflüge weniger geeignet sind. Außerdem ist es notwendig zu verstehen, wie sich die Konvektionsströmungen in den nächsten Stunden entwickeln werden, um die Informationen bei der Planung des täglichen Drohnenflugbetriebs berücksichtigen zu können.
In unserer neuen Softwarelösung - NOVA AWARE - haben wir daher eine konvektive Kartenfunktion implementiert, die konvektive Aktivitäten in einem Gebiet anzeigt, die jeweiligen Intensitäten hervorhebt und die nächsten 48 Stunden in einer dynamischen Übersicht darstellt. Da wir der festen Überzeugung sind, dass ein besseres Verständnis der konvektiven Aktivitäten für die Planung von Drohnenflügen die allgemeine Flugsicherheit erhöht, können Sie unsere Anwendung 30 Tage lang kostenlos testen. Zögern Sie also nicht und verbessern Sie Ihre Flugsicherheit mit dem AWARE Convective Layer.