26. November 2019
Elektrisches Fliegen

E-Flugzeuge: Neue Konfigurationen bieten neue Perspektiven

Effizient mit elektrischem Heckantrieb
Effizient mit elektrischem Heckantrieb
Bild 1/4, Quelle: ©

Effizient mit elektrischem Heckantrieb

Mittelstreckenflugzeug mit „Canard“-Konfiguration und elektrischem Heckantrieb.

Elektrisches Regionalflugzeug mit verteilten Antrieben
Elektrisches Regionalflugzeug mit verteilten Antrieben
Bild 2/4, Quelle: DLR (CC-BY 3.0)

Elektrisches Regionalflugzeug mit verteilten Antrieben

Viele kleine elektrisch betriebene Propeller entlang der Tragfläche sorgen für mehr Auftrieb. Die Flügelfläche kann dadurch verkleinert werden, das spart Gewicht, Widerstand und Energie.

Regionalflugzeug mit ergänzenden E-Propellern an den Flügelspitzen
Regionalflugzeug mit ergänzenden E-Propellern an den Flügelspitzen
Bild 3/4, Quelle: DLR (CC-BY 3.0)

Regionalflugzeug mit ergänzenden E-Propellern an den Flügelspitzen

Hybrid-elektrischen Regionalflugzeugs mit zwei konventionellen Triebwerken in klassischer Position sowie vier elektrischen Triebwerken an den Flügelspitzen.

19-Sitzer mit verteilten elektrisch betrieben Propellern
19-Sitzer mit verteilten elektrisch betrieben Propellern
Bild 4/4, Quelle: DLR (CC-BY 3.0)

19-Sitzer mit verteilten elektrisch betrieben Propellern

Konzeptentwurf eines leisen, 19-sitzigen Flugzeugs mit hybrid-elektrischem Antrieb mit 1000 km Reichweite.

  • Elektrisches Fliegen ermöglicht leichtere Flugzeuge mit kleineren Tragflächen und verteilten Antrieben.
  • EU-Forschungsprojekt untersucht Potenziale neuartiger Antriebe und Flugzeugkonzepte.
  • Schwerpunkte: Luftfahrt, Elektrisches Fliegen

Umweltfreundlich, leise, sicher und kostengünstig – in Anbetracht des steigenden Luftverkehrsaufkommens sind dies die Ziele der europäischen Luftfahrtforschung. Die Entwicklung elektrischer Antriebe spielt dabei eine entscheidende Rolle. Doch der Antrieb allein macht das Fliegen noch nicht ökologisch – für die effiziente Nutzung kommt es vor allem auf das richtige Flugzeugdesign an. Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) untersuchen daher, welches Potenzial in neuen Arten der Gestaltung steckt und wie das optimale E-Flugzeug der Zukunft aussehen könnte.

Regionalflugzeug mit vielen kleinen Propellern

Viele kleine Propeller über die ganze Tragfläche verteilt, ein langer schmaler Flügel, ein kleines Seitenleitwerk – werden Flugzeugentwurf von Dr. Martin Hepperle sieht, der weiß sofort, dass er kein konventionelles Passagierflugzeug vor sich hat. "Das E-Flugzeug der Zukunft wird anders aussehen, als das, was wir bisher kennen", sagt der Ingenieur des DLR-Instituts für Aerodynamik und Strömungstechnik. Elektrische Antriebe einfach in bestehende Flotten einzubauen, bringe keinen Gewinn, denn: "Die Konfiguration muss zum Antrieb passen." Positive Schneeballeffekte nennt Hepperle das, wenn Änderungen an einem Flugzeugentwurf eine Kettenreaktion gewünschter Effekte hervorrufen.

So auch bei seinem Entwurf eines Regionalflugzeugs mit verteilten Antrieben: Viele kleine Propeller entlang der Tragfläche sorgen für mehr Auftrieb. Die Flügelfläche kann verkleinert werden, das spart Gewicht, Widerstand und Energie. Die größere Anzahl der Antriebe sorgt für mehr Sicherheit bei einem Triebwerksausfall. "Ein zweimotoriges Flugzeug muss auch bei Ausfall eines Triebwerks noch sicher starten können. Für diesen Fall sind die Triebwerke meist überdimensioniert. Wenn von vielen Antrieben einer ausfällt, ist der Effekt viel geringer", erklärt Hepperle. Auch die Steuerung profitiert: Das Flugzeug kann über Triebwerke an den Flügelenden zusätzlich gelenkt werden. Das Seitenleitwerk muss dann nicht mehr so stark ausgleichen, es kann deutlich kleiner und damit leichter und widerstandsärmer entworfen werden. Zudem können Propeller an Flügelenden zur Energieeffizienz beitragen.

Ein weiteres Konzept eines hybrid-elektrischen Regionalflugzeugs mit anders verteilten Antrieben wurde ebenfalls detailliert analysiert. Bei solch einem Flugzeug wäre eine Reduktion des Treibstoffverbrauchs verglichen mit heute üblichen Flugzeugen über 30 Prozent möglich.

Mittelstreckenflugzeug mit elektrischem Heckantrieb

Es sind nicht die einzigen Konzepte, die die Flugzeugarchitekten entworfen und erforscht haben. So haben sie jüngst institutsübergreifend ein Mittelstreckenflugzeug mit einem elektrisch betriebenen Heckantrieb untersucht. Das Besondere: Die Triebwerke unter den Flügeln erzeugen einerseits Schub, liefern aber auch die elektrische Leistung für den hinteren Fan, der wiederum besonders effizient mit Grenzschichteinsaugung arbeitet. Zudem wurde bei dieser Konzeptstudie eine "Canard"-Konfiguration gewählt: Das Höhenleitwerk befindet sich vorn, die Seitenleitwerke an den Flügelspitzen.

Weniger Lärm durch mehr Propeller

Im Flug ist die Geräuschentwicklung, unabhängig von der Antriebsart, vorwiegend aerodynamisch bedingt: Schall entsteht an den Rotoren der Propeller oder Strahltriebwerke und bei der Umströmung des Flugzeugkörpers. Die neuen Antriebskonzepte erlauben es, das Geräusch zu beeinflussen. Viele kleine Propeller erzeugen ein anderes Geräusch als zwei große. Die Strömungsakustik ist daher ein Aspekt, der ebenfalls von den DLR-Forschern intensiv betrachtet wird.

Die Wissenschaftler bleiben jedoch realistisch: "Die Einsparungen, die wir bei unseren Konzepten rechnerisch erzielen konnten, bewegten sich meist im einstelligen Bereich. Beim hybrid-elektrischen Regionalflugzeug mit verteilten Antrieben erwarten wir nach vorläufigen Untersuchungen, etwa 10 Prozent Einsparung zu erreichen", führt Hepperle aus. Mit Hybridantrieben könne zwar der Strom direkt an Bord erzeugt werden, die "Masse" des Flugzeugs würde durch sie jedoch erhöht. Zudem kann es bei der Umwandlung und Übertragung zu Leistungsverlusten kommen.

Denn um die größte Herausforderung elektrischer Antriebe kommt Hepperle bei seinen Entwürfen nicht herum: den Energiespeicher. Heutige Batterien sind schwer, weit reichen sie nicht. Nur für kleine Sportflugzeuge sind sie in absehbarer Zeit eine praktikable Lösung. Als Alternative kämen Brennstoffzellen mit Wasserstoff als Energiespeicher infrage, doch die sind noch sehr teuer und kompliziert. Als praktikable Übergangslösung sieht Hepperle deshalb den kerosinbetriebenen Hybridantrieb. Nachteilig ist hier vor allem das Gewicht des komplexen Antriebssystems. Dennoch könnte ein solches, elektrisch angetriebenes Regionalflugzeug durchaus 100 Passagiere bis zu 2000 Kilometer weit transportieren.

Und so sind die jetzigen Ergebnisse und Konzepte sehr wichtig für die gezielte Weiterentwicklung und Erforschung künftiger elektrischer Antriebssysteme und Batterien für Luftfahrtanwendungen. Und für Kurzstrecken wären E-Flugzeugkonzepte eine wirkungsvolle und nachhaltige Option.

Die Forschungsarbeiten zu diesen sowie anderen Konzepten laufen im Rahmen des europäischen Clean Sky 2 Projekts ADEC (Advanced Engine and Aircraft Configurations), in dem DLR-Wissenschaftler aus ganz Deutschland gemeinsam mit Forschungseinrichtungen aus Frankreich (ONERA), den Niederlanden (TU Delft, NLR) sowie den Industriepartnern Airbus und Rolls-Royce analysieren, welche Potenziale neuartige Antriebe und Flugzeugkonzepte bieten.

Ergänzend dazu arbeitet das DLR auch im Projekt "SynergIE" (Synergetische Integration von verteilten hybrid-elektrischen Antrieben) des nationalen Luftfahrtforschungsprogramms, finanziert mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi), an derartigen Konzepten. Hier liegt das Augenmerk besonders auf der Flugphysik und der Gesamtbewertung.

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