Elektrisches Fliegen - Arbeitskreis Luftverkehr · Wie elektrisch fliegen? • Beispiel e-Genius...

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


• Analytischer Flugzeugentwurf

• Bemannte Flugzeugprojekte

• Unmanned Aerial Systems



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!


Der solarbetriebene Icaré 2

Elektrisches Fliegen am IFB

e-Genius


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




e-Genius


• 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?




?

Warum elektrisches Fliegen


was bedeutet das für den Flugzeugentwurf?


Ein Blick auf die Straße

Warum elektrisches Fliegen?

Bildquelle: emobility-web.de

Gustav Trouvé, 1881 Bildquelle: Wikipedia

Benz Patent-Motorwagen, 1886




• Motivation für Elektroautos:

• Energiebedarf senken

• Schadstoffemissionen reduzieren

• Lärmemissionen verringern

• Regenerative Energieträger nutzen

⇨ Die Technologie ist vorhanden und

funktioniert!

Ein Blick auf die Straße


Bildquelle: car2go.com


• Motivation für elektrisches Fliegen:

• Energiebedarf senken

• Schadstoffemissionen reduzieren

• Lärmemissionen verringern

• Regenerative Energieträger nutzen

⇨ Das Grundprinzip ist nachgewiesen

Ein Blick auf die Luftfahrt


Bildquelle: flugzeug-bild.de




• 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


Bildquelle: photobucket.com


• “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








Quelle: IATA Technology Roadmap, June 2013


?

Wie elektrisch fliegen






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


Vorüberlegungen für den Flugzeugentwurf


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:




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


Wie elektrisch fliegen? 𝑅𝐵𝑎𝑡 = 𝜼𝑷𝒓𝒐𝒑 ∙ 𝜼𝑰𝒏𝒕 ∙𝑳𝑫 ∙ 𝜂𝐸𝑀 ∙


∙𝑚𝐵𝑎𝑡

𝑚𝑇𝑂

⇨ Trennung von Energiewandlung

und Vortriebserzeugung als

zusätzlicher Freiheitsgrad!


• Problem des Energiespeichers:

verfügbare Energiedichte


Wie elektrisch fliegen? 𝑅𝐵𝑎𝑡 = 𝜂𝑃𝑟𝑜𝑝 ∙ 𝜂𝐼𝑛𝑡 ∙𝐿𝐷 ∙ 𝜂𝐸𝑀 ∙

𝑬𝒔,𝑩𝒂𝒕

𝑔 ∙𝑚𝐵𝑎𝑡

𝑚𝑇𝑂

⇨ Verlagerung des Schwerpunkts auf hybrid-elektrische Antriebe




• 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


Batterie Batterie Kraftstoff Ver-

brennungs-

motor

Batterie Kraftstoff Ver-

brennungs-

motor

• Integration eines Generator-Sets

• Ausführung als serieller Hybrid:



• Beispiel e-Genius hybrid







brennungs-

motor

Einbauraum

Thermische Effizienz ist eine

Funktion des Leistungsgewichts


• Gesamtmasse Energiespeicher und -wandlung ≤ 270kg



brennungs-

motor




• Version #1: Batterieelektrisch mit Range-Extender

Wankel-Hybrid







• Version #1: Batterieelektrisch mit Range-Extender



brennungs-

motor




• Version #2: Verbrenner-Hybrid mit Pufferbatterie

Diesel-Hybrid




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




?

Flugzeugentwurf für elektrisches Fliegen






• Rein batterie-elektrisch

Elektromotor

Elektronik zur

Leistungssteuerung

Propeller / Fan

Batteriesystem

Integration der Komponenten des (hybrid-)elektrischen Antriebsstrangs



Generator Verbrennungsmotor

Elektromotor

Elektronik zur

Leistungssteuerung

Propeller / Fan

Batteriesystem

Kraftstoffsystem

• Hybrid-elektrisch






• VKM hinter Kabine • VKM vor Brandspant

• Auslegungs-

kriterien:

• CG (Bereich)

• Zulassungs-

anforderungen

• Kabellängen

• EMI

• Flächenentlastung

• Zugänglichkeit

⇨ Systemintegration im Einklang mit Luftfahrtstandards




Commuter als lohnende Aufgabe


DHC Twin Otter

Beech 1900D

Let L-410MU

Embraer EMB 110

Fairchild Metroliner

Bae Jetstream




Wie kann der zusätzliche Freiheitsgrad am besten genutzt werden?


• 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?


• Verbreitete Fehleinschätzung:

„Eine einfache Umrüstung

spart uns Zeit und Geld …“

• aber:

⇨ Massenachteil des elektrischen Systems wird mögliche Effizienzgewinne aufwiegen!



∙𝑚𝐵𝑎𝑡

𝑚𝑇𝑂







„Je mehr je besser…“

• aber:



∙𝑚𝐵𝑎𝑡

𝑚𝑇𝑂

⇨ ohne Synergieeffekte führen mehr Komponenten nur zu mehr Effizienzverlusten!




⇨ zwar können elektrische Antriebe tatsächlich leichter geschwenkt werden,

das Gesamtgewicht will aber immer noch angehoben werden …


„Elektrisches Fliegen geht

Hand in Hand mit VTOL…“

• aber:



∙𝑚𝐵𝑎𝑡

𝑚𝑇𝑂





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


• Geht nicht gibt’s nicht …

[seawind.net]

Seawind 300C

[www.equatorair.de/hist]

Pöschel P-300

(Fast) Standardlösungen für die Integration konventioneller Antriebssysteme





Effiziente Integration des elektrischen Antriebssystems


• 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!


Elektrisches Fliegen ermöglicht neue operationelle Ansätze


• 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!




• 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!




• 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






⇨ 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



Turnaround-Zeiten mit Batterien


Pipistrel WattsUp

Ing. B. & H. von Römer: Technische Wunder von heute und morgen,

München 1935 T. Tomazik: WattsUp: the electric trainer concept, Stuttgart 2015




• 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



• 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








• 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


• 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


W. Scholz, Team icaré



?

(Hybrid-)elektrische Flugzeugkonfigurationen




Entwurfspfad

I. Geiß

Flugzeug-

entwurfsseminar WS16/17

Energieoptimiertes, batteriebetriebenes Zubringerflugzeug



• 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



Referenzflugzeug Skylander SK-105

Studentische Arbeitsergebnisse





„Seagull“ – Turnaround mit Akkuwechsel


• 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-


Hybrid-elektrischer Regional-Commuter

Bildquelle: Dragos Samoilescu, airliners.net



• 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



Studentische Arbeitsergebnisse





Entwurfspfad

I. Geiß

Flugzeug-


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




HEC 70 Sparrow – Batterie-unterstützter Hybrid


Anforderungen:

• Batterie dimensioniert für

„Notfall-Ausweichstrecke“

• Batterie kann Startleistung

bereitstellen


HYDA c70 – DC-Hybrid


Anforderung:

• Batterie kann Ausfall einer

Gasturbine kompensieren




Anforderungen:

• Mindestens zwei Gasturbinen

• Getrennte AC-Leitungen

SKB 1 & M-Fan – AC-Hybride



„Parelco“ – Parallel hybrid


Anforderungen:

• Mindestens zwei Gasturbinen

• Keine Fernwellen




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

e-mail

phone +49 (0) 711 685-

fax +49 (0) 711 685-

Universität Stuttgart

Ein elektrisierendes Thema!

Prof. Dr.-Ing Andreas Strohmayer

69567

62449


[email protected]

Pfaffenwaldring 31, 70569 Stuttgart


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