Alternative zu Helikopter: ein Cyclocopter für Spezialfälle

Der Franko-Kanadier Louis Gagnon und Humboldt-Stipendiat forscht als Gast am Institut für Aerodynamik und Gasdynamik.

Die Forschung des Maschinenbau-Ingenieurs Dr. Louis Gagnon zielt hoch hinaus in die Lüfte. Gagnon will ein Elektro-Fluggerät bauen, das senkrecht startet wie ein Helikopter, dafür aber wendiger und kompakter ist – und das bei möglichst geringem Energieverbrauch. Das soll ein alternativer, sogenannter Cyclorotor, möglich machen. Von ihm leitet sich auch der Name des Fluggerätes ab: Cyclocopter.

Energieeffizienz steht im Mittelpunkt

Das Thema Energieeffizienz zieht sich wie ein roter Faden durch Gagnons Forscherkarriere. Bereits als Maschinenbau-Student in Montréal und Québec City nahm er an Rennwagen-Wettbewerben teil und wurde mit seinem Team für das spritsparendste Gefährt ausgezeichnet. Während der Master- und Doktorarbeit an der Laval Universität von Québec City galt sein Fokus Autos und LKWs. Unter anderem untersuchte er, welche Faktoren den Energieverbrauch beeinflussen. Dabei entstand auch der Kontakt zu dem Polytechnikum Mailand, wo er sich als Gastdoktorand zu Mehrkörpermodellen von LKW weiterbildete. „Wie ich, lieben viele Leute die Freiheit, die mit Mobilität einhergeht, aber es tut mir weh, zu sehen, welche Auswirkungen das auf das Klima hat“, sagt Gagnon.

Die Arbeitsgruppe Hubschrauber und Aeroakustik unter Leitung von Dr. Manuel Keßler ist ihm über seinen ehemaligen Chef am Polytechnikum Mailand empfohlen worden. „Ich habe vorher noch nie ein Fluggerät gebaut und bekomme hier viel Unterstützung von meinen Kollegen, die darin Erfahrung haben“, erklärt Gagnon. Der Umgang sei unkompliziert, man gehe zusammen Mittagessen, bespreche regelmäßig Forschungstehmen. „Es ist bemerkenswert, wie schnell Louis Gagnon es geschafft hat, sich auch bei anspruchsvollen technischen Gesprächen problemlos auf Deutsch zu verständigen“, ist Keßler beeindruckt.

Vor einem Jahr ist Gagnon zunächst nach Mannheim gezogen, wo er zusammen mit seiner italienischen Frau vier Monate lang einen von der Humboldt-Stiftung finanzierten Intensiv-Deutschkurs besucht hat. „Mit unserem damals fünf Monate alten Sohn war das anfangs eine Herausforderung“, erzählt Gagnon auf Deutsch mit französischem Akzent. Bei der Betreuung des Sprösslings hat sich das Pärchen mit den Großeltern abgewechselt, die dafür aus Italien beziehungsweise Kanada angereist waren. Inzwischen wohnt die Familie in Möhringen, von wo aus Gagnon meist mit dem Fahrrad zum Campus nach Vaihingen fährt.

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Louis Gagnon mit dem Holzmodell eines Cyclorotors.

Rotor ähnelt Schaufelrad eines Raddampfers

Was Gagnon an praktischem Wissen zum Fluggerätebau fehlt, macht er mit seiner sechsjährigen Forschungserfahrung zu Cyclorotoren in Italien wett. Um zu erklären, wie ein Cyclorotor funktioniert, greift der 36-Jährige gerne auf ein handtellergroßes Holzmodell zurück. Er hat es vor kurzem in der Werkstatt des Instituts gebaut. Der Rotor ähnelt dem Schaufelrad eines Raddampfers, bei dem die Schaufeln durch Blätter ersetzt sind. Die Blätter rotieren entlang ihrer Längsseite um eine horizontale Achse und erzeugen so Auftrieb und Schub.

Zusätzlich lässt sich der Neigungswinkel der Rotorblätter verändern, so dass Schub in unterschiedliche Richtungen erzeugt werden kann. „Das ist ein großer Vorteil gegenüber dem herkömmlichen Hubschrauberrotor, der hauptsächlich Schub nach unten erzeugt“, sagt Gagnon. Als Kran eingesetzt, könnten Cyclocopter daher übergangslos vom Schwebe- in den Vorwärtsflug übergehen und ihre zu tragenden Last viel präziser durch enge Baustellen manövrieren. Schließlich erlaubt das Konzept den Bau sehr kompakter und leiser Fluggeräte. Das macht die Geräte auch als künftige Flugtaxis für das Fliegen zwischen den Hochhausschluchten von Großstädten interessant.

Über 100 Jahre altes Konzept wiederbelebt

„Der klassische Hubschrauber ist ausgereift und funktioniert gut, aber für spezielle Anwendungsfälle ist das Cyclocopter-Konzept durchaus interessant“, sagt Manuel Keßler. Allerdings sehe er bei den Cyclocopter noch „erheblichen Forschungsbedarf“. Zwar wurden erste Cyclocopter bereits Anfang des 20. Jahrhunderts gebaut, doch dann kamen Hubschrauber auf und das Konzept wurde nicht weiter verfolgt. Dagegen haben sich Cyclorotoren bis heute bei Hafenschleppern oder Fähren bewährt, die äußerst manövrierfähig sein müssen. Mittlerweile gibt es weltweit wieder einige wenige Firmen und Forschergruppen, die leichtere Cyclorotoren für Flugobjekte entwickeln wollen.

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Computersimulation von Luftströmen entlang eines Rotorblattes.

Um unterschiedliche Rotor-Designs vorab am Computer testen und optimieren zu können, hat Gagnon in der Abteilung Luft- und Raumfahrttechnik am Polytechnikum Mailand bereits verschiedene Simulationsmodelle für Cyclorotoren entwickelt. Mit Mehrkörpersimulationen untersucht der Maschinenbau-Ingenieur zum Beispiel, wie sich die einzelnen Rotorkomponenten aufeinander auswirken. Methoden der numerischen Strömungsmechanik erlauben hingegen einen detaillierten Blick auf die Luftströme und -wirbel entlang der Blätter.

Fliegen ist schön – aber bitte energiesparend

Unter anderem hat er mit diesen Methoden die aerodynamischen Rotor-Eigenschaften in einem unbemannten Prototyp eines österreichischen Partner-Unternehmens analysiert. „Das Ziel war, dass der Cyclocopter fliegt“, sagt Gagnon. „Jetzt will ich einen Cyclocopter bauen, der für das gleiche Gewicht eines herkömmlichen Hubschraubers weniger Leistung benötigt“, betont er. Dafür braucht er genauere Simulationsmodellen, die er während seines 2-3-jährigen Stipendiats entwickeln möchte. Die am Computer ermittelte energieeffizienteste Rotor-Konfiguration will Gagnon schließlich in einem selbst gebauten Prototyp testen.

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