Innovative Triebwerkssysteme verändern das Fliegen
Um den Herausforderungen eines umweltverträglichen und effizienten Luftverkehrs zu begegnen, erforschen und entwickeln Wissenschaftler am Institut für Antriebstechnik im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) neue Triebwerkstechnologien und Antriebskonzepte für die Luftfahrt. Dabei rücken seit den vergangenen Jahren neue Systeme wie beispielsweise elektrische Antriebe vermehrt in den Fokus der Luftfahrtforscher.
„Aufgrund aktueller Anforderungen zu Leistung und Reichweite werden Gasturbinen jedoch auf absehbare Zeit mindestens das Mittel- und Langstreckensegment dominieren“, fasst Prof. Reinhard Mönig, Direktor des Institutes für Antriebstechnik, den aktuellen Stand der Technik zusammen. Eine Lösung, um neue Technologieentwicklungen und Flugzeugkonfigurationen zu begünstigen, können teil-elektrische Systeme, sogenannte Hybridantriebe, sein. „Das könnte langfristig dabei helfen, das Fliegen effizienter und emissionsärmer zu gestalten“, sagt Prof. Mönig.
Die Wissenschaftler arbeiten beispielsweise an neuen Architekturen mit elektrisch betriebenen oder verteilten Triebwerken. Diese werden so in das Flugzeug eingebaut, dass sie die Grenzschicht des Flugzeugrumpfes einsaugen. Das reduziert den Impuls der einströmenden Luft und verbessert den Wirkungsgrad des Systems. Allerdings wird hierdurch auch die Zuströmung gestört, was das aerodynamische Betriebsverhalten des Triebwerks negativ beeinträchtigt und die Wissenschaftler vor strukturmechanische Herausforderungen stellt.
Luftforschungsprogramm Clean Sky 2
Im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms Clean Sky 2 der Europäischen Union sollen von 2014 bis 2024 die technologischen Entwicklungen für eine umweltfreundliche Luftfahrt entscheidend vorangebracht werden. Das DLR ist Gründungsmitglied von Clean Sky 2 und leitet die Technologiebewertung. Darin koordiniert das Institut für Antriebstechnik in der Partnerschaft Hyper-F die Arbeitspakete zur Entwicklung von Auslegungs- und Bewertungsmethoden, die sowohl den Flugzeugvorentwurf, den Kreisprozess des Gesamttriebwerks, das Fandesign (Fan ist der Schuberzeuger), die Aeroakustik als auch die Aeroelastik sowie Strukturmechanik umfassen.
Das Projekt wird durch das EU-Programm Horizon 2020 über einen Zeitraum von dreieinhalb Jahren gefördert. Im Verbund mit weiteren DLR-Instituten sowie internationalen Forschungs- und Industriepartnern untersuchen die Wissenschaftler das Potenzial von grenzschichteinsaugenden Antriebssystemen. Technologisch blicken die Forscher hierbei bereits ins Jahr 2035 und darüber hinaus. Schwerpunkte des Projektes liegen auf der Wechselwirkung zwischen unregelmäßiger Anströmung und Fandesign, der Akustik und Strukturmechanik sowie der Performance und dem Betriebsverhalten des gesamten Antriebssystems.
Dabei analysieren die Forscher sowohl konventionelle Triebwerke mit Grenzschichteinsaugung, als auch Konfigurationen mit einem am Heck befindlichen Fan, der durch zwei Triebwerke unter dem Flügel angetrieben wird. Die Leistungsübertragung von den Triebwerken an den grenzschichteinsaugenden Fan erfolgt elektrisch. So können die Wissenschaftler das Potenzial der elektrischen Leistungsübertragung in der Luftfahrt in Verbindung mit grenzschichteinsaugenden Antrieben nicht nur erforschen, sondern auch mit konventionellen Antriebssystemen vergleichen.
Disziplinübergreifende Zusammenarbeit
„Aufgrund der hohen Integration in die Flugzeugzelle wird hier die disziplinübergreifende Zusammenarbeit zwischen dem Antriebs- und dem Flugzeugentwurf weiter vertieft und entsprechende Schnittstellen und Kompetenzen aufgebaut“, unterstreicht Dr. Rainer Schnell, Koordinator der DLR-Aktivitäten in Hyper-F, den kollaborativen Charakter und eine der Herausforderungen des Projekts. Das neu entstandene Wissen wird in zukünftigen Projekten genutzt, um neuartige, hochintegrierte Luftfahrzeuge hinsichtlich ihrer Effizienz bewerten zu können. Somit haben die Wissenschaftler mit ihren Forschungsaktivitäten die neuesten technologischen Trends im Blick. „Um die Zukunft der Luftfahrt aktiv gestalten zu können, forschen wir schon heute an den Antriebssystemen von morgen“, sagt Prof. Mönig und weiß sein Institut für die Herausforderungen der nächsten Antriebsgeneration gut aufgestellt.