Effizienzsteigerungen zukünftiger Flugzeuge: Verteilte Antriebe und

Effizienzsteigerungen zukünftiger Flugzeuge:
Verteilte Antriebe und „morphende“ Flächen
Enhancements in aircraft efficiencies:
Distributed propulsion and “morphing“ surfaces
Um die geplanten Verbesserungen der Flugzeugeffizienz zu erreichen,
ist neben der Weiterentwicklung einzelner Antriebsbausteine wie
Triebwerke oder Energiespeicher vor allem ihre intelligente Integration­
in die Flugzeugstruktur von zentraler Bedeutung. Als eine vielversprechende Idee betrachtet das Bauhaus Luftfahrt die Verteilung der
erzeugten Leistung, beispielsweise einer Gasturbine, auf zwei oder
sogar mehrere Antriebsluftschrauben. Dadurch steigt die Fläche dieser „Fans“ und somit die Vortriebseffizienz, obwohl Platzbedarf und
Gewicht sich nur moderat erhöhen.
Solche „verteilten“ Antriebsarchitekturen werden noch stärker in
den Fokus rücken, wenn sich die Elektrifizierung auch in der Luftfahrt
durchsetzt. Die sehr gut skalierbaren Elektromotoren könnten durch
flexible Kabel statt durch starre Antriebswellen angesteuert, und
­damit noch effektiver und strömungsgünstiger über die gesamte Flugzeugstruktur verteilt werden. Wenn man in die weite Zukunft blickt,
könnte dann die Verteilung der Schuberzeugung um den Rumpf herum
eine Lösung sein. Ein solches Konzept könnte zudem den Effekt der
Grenzschichteinsaugung optimal ausnutzen, was die Effizienz weiter
steigern würde.
Mit dem gleichen Ziel forscht das Bauhaus Luftfahrt auch an
­radikaler ausgeprägten Formen der äußeren Gestaltänderung von Flugzeugen, dem sogenannten „Morphing“. Dabei werden vollständige­
Komponenten der Flugzeugstruktur, wie Tragflügel, Leitwerke oder
Rumpf, mit einer veränderlichen Außengeometrie ausgestattet. Derartige Strukturen verleihen dem Luftfahrzeug eine optimale Anpassung
von Aerodynamik und Strukturverhalten an den jeweiligen Flugzustand. Dies ermöglicht signifikante Steigerungen der Flugleistung,
eine Ausweitung der Flugbereichsgrenzen oder eine Verbesserung der
Manövrierfähigkeit.
In order to realise the planned future improvements in aircraft efficiency, key propulsion components like engines or energy storage not
only have to be constantly improved in regard to their performance,
their intelligent integration into the overall airframe structure will also
become much more important. One promising idea proposed by academia and industry is to distribute the power of a single core engine
to two or even more fans. This would increase the propulsive efficiency
due to a larger total fan area while maintaining a moderate increase in
fan diameter and weight.
Such “distributed” propulsion architectures will gain even greater
momentum with the breakthrough of electromobility in the aviation
sector. Electric motors offer superb scalability and can be controlled
via flexible wiring harnesses instead of rigid driveshafts, allowing for
their intelligent placement and distribution all over the entire aircraft
structure. Looking far into the future, one further option may consider
distributing the thrust generation around the entire fuselage. This configuration could make optimum use of the effects of Boundary Layer
Ingestion which could improve efficiency even further.
In this aim, Bauhaus Luftfahrt also conducts research on a more
distinct form of aircraft shape change. The so-called “morphing” covers
complete assemblies of the airframe such as wing, tail or fuselage.
This can result in significant increases in aircraft performance, capabilities such as expansion of the flight envelope or an improvement
in the handling characteristics. Future aircraft thus have the potential
to be operated more effectively and efficiently according to changing operating scenarios such as increases in payload and range, or
improving aircraft operation at sub-optimal flight profiles due to air
traffic congestion.
„Morphende“ Flügelspitze: Hochflexible Anpassung der Gestalt an den Flugzustand
„Rumpf-Antrieb“: Verteilung der Schuberzeugung um den gesamten Rumpf herum
“Morphing“ wing tip: Flexible adjustment of the aircraft`s shape to different flight profiles
“Propulsive fuselage“: Distributing the thrust production around the entire fuselage
a3
3L
x2L
1L
α3
Φ3
U
2L
12
α2
Φ2
a2
11
x 1L
Bauhaus Luftfahrt e.V. / Lyonel-Feininger-Straße 28 / 80807 München / www.bauhaus - luftfahrt.net