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LuFo-V2 Flugphysik BMWI Berlin 27/11/2014 LIDAR: Turbulenzdetektion und Lastminderung Patrick Vrancken Institut für Physik der Atmosphäre Oberpfaffenhofen

> LIDAR > P. Vrancken • LuFo V Infotag BMWi Berlin > 27/11/2014 DLR.de • Folie 1

Introduction: DLR – Institute of Atmospheric Physics – LIDAR group - LIDAR group – developing and operating lidar instruments

for atmospheric research (Head: G.Ehret) - Trace gases (O3, CH4, CO2, H2O): CHARM-F, MERLIN, WALES - Aerosols: WALES - Wind: 2µm & 1.6µm coherent systems (LM), ADM demonstrator (A2D)

- Operating on DLR’s research aircraft: HALO G550, Falcon 20, Do228

> LIDAR > P. Vrancken • LuFo V Infotag BMWi Berlin > 27/11/2014

WALES on HALO A2D on Falcon

HALO D-ADLR

Falcon D-CMET

Do228 D-CFFU

Introduction: LIDAR – LIght Detection And Ranging

- Emission of laser pulse into atmosphere

- Backscatter by: - Molecules (Rayleigh process) - Aerosols (Mie process)

- Collection of backscattered radiation

with telescope and detector

- Range-resolved analysis of signal w.r.t. intensity / polarisation / spectrum

- Aerosols (Backscatter/HSRL/Depol) - Trace gases (DIAL) - Wind speed (Doppler heterodyne / HSRL)


© Weitkamp: Lidar – Range-resolved Remote Sensing of the Atmosphere, Springer 2005

• Doppler-Lidarsysteme zur Windgeschwindigkeitsmessung • Windscherung • Wirbelschleppe

• Forschung und operationell

• HongKong, Tokyo, Bangkok, Dubai, LHR, SFO, LVS • CDG (SESAR), FRA, MUC (UFO), …


Lidar und Luftfahrt heute: Flughafensysteme


Luftfahrtziele: Sicherheit, Effizienz, Komfort Bord-Lidarsysteme - Erkennung Wetterbedingungen • Fernfeld: Erkennung von Turbulenz (CAT – Clear Air Turbulenz & WS) Warnung Flightcrew, Gegenmaßnahmen (1-2min) • Nahfeld: Bestimmung Windfeld (Böen, WS) Autonomes Ausregeln (50-150m), Gefahren- & Lastminderung

Images © Airbus

• ‚Heritage‘ von FP7-DELICAT – Ferndetektion von CAT: • Vollständiges Lidarsystem, vorausmessend

• Kooperation mit NLR, Thales Avionics • UV Hochleistungslaser • Strahlnachführung (Thales) • Modulares Empfangssystem (heute: Depol) • Datenerfassungssystem • Kühlsystem (K-Kreislauf + Außenkühler) • Einbau PH-LAB: Rack, Fenster, Umlenkspiegel,

Außenfairing etc. (DLR/NLR) • Flugzulassung ‚Supplemental Type Certificate‘ (STC)

• Erfolgreiche Flugkampagne zu CAT Sommer 2013

>30h Flug, 15h Lidardaten (175 Gb) ohne Probleme • Gute Signalqualität (starkes Signal, low noise) • Erkennung von CAT oder ‚CAT-related features‘ • Erfolgreicher Projektabschluss 31/03/2014

• System nutzbar für diverse wissenschaftliche Anwendungen (CAT/WS, Vereisung, Vulkanasche/Mineralstaub, …)

• Weiterentwicklung des Instruments im DLR-Projekt L-bows


Fernfelderkennung von Turbulenz (CAT, Wirbelschleppe)

DELICATDELICAT

DELICAT


Beam steering (Thales)

Transmitter (DLR)

Fairing (NLR)

DLR: - Lidar design - Transmitter - Detection - Aircraft integration - Validation tests - Flight tests Receiver (DLR)

Aircraft (NLR)


DLR LIDAR auf NLR Citation 2 PH-LAB in DELICAT

The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme [FP7/2007-2013] under grant agreement n°233801

© Google

• Lastminderung: • Minderung der Belastungs‘dosis‘ in Tragflächen und –Wurzel

Leichtere Strukturen

• Prinzip: • Vorausmessung der Windgeschwindigkeit

• Doppler-LIDAR (50-150m voraus) • Feed-Forward Controller für Steuerflächen

(Ruder und Auftriebshilfen)


Nahfeldmessung von Windgeschwindigkeit Ausregeln von Turbulenz zur Lastminderung

• Vorarbeiten: • I-Wake (EC FP6) 2004: Wind- und Wirbelschleppenmessung voraus

mit 2µm kohärentem Windlidar

• AWIATOR (EC FP6) 2004 AIRBUS: Windvektormessung auf A340 mit UV-Direktempfangslidar

• Heute (DLR IPA): • Entwicklung Empfangssystem für UV-Direktempfangslidar • …


Nahfeldmessung von Windgeschwindigkeit Ausregeln von Turbulenz zur Lastminderung

• Weiterentwicklung der Instrumente • Fernfeld CAT – Messung • Nahfeld Wind

• Vereisungsbedingungen (flüssig SCLD, kristallin) • Vulkanasche und Mineralstaub

TRL 1 – 3 – 5

• Mögliche Kooperationen (LuFo, EC, etc.)

• Optische Systeme, Laser-, Sensortechnik (Optronik) • Struktur • Aerodynamische / meteorologische Auswertung


DLR.de • Folie 11

Morgen:

Überübermorgen

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