Untersuchung einer Regionalflugzeugkonfiguration mit verteilten Antrieben und flügel-integrierten Batterien

Kurzfassung

Flugzeuge mit elektrischer Antriebsarchitektur werden als vielversprechende Kandidaten erachtet, um das Ziel eines emissionsfreien Flugzeugs voranzutreiben. Das Konzept der verteilten Antriebe erfährt dabei eine zunehmende Aufmerksamkeit. Das DLR hatte die Effekte von über der Spannweite verteilte elektrische Propellerantriebe auf die Disziplinen Aerodynamik, Strukturmechanik, Lasten und Flugmechanik im LuFo-Projekt SynergIE (Synergetic integration of distributed hybrid-electric propulsions) für ein Regionalflugzeug mit etwa 70 Passagiere untersucht. Das vorliegende Konzept basiert auf der Nutzung von Kerosin als Energieträger. Die Umwandlung der Energie in elektrische Energie für die verteilten elektrischen Antriebe erfolgt durch zwei auf dem Rumpf montierten Turbinen. Im Rahmen dieser Arbeit wird auf Basis der bestehenden Konfiguration eine fiktive vollelektrische SynergIE-Konfiguration erstellt. Die Realisierung der fiktiven vollelektrischen SynergIE-Konfiguration bedingt eine Neuverteilung der Massen. Dabei werden die Massen des Treibstoffs und der beiden am Rumpf montierten Triebwerke für die Integration der Batteriemasse freigegeben, während die Nutzlast zur Erreichung der notwendigen Batteriemasse reduziert wird. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt eine Analyse des Einflusses der in den Flügel integrierten Batterien auf die Lasten, die Dimensionierung des Flügels sowie das aeroelastische Verhalten. Letzteres ist insbesondere von Bedeutung, da die Kombination von verteilten Antriebseinheiten und Batterien neue strukturdynamische Eigenschaften im Vergleich zu konventionellen Flugzeugen erwarten lässt. Unter aeroelastischen Eigenschaften werden die Belastungen der flexiblen Struktur, die Steuerflächeneffizienz und das Flatterverhalten verstanden. Es werden mehrere Integrationskonzepte der Batterien untersucht. Um die Abschätzung des Strukturgewichts zu verbessern, wird das physikalisch basierte aeroelastische Entwurfsverfahren cpacs-MONA angewendet. Die gleichmäßige Verteilung von Antrieben und Batterien entlang der Spannweite ermöglicht eine optimierte Ausnutzung der Trägheitsentlastung hinsichtlich der Lasten. Allerdings führt die Verteilung der Massen zu einer Verkomplizierung der strukturdynamischen Eigenschaften, was wiederum unkonventionelle Modenkopplungen für die Flatteranalyse zur Folge haben kann. Dies zu untersuchen ist Teil der Arbeit.