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Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.
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Innovative Lösungsansätze
Innovative solutions
Parametrische Entwurfsstudien
für Flugzeugkonzepte mit
„Propulsive Fuselage“
Parametric design studies for
“propulsive fuselage” aircraft
concepts
Das Auflösen der klassischen funktionalen Trennung zwischen
Flug zeugstruktur und -antrieb, beispielsweise durch die verteilte
Erzeugung von Schub entlang wichtiger Komponenten der Flugzeugzelle,
stellt einen Schwerpunkt der Forschung am Bauhaus
Luftfahrt dar. Als eines der vielversprechendsten Konzepte hierfür
wird die Installation eines umlaufenden Schuberzeugers am hinteren
Ende des Flugzeugrumpfes gesehen, wie er erstmals im Jahrbuch
2011 skizziert wurde. Ein solcher „Propulsive Fuselage“, der
die rumpfnahe Grenzschicht einsaugt und beschleunigt, könnte
den Widerstand des Flugzeugrumpfes signifikant senken. Im Jahr
2013 hat das Bauhaus Luftfahrt erstmals konkrete Entwurfsstudien
für diese neue Antriebskonfiguration durchgeführt.
Jeder umströmte Flugzeugkörper verursacht, bedingt durch
Reibungs- und Formeffekte, einen Impulsverlust im Strömungsnachlauf.
Dieser muss, ähnlich wie der restliche Schubbedarf eines
Flugzeuges, durch eine Übergeschwindigkeit im Antriebsstrahl
kompensiert werden. Je geringer diese von den Triebwerken erzeugte
Übergeschwindigkeit ist, desto besser gestaltet sich die
Energieeffizienz des Flugzeugs. Die konkreten Analysen des Bauhaus
Luftfahrt haben nun bestätigt, dass der Propulsive Fuselage
durch die Auffüllung der rumpfnahen Grenzschicht sehr effizient
dazu beitragen kann, diese Übergeschwindigkeit zu reduzieren.
Die technische Umsetzung dieser Idee unterliegt jedoch geometrischen
Einschränkungen, etwa durch die notwendige Bodenfreiheit
beim Abheben. Um diese zu umgehen und gleichzeitig die notwendige
Antriebsredundanz sicherzustellen, schlagen die Wissenschaftler
vor, den Propulsive Fuselage zunächst ausschließlich >
Breaking with the classical separation of airframe and power plant
system is one of the key research areas at Bauhaus Luftfahrt. Synergies
could, for example, be expected from the distribution of
thrust production along the main components of the airframe. One
of the most promising concepts is seen in the concept of a shrouded
propulsor encircling the aft fuselage that was first described in
the 2011 yearbook. A so-called “propulsive fuselage” is aimed at
significantly reducing fuselage drag by ingesting and accelerating
the fuselage boundary layer. In 2013, Bauhaus Luftfahrt conducted
first concrete parametric design studies of this novel propulsion
configuration.
Every aircraft body immersed in a flow field develops a momentum
deficit in the wake flow, mainly emanating from skin friction
and form effects. This deficit needs to be compensated by an
equivalent excess momentum generated by the propulsion system
via an excess velocity. Reducing this velocity would significantly
increase the energetic efficiency of the aircraft. Analyses by Bauhaus
Luftfahrt have confirmed that the principles of boundary layer
ingestion and wake filling could effectively contribute to such a
reduction of excess velocity. In practice, the said reduction is subject
to geometric limitations of the propulsive device such as
ground clearance during take-off rotation. To avoid such limitations
and moreover to ensure propulsion system redundancy, researchers
at Bauhaus Luftfahrt suggested using a fuselage fan
primarily designed to recover the occurring wake momentum deficit,
while all residual thrust required is delivered by conventional
podded power plants.
>
Schematische Darstellung des Prinzips der Grenzschichtauffüllung für ausgewählte
„Propulsive Fuselage“-Konfigurationen im Kontrast zur konventionellen
Triebwerksanordnung: Der Impulsverlust im Strömungsnachlauf des Rumpfes
muss wie auch der restliche Schubbedarf des Flugzeugs durch einen äquivalenten
Impulsüberschuss in Form einer Übergeschwindigkeit ΔV P
aus dem Antriebssystem
aufgewogen werden. Die Nutzung der Grenzschichtauffüllung stellt eine wirksame
Möglichkeit zur Reduktion von ΔV P
und somit zur Verbesserung der Energieeffizienz
des Flugzeugs dar („Propulsive Fuselage“-Fälle B bis D).
Schematic visualisation of the wake-filling principle in selected propulsive
fuselage configurations in contrast to conventional propulsion integration:
The momentum deficit in the wake flow of the fuselage as well as the residual aircraft
thrust requirement needs to be balanced by an equivalent excess momentum
generated by the propulsion system via an excess velocity ΔV p
. The utilisation of
wake filling is an effective means of reducing ΔV P
and thus to improving the overall
energetic efficiency of the aircraft (propulsive fuselage cases B through D).