Scan des Air-Race-Weltmeisters

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Das Red Bull Air Race ist inzwischen weltweit bekannt. Es basiert auf dem Modell der Formel-1-Rennen, aber zusätzlich müssen extreme fliegerische Aufgaben erfüllt werden. Dadurch hat sich der Sport zu einem der aufregendsten Rennen entwickelt. Um die Aerodynamik zu optimieren, kommen 3D-Scanner zum Einsatz. Von Annick Giesen

Das Red Bull Air Race ist inzwischen weltweit bekannt. Es basiert auf dem Modell der Formel-1-Rennen, aber zusätzlich müssen extreme fliegerische Aufgaben erfüllt werden. Dadurch hat sich der Sport zu einem der aufregendsten Rennen entwickelt. Um die Aerodynamik zu optimieren, kommen 3D-Scanner zum Einsatz.  Von Annick Giesen

 

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D ie Aussicht, in niedriger Höhe mit Geschwindigkeiten von über 400 Kilometern pro Stunde zu fliegen und dabei extreme Rennbedingungen bewältigen zu müssen, hat einige der besten Piloten aus der ganzen Welt zum Red Bull Air Race angelockt. Sie steuern eine Reihe von Flugzeugen, die über die besten bekannten aerodynamischen Eigenschaften verfügen.
Um die begehrten Meisterschaften zu gewinnen, analysieren die Rennteams die Leistung ihrer Flugzeuge ausführlicher und mit mehr technischen Details als jemals zuvor. Da der Hauptantrieb der Flugzeuge standardisiert ist, besteht die einzige Chance darin, die Aerodynamik des Flugzeugrumpfs zu verbessern. Dies betrifft vor allem die Auswirkung, die der Luftfluss auf das Flugzeug hat und außerdem den Koeffizienten des überschüssigen Luftwiderstands, der für die nicht aerodynamisch optimierten Teile gilt. Die gleiche technische Strategie lässt sich auf der Rennstrecke auch direkt auf den Angriffswinkel anwenden: Das Anpassen der Eingangsgeschwindigkeiten und des Sogs zwischen den Pylonen während eines Rennens kann zu Zeiten führen, die manchmal nur Millisekunden auseinanderliegen. All diese Faktoren, gepaart mit den Fähigkeiten der einzelnen Piloten, sorgen für eine äußerst anspruchsvolle Rennumgebung.

Bessere Leistung dank 3D-Scan

Das Breitling Race Team mit dem britischen Piloten Nigel Lamb war besonders darauf bedacht, die Performance des Flugzeugs zu verbessern. Nigel Lamb arbeitet schon seit 2010 an seinem MXS-Flugzeug und hat in verschiedenste Technik investiert, um das Design und den Luftfluss an der Flugzeugoberfläche weiterzuentwickeln. Das Ziel dabei ist die Einsparung von Sekundenbruchteilen beim Anflug der einzelnen Tore.
Wie bei den meisten anderen Herstellern auch werden die vollständigen CAD-Baugruppen der Flugzeugstrukturen streng geheim gehalten. Die Modifizierung eines Flugzeugs gestaltet sich sehr schwierig, wenn keine Basisberechnungen verfügbar sind. Die Oberflächenprofile und die Form sind normalerweise so konzipiert, dass die Luft optimal darüberfließen kann. Es kann sich als schwierig erweisen, die direkte Replizierung der Maschine zu verstehen, wenn diese wichtigen Daten nicht vorhanden sind. In der Luftfahrtbranche können diese komplexen Formen mit herkömmlichen Methoden nicht gemessen werden. Die Erfassung in einer normalen Arbeitsumgebung würde mehrere Wochen dauern. Auch die digitale Erstellung des Modells in einem CAD-Paket wäre mit erheblichem Zeitaufwand verbunden. Immer vorausgesetzt, dass die durchgeführten Messungen korrekt waren!
Auf dieser Grundlage und mit der Vision, einige radikale Veränderungen am gegenwärtigen Rennflugzeug vorzunehmen, hat sich das Breitling Race Team für die diesjährige Rennsaison an Measurement Solutions, Distributor von Creaform in Großbritannien, gewandt. Es verspricht sich davon Unterstützung bei der möglichst genauen Digitalisierung des Flugzeugs.

Hohe Genauigkeit bei großem Volumen

Measurement Solutions wurde damit beauftragt, für das Breitling-Race-Team einen vollständigen und genauen 3D-Scan der gesamten aerodynamischen Form des Flugzeugs bereitzustellen, damit die Form des Flugzeugs zur Durchführung von Luftflussanalysen exakt dargestellt werden kann. Die erfassten Daten mussten über eine Genauigkeit im Submillimeterbereich verfügen. Gleichzeitig sollten die Störungen während der Vorbereitung auf den Saisonstart so gering wie möglich gehalten werden.
Da die hohe Genauigkeit bei einem großen Volumen der wichtigste Aspekt war, wurden herkömmliche Scansysteme wie tragbare Messarme mit Scan-Aufsatz und Laser-Tracking, schnell als unangemessene Optionen verworfen. Sie waren zur schnellen und einfachen Bereitstellung hochpräziser und zuverlässiger Daten nicht geeignet.
Stattdessen wurde der handgeführte Laserscanner MetraSCAN 3D von Creaform verwendet, um das gesamte Flugzeug zu scannen. Damit können auf einfache und schnelle Weise hochpräzise Messdaten für große Flächen erfasst werden. Da das System mit der TRUaccuracy-Technologie von Creaform ausgestattet ist, kann die Genauigkeit unter allen Messbedingungen sichergestellt werden. Für herkömmliche Messausrüstung sind dagegen stabile Umgebungen und erfahrene Benutzer erforderlich. Dies erwies sich beim Scannen des Flugzeugs in einem kalten Hangar bis spät in die Nacht als wichtiger Vorteil.
Beim MetraSCAN 3D erfolgt das Tracking mit einem Dual-Kamerasystem, mit dem sich die Position des Scanners relativ zum Flugzeug jederzeit bestimmen ließ. Ein dynamisches Referenzsystem bedeutet auch, dass Messungen unabhängig von Umgebungsvibrationen durchgeführt werden können – sogar in einem Hangar für Flugzeuge. Ferner war es mit dem System möglich, das Messvolumen schnell und problemlos zu erweitern oder das Tracking-Gerät neu zu positionieren, ohne dass komplizierte und zeitaufwendige Anpassungen nötig waren.
Zur weiteren Steigerung der Genauigkeit bei diesem Projekt wurde das System zusammen mit dem optischen Koordinatenmesssystem MaxSHOT 3D von Creaform eingesetzt. Mit dem Fotogrammetrie-Gerät MaxSHOT 3D wurde eine exakte Referenzkarte der gesamten Flugzeugoberfläche erstellt. So konnte der Zeitaufwand verringert werden, der normalerweise anfällt, wenn Scandatensätze manuell registriert werden. Bereiche konnten bei Bedarf neu gescannt und Teile konnten entfernt werden, um auch das ausführliche Scannen von verdeckten Flächen zu ermöglichen.

Schnell zum STL-Gittermodell

Innerhalb von 24 Stunden hatte das Team von Measurement Solutions das gesamte Flugzeug mit einer Genauigkeit von einem Millimeter gescannt. Vor dem Verlassen des Hangars wurde die Datenerfassung abgeschlossen und eine Nachbearbeitung durchgeführt. Das Ergebnis war ein branchenübliches STL-Gittermodell, das direkt in ein Programm für Luftflussanalysen und CAD-Software importiert werden konnte.
Creaform und Measurement Solutions haben somit mitgeholfen, dass das Breitling-Race-Team und Nigel Lamb im Oktober 2014 die Red-Bull-Air-Race-Weltmeisterschaft gewinnen konnten. (anm)

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