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A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 1
Institut für Flugzeugbau
New ideas for tomorrow‘s air transportation
was bedeutet das für den
Flugzeugentwurf?
Andreas
Strohmayer
25. Kolloquium
Luftverkehr
TU Darmstadt
28. Februar 2018
Elektrisches Fliegen
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 2 28/02/2018
Bereich Flugzeugentwurf
Institut für Flugzeugbau
• Analytischer Flugzeugentwurf
• Bemannte Flugzeugprojekte
• Unmanned Aerial Systems
A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 2
J. Scholz, Team icaré
Spannweite: 25 m
Flügelfläche: 25 m²
Länge: 8,9 m
MTOM: 390 kg
vmin: 48 km/h
Motorleistung: 12 kW
min. Leistung: 2 kW
Erstflug 1996!
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 3 28/02/2018
Der solarbetriebene Icaré 2
Elektrisches Fliegen am IFB
e-Genius
Elektrisches Fliegen am IFB
Derzeit Testplattform für:
• Batteriebetriebenen Flug
• Hybrid-elektrisches Fliegen (Wankel; Diesel in Vorbereitung)
• Demonstrator für elektrisches Fliegen, z.B. Alpenüberquerung
Verbrauch:
9,5 kWh /1,2 l Benzinäquivalent
über 100 km @ 160 km/h TAS
Spannweite: 16,86 m
Länge: 8,10 m
Flügelfläche: 14,1 m²
Nutzlast: >180 kg
MTOM: 950 kg
Wellenleistung: 30 kW (kont.)
70 kW (Spitze)
Nutzbare Batteriekapazität: 49 kWh
Reiseflug: 140-200 km/h
Startstrecke: 450 m
Landestrecke: 350 m
Steigrate: >4 m/s
Steigrate beim Start: 5,5 m/s
Gleitverhältnis: 1:34
Reichweite 400 km
(FL100, 150km/h) +30 min Reserve
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A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 3
e-Genius
Elektrisches Fliegen am IFB
• Erste batteriebetriebene Alpenüberquerung, 4. Juli 2015
Stuttgart – Italien:
Entfernung: 325 km
Flughöhe: 4000 m
Energie: 40 kWh
Energiekosten: 10 €
Rückflug am gleichen Tag:
Entfernung : 365 km
Flughöhe : 4000 m
Energie : 43 kWh
Energiekosten : 11 €
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
• Warum elektrisches Fliegen?
• Wie elektrisch fliegen?
• Flugzeugentwurf für elektrisches Fliegen
• Beispiel: batterie-elektrischer 19-Sitzer
• Ausblick auf (hybrid-)elektrische Flugzeugkonfigurationen:
• Energieoptimiertes, batteriebetriebenes Zubringerflugzeug
• Hybrid-elektrischer Regional-Commuter
• Hybrid-elektrisches Regionalflugzeug
Übersicht
Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 6 28/02/2018
A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 4
?
Warum elektrisches Fliegen
Elektrisches Fliegen
was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
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Ein Blick auf die Straße
Warum elektrisches Fliegen?
Bildquelle: emobility-web.de
Gustav Trouvé, 1881 Bildquelle: Wikipedia
Benz Patent-Motorwagen, 1886
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A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
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• Motivation für Elektroautos:
• Energiebedarf senken
• Schadstoffemissionen reduzieren
• Lärmemissionen verringern
• Regenerative Energieträger nutzen
⇨ Die Technologie ist vorhanden und
funktioniert!
Ein Blick auf die Straße
Warum elektrisches Fliegen?
Bildquelle: car2go.com
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• Motivation für elektrisches Fliegen:
• Energiebedarf senken
• Schadstoffemissionen reduzieren
• Lärmemissionen verringern
• Regenerative Energieträger nutzen
⇨ Das Grundprinzip ist nachgewiesen
Ein Blick auf die Luftfahrt
Warum elektrisches Fliegen?
Bildquelle: flugzeug-bild.de
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A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
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• In den letzten 50 Jahren:
• Senkung des Verbrauchs um ca. 70%
• proportionale Reduzierung der
CO2-Emissionen
• deutliche Reduzierung des Lärms
• nahezu Elimination von Rußemissionen
Senkung von Verbrauch und Emissionen
Warum elektrisches Fliegen?
Bildquelle: photobucket.com
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• “Flightpath 2050” setzt sehr ambitionierte Ziele
für Emissionen von CO2, NOx und Lärm
• Elektrische Antriebe im Flugzeugentwurf als
eine der “radikalen Technologien” zielen auf:
• Erhöhte Gesamteffizienz
• Keine / weniger Schadstoffemissionen
• Weniger Lärm im Flughafenumfeld
• Tragbare Betriebskosten und erhöhte Zuverlässigkeit
IATA Technology Roadmap, 2013
⇨ Elektrisches Fliegen als wichtiges Element in einem nachhaltigen Luftverkehr
Senkung von Verbrauch und Emissionen
Warum elektrisches Fliegen?
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A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 7
Senkung von Verbrauch und Emissionen
Warum elektrisches Fliegen?
Quelle: IATA Technology Roadmap, June 2013
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?
Wie elektrisch fliegen
Elektrisches Fliegen
was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
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A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
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Wie elektrisch fliegen?
Solarenergie
Brennstoff-
zelle
Verbrennungs-
motor Batterie
Solar-
hybrid
Brenstoff-
zelle
VKM
mit el.
Antriebs-
strang
Brenn-
stoffzellen-
hybrid
Ver-
brenner /
Batterie-
hybrid
Batterie-
Flugzeug
e-Genius, IFB icaré 2, IFB
DA36 E-Star,
Diamond Hy4, DLR
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Vorüberlegungen für den Flugzeugentwurf
Wie elektrisch fliegen?
𝑅𝐹𝑢𝑒𝑙 = 𝜂𝑃𝑟𝑜𝑝 ∙ 𝜂𝐼𝑛𝑡 ∙𝐿𝐷 ∙ 𝜂𝐼𝐶𝐸 ∙
𝐸𝑠,𝐹𝑢𝑒𝑙𝑔
∙ ln1
1 −𝑚𝐹𝑢𝑒𝑙
𝑚𝑇𝑂
𝑅𝐵𝑎𝑡 = 𝜂𝑃𝑟𝑜𝑝 ∙ 𝜂𝐼𝑛𝑡 ∙𝐿𝐷 ∙ 𝜂𝐸𝑀 ∙
𝐸𝑠,𝐵𝑎𝑡𝑔
∙𝑚𝐵𝑎𝑡
𝑚𝑇𝑂
Propellereffizienz
Integrationseffizienz
Aerodynamische Effizienz
Antriebs-
effizienz
Energie-
dichte
Logarithmus
Massenanteil
• Klassische Form für propeller-
getriebene Flugzeuge mit
Verbrennungsmotor:
• Modifizierte Form für batterie-
elektrischen Antrieb:
• Beispiel:
vs.
⇨ RBat = 0,37 ∙ RFuel
+90% +170%
-98% -8% +290%
• Die Breguet‘sche Reichweitenformel als eine gültige Zielfunktion im Entwurf:
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A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
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Optimierte Konfiguration hat Einfluss auf:
• Propellereffizienz 𝜂𝑃𝑟𝑜𝑝
• Integrationseffizienz 𝜂𝐼𝑛𝑡
• Gleitzahl 𝐿 𝐷 𝜂𝑃𝑟𝑜𝑝 ∙ 𝜂𝐼𝑛𝑡 ∙
𝐿𝐷
Application Conventional
Electric
Difference [%]
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 PAX, 83 kts 12 (Valentin Taifun ) 23 (e - Genius) +91%
4 PAX, 120 kts 10 (Diamond DA 40) 18 (Eco4*) +80% *) Prognostizierte Daten
Vorüberlegungen für den Flugzeugentwurf
Wie elektrisch fliegen? 𝑅𝐵𝑎𝑡 = 𝜼𝑷𝒓𝒐𝒑 ∙ 𝜼𝑰𝒏𝒕 ∙𝑳𝑫 ∙ 𝜂𝐸𝑀 ∙
𝐸𝑠,𝐵𝑎𝑡𝑔
∙𝑚𝐵𝑎𝑡
𝑚𝑇𝑂
⇨ Trennung von Energiewandlung
und Vortriebserzeugung als
zusätzlicher Freiheitsgrad!
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• Problem des Energiespeichers:
verfügbare Energiedichte
Vorüberlegungen für den Flugzeugentwurf
Wie elektrisch fliegen? 𝑅𝐵𝑎𝑡 = 𝜂𝑃𝑟𝑜𝑝 ∙ 𝜂𝐼𝑛𝑡 ∙𝐿𝐷 ∙ 𝜂𝐸𝑀 ∙
𝑬𝒔,𝑩𝒂𝒕
𝑔 ∙𝑚𝐵𝑎𝑡
𝑚𝑇𝑂
⇨ Verlagerung des Schwerpunkts auf hybrid-elektrische Antriebe
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 18 28/02/2018
A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
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• Hybridisierungsgrad
1/20/2016 University of Stuttgart 19
Reichweite[km]
250 Wh/kg
500 km
Spezifische
Energiedichte
der Batterien
[Wh/kg]
Für 𝜂𝑃𝑟𝑜𝑝 ∙ 𝜂𝐼𝑛𝑡 ∙𝐿
𝐷 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡.
Hybrid-elektrische Antriebe
Wie elektrisch fliegen?
Batterie Batterie Kraftstoff Ver-
brennungs-
motor
Batterie Kraftstoff Ver-
brennungs-
motor
• Integration eines Generator-Sets
• Ausführung als serieller Hybrid:
Hybrid-elektrische Antriebe
Wie elektrisch fliegen?
• Beispiel e-Genius hybrid
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A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 11
Hybrid-elektrische Antriebe
Wie elektrisch fliegen?
Batterie Kraftstoff Ver-
brennungs-
motor
Einbauraum
Thermische Effizienz ist eine
Funktion des Leistungsgewichts
• Beispiel e-Genius hybrid
• Gesamtmasse Energiespeicher und -wandlung ≤ 270kg
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Batterie Kraftstoff Ver-
brennungs-
motor
Hybrid-elektrische Antriebe
Wie elektrisch fliegen?
• Beispiel e-Genius hybrid
• Version #1: Batterieelektrisch mit Range-Extender
Wankel-Hybrid
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 22 28/02/2018
A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 12
Hybrid-elektrische Antriebe
Wie elektrisch fliegen?
• Beispiel e-Genius hybrid
• Version #1: Batterieelektrisch mit Range-Extender
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 23 28/02/2018
Batterie Kraftstoff Ver-
brennungs-
motor
Hybrid-elektrische Antriebe
Wie elektrisch fliegen?
• Beispiel e-Genius hybrid
• Version #2: Verbrenner-Hybrid mit Pufferbatterie
Diesel-Hybrid
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 24 28/02/2018
A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 13
Flüge[-]
Flugstrecke [km]
Flüge[-]
Flugstrecke [km]
Anwendungsfall #1 Anwendungsfall #2
⇨ Hybridisierungsgrad ist eine Funktion der Missionsanforderungen
“So viel Batterien wie möglich”
⇨ Range Extender
“So wenig Batterien wie möglich”
⇨ Verbrenner-elektrischer Hybrid
Hybrid-elektrische Antriebe
Wie elektrisch fliegen?
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 25 28/02/2018
?
Flugzeugentwurf für elektrisches Fliegen
Elektrisches Fliegen
was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 26 28/02/2018
A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 14
• Rein batterie-elektrisch
Elektromotor
Elektronik zur
Leistungssteuerung
Propeller / Fan
Batteriesystem
Integration der Komponenten des (hybrid-)elektrischen Antriebsstrangs
Flugzeugentwurf für elektrisches Fliegen
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 27 28/02/2018
Generator Verbrennungsmotor
Elektromotor
Elektronik zur
Leistungssteuerung
Propeller / Fan
Batteriesystem
Kraftstoffsystem
• Hybrid-elektrisch
Integration der Komponenten des (hybrid-)elektrischen Antriebsstrangs
Flugzeugentwurf für elektrisches Fliegen
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 28 28/02/2018
A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 15
• VKM hinter Kabine • VKM vor Brandspant
• Auslegungs-
kriterien:
• CG (Bereich)
• Zulassungs-
anforderungen
• Kabellängen
• EMI
• Flächenentlastung
• Zugänglichkeit
⇨ Systemintegration im Einklang mit Luftfahrtstandards
Integration der Komponenten des (hybrid-)elektrischen Antriebsstrangs
Flugzeugentwurf für elektrisches Fliegen
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 29 28/02/2018
Commuter als lohnende Aufgabe
Flugzeugentwurf für elektrisches Fliegen
DHC Twin Otter
Beech 1900D
Let L-410MU
Embraer EMB 110
Fairchild Metroliner
Bae Jetstream
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 30 28/02/2018
A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 16
Wie kann der zusätzliche Freiheitsgrad am besten genutzt werden?
Flugzeugentwurf für elektrisches Fliegen
• Beispiel: Entwurf eines elektrisch angetriebenen Commuters
• Konventionelles Basisflugzeug:
• 19 Pax, MTOM = 8.618kg
• Antrieb: 2 x PT6A-65B @ je 820kW
• Kraftstoffmasse: 2.300kg
• Reichweite @ 19 Pax: 1.550km
⇨ Aufgabe: wie am besten für elektrisches Fliegen auslegen?
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 31 28/02/2018
• Verbreitete Fehleinschätzung:
„Eine einfache Umrüstung
spart uns Zeit und Geld …“
• aber:
⇨ Massenachteil des elektrischen Systems wird mögliche Effizienzgewinne aufwiegen!
𝑅𝐵𝑎𝑡 = 𝜂𝑃𝑟𝑜𝑝 ∙ 𝜂𝐼𝑛𝑡 ∙𝐿𝐷 ∙ 𝜂𝐸𝑀 ∙
𝐸𝑠,𝐵𝑎𝑡𝑔
∙𝑚𝐵𝑎𝑡
𝑚𝑇𝑂
Wie kann der zusätzliche Freiheitsgrad am besten genutzt werden?
Flugzeugentwurf für elektrisches Fliegen
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A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 17
• Verbreitete Fehleinschätzung:
„Je mehr je besser…“
• aber:
𝑅𝐵𝑎𝑡 = 𝜂𝑃𝑟𝑜𝑝 ∙ 𝜂𝐼𝑛𝑡 ∙𝐿𝐷 ∙ 𝜂𝐸𝑀 ∙
𝐸𝑠,𝐵𝑎𝑡𝑔
∙𝑚𝐵𝑎𝑡
𝑚𝑇𝑂
⇨ ohne Synergieeffekte führen mehr Komponenten nur zu mehr Effizienzverlusten!
Wie kann der zusätzliche Freiheitsgrad am besten genutzt werden?
Flugzeugentwurf für elektrisches Fliegen
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 33 28/02/2018
⇨ zwar können elektrische Antriebe tatsächlich leichter geschwenkt werden,
das Gesamtgewicht will aber immer noch angehoben werden …
• Verbreitete Fehleinschätzung:
„Elektrisches Fliegen geht
Hand in Hand mit VTOL…“
• aber:
𝑅𝐵𝑎𝑡 = 𝜂𝑃𝑟𝑜𝑝 ∙ 𝜂𝐼𝑛𝑡 ∙𝐿𝐷 ∙ 𝜂𝐸𝑀 ∙
𝐸𝑠,𝐵𝑎𝑡𝑔
∙𝑚𝐵𝑎𝑡
𝑚𝑇𝑂
Wie kann der zusätzliche Freiheitsgrad am besten genutzt werden?
Flugzeugentwurf für elektrisches Fliegen
A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 18
Standardlösungen für die Integration konventioneller Antriebssysteme
Elektrisches Fliegen – ein zusätzlicher Freiheitsgrad im Flugzeugentwurf
• in der Flugzeugnase • zwei Antriebe am Flügel • vier Antriebe
am Flügel
• am Heck
Do 328
A400M
lufthansa.com
Extra 500
NAL
Saras
sst-flugtechnik.com wikipedia.org
Do 328 Jet
wikipedia.org
A380
airliners.net
Grob
SPn
wikipedia.org
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 35 28/02/2018
• Geht nicht gibt’s nicht …
[seawind.net]
Seawind 300C
[www.equatorair.de/hist]
Pöschel P-300
(Fast) Standardlösungen für die Integration konventioneller Antriebssysteme
Elektrisches Fliegen – ein zusätzlicher Freiheitsgrad im Flugzeugentwurf
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 36 28/02/2018
A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 19
Effiziente Integration des elektrischen Antriebssystems
Elektrisches Fliegen – ein zusätzlicher Freiheitsgrad im Flugzeugentwurf
• e-Genius als Beispiel:
• Integration des kleinen Elektromotors
auf dem Seitenleitwerk
• großer Propellerdurchmesser
• geringe Drehzahl des Propellers
• nahezu ungestörtes Strömungsfeld
hinter dem Propeller
⇨ umsichtige Systemintegration kann Effizienz und Lärmcharakteristik verbessern!
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 37 28/02/2018
Elektrisches Fliegen ermöglicht neue operationelle Ansätze
Elektrisches Fliegen – ein zusätzlicher Freiheitsgrad im Flugzeugentwurf
• Leiser Start und Landung:
• kein Triebwerkslärm
• reduzierter Propellerlärm
• Kein Leerlauf während Taxi
und Sinkflug
• Kein Vorwärmen erforderlich
⇨ Entwurf und Betrieb von Elektroflugzeugen ermöglichen deutlich weniger Lärm!
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 38 28/02/2018
A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 20
• Integration des Elektromotors
auf dem Seitenleitwerk
• aber: für mehr als 9 Passagiere fordert die
Zulassungsvorschrift heute mehr als
einen Antrieb
⇨ Zulassung stellt grundsätzlich ein erhebliches Entwicklungsrisiko dar
und muss schon in den frühen Entwurfsphasen berücksichtigt werden!
Effiziente Integration des elektrischen Antriebssystems
Elektrisches Fliegen – ein zusätzlicher Freiheitsgrad im Flugzeugentwurf
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 39 28/02/2018
• Beispiele einer effizienten Anordnung
von zwei Antrieben am Leitwerk:
• Push-pull-Konfiguration auf dem
Seitenleitwerk
• V-Leitwerkskonfiguration mit
Elektromotoren an den Enden
der Leitwerksflächen
⇨ effiziente Konfiguration für einen größeren Twin mit elektrischem Antrieb
Effiziente Integration des elektrischen Antriebssystems
Elektrisches Fliegen – ein zusätzlicher Freiheitsgrad im Flugzeugentwurf
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 40 28/02/2018
A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 21
⇨ Verteilung der Massen von Systemkomponenten für deutliche Flächenentlastung!
• Für die Komponenten eines
elektrischen Antriebsstrangs sind
z.T. erhebliche Massen anzusetzen
• Konventionelle Konfigurationen können die
Tragflächenstruktur mit der Integration von
Antrieben und/oder Tanks entlasten
• Jedes im Rumpf installierte Subsystem
erhöht die Strukturmasse oder reduziert
(bei MZFM = const.) die Nutzlast
Effiziente Integration der Komponenten eines elektrischen Antriebssystems
Elektrisches Fliegen – ein zusätzlicher Freiheitsgrad im Flugzeugentwurf
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 41 28/02/2018
Turnaround-Zeiten mit Batterien
Elektrisches Fliegen – ein zusätzlicher Freiheitsgrad im Flugzeugentwurf
Pipistrel WattsUp
Ing. B. & H. von Römer: Technische Wunder von heute und morgen,
München 1935 T. Tomazik: WattsUp: the electric trainer concept, Stuttgart 2015
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 42 28/02/2018
A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 22
• Heckantrieb für erhöhte Antriebseffizienz:
• Absaugen/Beschleunigen der
Grenzschicht
• laminare Strömung am Rumpf (so es die
Konfiguration erlaubt …)
• „Füllen“ der Delle im Strömungsnachlauf
⇨ Antriebsintegration für erhöhte aerodynamische Effizienz
Synergetische Integration des elektrischen Antriebssystems
Elektrisches Fliegen – ein zusätzlicher Freiheitsgrad im Flugzeugentwurf
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 43 28/02/2018
• Verteilte Antriebe an der
Flächenhinterkante für
• erhöhte Antriebseffizienz mit
Grenzschichtabsaugung/-beschleunigung
und damit laminarer Strömung an der Tragfläche
• mehr Hochauftrieb ermöglicht kleinere Fläche
• aber: Propellerlärm im Strömungsfeld des
Flügels ist zu berücksichtigen
⇨ Antriebsintegration für erhöhte aerodynamische Effizienz
Synergetische Integration des elektrischen Antriebssystems
Elektrisches Fliegen – ein zusätzlicher Freiheitsgrad im Flugzeugentwurf
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 44 28/02/2018
A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 23
Synergetische Integration des elektrischen Antriebssystems
Elektrisches Fliegen – ein zusätzlicher Freiheitsgrad im Flugzeugentwurf
• Mögliche Synergien des
elektrischen Antriebssystems
bewusst einsetzen, z.B.:
• Giersteuerung
• Hochauftrieb
• Aerodynamik (z.B. induzierter
Widerstand, laminare Strömung)
• Akustik
• Aeroelastik
• strukturelle Festigkeit
⇨ die Integration verteilter Antriebe muss synergetische Effekte nutzen! Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 45 28/02/2018
Icaré 2+2 – unsere Forschungsplattform für synergetische Antriebsintegration
Elektrisches Fliegen – ein zusätzlicher Freiheitsgrad im Flugzeugentwurf
• IFB Forschungsplattform Icaré 2+2:
• redundantes Antriebssystem
• Nachweis differentieller Steuerung
• systematische Erforschung der Interaktion
des Antriebs mit dem Randwirbelsystem
⇨ Fokus auch auf die Skalierbarkeit der Ergebnisse auf größere Flugzeuge
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 46 28/02/2018
W. Scholz, Team icaré
A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 24
?
(Hybrid-)elektrische Flugzeugkonfigurationen
Elektrisches Fliegen
was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 47 28/02/2018
Entwurfspfad
I. Geiß
Flugzeug-
entwurfsseminar WS16/17
Energieoptimiertes, batteriebetriebenes Zubringerflugzeug
A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 25
• Zubringer für große Verkehrsflughäfen mit minimalem spezifischen Energieeinsatz
• Zulassungsbasis CS-23 Commuter
• max. 19.000lbs
• max. 19 Pax à 105kg (inkl. Gepäck)
• 300nm + 50nm Reserve + 30min Holding
• TOFL ≤ 800m
• vCr > 200kts
• Akku-Wechselsystem mit Flughafeninfrastruktur
• EIS 2030
Aufgabenstellung
Energieoptimiertes, batteriebetriebenes Zubringerflugzeug
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 49 28/02/2018
Referenzflugzeug Skylander SK-105
Studentische Arbeitsergebnisse
Energieoptimiertes, batteriebetriebenes Zubringerflugzeug
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 50 28/02/2018
A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 26
„Seagull“ – Turnaround mit Akkuwechsel
Energieoptimiertes, batteriebetriebenes Zubringerflugzeug
• Akkuwechsel-Wagen mit 5er-Trommel
• Einfacher Zugang bei gleichzeitigem
Passagier-Zustieg Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 51 28/02/2018
Entwurfspfad
I. Geiß
Flugzeug-
entwurfsseminar WS13/14
Hybrid-elektrischer Regional-Commuter
Bildquelle: Dragos Samoilescu, airliners.net
A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 27
• Zulassungsbasis CS-25
• 50Pax à 97kg (inkl. Gepäck), 300ft3 Gepäckraum; Nutzlast ≥ 5.400kg
• 500nm @ SPP + 150nm Reserve
• TOFL ≤ 2000m, ICAC 33.000ft
• Ma > 0,5
• Spannweite ≤ 36m
• EIS 2020
Aufgabenstellung
Hybrid-elektrischer Regional-Commuter
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 53 28/02/2018
Studentische Arbeitsergebnisse
Hybrid-elektrischer Regional-Commuter
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 54 28/02/2018
A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 28
Entwurfspfad
I. Geiß
Flugzeug-
entwurfsseminar WS17/18
Hybrid-elektrisches Regionalflugzeug
Hybrid-elektrisches Regionalflugzeug
Top Level Aircraft Requirements
Standard passenger
payload (SPP)
70 passengers,
97 kg per passenger (incl. luggage)
Max. structural payload 1.1 x SPP
Range 500 nm with SPP
(use as well for cost calculation)
Diversion range/reserve 150 nm
Take-off field length 1.750 m (ISA +15°C, MSL, MTOW)
Initial cruise altitude
capability
25.000 ft
Cruise speed ≥ Ma 0.5 @ 25.000 ft
Approach speed ≤ 120 kts
(sea level ISA, @MLW)
Wing span = 32 m
Propulsion system Use assigned propulsion architecture and
given technology data
EDDS
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 56 28/02/2018
A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 29
HEC 70 Sparrow – Batterie-unterstützter Hybrid
Hybrid-elektrisches Regionalflugzeug
Anforderungen:
• Batterie dimensioniert für
„Notfall-Ausweichstrecke“
• Batterie kann Startleistung
bereitstellen
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 57 28/02/2018
HYDA c70 – DC-Hybrid
Hybrid-elektrisches Regionalflugzeug
Anforderung:
• Batterie kann Ausfall einer
Gasturbine kompensieren
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 58 28/02/2018
A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 30
Anforderungen:
• Mindestens zwei Gasturbinen
• Getrennte AC-Leitungen
SKB 1 & M-Fan – AC-Hybride
Hybrid-elektrisches Regionalflugzeug
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 59 28/02/2018
„Parelco“ – Parallel hybrid
Hybrid-elektrisches Regionalflugzeug
Anforderungen:
• Mindestens zwei Gasturbinen
• Keine Fernwellen
Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 60 28/02/2018
A. Strohmayer: Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?
28.02.2018 Universität Stuttgart 31
Ist die Technologie skalierbar?
Elektrisches Fliegen – die Herausforderung für den Flugzeugentwurf
• Mit der Energiedichte heutiger Batterien können
bereits attraktive Kleinflugzeuge auf den Markt
gebracht werden
⇨ die Forschung muss ihren Schwerpunkt jetzt auf größere hybrid-elektrische
Flugzeuge legen! Universität Stuttgart, IFB – Prof. Dr.-Ing. Andreas Strohmayer : Elektrisches Fliegen – was bedeutet das für den Flugzeugentwurf? 61 28/02/2018
phone +49 (0) 711 685-
fax +49 (0) 711 685-
Universität Stuttgart
Ein elektrisierendes Thema!
Prof. Dr.-Ing Andreas Strohmayer
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62449
Institut für Flugzeugbau
Pfaffenwaldring 31, 70569 Stuttgart
Institut für Flugzeugbau