22. November 2021
Projekt SynergIE

Kli­maf­reund­li­cher flie­gen mit hy­brid-elek­tri­schen An­trie­ben

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Luftfahrt
Regionalflugzeug mit verteilten Antrieben
Re­gio­nal­flug­zeug mit ver­teil­ten An­trie­ben
Bild 1/4, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Regionalflugzeug mit verteilten Antrieben

In hoch­ge­nau­en Strö­mungs­si­mu­la­tio­nen zeig­te sich, dass elek­tri­sche An­trie­be ei­ne Ver­tei­lung des Schubs auf vie­le klei­ne­re Pro­pel­ler er­mög­li­chen. Über­strö­men die­se dann den Trag­flü­gel, sor­gen sie für ei­nen er­höh­ten Auf­trieb und ei­ne ef­fi­zi­en­te­re Ae­ro­dy­na­mik. Durch die­sen Ef­fekt konn­ten die Pro­jekt­part­ner die Flü­gel­flä­che und die Flü­gel­mas­se re­du­zie­ren und den Wi­der­stand durch die In­ter­ak­ti­on der Pro­pel­ler­strah­len mit den Rand­wir­beln des Flü­gels ver­rin­gern.
Regionalflugzeug mit verteilten Antrieben
Re­gio­nal­flug­zeug mit ver­teil­ten An­trie­ben
Bild 2/4, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Regionalflugzeug mit verteilten Antrieben

Durch die spe­zi­el­le An­ord­nung der Pro­pel­ler konn­ten die Ge­wichts­nach­tei­le des hy­brid-elek­tri­schen An­triebs­sys­tems kom­pen­siert wer­den.
DLR-Simulatorzentrum AVES
DLR-Si­mu­la­tor­zen­trum AVES
Bild 3/4, Credit: © DLR. Alle Rechte vorbehalten

DLR-Simulatorzentrum AVES

Im Si­mu­la­tor­zen­trum AVES (Air Ve­hic­le Si­mu­la­tor) wur­den die Flug­ei­gen­schaf­ten des hy­brid-elek­tri­schen Kurz­stre­cken­flug­zeugs be­wer­tet.
Finite-Elemente-Modell der Flugzeugstruktur – Dynamische Analyse des Flügels
Fi­ni­te-Ele­men­te-Mo­dell der Flug­zeugstruk­tur – Dy­na­mi­sche Ana­ly­se des Flü­gels
Bild 4/4, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Finite-Elemente-Modell der Flugzeugstruktur – Dynamische Analyse des Flügels

Im Pro­jekt wur­de u.a. auch das dy­na­mi­sche Struk­tur­ver­hal­ten un­ter­sucht. Es zeigt sich, dass sich durch die über die Flü­gel­spann­wei­te ver­teil­ten An­triebs­ein­hei­ten das struk­turdy­na­mi­sche Ver­hal­ten ver­än­dert. So re­du­ziert sich zum Bei­spiel die ers­te Flü­gel­bie­gung ganz er­heb­lich.
  • Das DLR hat gemeinsam mit Airbus, Rolls-Royce und Bauhaus Luftfahrt e.V. das Gesamtsystem eines hybrid-elektrischen Kurzstreckenflugzeugs für bis zu 100 Passagieren untersucht.
  • Auf der Tragfläche verteilte elektrische Antriebe verbessern die Aerodynamik und erhöhen damit deutlich die Effizienz.
  • Im DLR-Flugsimulator AVES konnten bereits die Flugeigenschaften des Prototypen getestet werden.
  • Schwerpunkte: Luftfahrt, klimafreundliches Fliegen

Die Entwicklung klimaschonender und alltagstauglicher Technologien für den Flugverkehr der Zukunft findet sich beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ganz oben auf der Agenda. Im Fokus der Forschung stehen dabei unter anderem neue Flugzeugkonfigurationen, die mit deutlich geringerer Emissions- und Lärmbelastung kommerziell erfolgreich betrieben werden können. Elektrische oder hybrid-elektrische Antriebe haben das Potenzial für Flugzeugkonfigurationen, die diese Anforderungen erfüllen.

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Verbundprojekts SynergIE haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des DLR in Hamburg, Braunschweig und Göttingen gemeinsam mit den Partnern Airbus, Rolls-Royce und Bauhaus Luftfahrt e.V. das Gesamtsystem eines hybrid-elektrischen Kurzstreckenflugzeugs für bis zu 100 Passagiere mit verteilten Antrieben am Flügel untersucht. Bei dieser Technologie sind die Antriebe über die Spannweite des gesamten Flügels verteilt und führen damit zu einer effizienteren Umströmung.

Aerodynamische Vorteile durch elektrische Antriebe

„Bei klassischen Regionalflugzeugen sind die Flügel oft überdimensioniert, um gute Start- und Landeleistungen zu erreichen“, erklärt Dr. Martin Hepperle vom DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik. „Diese Flugzeuge fliegen dann im Reiseflug mit zu hohem Energieverbrauch.“ In hochgenauen Strömungssimulationen zeigte sich, dass elektrische Antriebe eine Verteilung des Schubs auf viele kleinere Propeller ermöglichen. Überströmen diese dann den Tragflügel, sorgen sie für einen erhöhten Auftrieb und eine effizientere Aerodynamik. Durch diesen Effekt konnten die Projektpartner die Flügelfläche und die Flügelmasse reduzieren und den Widerstand durch die Interaktion der Propellerstrahlen mit den Randwirbeln des Flügels verringern.

Als finalen Entwurf für ein Flugzeug mit verteilten hybrid-elektrischen Antrieben haben die Forscherinnen und Forscher aus unterschiedlichen Anordnungen ein Konzept mit Turbogeneratoren im Rumpf und zehn Elektromotoren entlang der Flügelvorderkante als beste Lösung gewählt und bewertet. Durch die optimale Auslegung und Installation der Propeller ist eine Verringerung der Flügeltiefe und der Seitenleitwerksgröße und damit eine Senkung des Energieverbrauchs um etwa zehn Prozent möglich. „Durch die spezielle Anordnung der Propeller konnten wir die Gewichtsnachteile des hybrid-elektrischen Antriebssystems kompensieren“, sagt Hepperle. „Auch das Seitenleitwerk konnten wir bei unserem mehrmotorigen Konzept kleiner und damit leichter und widerstandsärmer auslegen“, so Hepperle weiter. „Dieses Konzept kann sogar den Ausfall von zwei Elektromotoren kompensieren, bietet also auch eine höhere Betriebssicherheit.“

Flugeigenschaften auf dem Prüfstand

Beim virtuellen Erstflug im DLR-Flugsimulator AVES bewerteten Testpiloten des DLR die Flugeigenschaften des hybrid-elektrischen Kurzstreckenflugzeugs. Insbesondere im Landeanflug zeigte sich, dass die aerodynamische Interaktion von Propellernachlauf und Flügel die Flugeigenschaften des Flugzeugs stark beeinflusst. Um die geringere Wirksamkeit des kleineren Seitenleitwerks und -ruders auszugleichen, entwickelte ein Forschungsteam des DLR-Instituts für Flugsystemtechnik einen Flugsteuerungsregler, der die Giersteuerung – die Steuerung um die Vertikalachse – mittels Seitenruder und differentiellem Schub ermöglicht.

In SynergIE haben die Projektbeteiligen eine durchgängige „Software-Simulations-Tool-Kette“ für zukünftige Flugzeugentwürfe mit verteilten hybrid-elektrischen Antrieben im DLR entwickelt und etabliert, um die Gesamtbewertungsfähigkeit der deutschen Forschung und Industrie auszubauen. Die disziplinübergreifenden Arbeitsinhalte umfassen die integrierte Aerodynamik von Flügel und Propeller in enger Wechselwirkung mit flugmechanischen Fragestellungen zur Steuerung sowie Randbedingungen der Struktur und der Aeroelastik. In Zukunft sollen noch offene Fragen zur Aeroakustik der verteilten Propeller und zu optimalen Klappensystemen im Landeanflug geklärt werden.

DLR – Forschung für einen klimaneutralen Luftverkehr

Die Folgen des Klimawandels fordern unser Handeln für einen klimaneutralen Luftverkehr. Dabei geht es um neue Technologien die auch in Zukunft eine globale Mobilität gewährleisten. Mit 25 Instituten und Einrichtungen in der Luftfahrtforschung treibt das DLR diesen Wandel mit nachhaltigen Technologien für eine zukunftsfähige umweltverträgliche Luftfahrt voran. Eine wichtige Rolle spielen dabei auch unsere Kompetenzen aus den Forschungsprogrammen Raumfahrt, Energie und Verkehr.

Das DLR verfügt über eine Systemkompetenz in der Luftfahrtforschung und sieht sich in der Funktion eines Architekten. Das Ziel des DLR ist eine „emissionsfreie Luftfahrt“ um die gesetzten Klimaziele zu erreichen. Dabei müssen die Forschungsergebnisse direkt in die Entwicklung neuer Produkte einfließen.

Auf dem Weg zum klimaverträglichen Luftverkehr besteht ein erheblicher Forschungs- und Entwicklungsbedarf, der einer kontinuierlichen Förderung und Unterstützung bedarf. Vieles davon muss in den Grundlagen erforscht, praktisch erprobt und zugelassen werden. Das DLR kann das mit Großanlagen wie seinen Forschungsflugzeugen, Antriebsdemonstratoren und Großrechnern. Im Jahr 2020 hat das DLR gemeinsam mit dem BDLI das Whitepaper ZERO EMISSION AVIATION veröffentlicht. Aktuell arbeitet das DLR an einer ZEROEMISSION-Strategie.

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