Bewertung verteilter Propellerantriebe am Flügel aus der Perspektive des Gesamtflugzeugentwurfs

Abstract

Der gesellschaftliche Wunsch nach erschwinglicher und nachhaltiger Mobilität begründet die Forschung zur Effizienzsteigerung und Umweltverträglichkeit von Luftfahrzeugen. Ein aktueller Baustein dieser Forschung sind verteilte elektrische Antriebe, durch welche vorteilhafte Interaktionen zwischen dem Antriebssystem und der Flugzeugzelle ermöglicht werden. Es existieren verschiedene Konzepte von verteilten Antrieben, wobei die bisherigen Forschungsergebnisse teilweise widersprüchliche Aussagen zu ihren Potentialen liefern. Ein vielversprechendes Konzept mit verteilten Propellern entlang der Flügelvorderkante wird im Rahmen dieser Arbeit aus der Perspektive des Gesamtflugzeugentwurfs für verschiedene Missionsszenarien untersucht. Zu diesem Zweck wird ein integrierter Prozess aufgebaut, welcher automatisiert den Vorentwurf von Konfigurationen mit verteilten Propellern sowie die Durchführung von Parameterstudien ermöglicht. Die maßgeblichen aerodynamische Interaktionen zwischen den Propellern und der Tragfläche werden durch physikalische Modelle während eines Entwurfs unmittelbar berücksichtigt. Zur Realisierung von verteilten Antrieben werden turbo- elektrische Antriebsstränge eingesetzt. Als Referenzkonfigurationen dienen Turboprops mit einem vergleichbaren Technologieszenario. Im Verlauf der Arbeit wird der Entwurfsprozess einer Validierung unterzogen. In monodisziplinären Studien werden die wesentlichen aerodynamischen Effekte von verteilten Antrieben diskutiert. In multidisziplinären Studien werden die Einflüsse der Auslegungsparameter wie Propelleranzahl, Flächenbelastung und Leistungs- Gewichtsverhältnis unter Berücksichtigung von Schneeballeffekten quantifiziert. Anschließend werden Entwurfsraumuntersuchungen durch die simultane Variation der genannten Parameter durchgeführt. Hierbei werden die Regionalflugzeuge und die Kurz- und Mittelstreckenkonfigurationen in separaten Studien betrachtet. Die resultierenden Entwürfe werden hinsichtlich der Erfüllung der Missions- und Zulassungsanforderungen überprüft und die treibstoffeffizientesten Konfigurationen für die jeweilige Propelleranzahl werden verwendet, um die Effekte der Antriebsverteilung auf Gesamtflugzeugebene zu diskutieren. Anschließend werden die Ergebnisse beider Missionsszenarien zueinander in Beziehung gesetzt, um missionsübergreifende Aussagen zu tätigen. Die Ergebnisse dieser Arbeit bestätigen die Vorteile von sinnvoll ausgelegten verteilten Antrieben hinsichtlich des Treibstoffbedarfs im Bereich von bis zu 13% bei einem Vergleich zu zweimotorigen turbo- elektrischen Konfigurationen. Ausschlaggebend dafür sind eine vergrößerte Propellerfläche, eine reduzierte Flügelfläche sowie in Konsequenz ein verringerter Leistungsbedarf. Der Vergleich der effizientesten turbo- elektrischen Konfigurationen mit zweimotorigen Turboprop- Konfigurationen zeigt weiterhin, dass der Einsatz von verteilten Antrieben bei einem vergleichsweise optimistischen Technologienszenario die Nachteile eines turbo-elektrischen Antriebsstrangs wie zusätzliche Masse und Wandlungsverluste kompensieren kann. Das höchste Potential liegt dabei im Bereich von unter 3% und ist von der Flugzeugklasse sowie den Technologieannahmen abhängig.