Bemannte Flugzeugprojekte

Projektinhalt

Ziel des EU finanzierten Projekts HyPoTraDe ist die Entwicklung und Bodenerprobung einer modularen 500-kW-Hybrid-Elektroantriebsarchitektur bestehend aus Brennstoffzellen und Batterien entwickeln. Diese umfasst zudem ein kryogenfähiges Kühlsystem für Luftfahrtantriebssysteme. Die Bodenversuche dienen der schnellen Charakterisierung der optimalen Systemarchitektur, der Validierung von Maßnahmen zur Minderung von Ausfallrisiken, der Demonstration komplexer Betriebsbedingunen und der Bewertung der Ausfallsicherheit des modularen Antriebsstrangs. Darüber hinaus wird das System durch einen digitalen Zwilling ergänzt, der anhand der Ergebnisse der Bodenversuche validiert wird.

Beitrag des IFB

Das IFB befasst sich hauptsächlich mit Architekturstudien des Antreibsstrangs. Dabei werden verschiedene Kombinationen der wichtigsten Antriebskomponenten unter Berücksichtigung möglicher Ausfallszenarien untersucht. Ziel ist es, eine optimale Antriebsarchitektur für ein zukünftiges wasserstoffelektrisches 19-Sitzer-Flugzeug zu finden. Darüber hinaus unterstützt das Institut die Erstellung und Validierung des digitalen Zwillings.

Projektpartner

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Finanzierung

Europäische Kommission (Horizon Europe, JU Clean Aviation), Grant Agreement ID: 101101998

Laufzeit

Januar 2023 – Dezember 2025

Kontakt

Andreas Bender, M.Sc.

Acknowledgement

The project HyPoTraDe (GA ID: 101101998) is supported by the Clean Aviation Joint Undertaking and its members.

Ziel des Vorhabens

Konzeption, Entwicklung und Funktionsnachweis eines neuartigen, strukturintegrierten Skin Heat Exchanger Konzepts basierend auf einer Faserverbund-Faltwaben-Sandwichstruktur

Projektbeschreibung

Flugzeuge mit modernen elektrifizierten Antriebssystemen, insbesondere Brennstoffzellen, erzeugen einen großen Wärmestrom von nicht nutzbarer Wärme („low quality heat“, d. h. mit geringer Temperaturdifferenz), was einen stark erhöhten Kühlbedarf zur Folge hat. Dieser führt, unter Verwendung von konventionellen Kühlsystemen, zu proportional gesteigerten Kühlwiderständen, die die Einsetzbarkeit solcher Antriebsstränge bisher stark einschränkt.

In diesem Projekt soll daher ein strukturintegrierter Skin Heat Exchanger entwickelt werden. Dieser besteht aus einer Faserverbund-Sandwichstruktur mit einem gefalteten Kern. Aufgrund ihrer Fertigung durch einen kontinuierlichen Faltprozess bilden diese eine offene Kernstruktur aus, die auf der gesamten Elementgröße zum Kühlmitteltransport verwendet werden kann. Die strukturelle Integrität bleibt dabei durch die mechanischen Eigenschaften der Sandwichstruktur sichergestellt.

• Das Vorhaben wird dabei verschiedene Aspekte dieses neuartigen Konzepts untersuchen, um einen Grundstein für zukünftige Forschungen zu liefern. Wichtige Arbeitsschritte dabei sind:
• Untersuchung der Durchströmung der Faltkernstruktur für einen optimalen Kühlmittelfluss und Wärmeübertragung in die Deckschichten
• Modifikation der Fasern und der Matrix um eine hohe Wärmeleitfähigkeit der Deckschichten zu erreichen
• Numerische Untersuchung der Wärmeübertragung, Anpassung/Neuentwicklung bestehende Methoden und Verifizierung durch Laborversuche
• Integration des Skin Heat Exchangers in den Gesamtflugzeugentwurf und Betrachtung der Skalierbarkeit
• Bau eines Prototyps für Flugversuche mit dem universitätseigenen Forschungsflugzeug e-Genius zum Nachweis der Funktionsfähigkeit, aufgrund des Projektrahmens zunächst jedoch nur an einem nichttragenden Bauteil, wodurch nicht das volle Potential ausgeschöpft werden kann

Projektpartner

• Institut für Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt (ITLR), Universität Stuttgart
• Institut für Flugzeugbau (IFB), Universität Stuttgart

Finanzierung

Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (Luftfahrtforschungsprogramm LuFo VI-3)

Laufzeit

Oktober 2023 – September 2026

Kontakt

Alexander Albrecht, M.Sc.
Andreas Bender, M.Sc.
Dominik Eisenhut, M.Sc.
Jakob Gugliuzza, M.Sc.
Simon Thissen, M.Sc.

Projektinhalt

Ziel des Projekts SiFlA ist die Reduktion der Lärmbelastung und die Erhöhung der Sicherheit in der Allgemeinen Luftfahrt durch die Kombination eines leisen batterieelektrischen Antriebs und automatisierter Flugbahnführung. Dies soll beispielhaft am Segelflugzeugschlepp (F-Schlepp) gezeigt werden. Die Bahnplanung soll unter Berücksichtigung äußerer Einflüsse z.B. Wind und Flugverkehr erfolgen. Das Vorgehen umfasst die Auslegung eines standardisierten, modularen Wechselakkussystems hoher Kapazität, nebst Ladetechnik. Für die Flugführung wird eine 3D-Flugbahnplanung erforscht, die Sensordaten unter Berücksichtigung der Flugmission und Umgebungsbedingungen auswertet und in Steuerungsbefehle an die Aktuatorik zu automatisiertem Flug umsetzt. Eine Mensch-Maschine-Schnittstelle soll der Besatzung die Flugbahn sowie sicherheitsrelevante Verkehrsdaten anzeigen. Die Teilfunktionalitäten und das Gesamtkonzept werden durch Flugversuche und Messungen, z.B. Lärmmessungen evaluiert.

Beitrag des IFB

Der Hauptbeitrag des IFB ist die Bereitstellung des Erprobungsflugzeugs für das neuartige Akkusystem und die automatisierte Bahnplanung, sowie die Unterstützung bei der Erarbeitung der Anforderungen an das Batteriesystem. Um den hohen Leistungsanforderungen beim F-Schlepp gerecht zu werden, wird der e-Genius mit einem neuen, leistungsstärkeren Antriebssystem sowie einem Autopiloten ausgestattet. Die abschließenden Flugversuche und Lärmmessungen werden ebenfalls hauptsächlich vom IFB durchgeführt.

Projektpartner

• Institut für Flugmechanik und Flugregelung, Universität Stuttgart
• Air Energy Entwicklungsgesellschaft mbH & Co. KG
• Garrecht Avionik GmbH

Finanzierung

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (Luftfahrtforschungsprogramm VI-1)

Laufzeit

Juni 2021 – November 2024

Kontakt

Stefan Zistler, M.Sc.
Andreas Bender, M.Sc.

Projektinhalt

Im Rahmen von HeRKoLus werden mögliche Hybridisierungsvarianten für das Luftschiff Zeppelin NT N07 betrachtet, die das bisherige Antriebsystem ersetzen sollen. Dabei wird insbesondere auch die Verwendung elektrischer Antriebe untersucht. Es werden verschiedene Antriebsarchitekturen aufgestellt und diese hinsichtlich Kriterien wie Betriebskosten, Treibstoffverbrauch und der Zulassbarkeit verglichen. Die am besten geeignete Variante wird identifiziert und anschließend detailliert ausgearbeitet um ein komplettes System zu erhalten, das in einem zukünftigen Projekt im Luftschiff installiert und zugelassen werden soll.

Beitrag des IFB

Das IFB hat die Hauptverantwortung über den hybrid-elektrischen Antriebsstrang. Dies umfasst die Recherche geeigneter Technologien mit hohem TRL und hoher Verfügbarkeit, sowie die Zusammenstellung der für die Komponenten und Antriebe zu erfüllenden Vorschriften, Richtlinien und Normen. Weiterhin werden die in Frage kommenden Architekturen und Energieträger am IFB erdacht, definiert und erstellt. Die Dimensionierung der Antriebsstränge auf die Leistungsdaten des Referenzluftschiffs ist ebenso Aufgabe des IFB wie die Beschaffung aller relevanter Kostendaten zu den Komponenten der hybriden Antriebsstränge.

Projektpartner

ZLT Zeppelin Luftschifftechnik GmbH & Co. KG

Finanzierung

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (Luftfahrtforschungsprogramm VI-1)

Laufzeit

Oktober 2020 – März 2023

Kontakt

Dipl.-Ing. Jonas Lay
Andreas Bender, M.Sc.

Projektinhalt

Inhalt von „RS Hybrid 1.0“ ist die Entwicklung eines optimierten Hybridantriebssystems für die von Stemme-RS entwickelte Luftarbeitsplattform SK202, die sowohl als unbemanntes als auch optional bemanntes Fluggerät eingesetzt werden kann. Die erste Antriebseinheit soll aus einem Diesel-Elektro-Hybridantrieb und die zweite Antriebseinheit aus einem Wasserstoffbrennstoffzelle-Batterie-Hybridantrieb bestehen.

Restrukturierung:
Nach Ausscheiden eines Partners und dem damit verbundenen Wegfall der Arbeitsplattform konnte im Projekt die Verwendung des zu entwickelnden Antriebssystems auf alle mehrmotorigen Antriebe für Flugzeuge der 2 t-Klasse erweitert werden.

Somit wird die Architektur des Antriebssystems modular und generisch aufgebaut und ermöglicht es eine Vielzahl von bestehenden als auch zukünftigen Luftfahrzeugen mit überschaubarem Aufwand mit einem effizienten, leistungsstarken und emissionsarmen hybriden Antriebssystem auszustatten. Neues Ziel des Verbundvorhabens ist ein Demonstrator für einen hybridelektrischen Antrieb für die Erprobung und zur späteren Integration in einen fliegenden Serien-Prototyp unter CS-23.

Beitrag des IFB

Vor der Restrukturierung hatte das IFB die Hauptverantwortung für die Flugleistungsanalyse, die Auslegung des Hybridsystems, dessen Leistungs-, System- und Steuerungsarchitektur. Ebenfalls wurden Integrationsaspekte für alle Antriebssysteme bearbeitet und die Batteriespeicher ausgelegt.

Nach der Restrukturierung wurde der Fokus am IFB auf die Steuerung und das Zusammenspiel der einzelnen Antriebskomponenten gelegt. Ein Schwerpunkt für die Entwicklung des mehrmotorigen Konzepts ist die Sicherheits- und Redundanzstrategie. Neben der Softwareentwicklung wurden für den Demonstratorteststand konkrete Untersysteme ausgelegt, beschafft und integriert. Es wurde ein flugtauglicher Batteriespeicher auf Li-Ionen-Basis eigens entwickelt und zweimal gebaut. Ebenfalls wird die Inbetriebnahme und Betreuung der Prüfstandversuche vom IFB in Kooperation mit allen Partnern durchgeführt.

Projektpartner

• Reiner Stemme Utility Air Systems GmbH
• Steinbeis Flugzeug- und Leichtbau GmbH
• APUS Aeronautical Engineering GmbH
• Siemens eAircraft / Rolls-Royce Electrical (ass. Partner)
• Continental Aerospace Technologies GmbH (ass. Partner)

Finanzierung

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (Luftfahrtforschungsprogramm V-2)

Laufzeit

Januar 2016 – Oktober 2021

Kontakt

Dipl.-Ing. Jonas Lay
Andreas Bender, M.Sc.