Thema 2018: Umweltfreundliches Flugzeug der Zukunft
NASA/DLR Design Challenge 2018 – Flugzeugkonzepte von Studierenden
Thema 2018: Umweltfreundliches Flugzeug der Zukunft
Das Flugzeugkonzept „eRay“ des siegreichen Teams der TU-München.
Das siegreiche Team der Technische Universität München kreierte mit dem „eRay“ ein Flugzeug mit einem konsequent integrierten turboelektrischen Antrieb. Auffällig dabei sind die Antriebspakete an der hinteren Tragflächenkante sowie ein leicht angestelltes Höhenleitwerk, welches eine gute Integration eines Heck umschließenden Triebwerks ermöglicht.
Bild: 1/2, Credit:
TU Munich/eRay
Teilnehmende der DLR/NASA-DesignChallenge in Braunschweig
Für die DLR/NASA-Design Challenge hatten sich in diesem Jahr auf deutscher Seite 41 Studierende verteilt auf sieben Teams aus sechs Hochschulen angemeldet.
Die NASA/DLR Design Challenge 2018 forderte Studierende auf, Konzepte für ein Flugzeug der Zukunft zu entwerfen, das weniger Kraftstoff verbraucht und geringe Emissionen generiert.
41 Studierende aus sieben Teams nahmen am Wettbewerb teil.
Das Team der Technischen Universität München überzeugte die Jury mit seinem Konzept „eRay“ und gewann den ersten Platz.
Aufgabe der NASA/DLR Design Challenge 2018 war die Entwicklung eines innovativen Unterschall-Passagierflugzeugs mit einer Indienststellung (Entry-into-Service) ab 2045. Es sollte den Energieverbrauch im Vergleich zu einem Referenzflugzeug von 2005 um mindestens 60 Prozent reduzieren und idealerweise eine Reduktion von bis zu 80 Prozent erreichen. Der Energieverbrauch war dabei als gesamte, für die Mission benötigte Energie definiert, unabhängig von der Energiequelle. Als Referenz musste ein Flugzeug mindestens der Single-Aisle-Klasse wie der Airbus A320 oder der Boeing 737 dienen, dessen Leistungen zunächst zu bestimmen waren, um die Verbesserung bewerten zu können. Das neu entwickelte Konzept sollte mindestens die gleiche Missionsleistung wie das Referenzflugzeug erfüllen, insbesondere hinsichtlich Reichweite, Nutzlast, Reisegeschwindigkeit sowie Start- und Landeeigenschaften. Der Entwurf durfte auch konfigurative Lösungen beinhalten, die Änderungen an der Bodeninfrastruktur oder am Flugbetrieb erfordern, wobei deren Umsetzbarkeit, Kosten und Auswirkungen auf das Lufttransportsystem ebenfalls bewertet werden mussten. Zusätzlich waren Aspekte wie Kundenanforderungen, Entwicklungskosten und -risiken, Zertifizierbarkeit sowie Passagierakzeptanz in die Bewertung einzubeziehen, insbesondere bei unkonventionellen Konzepten. Annahmen über zukünftige Technologien mussten begründet und im Kontext des Entwicklungszeitraums realistisch eingeschätzt werden.
„Die Luftfahrt ist wie kaum eine andere Branche global, international und innovativ. Mit der DLR/NASA Design Challenge fördern zwei der bedeutendsten Luftfahrtforschungseinrichtungen der Welt den grenzüberschreitenden Austausch der Studierenden in den USA und Deutschland für frische Ideen zum Fliegen für Morgen“, sagt Mitglied des DLR-Vorstands für den Bereich Luftfahrt Prof. Rolf Henke.
Sieben Teams präsentierten im Jahr 2018 ihre Entwürfe
An der NASA/DLR Design Challenge 2018 nahmen auf deutscher Seite insgesamt 41 Studierende verteilt auf sieben Teams aus sechs Hochschulen teil. Auf amerikanischer Seite gab es ebenfalls eine zweistellige Anzahl teilnehmender Studierender verschiedener Hochschulen. Nach der Prämierung auf der deutschen Abschlussveranstaltung und Siegerehrung in Braunschweig reiste das Gewinnerteam der Technischen Universität München im Herbst 2018 zur US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtbehörde NASA in die USA. Dort präsentierten sie neben den amerikanischen Siegern ihre prämierte Arbeit in einem Symposium mit international anerkannten Luftfahrtforschern.
Die eingereichten Flugzeugentwürfe im Überblick
1. PLatz für die Technische Universität München „eRay“
Das Flugzeugkonzept „eRay“basiert auf einem vollständig integrierten turbo-elektrischen Antriebssystem mit mehreren elektrisch angetriebenen Fans entlang der Tragflächen sowie einem zusätzlichen Antrieb am hinteren Rumpf. Diese verteilte Anordnung ermöglicht die Nutzung der Boundary Layer Ingestion (BLI), wodurch der Luftwiderstand reduziert und die Antriebseffizienz gesteigert wird, was zugleich kleinere Steuerflächen erlaubt. Zusätzlich werden Laminarhaltung/ laminare Strömungskontrolle zur Verbesserung der Aerodynamik und leichte strukturelle Bauweisen eingesetzt, um die Gesamtmasse zu verringern. Der elektrische Antrieb wird durch Turbinen und Generatoren sowie Batteriesysteme zur Energiespeicherung und Lastverteilung unterstützt. Das optimierte Konzept zeigt deutliche Verbesserungen in Masse, aerodynamischer Güte und Antriebseffizienz, was zu einer erheblichen Reduktion des Energieverbrauchs führt. Ergänzend tragen ein innovatives Kabinenkonzept und aktive Turbulenzminderung zur Gewichtsreduktion und Effizienzsteigerung bei. Insgesamt zeigen technische, operative und wirtschaftliche Analysen, dass das Konzept die Anforderungen zukünftiger effizienter Verkehrsflugzeuge erfüllen kann.
Team der TU München
Von links: Alexander Frühbeis, Isa Held, Artur Usbek, Patrick Sieb und Prof. Rolf Henke (Mitglied des DLR-Vorstands für den Bereich Luftfahrt)
2. Platz für die Universität Stuttgart mit „Polaris“
Das Flugzeugkonzept „Polaris“ des zweitplatzierten Teams der Universität Stuttgart
Credit:
Universität Stuttgart
Der Polaris-Flugzeugentwurf zeichnet sich durch die neuartige Integration eines turboelektrischen Antriebssystems mit flüssigem Wasserstoff als Treibstoff aus. Die Verwendung von gegenläufigen Propellern am Heck erhöht die Antriebseffizienz deutlich, ohne den Geräuschpegel zu steigern, während vorwärts geneigte Flügel den aerodynamischen Widerstand verringern. Das System kombiniert einen supraleitenden Elektromotor mit einem optimierten Gasturbinenzyklus, wobei der flüssige Wasserstoff sowohl als Treibstoff als auch zur Kühlung zwischen den Verdichterstufen dient und die Supraleitung der elektrischen Komponenten ermöglicht. Dadurch wird eine hohe Gesamteffizienz und Synergie im Antriebssystem erreicht. Ergänzt wird der Antrieb durch ein multifunktionales Rumpfkonzept, das den Treibstoff aufnehmen, das Gewicht des Rumpfes reduzieren und die Sicherheitsreserven bei Brand und Crash erhöhen soll. Teil dieses Konzepts ist eine Gondelstruktur, die den Rumpf in eine primäre, drucktragende Struktur und eine sekundäre, nicht druckbeaufschlagte Struktur für die LH2-Tanks trennt. Insgesamt integriert das Design aerodynamische Optimierungen, effiziente Energieumwandlung und innovative Rumpfarchitektur zu einem zukunftsweisenden Flugzeugkonzept.
Team der Universität Stuttgart
Von links: Philipp Weber, Jonas Karger, Tobias Dietl, Alexander Zakrzewski, Prof. Rolf Henke (Mitglied des DLR-Vorstands für den Bereich Luftfahrt).
3. Platz für die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen mit „AirBox One“
Das Flugzeugkonzept „AirBox One“ des drittplatzierten Teams der RWTH Aachen
Credit:
RWTH Aachen
Das drittplatzierte Konzept des Teams der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen fällt besonders durch die markante Flügelform auf, der das Flugzeug auch seinen Namen „AirBox One“ verdankt. Daneben gehört zum innovativen Ansatz besonders das externe Booster-Modul, welches für Start und Steigflug am Rumpf befestigt wird und beispielsweise autonom landen kann. Hierdurch kann das Flugzeug im Reiseflug deutlich effizienter betrieben werden und erreicht somit hervorragende Werte hinsichtlich Energieverbrauch und Emissionen.
Team der Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
Von links: Miguel Yael Pereda Albarrán (Konzept-Betreuer), Hendrik Fuest, Marc-Antoine Le Gars, Thomas Lürkens, Philipp Podzus, Joel Rösick und Prof. Rolf Henke (Mitglied des DLR-Vorstands für den Bereich Luftfahrt).
Erfolgreicher Beitrag: Fachhochschule Aachen mit „Horizon “
FH Aachen – „Horizon “
Credit:
FH Aachen/Horizon
Das „Horizon“ Flugzeug verfügt über einen Double-Bubble-Rumpf mit zwei ultra-high bypass ratio Hybrid-elektrischen Antrieben. Ein aktiver aeroelastischer Flügel mit hoher Streckung reduziert den Luftwiderstand des Flugzeugs. Die Canard-Flügel sind einziehbar und werden nur bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten verwendet. Teile des Flügels, des Rumpfs und des Seitenleitwerks sind mit einer aktiven Laminarerhaltung ausgestattet.
Team: Nils Böhnisch, René Maasmeier, René Rings, Jakob Roth und Christian Szepanski.
Erfolgreicher Beitrag: Technische Universität Berlin mit „H211“
TU Berlin – „H211“
Credit:
TU Berlin/H211
Die „H211“ ist ein Blended-Wing-Body-Flugzeug, das mit flüssigem Wasserstoff betrieben wird. Der mittlere Flügelbereich wird durch den Einbau mehrerer Kabinenrohre und zylindrischer Wasserstofftanks effizient genutzt. Die Kombination aus Turbo-Propeller-Triebwerken mit hohem Bypass-Verhältnis und deren Anordnung über dem Flügel reduziert die Lärmemissionen.
Team: Ramon Beck, Juri Bieler, Simon Borsutzki, Yannic Cabac, Jiri Dehmel, Raman Khosravi, Arthur Klünder, Lennart Kracke, Jorge Lopez, Stephanie Roscher und Pascal Rüthnik.
Erfolgreicher Beitrag: Technische Universität Dresden mit „RosE“
TU Dresden – „RosE“
Credit:
TU Dresden/RosE
Das herausragende Merkmal des „RosE“ Entwurfs ist die blended box wing Flügelkonstruktion mit integrierten Mantelstromtriebwerke. Der untere, dickere Flügel bietet viel Platz für die Flüssigwasserstofftanks und Brennstoffzellen, während der obere Flügel die Stabilität erhöht. Die über dem Flügel angebrachten elektrischen Mantelstromfans verbessern die aerodynamische Effizienz. Das V-Leitwerk dient der weiteren Verringerung des Luftwiderstands.
Team: Martin Trapp, Antonia Rahn, Viktor Dingelmaier, Lion Sano, Tim Klotsche, Agnieszka Jastrzebska und David Adamik.
Erfolgreicher Beitrag: Technische Universität München „Cloudrider“
TU München – „Cloudrider“
Credit:
TU München – Cloudrider
Das aerodynamische Design des „Cloudrider“-Konzepts verfügt über drei Tragflächen mit einem vielversprechenden Potenzial zur Reduzierung der umströmten Oberfläche. Um die aerodynamische Effizienz zu maximieren, kommen Flügel mit hoher Streckung zum Einsatz, die mit hybrider Laminarhaltung ausgestattet sind. Das Hybridantriebssystem besteht aus zwei Turbofans am hinteren Rumpf, die entweder mit Flüssigerdgas oder Kerosin betrieben werden, sowie vier elektrischen Mantelstromfans in der Flügelwurzel.
