Hybrid Energy Solutions for Remotely Piloted Aircraft Systems

Ubemannede luftsystemer og droner er i ferd med å få en mer utbredt rolle i samfunnet. Det utvikles stadig ny teknologi, spennende konsepter, og nyttige tjenesteløsninger. Droner har noen klare fordeler ved at de er små, lager lite støy, og kan bære med seg nyttelast som kamera og andre sensorer eller små leveranser. Dermed kan droner overta oppgaver som helikopter i dag utfører, samt nye typer oppgaver som tidligere ikke har vært praktisk mulig eller økonomisk forsvarlig med helikopter. Samfunnsoppgaver hvor droner kan benyttes kan være søk og redning, inspeksjon, operasjonsstøtte for nødetater under utrykning, hurtigleveranser fra A til B, eller 3D-scanning av bymiljø og anleggsområder. Begrenset flytid er en sentral begrensning for at droner skal kunne benyttes til flere kommersielle og industrielle formål. En tilnærming til å forlenge flytiden er ved å bruke et energisystem som er basert på brenselceller og hydrogen. Et slikt system må kunne levere mer energi per vekt en batterier alene klarer. Dette medfører noen utfordringer. Det finnes noe erfaring med dette for ubemannede småfly, men det er lite erfaring med slike systemer på droner med flere roterende propeller. Gjennom prosjektet er det blitt utviklet en prototype som er basert på en Staaker BG-200 drone, som produseres og selges av Nordic Unmanned. Denne er utrustet med et 2 kW brenselcellesystem, en 7.2 L trykkbeholder med hydrogen, og har en take-off vekt på 21 kg. Første flytur ble vellykket gjennomført den 9. Desember 2020. Det er utarbeidet fire artikler som tar for seg forskjellige aspekter ved integrasjon og anvendelse av brenselceller på multirotor droner. Disse svarer på spørsmål rundt hvor terskelen er for at et brenselcelle-basert system skal levere overlegen ytelse, hva ytelsen til prototypen er, hva mulighetene for videre implementering og bruk er, samt hvordan ytelsen av slike systemer kan forbedres. Arbeidet tar for seg problemstillinger som er knyttet til lover og regler, teknisk modenhet, og operasjonelle problemstillinger. Til sammen utgjør forskningen et kunnskapsgrunnlag for hvordan brenselceller kan benyttes til å forlenge flytiden til multirotor droner, og har etablert et solid basis for videre forskning og kommersiell utvikling.

- Det er utviklet en prototype av en multirotor drone med brenselceller som er demonstrert og flytestet. - Prosjektet har etablert en solid basis for videre forskning og kommersiell utvikling. - Gjennom å bli et av de første luftfartøyene med hydrogen og brenselceller til å få flytillatelse fra Luftfartstilsynet, har prosjektet bidratt til en viktig milepel inn mot å oppnå mer miljøvennlig luftfart. - Universitetet i Stavanger har fått innblikk i et nytt og fremtidsrettet fagfelt.

As Remotely Piloted Aircraft Systems (RPAS) are becoming more widespread and efforts are being made for industrial utilization of such systems, flight time is a key aspect. To solve demanding operations in urban arctic environments, the flight time must be increased from the current standards. This PhD project is a collaboration between University of Stavanger (UiS) and Nordic Unmanned AS (NUM), and aim to minimize the weight of, and maximize the energy available for a Remotely Piloted Aircraft System. That will be done through using advanced materials in the structural design, optimizing design parameters, implementing advanced fuel cell and battery technology, and optimizing the performance in challenging operational conditions. The goals of the project are to extend the flight time compared to battery alone performance, and to demonstrate a prototype with innovations from the research. The main challenges are expected to be sufficient power and energy capacity, and integration through making the system compact, robust, reliable, and simple to use.