Das Projekt

Hauptarbeitspaket 1

Gesellschaftliche Wechselwirkungen & Rechtsrahmen

Die Minimierung der von der Luftfahrt ausgehenden Risiken und Gefährdungen schutzwürdiger Individualrechtsgüter (Leben und Gesundheit sowie der Schutz der
Persönlichkeit, einschließlich des Datenschutzes) sind zugleich eine, wenn auch nicht die einzige, Anforderung für das Sicherheitsgefühl und die soziale Akzeptanz des sich in Zukunft vermehrenden Luftverkehrs. In HAP 1 sollen Strukturen, Strategien und Instrumente der Luftraumsteuerung aus rechtswissenschaftlicher Sicht erforscht werden. Die damit verbundenen Aspekte des Sicherheitsgefühls der Menschen und der sozialen Akzeptanz des Flugverkehrs, einschließlich des zunehmenden Drohnenflugs, sind Gegenstand sozialwissenschaftlicher und (experimental-)psychologischer Forschung.

Teilarbeitspaket 1.1

Soziale Erwartungsbildung und Akzeptanz oder Reaktanz

Das Teilprojekt 1.1 untersucht die sozialen Rahmenbedingungen. Im Mittelpunkt des Forschungsvorhabens steht die soziale Erwartungsbildung, d. h. die Akzeptanz oder Reaktanz gegenüber dem Einsatz von Drohnen im innerstädtischen Raum Hamburgs. Mittels standardisierter Befragung ermitteln wir, ob und inwieweit Innovationen in der Breite der Gesellschaft ankommen und angenommen werden. Dabei spielen auch spezifische Aspekte wie die Besorgnis gegenüber Unfällen, die Bedrohung der Privatsphäre, die Belastung durch Lärm oder die Akzeptanz lokaler Miniports eine Rolle. Auch die wahrgenommene finanzielle Tragbarkeit wird untersucht. Die Befragung nutzt ein vignettenanalytisches Design zur Erhebung der verschiedenen Facetten dieser subjektiven Kosten und Nutzen. Darüber hinaus wird untersucht, welche Stakeholder die Realisierung des Mobilitätskonzeptes unterstützen.

Teilarbeitspaket 1.2

Psychologische Grundlagen sozialer Akzeptanz oder Reaktanz

Nicht nur die Mechanismen sozialer Akzeptanz oder Reaktanz, sondern insbesondere auch die psychologischen Grundlagen dieser Attitüden sind bislang kaum erforscht. Psychologische Experimentalstudien ermöglichen es, grundlegende Bedürfnisse und Einflussgrößen auf Ebene des Individuums zu differenzieren. Geplant ist in diesem Teilarbeitspaket eine Simulation von Hamburger Ansichten, beispielsweise ein Blick über die Alster oder den Hafen, der mit unterschiedlichen Objekten (z.B. Booten im Wasser, Drohnen in der Luft) simulativ ergänzt wird. Dieses Setting ermöglicht vergleichende Einschätzungsurteile der Probanden.

Teilarbeitspaket 1.3

Luftrechtliche Implikationen für den Luftraum der Zukunft

In diesem Teilarbeitspaket werden die luftrechtlichen Implikationen des Projekts aus zwei Perspektiven erarbeitet: Erstens wird das geltende Recht auf diejenigen Belange und Vorgaben für ihre Abwägung untersucht, die der Gesetzgeber als schutzbedürftig und wesentlich erachtet und zu deren Zwecken schon heute eine (luftrechtliche) Regulierung besteht. Zweitens soll zukünftiger Regulierungsbedarf ermittelt werden. Dies geschieht auch anhand der Befunde anderer Teilarbeitspakete, beispielsweise zur Stadtplanung, zu den Sozialwissenschaften und zur Neuropsychologie. Im Fokus wird zudem stehen, auf welche Weise Luftfreiheit im urbanen Raum gewährleistet und unter welchen konkreten Voraussetzungen sie eingeschränkt werden soll.

Hauptarbeitspaket 2

Nachfragemodellierung & Konzeptentwicklung

Die Einführung von Konzepten zur urbanen Luftmobilität stellt zum ersten Mal seit der Einführung des Automobils vor einhundert Jahren eine grundsätzliche Erweiterung des Portfolios städtischer Fortbewegungsarten dar. Um die Tragweite dieser Veränderungen abzuschätzen und in den Entwurfsprozess des urbanen Lufttransportsystems einfließen zu lassen, werden in HAP 2 Konzeptworkshops durchgeführt, potenzielle Nutzergruppen abgeleitet und darauf aufbauend die mögliche Nachfrage unter Berücksichtigung von Verlagerungseffekten im Gesamtverkehrssystem modelliert.

Teilarbeitspaket 2.1

Anforderungsableitung als Grundlage für UAM Teilkonzepte & Einsatzszenarien

Während des Projektverlaufs werden in verschiedenen Workshops mit allen beteiligten Verbundpartnern Konzeptideen für die einzelnen Teildisziplinen erarbeitet und Top Level Requirements (TLR: Nutzlast, Geschwindigkeit, Reichweite, Ein-/Aussteigezeiten, Verfügbarkeit, Flächenabdeckung, etc.) abgeleitet, um diese im weiteren Projektverlauf als gemeinsamen Standard zu verwenden und Einsatzszenarien zu entwickeln. Da die UAM ein breites Spektrum an möglichen Entwicklungsrichtungen aufweist, werden im Rahmen verschiedener Szenarien Annahmen und Parameterkombinationen getroffen, die in den nachfolgenden HAPs insbesondere in Hinblick auf die zahlreichen betrieblichen und technologischen Aspekte (Flugführung, Kommunikation, usw.) untersucht werden.

Teilarbeitspaket 2.2

Potenzielle Nutzergruppe als Grundlage für Nachfrageszenarien

Grundlage für die Nachfrageszenarien ist die Identifizierung von Nutzergruppen und Einsatzbereichen. Mit multimodalen GIS-Erreichbarkeitsanalysen auf Grundlage umfangreicher Daten u.a. zu Verkehrsnetzen, Einwohner- und Arbeitsplatzverteilung sowie die räumliche Lage potentieller weiterer Ziele wie Versorgungs-, Bildungs- und Freizeiteinrichtungen, können potentielle Korridore für UAM insbesondere in Hinblick auf Parameter wie Reisezeitunterschiede oder Umsteigehäufigkeiten identifiziert und visualisiert werden. Potentielle Einsatzbereiche sind beispielsweise Flughafenzubringerverkehre, die Überwindung räumlicher Barrieren wie Flüsse oder die Anbindung peripherer, bislang schlecht erreichbarer Gebiete.

Teilarbeitspaket 2.3

Multimodale Nachfragemodellierung & Verkehrsverlagerungseffekte

Auf Basis von Erreichbarkeitsanalysen und abgeleiteten Szenarien wird für jedes Szenario ein Verkehrsbild als Grundlage für die Modellierung des Gesamtsystems abgeleitet. Basis sind u.a. die Anzahl der Wege, ihre räumliche Verortung (Quelle-Ziel) oder die zeitliche Verteilung. Bei der Verkehrsmittelwahl sollen Verlagerungseffekte zwischen den Verkehrsmitteln untersucht werden. Potentielle verkehrsinduzierende Auswirkungen auf die Raumstruktur infolge einer schnelleren Raumüberwindung (beispielsweise längere Pendeldistanzen) sollen bewertet werden.

Hauptarbeitspaket 3

Bodengebundene Infrastruktur

Gegenstand des HAP 3 sind die Planung, Funktionsweisen, Modellierung und Anwendungsszenarien der bodengebundenen Infrastruktur für die künftigen Flugvehikel, die sogenannten „Vertiports“. Die Forschungsvorhaben des HAP 3 beschäftigen sich mit unterschiedlichen Aspekten der Entwicklung von Vertiportnetzwerken. Neben den Vertiports in ihrer Funktion als Verkehrsquellen und -senken werden außerdem die Wartungseinrichtungen als Netzwerkelemente betrachtet und unterschiedliche Ladefunktionskonzepte entwickelt. Auch stadtsoziologische Wissensgrundlagen fließen in diese Betrachtungen mit ein.

Teilarbeitspaket 3.1

Erarbeitung einer Methodik zur Kapazitätsmodellierung von Vertiports

Neben freien Luftraumkapazitäten und dem Fluggerät sind zur Bedienung der Passagiernachfrage auch Vertiport-Kapazitäten notwendig. Der Kapazitätsbegriff meint neben der Anzahl der möglichen Starts- und Landungen pro Zeit auch ausreichende Abstellflächen für wartende oder nicht in Betrieb befindliche Fluggeräte. Abstellflächen in dicht besiedelten Stadtgebieten können schwierig zu realisieren sein und in Konkurrenz mit anderen Nutzungen stehen, könnten jedoch im Vergleich zu Flächen am Stadtrand Leerflüge vermeiden und geringere Wartezeiten für Fluggäste ermöglichen. Ein weiterer Faktor ist die Anzahl und Dimensionierung der Vertiports, zu dem u.a. wirtschaftliche Fragen zu betrachten sind. Verschiedene Entwürfe von Bodeninfrastrukturnetzwerken werden in diesem Paket methodisch entwickelt und bewertet.

Teilarbeitspaket 3.2

Automatische bodengebundene MRO

Konkret werden in diesem Arbeitspaket die folgenden Einzelaspekte adressiert: Es sollen bord- und bodenseitige Führungs- und Informationssysteme sowie Betriebsinfrastrukturen entwickelt werden. Hierzu werden Konzepte zu einer automatischen und bodengebundenen MRO entwickelt. Diese soll beispielsweise Schäden am Luftfahrzeug erkennen und reparieren können oder das Luftfahrzeug hinsichtlich Antriebsart und Logistik beladen können. Die Herausforderungen in der Entwicklung dieser automatischen bodengebundenen MRO liegen in der Flexibilität der MRO-Prozesse und -Systeme, da die Bauteile und Schäden sehr vielfältig sein können.

Teilarbeitspaket 3.3

Konzeptionierung eines Energie-Management-Systems

In diesem Arbeitspaket soll ein Energiemanagement-System für ein neuartiges Lufttransportkonzept in der Metropolregion Hamburg konzeptioniert werden. Dies ermöglicht einen netzverträglichen beziehungsweise einen netzdienlichen und gleichzeitig sicheren sowie wirtschaftlichen Betrieb des Gesamtsystems.
Es werden charakteristische Größen von möglichen Flugobjekten bestimmt, um die Restriktionen seitens der Vehikel für das Energiemanagement zu ermitteln. Darüber hinaus wird eine  Systemsimulation aufgebaut, mit deren Hilfe unterschiedliche Managementsysteme, Lade-/Tankkonzepte und Vertiportarchitekturen simuliert werden können. Ein entscheidender Aspekt ist dabei die Integration in die bestehende Infrastruktur (Strom- und Gasnetz, Logistik) zur Bereitstellung der Energie in der geforderten Form (Wasserstoff, Elektrizität, etc.).

Teilarbeitspaket 3.4

Vertiport-Waterfront: Integration von Vertiport-Konzepten in Hamburg

Das Teilprojekt 3.4 untersucht die Möglichkeiten zur Einbindung neuer Luftmobilitätsstrukturen im urbanen Gefüge. Für den konkreten Anwendungsfall Hamburg sollen hierfür die theoretischen Grundlagen geschaffen und planerische Anwendungsszenarien modelliert und bewertet werden. Die zentrale Fragestellung hierbei ist, welche Potenziale, Hemmnisse und Konflikte aus  stadträumlicher Perspektive beziehungsweise aus Sicht der Stadtforschung mit neuer urbaner Luftmobilität verbunden sind. Die Arbeitshypothese ist, dass mit der Einführung urbaner Luftmobilität neue Möglichkeiten geschaffen werden können, kritische Mobilitätsengpässe in urbanen Zentren wie Hamburg zu beheben beziehungsweise effektiv abzumindern. 

Hauptarbeitspaket 4

Luftraumorganisation & Betrieb

Angesichts des erwarteten starken Wachstums des regionalen Luftverkehrsaufkommens bedarf es einer leistungsfähigen und agilen Planung, Überwachung und Steuerung der Flugbewegungen durch ein Air-Traffic-Management-System (ATM). Im HAP 4 sollen Alternativen für ein regionales, urbanes ATM in Verbindung mit einem übergeordneten ATM erforscht und modelliert werden, sodass deren Leistungsfähigkeit in HAP 5 simulativ erprobt werden kann.

Teilarbeitspaket 4.1

Erarbeitung von Regularien zur Luftraumorganisation

In Zukunft wird die unbemannte Luftfahrt möglicherweise stark zunehmen. Ein besonders hohes Wachstum wird dabei im Bereich der kommerziellen Nutzung von unbemannten Luftfahrzeugsystemen, sogenannten „Unmanned Aerial Systems“ (UAS) erwartet. Damit solche UAS ihre Einsatzzwecke erfüllen können, ist die Teilnahme am allgemeinen Luftverkehr erforderlich. Derzeit sind unbemannte Systeme in Deutschland nicht für den geregelten Einsatz im kontrollierten Luftraum zugelassen. Zudem existieren auch europaweit keine harmonisierten Zulassungsvorschriften, welche den Flugverkehr von Drohnen regeln. Aus diesem Grund werden geeignete rechtliche und technische Konzepte benötigt, welche die Integration von UAS in den urbanen Luftraum ermöglichen. Die Ressource Luftraum ist begrenzt, sodass es bei einer erhöhten Nachfrage an Fluggenehmigungsanfragen seitens der UAS-Nutzer oder nicht geeigneter Luftraumstrukturen zu einer Knappheit der Ressource Luftraum und somit zu Nutzungskonflikten zwischen den Luftraumnutzern kommen kann. Für die Organisation des Luftraums in urbanen Gebieten sollen in diesem Arbeitspaket geeignete Verteilungsstrategien im Hinblick auf die rechtliche und technische Realisierbarkeit entworfen werden.

Teilarbeitspaket 4.2

Modellierung des Luftraummanagements und von Flugtrajektorien

Im Rahmen dieser Forschungsaufgabe werden unterschiedliche Strategien zur Gestaltung von Flugbewegungsströmen untersucht, um geeignete Handlungsempfehlungen zu ermitteln. Welche räumliche Aufteilung (z.B. Flugverkehrsstrecken, Flugkorridore) ist für den regionalen Luftverkehr, unter Zugrundelegung der Bedarfe und der Bodeninfrastruktur sinnvoll, und auf welchen Trajektorien sollten sich die Luftfahrzeuge bewegen, auch in Anbetracht der Schallemissionen und der Akzeptanz der örtlichen Bevölkerung? Diese Fragestellungen bilden die Grundlage für die Entwicklung aussagekräftiger Modellansätze.

Teilarbeitspaket 4.3

Modellierung von Konflikterkennungs- & Konfliktlösungsstrategien

Eine der wichtigsten Herausforderungen bei der Entwicklung eines Unmanned Aircraft System Traffic Management (UTM) ist das Detektieren und Lösen von auftretenden Konflikten im betrachteten Luftraum. Ein Konflikt beschreibt dabei ein Ereignis in der Zukunft, bei dem zwei oder mehr Luftraumnutzer einen Verlust an Mindestabstand zueinander erfahren. Aufgrund der Komplexität des Konfliktmanagements im Drohnenkontext wird der Konfliktmanagementprozess häufig in unterschiedliche Phasen des Betriebs von UAS unterteilt. Die strategische Phase betrachtet dabei die Planungsphase von Drohnenflügen und die taktische Phase die operative Nutzung des Luftraums. In diesem Arbeitspaket sollen geeignete Konflikterkennungs- und Konfliktlösungsstrategien erarbeitet werden, um auftretende Konflikte zwischen Luftraumnutzern zu reduzieren und den verfügbaren urbanen Luftraum sicher und effizient zu nutzen. Hierbei sollen sowohl dezentrale als auch zentrale Strategien, unter Berücksichtigung der Vehikelfähigkeiten, miteinander verglichen werden.

Teilarbeitspaket 4.4

Autonomie, Kommunikation und Sensoren

Die Einsatzbedingungen urbaner Luftfahrt unterscheiden sich grundlegend von denen der konventionellen Luftfahrt durch deutlich größere Missionsvielfalt und grundlegend andere Rahmenbedingungen, u.a. hohe Verkehrsdichte, hochgradig dreidimensionales und anspruchsvolles Terrain, schwierige Funkausbreitungsumgebung und große dynamische Interferenz durch Fremdsysteme. Diese Herausforderungen können nur durch einen deutlich größeren Autonomiegrad der Flugführung und –steuerung gegenüber heutigen Systemen erfolgreich bewältigt werden. Zur Steigerung der Autonomie sollen in diesem Teilprojekt zum einen zuverlässige Kommunikationsverfahren zwischen den Fluggeräten und den Bodenstationen mit dem Ziel der Kollisionsvermeidung und Routenoptimierung erforscht werden. Zum anderen soll die Autonomie durch die Erforschung von geeigneten Sensoren und zugehöriger Datenanalyse auf dem Luftfahrzeug vorangebracht werden. Künftige UAM-Vehikel werden eine echtzeitfähige, zuverlässige 360-Grad-Umfelderkennung als essentiellen Bestandteil der autonomen oder zumindest teilautomatisierten Steuerung benötigen.

Teilarbeitspaket 4.5

Schallausbreitung im urbanen Umfeld

In diesem Teilprojekt soll die Schallausbreitung eines charakteristischen Rotors unter Berücksichtigung der urbanen Topologie und geeigneter Flugtrajektorien untersucht werden. Als hochwertiger Input für die Berechnung der Schallausbreitung wird hierbei eine numerische Strömungssimulation des Rotors einschließlich des Nahfeldes, die zu Projektanfang mit einem U-RANS-Verfahren erstellt werden soll, benötigt.

Hauptarbeitspaket 5

Gesamtsystemmodellierung & -bewertung

Das Ziel von HAP 5 ist es, ein Gesamtverständnis des noch nicht existierenden städtischen Luftverkehrssystems aufzubauen, welches das Wissen der beteiligten Spezialisten kombiniert und die relevanten physikalischen und sozialen Effekte der luftgestützten urbanen Mobilität abbildet.

Teilarbeitspaket 5.1

Analyse der Wechselwirkungen zwischen den Teildisziplinen/ -konzepten

Im Rahmen dieses Arbeitspakets zur Gesamtsystemmodellierung für luftgestützte urbane Mobilität werden zunächst die Systemanforderungen sowie die Systemabhängigkeiten zwischen den beteiligten Teildisziplinen definiert. Anschließend werden schlüssige und konkrete Gesamtkonzepte aus den in HAP 1 ausgewählten Teilkonzepten und den Lösungen der übrigen Disziplinen erarbeitet. Durch intensive und unmittelbare Zusammenarbeit aller Projektpartner, werden Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge identifiziert und priorisiert. Dies soll in regelmäßigen „Design Camps“ im Integrierten Design Lab des Instituts für Lufttransportsysteme stattfinden. Durch die gemeinsame Klärung technischer Schnittstellen, die Identifikation von Wechselwirkungen, die Diskussion disziplinärer Zusammenhänge und die Durchführung von Simulationen, werden Entscheidungen zwischen Wissenschaftlern unterschiedlicher Fachgebiete gefördert und der Entwicklungsprozess verkürzt.

Teilarbeitspaket 5.2

Aufbau & Test eines Gesamtsimulationsworkflows

In diesem Arbeitspaket soll ein modulares UAM Gesamtsystemmodell aufgebaut werden, um die entwickelten Teilkonzepte in Form von kontrollierter Konvergenz zu einer Gesamtlösung zusammenzuführen und dabei flexible Anpassungen der Komponenten bei geringem Aufwand zu ermöglichen. Die dazu notwendingen, domänenspezifischen Analysemodule werden in den ersten vier Hauptarbeitspaketen entwickelt und hier mithilfe der DLR-Integrationssoftware RCE (Remote Component Environment) zu einer System-of-Systems Gesamtsystemsimulation verknüpft. Um dies zu ermöglichen, ist die Definition effizienter Datenschnittstellen zwischen den Modulen ein wesentlicher Schritt. Dazu wird innerhalb dieses Arbeitspaketes zunächst ein einheitliches Datenmodell entworfen, welches auf dem vom DLR entwickelten CPACS Standard (Common Parametric Aircraft Configuration Scheme) basiert und diesen schließlich um wesentliche UAM Vehikeleigenschaften sowie weitere Parameter ergänzt. Nach Implementierung der Systemlogik (Schnittstelle zu Arbeitspaket 5.1) wird als Ergebnis dieses Arbeitspaketes ein Peer-to-Peer Netzwerk erstellt, welches einem autorisierten Nutzer die Anwendung der Simulationsmethoden des i-LUM Konsortiums in Form von Black-Box-Modellen ermöglicht.

Teilarbeitspaket 5.3

Methodische Grundlagen der Bewertung multimodaler Lufttransportsysteme

Im Fokus dieses Arbeitspakets steht die systematische Grundlagenforschung zur Bewertung und Auswahl komplexer Transportsysteme, welche physikalisch-technische, wirtschaftliche, soziale und rechtliche Aspekte umfasst. Die Herausforderung besteht darin, die mit verschiedenen UAM Konzepten einhergehenden Chancen (Zeitgewinn, Komfort, Robustheit, Kapazität, etc.) und Risiken (Lärm, Energieverbrauch, Gefahr von Personenschäden, Verletzung des Rechts auf Privatsphäre, etc.) zu erfassen, zu quantifizieren, gegeneinander abzuwägen und gerecht zwischen allen Gesellschaftsschichten aufzuteilen.
Um die physikalisch-technischen Parameter quantifizieren zu können, werden Bewertungsmetriken definiert. Ebenso werden soziale und rechtliche Einflüsse erfasst und adressiert. Das abschließende Ziel ist es, durch die Auswahl, Gewichtung und Abwägung aller Aspekte der Zivilgesellschaft, der Politik sowie der Wirtschaft eine Entscheidungsgrundlage zu bieten, alle Parteien in den Entscheidungsprozess einzubinden und sie über die Konsequenzen eines UAM Systems aufzuklären.

i-LUM

innovative Luftgestützte Urbane Mobilität

Forschungseinrichtungen