Auslegung von hybriden Antriebsarchitekturen im VTOL-Konzeptentwurf am Beispiel eines Rettungshubschraubers

Kurzfassung

In dieser Arbeit wird ein existierender Konzeptentwurf für einen zukünftigen Rettungshubschrauber mit anspruchsvollem Missionsprofil um einen hybridisierten Antriebsstrang erweitert, um Einflüsse dieser Technologie auf die Konfiguration zu untersuchen. Dazu werden zunächst zwei geeignete Hybridisierungen identifiziert: eine parallele und serielle Hybridisierung mit Batterien. Anhand einer Technologierecherche werden Technologiestände für die nötigen Komponenten für 2025, 2030 und 2035 gefunden. Darauf aufbauend wird eine Methode entwickelt, welche den bestehenden Entwurf auf die gefundenen Antriebsstränge anpasst. Dabei werden rechtliche Anforderungen sowie Designanforderungen berücksichtigt und Algorithmen entwickelt, um die elektrischen Komponenten zu skalieren. Die Umsetzung der Methode erfolgt als Modul in der DLR-Entwurfsumgebung IRIS. Eine umfassende Analyse zeigt, dass eine serielle Hybridisierung mit heutigem Technologiestand nicht möglich ist, jedoch bis 2035 genügend technische Reife für eine Umsetzung vorliegt. Dahingegen ist eine parallele Hybridisierung schon heute möglich und verbessert sich bis 2035 weiter. Alle Konfigurationen können durch die Hybridisierung zwischen 11% und 18% Kraftstoff einsparen, demgegenüber erhöht sich das maximale Abfluggewicht um 2% bis 16%. Zudem ergibt sich aufgrund der anspruchsvollen Auslegungsmission ein Bedarf an Ladeinfrastruktur für Zwischenladungen nach jedem Einsatz. Mittels Off-Design-Missionen kann gezeigt werden, dass durch eine Anpassung der Mission diese Zwischenladungen überflüssig gemacht werden können. Durch eine Parameteranalyse zeigt sich eine sensitive Kopplung zwischen dem Ladezustand der Batterie, der Triebwerksskalierung des verbleibenden thermischen Triebwerks, der Notwendigkeit externer Ladeinfrastruktur sowie der Massenzusammensetzung des Hubschraubers. Durch eine Kombination aller gefundenen Einflussfaktoren zugunsten der Hybridisierung, ergibt sich eine Konfiguration mit identischer maximaler Startmasse wie der Originalentwurf, bei 16% Kraftstoffeinsparungen auf Kosten einer Flugzeitverlängerung von 1,4 Minuten pro Einsatz.