Aeroelastische Untersuchung eines Wasserstoff-Brennstoffzellen-Regionalflugzeuges mit verteilten Antrieben

Kurzfassung

Mit dem European Green Deal stellte die Europäische Kommission eine Wachstumsstrategie vor mit dem übergeordneten Ziel der Klimaneutralität der Europäischen Union ab 2050. Für den Transportsektor bedeutet dies eine Reduktion der Emissionen bis 2050 um 90% im Vergleich zum Jahr 1990. Da die Luftfahrtbranche etwa alle 15 Jahre eine Verdoppelung des Luftverkehrsaufkommens verzeichnet, muss die Luftfahrt ihren Beitrag für dieses Ziel leisten. Dabei müssen sowohl die CO2- als auch die Nicht-CO2-Effekte auf das Klima reduziert werden. Flugzeuge mit hybrid-elektrischer Antriebsarchitektur sind vielversprechende Kandidaten, um dem Ziel des emissionsfreien Fliegens deutlich näher zu kommen. In diesem Zusammenhang gewinnt das Konzept der Wasserstoff-Brennstoffzellen-Flugzeuge mit verteilten Antrieben zunehmend an Bedeutung. Im LuFo-6.3 Projekt ZEBRA (Zero Emssion Baseline and Refined Architecture) gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) hat sich das DLR zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen von über die Spannweite verteilten Brennstoffzellen-Propellerantrieben auf die Disziplinen Aerodynamik, Aeroelastik und Gesamtflugzeugdesign zu untersuchen. Der Fokus liegt auf einem Entwurf eines Regionalflugzeugs für 100 Passagiere mit Wasserstoff als Energieträger, Brennstoffzellen als Energiewandler und einer damit einhergehenden verteilten Antriebsarchitektur. In den Gondeln werden jeweils die Brennstoffzellen, Motoren, Wärmetauscher und weitere Systemkomponenten untergebracht. Der Wasserstoff wird bei diesem Konzept in zwei im hinteren Teil des Rumpfes platzierten Wasserstofftanks bereitgestellt. Die Untersuchung der Interferenzen auf die Flugzeugzelle insbesondere den Flügel in Bezug auf die obengenannten Disziplinen ist Bestandteil des Projektes. In Abbildung 1 sind zwei Konfigurationen mit unterschiedlicher Gondelanzahl schematisch dargestellt. Eine Research Baseline mit insgesamt 4 Gondeln wurde im Projekt bereits definiert, die der im Airbus Summit 2025 vorgestellten aktualisierten Wasserstoff-Konfiguration ähnelt. Die Konfiguration, die im Rahmen des Projekts ZEBRA untersucht wird, besitzt 6 oder 8 Gondeln, um die Auswirkungen einer größeren Verteilung von Antrieben und Systemen zu analysieren. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt im Wesentlichen in der Analyse des Einflusses der über den Flügel verteilten Gondeln auf die Lasten, Dimensionierung und Aeroelastik. Letzteres ist insofern von Bedeutung, als die im Vergleich zu rein elektrischen Antrieben und zu konventionellen Flugzeugen schwereren und verteilten Antriebssysteme neue strukturdynamische Eigenschaften erwarten lassen. Unter aeroelastischen Eigenschaften werden die Belastungen der elastischen Struktur, die Steuerflächenwirksamkeit und das Flatterverhalten verstanden. Es werden zwei Konfigurationen, die Research Baseline und die sogenannte Alternative Konfiguration, untersucht. Der am DLR Institut für Aeroelastik entwickelte physik-basierte aeroelastische Entwurfsprozess cpacs-MONA wird hierzu angewendet. Die Primärstruktur (Flügel und Leitwerk) wird aufgebaut, eine Lastanalyse mit Manöver- und Böen-Lastfällen durchgeführt und die Dimensionierung der tragenden Struktur komponentenweise vorgenommen. Verteilte Antriebe entlang der Spannweite versprechen eine bessere Ausnutzung der Trägheitsentlastung hinsichtlich der Lasten. Andererseits erhöhen die verteilten Massen der Antriebe die Komplexität der strukturdynamischen Eigenschaften. In der Folge kann dies möglicherweise zu noch unbekannten Modekopplungen im Rahmen der Ermittlung der Böenlasten und der Flatteranalyse führen.