Research and Development of Capabilities for Multicopter UAS Operation in Severe Weather Conditions

The need for drones of various sizes is steadily increasing in both the public and private sectors. A European study on drones predicts a market size of 10 billion euros in 2035 based on the assumption that drones can only be operated on average 200 days per year due to weather conditions. One of the limiting factors for availability is bad weather conditions, especially rain, snow and icing conditions. These pose a threat to safety if not adequately taken into account. However, the impact of these conditions on the operation of multicopters is largely unknown. In addition, there are currently no civil weather-related certification specifications and regulations for UAS.

The All-weather Drone project therefore pursues the following objectives:

• Investigate the effects of defined critical weather conditions on the operation of multicopters with a maximum take-off mass of 25 kg, as well as the resulting consequences for flight performance and safety.

• Develop a prototype based on sensors and AI-based algorithms for the early autonomous detection of such weather conditions.

• Development and comparison of possible ice protection systems for multicopters.
• Assessment of the operational risk associated with multicopter UAS in bad weather and development of regulatory recommendations in cooperation with aviation authorities.
The research project uses climate wind tunnel tests to generate the required conditions. The climatic test conditions are derived from relevant existing aviation standards, e.g. Appendix C and Appendix O of the EASA certification regulations CS-25 and CS-29, for a typical flight mission or the flight range of a multicopter, taking into account the expected lower flight speed and altitude. Two series of tests are carried out. In the first series of tests, individual UAS propellers are examined and in the second, multicopters with a maximum take-off mass of 25 kg. Reference data is generated for the operation of multicopters in specific weather conditions. The loss of performance is measured and resulting snow and ice deposits are documented using 3D scanning technologies. Both series of tests include tests with the developed prototypes for detection and the ice protection systems. The results will be assessed and evaluated. Based on this, regulatory recommendations will be developed within the project to ensure that the national aviation authority can assess the risks associated with bad weather for the operation of UAS on a data-based basis. With the entry into force of Regulation EU 2019/945 and EU 2019/947, this aspect is of particular importance for the UAS approval process based on the specific operational risk assessment (SORA). In addition, market and industry-relevant aspects will be examined and included in the project work in order to best support exploitation. Relevant needs and requirements of stakeholders will be taken into account, a market analysis will be carried out and incentives and obstacles will be considered from a technical, legal and organizational point of view.
All-weather Drone serves as a driving force for the future development of all-weather multicopter UAS. This includes the development of reliable, powerful and profitable autonomous rain, snow and ice detection systems, corresponding ice protection systems, and a specific regulation. This will significantly increase the availability of multicopters, thereby contributing to economic growth and a competitive Austrian aviation industry.

[Original text]
"Research and Development of Capabilities for Multicopter UAS Operation in Severe Weather Conditions"
Der Bedarf an Drohnen verschiedener Größenklassen nimmt sowohl im öffentlichen als auch privaten Sektor stetig zu. Eine europäische Studie zum Thema Drohnen prognostiziert eine Marktgröße von 10 Mrd. Euro im Jahr 2035 basierend auf der Annahme, dass Drohnen im Durchschnitt wetterbedingt nur 200 Tage pro Jahr betrieben werden können. Einer der begrenzenden Faktoren für die Verfügbarkeit sind schlechte Wetterbedingungen, insbesondere Regen-, Schnee- und Vereisungsbedingungen. Diese stellen eine Gefahr für die Sicherheit dar, wenn sie nicht angemessen berücksichtigt werden. Die Auswirkungen dieser Bedingungen auf den Betrieb von Multikoptern sind jedoch weitgehend unbekannt. Zudem gibt es derzeit keine zivilen wetterbezogenen Zertifizierungsspezifikationen und -vorschriften für UAS.
Daher verfolgt das Projekt All-weather Drone folgende Ziele:
• Untersuchung der Auswirkungen von definierten kritischen Wetterbedingungen auf den Betrieb von Multikoptern mit einer maximalen Abflugmasse von 25 kg, sowie die daraus ableitbaren Folgen auf Flugleistung und -sicherheit. 
• Entwicklung eines Prototyps basierend auf Sensorik und KI-basierten Algorithmen zur frühzeitigen autonomen Detektion solcher Wetterbedingungen.
• Entwicklung und Vergleich möglicher Eisschutzsysteme für Multikopter.
• Bewertung des mit von Multikopter UAS verbundenen Betriebsrisikos bei Schlechtwetter und Entwicklung von regulativen Empfehlungen in Zusammenarbeit mit Luftfahrtbehörden.
Das Forschungsprojekt verwendet Klima-Wind-Kanal Tests, um die erforderlichen Bedingungen zu generieren. Die klimatischen Testbedingungen werden von relevanten bestehenden Luftfahrtstandards, z.B. Appendix C und Appendix O von den EASA Zulassungsvorschriften CS-25 und CS-29, für eine typische Flugmission, beziehungsweise den Flugbereich eines Multikopters, unter Betrachtung der zu erwartenden geringeren Fluggeschwindigkeit und -höhe, abgeleitet. Es werden zwei Versuchsreihen durchgeführt. In der ersten Versuchsreihe werden einzelne UAS Propeller und in der zweiten Multikopter mit 25 kg maximaler Abflugmasse untersucht. Dabei werden Referenzdaten für den Betrieb von Multikoptern in spezifischen Wetterbedingungen generiert. Der Leistungsabfall wird gemessen und resultierende Schnee- und Eisablagerungen mittels 3D-Scantechnologien dokumentiert. Beide Versuchsreihen beinhalten Tests mit den entwickelten Prototypen zur Detektion und den Eisschutzsystemen. Die Ergebnisse werden ausgewertet und evaluiert. Darauf basierend werden regulative Empfehlungen im Rahmen des Projekts entwickelt, um sicherzustellen, dass die nationale Luftfahrtbehörde auf einer datenbasierten Grundlage die mit Schlechtwetter verbundenen Risiken für den Betrieb von UAS bewerten kann. Mit Inkrafttreten der Verordnung EU 2019/945 und EU 2019/947 ist dieser Aspekt von besonderer Bedeutung für das UAS-Genehmigungsverfahren auf der Grundlage der spezifischen Bewertung des Betriebsrisikos (SORA). Darüber hinaus werden markt- und branchenrelevante Aspekte untersucht und in die Projektarbeit einbezogen, um eine Verwertung bestmöglich zu unterstützen. Es werden relevante Bedürfnisse und Anforderungen der Stakeholder berücksichtigt, eine Marktanalyse durchgeführt und Anreize und Hindernisse aus technischer, rechtlicher und organisatorischer Sicht betrachtet.
All-weather Drone dient als Impulsgeber für die zukünftige Entwicklung von allwettertauglichen Multikopter UAS. Dies umfasst die Entwicklung von zuverlässigen, leistungsfähigen und rentablen autonomen Regen-, Schnee- und Eisdetektionssystemen, entsprechenden Eisschutzsystemen, sowie ein spezifisches Regulativ. Dadurch wird die Verfügbarkeit von Multikoptern bedeutend erhöht, wodurch zu wirtschaftlichem Wachstum und einer wettbewerbsfähigen österreichischen Luftfahrtindustrie beigetragen wird.