Von Aachen nach Berlin
- Schneller und Effizienter als das Automobil
Die Elektromobilität zählt zu den größten Herausforderungen einer sektorübergreifenden Energiewende. Während das Elektroauto gerade kurz vor seinem großen Durchbruch steht, zeichnen sich auch bereits Entwicklungen zur Elektrifizierung der Luftfahrt ab. So sollen schon 2030 erste kommerzielle Flüge mit hybriden Flugzeugen angeboten werden. Ebenfalls im Fokus steht eine Veränderung unserer Mobilität. „Air-Taxis“ und kleine elektrische Regionalflugzeuge sollen dem wachsenden Mobilitätsbedarf entgegenkommen und z.B. den im Kontext der Urbanisierung zunehmenden innerstädtischen Verkehr klimafreundlich entlasten. Neben der Integration solcher neuartigen Konzepte in unsere bestehende Infrastruktur gibt es jedoch eine Reihe an technischen Hürden und offenen Fragen: Ist der Elektroflug tatsächlich eine energieeffiziente Alternative? Für welche Reichweiten lassen sich solche Systeme sinnvoll realisieren? Welche Vor- und Nachteile ergeben sich aus einem elektrischen Antrieb? Wie ist die Lärmbelastung?
Im Rahmen des Projekts FVA 30 gehen wir diesen Fragen nach und entwickeln hierzu ein Forschungsflugzeug, das ein vorgegebenes Missionsprofil mit maximaler Effizienz bei geringer Umweltbelastung erfüllen soll. Anders als beim Elektroauto wäre ein rein batterie-elektrischer Antrieb im Flugzeug aufgrund der noch zu geringen Energiedichte der Batterien jedoch stark eingeschränkt, sodass wir uns für ein hybrid-elektrisches Antriebskonzept entschieden haben. Dieses wird in einen zweisitzigen Motorsegler integriert, der mit seiner innovativen Konstruktion die Vorteile des Antriebskonzepts optimal ausnutzt und dabei neben einer sehr geringen Emission auch auf eine geringe Lärmbelastung ausgelegt ist. Zusätzlich soll die Tauglichkeit eines durch Erdgas gespeisten Range-Extenders untersucht werden.
Die Mission
„Von Aachen nach Berlin - schneller und effizienter als das Automobil“ — mit diesem ambitionierten Ziel wollen wir die Vorteile hybrider Flugsysteme unter Beweis stellen und zugleich an einem realistischen Szenario demonstrieren. Die Reisedauer soll sich dabei gegenüber dem Auto nahezu halbieren, und das bei geringeren Betriebskosten von unter 50 € pro Person. Neben der angestrebten Reichweite und hohen Effizienz stellt die stark begrenzte Startstrecke unseres Heimatflugplatzes Aachen Merzbrück eine weitere Herausforderung dar, sodass wir kurzzeitig sehr hohe Leistungen abrufen können müssen. Der Start soll dabei sowohl in Hybridkonfiguration als auch rein elektrisch erfolgen können, wobei sich beim reinen Batteriebetrieb eine begrenzte Flugdauer von 15 Minuten unter Volllast auf 1000 m Reiseflughöhe ergibt. Mit einer Gesamtreichweite von 650 km im Hybridbetrieb sind die meisten Ziele im Inland und benachbarten Ausland problemlos erreichbar. Weiterhin ist durch die Erfüllung aller relevanten Luftsicherheitsnormen eine hohe Systemzuverlässigkeit gegeben.
Das Konzept
Reichweite: 650 km
Hiermit ist ein sinnvoller Aktionsradius gegeben sowie zusätzliche Sicherheit in Bezug auf unser Missionsprofil Aachen-Berlin.Reisekosten: < 100 €
Die Reisekosten beinhalten Kosten für Methan, Strom und Abschreibung.Startstrecke: < 500 m
Die Startstrecke ist begrenzt durch unseren Heimatflugplatz Aachen-Merzbrück.Reisegeschwindigkeit: 150-200 km/h
Die Reisegeschwindigkeit ist auf hohe Effizienz optimiert.Sitzplätze: 2
Ein Pilot und ein Passagier sitzen nebeneinander.Lärm: < 60 dB-A in 200 m
Dies ist ungefähr so laut wie ein Auto im Stadtgebiet.
Technologie
Lastrechnung & Struktur
Zur Abschätzung der Lasten in unterschiedlichen Flugphasen wurde ein automatisiertes Lastberechnungstool entwickelt. Ziel ist ein Vergleich der zu erwartenden Lasten mit anderen Flugzeugen und Konfigurationen unter Variation aerodynamischer sowie flugmechanischer Parameter. Schon im Vorentwurf können hiermit strukturelle Belastungen in verschiedenen Flugphasen abgeschätzt und evaluiert werden. Zur Analyse verschiedener Manöver zu Boden und in der Luft wird ein eigens entwickelter Lastschlüssel genutzt, welcher die durch die Zulassung vorgeschriebenen Flugsituationen eindeutig beschreibt.Der Strukturentwurf stellt vor allem durch die unkonventionelle Leitwerkskonfiguration und Motorposition eine besondere Herausforderungen dar. Bei der Auswahl und Dimensionierung der Struktur muss außerdem die Schwerpunktlage des Flugzeugs und die Integration von Antriebsstrangkomponenten zu jeder Zeit berücksichtigt werden. Auf Basis der Erkenntnisse verschiedener studentischer Arbeiten und unter Berücksichtigung der erwarteten Kraftverteilung wird hierzu ein passendes Strukturkonzept ausgewählt und dimensioniert. Rumpfvorderteil und Flügel werden hierbei dem e-Genius Projekt entnommen.
Flugmechanik
Das V-Leitwerk, welches primär als aerodynamische Steuerfläche aber auch als Motorträger dient, wird anhand kritischer Auslegungsfälle zur Sicherstellung der flugmechanischen Stabilität und Steuerbarkeit dimensioniert. Dabei wird die Auslegung auf einen möglichst geringen Luftwiderstand optimiert und auf strukturelle Umsetzbarkeit geprüft. Eine automatisierte Leitwerksauslegung führt auf optimale Konfigurationen von Leitwerksfläche, Schwerpunkt, Neutralpunkt des Flügels, Leitwerkshebelarm, Auftriebsanstieg des Leitwerks (Streckung), Rudertiefen sowie maximalen Ausschlagwinkeln. Die Validierung der Leitwerksauslegung erfolgt mittels numerischer Simulation durch ein flugdynamisches Berechnungsprogramm.Propeller
Im Rahmen der Propellerauslegung liegt, neben der Effizienz, ein wichtiger Entwicklungsschwerpunkt auf Lärmreduktion. Hierzu wurde ein auf den betrachteten Propellerantrieb ausgerichtetes, numerisch berechnetes Modell zur Lärmvorhersage entwickelt, das sich u.a. am Aircraft Noise Prediction Program der NASA orientiert. Simulierte Druckwerte können hierbei für beliebige Beobachterpositionen überlagert und im Frequenzbereich ausgewertet werden. Unter Berücksichtigung der frequenzabhängigen Sensitivität des menschlichen Gehörs lassen sich hieraus Erkenntnisse über die Lärmbelastung ableiten und die Propeller entsprechend optimieren.Batterie
Die Batterie ist aus kommerziellen Lithium-Ionen Zellen aufgebaut. Um die hohen Leistungsanforderung während des rein elektrischen Starts erfüllen zu können, ist eine genaue Abwägung von Energie- und Leistungsdichte bei der Zellauswahl zu betrachten. Zusätzlich ist zu beachten, dass Wirkungsgrad und tatsächlich entnehmbare Kapazität u.a. stark vom gewählten Lastprofil abhängen. Im Rahmen des FVA-30 Projekts wurde hierzu ein neues Zellauswahl- und Vorauslegungsverfahren entwickelt, das auf Basis öffentlicher Datenbanken mit Herstellerdaten und Entladekennlinien automatisiert optimale Batteriepack-Konfigurationen für gegebene Lastprofile und Betriebsspannungsgrenzen ermittelt und dabei zu jedem Zeitpunkt Abschätzungen über den Batteriezustand (Strom, Spannung, Verlustleistung) ausgibt. Batteriezustände werden im Betrieb durch ein Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht, das mehrfach redundant aufgebaut und über einen CAN-Bus direkt an die zentrale Systemregelung angebunden ist. Eine Überhitzung der Batterie durch anfallende Verluste soll durch ein Gewichts- und Volumen-optimiertes Thermomanagement verhindert werden. Hierzu wird eine zugleich mechanisch stabilisierende Struktur mit einem Phasenwechselmaterial als Latentwärmespeicher entwickelt.Antriebsstrang & Systemarchitektur
Die Platzierung der Antriebsmotoren am V-Leitwerk erfordert sehr hohe Leistungsdichten um eine stabile Schwerpunktlage zu wahren. Hierzu werden luftfahrterprobte Hochleistungs-Synchronmotoren sowie verlustarme Hochleistungsumrichter auf IGBT-Basis verwendet. Neben der mechanischen Herausforderung der durch den langen Hebelarm beeinflussten Schwerpunktlage ist zudem eine effektive Kühlung der Komponenten sowie eine Eindämmung elektromagnetischer Emissionen zu gewährleisten.Die Systemarchitektur unterteilt sich in das Hochspannungsnetz des Antriebsstrangs sowie ein galvanisch getrenntes Bordnetz mit separater Energieversorgung. Die Antriebsregelung des Hybridsystems wird auf einen optimalen Betrieb des Range-Extenders ausgelegt, bei dem die Batterie im Startfall zusätzlichen Leistungsbedarf abdecken und Leistungsschwankungen während des Flugs ausgleichen soll. Ebenfalls soll Energie durch Rekuperation zurückgewonnen werden können. Eine robuste Signalführung verbindet die einzelnen Komponenten und ermöglicht eine präzise Überwachung des Systemzustands zu jedem Zeitpunkt.
Range-Extender
Der Range-Extender wird anhand des Leistungsbedarfs in der Flugphase dimensioniert und aufgrund der strengen Gewichts- und Volumenbegrenzung als Wankelmotor ausgelegt. Eine besondere Herausforderung stellt die Nutzung von Biogas als Alternativkraftstoff dar, für das ein entsprechendes Tank- und Versorgungssystem entwickelt wird. Weiterhin spielen Zuverlässigkeit, Wirkungsgrad, Kühlung, Abgasabführung und ggf. -nachbehandlung, Lärmreduktion sowie Positionierung im Flugzeug eine beutende Rolle in der Systemauslegung.Umsetzung
Das Team
Unser Team vereint Studierende unterschiedlicher Semester aus den Fachbereichen Maschinenbau, Luft- und Raumfahrttechnik, Elektrotechnik, Physik und Informatik. Unterstützt werden wir durch die gesamte FVA, verschiedene Institute der RWTH Aachen und unsere industriellen Projektpartner und Förderer.
Mach mit!
Du hast Interesse, bei diesem Projekt mitzuwirken? Wir benötigen immer gute Teammitglieder, die unser Projekt selbstständig und engagiert weiter voranbringen. Dabei spielt es keine Rolle, welches Studienfach du belegst oder in welchem Semster du bist - vielmehr suchen wir motivierte Leute, die Spaß an technisch anspruchsvollen Herausforderungen haben. Schreibe einfach eine Mail oder schau jeden Donnerstag um 21 Uhr im Hörsaal LU des Instituts für Luft- und Raumfahrttechnik (Wüllnerstraße 7) vorbei.Was bieten wir dir?
Wir geben dir einen Einblick in die komplette Flugzeugentwicklung - vom Rumpf bis zum hybrid-elektrischen Antriebssystem. Bei uns kannst du dein Theoriewissen fachübergreifend erweitern und gleich eigene Ideen praktisch umsetzen. Dafür bieten wir mit unserer großen Werkstatt und den uns unterstützenden Instituten alles was es braucht. Zusätzlich gibt es regelmäßig Workshops zur Weiterbildung mit anderen akademischen Flugvereinen (idaflieg), technischen Hochschulgruppen (TechAachen) sowie unseren Industriepartnern. Die FVA setzt sich jedoch nicht nur mit Entwicklung neuer Flugzeugkonzepte auseinander - natürlich wollen wir am Ende auch damit abheben können! Daher bieten wir Studenten für ihre Mitarbeit auch die Möglichkeit einen Flugschein zu machen - frei nach unserem Motto "Forschen - Bauen - Fliegen".
Aktuelle Ausschreibungen
Strukturauslegung und Bauvorbereitung Flugzeugrumpf
• Finalisierung der Rumpfauslegung• Vorbereitung der Formen für die Rumpfschale
• Bau primärer Strukturbauteile (in CFK-GFK Verbundbauweise)
Batteriemanagementsystem-Entwicklung (Hardware)
• Installation von Sicherheitskomponenten und Sensorik• Auslegung von Hardware-Schnittstellen an Batteriemodulen
• Praktische Elektrotechnik-Kenntnisse von Vorteil
Batteriesystem Testing & Zertifizierung
• Durchführung von Profil- und Belastungstests• Datenaufbereitung und -analyse
• Erfahrung mit Lithium-Ionen Batterien sowie Python/Matlab von Vorteil
Impressionen
