Validierung einer Fast-Response Sonde für Wind- und Turbulenzmessung an Bord eines unbemannten Luftfahrzeuges

Für Wind- und Turbulenzmessungen an Bord unbemannter Luftfahrzeugsysteme (unmanned aerial systems, UAS) werden bisher häufig Mehrlochsonden (MLS) eingesetzt. In einer Fast-Response Sonde (FRS) werden im Gegensatz zu konventionellen MLS die Drucksensoren innerhalb des Sondenkörpers platziert, was zu kürzeren Druckleitungslängen, und somit zu schnelleren Reaktionszeiten führt. Mit dieser Methode wurden in Windkanalanwendungen Messfrequenzen im kHz-Bereich demonstriert. Eine Messung in der atmosphärischen Grenzschicht mit höherer Auflösung kann die Erfassung turbulenter Flüsse oder kleinskaliger Turbulenz, wie zum Beispiel Blattspitzenwirbel von Windradflügeln, verbessern. Auch kann die Datengrundlage für direkte numerische Simulationen geschaffen werden.
Zu Erprobungszwecken wurde eine FRS als zusätzliche Komponente in das Sensorsystem des UAS vom Typ MASC-3 der Universität Tübingen integriert und Validierungsmessungen durchgeführt. Hierfür wurde eine spezielle Doppel-Sonden-Konfiguration entwickelt, die sowohl die FRS als auch die bisher in MASC-3 verwendete konventionelle MLS integriert. Es wurden umfangreiche Windkanaltests, sowie Druck-, Geschwindigkeits- und Strömungswinkelkalibrierungen durchgeführt. Flugmessungen in der atmosphärischen Grenzschicht unter stabilen Bedingungen mit schwacher Turbulenz ergaben, dass Mittelwerte und Varianzen der dreidimensionalen Windkomponenten der FRS mit Messungen der konventionellen MLS übereinstimmen. Analysen von Energiespektren und Strukturfunktionen zeigen, dass eine genaue Messung der Turbulenz bis zu einer Frequenz von ca. 80 Hz möglich ist. Über 80 Hz wich das gemessene Spektrum von der erwarteten Kolmogorov-Verteilung ab, womit eine knapp dreifach verbesserte Messauflösung gegenüber der mit der konventionellen Mehrlochsonde maximal möglichen Auflösung von ca. 30 Hz erreicht werden konnte. Bei einer typischen Fluggeschwindigkeit von 18,5 m s^-1 entspricht dies einer räumlichen Auflösung von ca. 20 cm.