Model-based Optimization, Control and Assessment of Electric Aircraft Taxi Systems

Kurzfassung

Der Bodenbetrieb der Flugzeuge ist der Hauptverursacher von Emissionen in Flughafengebieten. Hierzu tragen insbesondere die Rollbewegungen im Leerlaufschub bei, da die Triebwerke in diesem Arbeitspunkt eine niedrige Effizienz aufweisen. Mehrere Akteure haben unter Anderem den Einsatz elektrischer Fahrwerksantriebe vorgeschlagen, die ein triebwerkloses Rollen ermöglichen. Die Meisten dieser Konzepte sehen das Hilfstriebwerk als elektrischen Energieerzeuger vor. Da diese im benötigten Leistungsniveau deutlich effizienter arbeitet als die Haupttriebwerke, ist ein Vorteil bezüglich Treibstoffverbrauch und Emissionen in der Bodenphase zu erwarten. Nachteilig wirkt sich jedoch das Zusatzgewicht des elektrischen Fahrwerkssystems in den Flugphasen aus. Die Bilanz über die ganze Flugmission muss somit ermittelt werden. Bisher wurden solche Untersuchungen nur anhand gemittelter Parameter und vereinfachter Annahmen insbesondere bei der Betrachtung der Bodenphase durchgeführt, was eine zuverlässige Abschätzung der Einsparungen und deren Sensitivität auf systemparametrische und fahrdynamische Änderungen verhindert. Die vorliegende Arbeit stellt eine modellbasierte integrierte Methodik zur Bewertung elektrischer Fahrwerkssysteme in der frühen Entwurfsphase vor. Diese Methodik lässt sich zudem auf die Bewertung und Optimierung neuartiger Flugzeugsystemtechnologien verallgemeinern. Sie ermöglicht somit die Beantwortung zentraler Fragen bezüglich der Adoption neuer Technologien, den Vergleich unterschiedlicher Systemarchitekturen und die Ermittlung der zu erwartenden Vorteile unter Beachtung der spezifischen Flugzeug-, System- und Missionseigenschaften. Die wesentlichen Schritte der Methodik für die betrachteten Fahrwerkssysteme beinhalten die Feststellung qualitativer Anforderungen an die elektrischen Komponenten, die Erstellung parametrischer Flugzeug- und Antriebsmodelle, die dynamische Simulation ganzer Flugmissionen (Gate-to-Gate), und die Anwendung relevanter Metriken an die ausgewerteten Simulationsdaten zur ganzheitlichen Bewertung. Ein wesentlicher Beitrag zum Stand der Technik ist durch die Generierung optimaler Fahrprofile für eine vorgegebene, zu simulierende Rollstrecke anhand eines konvexen Optimierungsverfahrens gegeben. Dank dieses Verfahrens kann die wirtschaftlichste Fahrweise für jede betrachtete Systemvariante mit geringem Rechenaufwand berechnet und als Fahrvorgabe bei der jeweiligen dynamischen Rollsimulation verwendet werden, was einen fundierten Vergleich der Vorteile unterschiedlicher Systeme unter jeweils besten Betriebsbedingungen ermöglicht. Die Anwendung der vorgestellten Methodik hat folgende Erkenntnisse zum Thema „elektrische Fahrwerksantriebe“ geliefert: - Ist die Reduktion des Systemgewichts mit einer Verschlechterung der Systemeigenschaften (Leistung, Drehmoment) verbunden, kann die Gesamteffizienz der Bodenphase überproportional sinken. In der Folge muss die Gewichtsreduktion nicht zwingend eine weitere Senkung des Treibstoffverbrauchs auf Missionsebene hervorrufen. - Das physikalische (z.B. thermische) Systemverhalten ist entscheidend für die Ermittlung des erwarteten Vorteils. Die optimale Systemarchitektur hängt stark von der Mission ab. Dies muss in frühen Entwurfsphasen berücksichtigt werden. - Der gesamte wirtschaftliche Vorteil durch die Benutzung elektrischer Fahrwerksantriebe kann deutlicher ausfallen, wenn weitere Aspekte zusätzlich zur Treibstoffersparnis berücksichtigt werden. Das Interesse der Akteure an elektrischen Fahrwerkssystemen kann primär wirtschaftlich sein.