Elektroflug aus Aachen

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.

Von Aachen nach Berlin – schneller und effizienter als das Automobil!

„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. 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.

Forschungsträger

Schaffung einer Forschungsplattform für weitere Untersuchungen innovativer Energieträger

Reichweite > 650 km

Hiermit ist ein sinnvoller Aktionsradius gegeben sowie zusätzliche Sicherheit in Bezug auf unser Missionsprofil Aachen-Berlin.

Startstrecke < 500m

Die Startstrecke ist begrenzt durch unseren Heimatflugplatz Aachen-Merzbrück.

Elektrifizierung des Antriebsstrangs

Integration von Flächenendantrieben

Reisegeschwindigkeit 155 km/h

Die Reisegeschwindigkeit ist auf hohe Effizienz optimiert.

Forschung an zukünftigen Fragestellungen

Lärm, Synthetic Fuel, Rekuperation, Brennstoffzelle, Betriebsstrategien…

Struktur
Aerodynamik
Konstruktion
Antriebssystem
Range Extender (REX)

Lastrechnung & Strukturauslegung

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 Lastenrechner 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.

Rumpfauslegung

In der Strukturauslegung wird die Belegung der Hauptstruktur (Flügel, Leitwerk und Rumpf) anhand der angreifenden Kräfte bestimmt.

Lastrechnung

Berechnung aller am Flugzeug angreifenden Kräfte.

Flügelauslegung

Dimensionierende Lasten des Flügels sind unter anderem Böen und Abfangmanöver.

Projektarbeit zur Auslegung eines Motorträgers für die FVA 30

Wie verbindet man am geschicktesten den Fortschritt des eigenen Studiums mit der FVA und bringt dabei ein Projekt noch möglichst fundiert und nachhaltig weiter?

Flügellastvergleich mit dem e-Genius II

Im letzten Beitrag wurde ein erster Lastvergleich zwischen den Flügeln von FVA-30 und e-Genius durchgeführt.

Finalisierung der Weight & Balance

Wie schon länger geplant, konnte nun die Erstellung einer finalen Weight & Balance abgeschlossen werden.

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Flugmechanik & Flugleistung

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. 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.

Stabilität & Steuerbarkeit

Auslegung der aerodynamischen Flächen anhand flugmechanischer Bewertung inklusive Untersuchung der Propeller-Leitwerk Interaktion.

Flugleistungssimulation

Simulationsumgebung mit drei Freiheitsgraden, Modellierung und Kennfelder für Antriebsstrang, Batteriespeicher und Propeller.

Propellerauslegung

Auslegung der Propellergeometrie, die allen Schubanforderungen bei gleichzeitiger Minimierung der benötigten Leistung und des emittierten Lärms genügt.

Propeller-Leitwerks-Interaktion

Nach der vollständigen Dimensionierung und Auslegung des V-Leitwerks der FVA-30 wurde ein wichtiger Effekt, der das Leitwerk betrifft, im letzten Semester noch einmal genauer untersucht: Die Interaktion des Propellernachlaufs mit den umströmten Steuerflächen am Leitwerk und der daraus resultierenden Ruderwirksamkeit beeinflusst sowohl im zweimotorigen Betrieb, als auch im einmotorigen Betrieb (One-Engine-Inoperative, einseitiger Antriebsausfall) maßgeblich die Nachweisführung der Längs- und Seitenstabilität und betrifft somit auch die Auslegung des Leitwerks.

Erweiterung des Flugleistungsrechners

Die gesamte Antriebsauslegung hängt wesentlich von den sich aus dem geplanten Flugprofil resultierenden Leistungsanforderungen ab.

Finalisierung der Weight & Balance

Wie schon länger geplant, konnte nun die Erstellung einer finalen Weight & Balance abgeschlossen werden.

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Konstruktion & Steuerung

Die Aufgabe des Teams Konstruktion ist es die Bauteile und Komponenten des Prototyps zu konstruieren. Ziel ist es dabei nicht nur Bauteile in CAD zu Zeichen, sondern insbesondere den kreativen Konstruktionsprozess zu durchlaufen, um ein Bauteil zu entwickeln, welches in seinen Eigenschaften den gestellten Anforderungen entspricht. Für die Bewältigung dieser Aufgabe kommt es insbesondere auf die interdisziplinäre Zusammenarbeit mit den anderen Teams und eine anwendungsorientierte Lösung der Probleme an. Um den kreativen Prozess zu vereinfachen, organisieren wir als Projekt Workshops oder Vorträge, in welchen die Herangehensweise an diese Themen besprochen und erarbeitet wird. Ein Beispiel für einen Workshop ist der Strukturworkshop, in dem zusammen mit dem Strukturteam die lastgerechte Konstruktion besprochen wurde.

Testbatterie

Erste Batterie Konstruktion für Tests.

Spornrad

Erste Konstruktion des Spornrades.

Steuerungsskizze

Erste Prinzipskizze der Steuerung.

Projektarbeit zur Auslegung eines Motorträgers für die FVA 30

Wie verbindet man am geschicktesten den Fortschritt des eigenen Studiums mit der FVA und bringt dabei ein Projekt noch möglichst fundiert und nachhaltig weiter?

Konstruktion und Steuerung des Spornrads

Aufgrund der Fahrwerksanordnung der FVA 30 ist ein Spornrad erforderlich.

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Elektrischer Antriebsstrang

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. Unsere redundante Hochleistungsbatterie mit innovativem Thermomanagement versorgt das System zuverlässig mit der benötigten Energie. Eine robuste Signalführung verbindet die einzelnen Komponenten und ermöglicht eine präzise Überwachung des Systemzustands zu jedem Zeitpunkt.

Batterieauslegung

Geringes Gewicht, maximale Energiedichte

Bedienkonzept

Kommunikation zwischen Pilot und Flugzeug

Zertifizierung

Rigorose Tests garantieren maximale Zuverlässigkeit

Erweiterung des Flugleistungsrechners

Die gesamte Antriebsauslegung hängt wesentlich von den sich aus dem geplanten Flugprofil resultierenden Leistungsanforderungen ab.

Steuergerät und HMI

Die Systemarchitektur der FVA-30 ist eine kontinuierliche Entwicklung, die getrieben ist von den Anforderungen der verschiedenen Komponenten des Flugzeugs.

Motorprüfläufe: Zulassungsnormen und Testauslegung

Zur Vorbereitung der Motorläufe für den verwendeten EMRAX 228 HV haben wir uns an den Zulassungsvorschriften der JAR 22 (Abschnitt H Unterabschnitt Prüfstandläufe) orientiert und anschließend dem LBA einen Vorschlag für unser Vorgehen bei den Motorläufen gemacht.

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Range Extender (REX)

Um die projektierte Reichweite bei möglichst geringen CO2 Emissionen zu erreichen entwickeln wir ein bivalentes Range Extender System, das auf Erdgas als Haupttreibstoff setzt und mit Benzin ergänzt wird. Von dem Drucksystem bis zum Range Extender selbst muss alles spezifisch auf unser Flugzeug zugeschnitten werden, was uns eine große Bandbreite an Aufgaben bietet. Der Hauptfokus liegt hierbei auf der Entwicklung des Drucksystems, um unseren Wankel-Verbrennungsmotor mit Methangas zu versorgen. Die Verwendung von gasförmigen Treibstoffen ist in der Luftfahrt bisher nicht üblich. Daraus ergeben sich einige Herausforderungen bei der Entwicklung und Zulassung. Daneben muss für Abgasabführung und Kühlung des Motors sowie der elektrischen Komponenten gesorgt werden, das alles in einem stark beschränkten Bauraum, was kreative Lösungen erfordert.

Drucksystem Konzeption

Konzeptentwurf für ein Drucksystem in Flugzeugen

Drucksytem Integration

Integration der Komponenten in die FVA 30

Range Extender Systemauslegung

Auslegung des Hochdrucksystems

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Hydrogen Summit

Die Idaflieg war 2023 wieder auf der Aero mit zahlreichen Forschungsprojekten der Akafliegs vertreten.

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Projektleitung

Valentin Storre

Bettina Budweg Duarte

Was wir dir bieten

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".