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BauhausLuftfahrt

Inhalt

Contents

Die drei Säulen des Bauhaus Luftfahrt

The three focus areas of Bauhaus Luftfahrt

1 Neue Wege durch die Treiber der Luftfahrt

1 New ways through the drivers of aviation ...................... 16

2 Neue Wege für innovative Lösungsansätze

2 New ways for innovative solutions .................. 32

3 Neue Wege in Methoden und Prozessen

3 New ways in methods and processes . ..... 78

2

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Willkommen im Bauhaus Luftfahrt

Welcome to Bauhaus Luftfahrt

Vorwort des Beiratsvorsitzenden

Foreword of the Chairman of the Advisory Board ............7

Über das Bauhaus Luftfahrt

About Bauhaus Luftfahrt ...............................8

Vorwort der Vorstände

Foreword of the Directors ..............................11

Neue Wege in der Luftfahrt – drei Forschungsschwerpunkte

New ways in aviation – Three focus areas . ............... 14

Impuls: Zukünftigen Anforderungen gerecht werden –

Ansätze mit Hebelwirkung

Impulse: Meeting future requirements –

Solutions with leverage effect ..........................19

Zahlen und Fakten

Facts and figures

Finanzen

Financial figures ....................................102

Personal

Personnel . .........................................103

Wissenschaftliche Veröffentlichungen / Patente

Scientific publications / Patents ........................104

Medien / Vorträge

Media / Lectures . ...................................108

Impressum

Imprint . ...........................................111

Impuls: Visionäre Flugzeugkonzepte –

Innovative Lösungen für ambitionierte Ziele

Visionary Aircraft Concepts –

Innovative solutions for ambitious goals ..................35

Impuls: Sonnenenergie im Fokus von Zukunftstechnologien

und Ökologie der Luftfahrt

Impulse: Solar energy in the focus of future technologies

and ecology of aviation . ...............................81

ACARE .............................................94

Munich Aerospace ...................................96

aireg ..............................................98

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 3


Inhalt

Contents

1 Neue Wege durch die Treiber der Luftfahrt

1 New ways through the drivers of aviation

Szenarioprozess 2040:

Luftverkehrswachstum, Energie- und Umweltfragen

Scenario process 2040:

Air traffic growth, energy and the environment . ........... 20

Alternative Kraftstoffpfade:

Vergleich langfristiger, ertragreicher Optionen

Alternative fuel paths:

Comparison of long-term high-yield options .............. 22

Qualitätssicherung und Nachhaltigkeit von Biokraftstoffen

für die Luftfahrt (QuaNaBioL)

Securing the quality and sustainability of biofuels

for aviation (QuaNaBioL) . ............................. 24

Abschätzung des globalen Bioenergiepotenzials:

Erste Ergebnisse

Assessment of the global bioenergy potential:

First results ........................................ 26

Elektrische Energiespeicher und -wandler:

Skalierungsverhalten hybrider Antriebssysteme

Electric energy storage and conversion:

Hybrid power system scaling .......................... 28

Materialkarten:

Zukunftssichere Maßstäbe für Leichtbauwerkstoffe

Material maps:

Future-proof benchmarks for lightweight design materials . .. 30

4

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

2 Neue Wege für innovative Lösungsansätze

2 New ways for innovative solutions

3 Neue Wege in Methoden und Prozessen

3 New ways in methods and processes

Der Ce-Liner

The Ce-Liner ....................................... 36

Untersuchung adaptiver Systeme

selbstgetrimmter, nicht planarer Flügel

Preliminary investigation of self-trimming,

non-planar wings using adaptive utilities ................ 42

Designbetrachtungen für universell-elektrische

Flugzeugsystemarchitekturen

Design considerations for universally-electric

aircraft systems architectures .......................... 46

Elektrische Flugantriebe:

Metriken für den Vergleich mit Gasturbinen

Electric propulsion systems:

Metrics for comparison with gas turbines ................. 50

Flugleistungsberechnung und Auslegung unter

Verwendung verteilter elektrischer Antriebe

Performance and sizing of electrically powered

distributed propulsion . ............................... 54

Methoden zur Auslegung und Leistungsbetrachtung

elektrischer Flugzeuge

Unique sizing and performance methods for

Universally-Electric Aircraft . ........................... 82

Bestimmung der Produktlebenszykluskosten

Estimation of product life cycle cost . .................... 84

Skalierbare Entscheidungsfindung in großen Gruppen

Scalable decision making in large groups ................ 86

Integriertes Datenmanagement mit OpenCDT

Integrated data management in OpenCDT ................ 88

Die Verteilung von Entwicklungsaufwand

durch Open-Source-Software

Open source software and the distribution

of development effort ................................ 90

Multidisziplinäre Auslegung und Machbarkeitsstudie

zu verteilten Antriebssystemen

Multi-disciplinary design and feasibility studies

of distributed propulsion systems . ...................... 58

Untersuchung neuartiger Antriebssysteme

auf Basis hybrider Energiequellen

Assessment of novel propulsion systems based

on hybrid energy sources ............................. 62

Aktive variable Änderung der Spannweite

Active variable span adjustment ....................... 66

Fliegende Kommunikationsnetzwerke

Airborne communication networks ..................... 70

Zukunftskonzepte für Kabinenprozesse und Bodenabfertigung

Future concepts for cabin processes and ground servicing . .. 74

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 5


6

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Vorwort des Beiratsvorsitzenden

Foreword by the Chairman of the Advisory Board

Dr. Detlef Müller-Wiesner

Sehr geehrte Damen und Herren,

ein Blick in den Luftverkehr zeigt viele positive Indikatoren für die

Zukunft. Das Passagieraufkommen wächst unvermindert stark und

damit auch der Bedarf an neuen Flugzeugmustern. Dabei gilt es

nicht nur, die steigende Nachfrage zu decken, sondern auch die

Erneuerung existierender Flotten vorantreiben zu können.

Neue Technologien, vor allem im Antriebsbereich, versprechen

zwar erhebliche Reduktionen im Kraftstoffverbrauch und in

den Emissionen, jedoch werden langfristig trotz dieser Weiterentwicklungen

vollständig neue Ansätze notwendig, um die ambitionierten

Ziele der Luftfahrt und ihre gesellschaftliche Akzeptanz zu

erreichen. Letzteres gilt insbesondere für die Versachlichung der

Diskussion über den Flugzeuglärm im Bereich von Flughäfen.

Neue Ansätze im Bereich alternativer Kraftstoffe und Energien,

aber auch bei der Integration des Flugzeuges in den Flughafen

waren daher Schwerpunkte der Ausstellung des Bauhaus Luftfahrt

auf der Internationalen Luftfahrtausstellung (ILA) in Berlin.

Ein Schlüsselelement war das Konzept des Ce-Liners, der in einer

Konzeptstudie den Pfad für ein vollelektrisches Verkehrsflugzeug

aufzeigt. Das hohe Interesse von Politik, Industrie, Medien und

internationalen Experten zeigt, dass es dem Bauhaus Luftfahrt

erfolgreich gelingt, Möglichkeiten einer langfristigen Entwicklung

des Luftverkehrs aufzuzeigen.

Auch organisatorisch war das Jahr 2012 sehr erfolgreich für

das Bauhaus Luftfahrt. Der Freistaat Bayern hat sich durch die Gewährung

einer institutionellen Förderung ab dem Jahr 2013 für

einen langfristigen Ausbau der interdisziplinären Forschungseinrichtung

ausgesprochen.

Für diese und weitere erfolgreiche Leistungen im Jahr 2012

und die Perspektiven für die Zukunft danke ich dem Team des Bauhaus

Luftfahrt und der Leitung, Herrn Prof. Dr. Hornung und Frau

Dr. Linseisen, im Namen des Beirats und persönlich ganz herzlich.

Dear Sir or Madam,

A look at the aviation sector reveals a high number of positive indicators

for the future. Passenger numbers are constantly increasing

and thus the need for new aircraft types. Apart from covering the

increasing demand, we also need to be able to drive the renewal

of existing fleets.

New technologies, mainly in the field of propulsion systems,

promise a substantial reduction of fuel consumption and emissions

for future aircraft types. Despite those technological evolutions,

novel approaches will be required to achieve the ambitious longterm

goals of aviation and increase its acceptance by society. The

latter aspect is gaining importance especially in the objectification

of the airport noise discussion.

Novel technological approaches in the area of alternative

fuels and energies, as well as concepts of aircraft-airport integration

have been key elements of Bauhaus Luftfahrt's exhibition at

the the ILA Berlin Airshow in 2012. One key element of the presentation

was the concept of the Ce-Liner, showing a possible

pathway for a fully electric transport aircraft. The great interest

of politics, industrial representatives, media and international

experts showed that Bauhaus Luftfahrt successfully provides valid

ideas for the long-term development of aviation.

The year 2012 was also very successful for the organisation

itself. The Free State of Bavaria, through granting institutional

funding for Bauhaus Luftfahrt from 2013 onwards, has established

the basis for the long-term development of Bauhaus Luftfahrt.

On behalf of the Advisory Board I would like to thank the

team of Bauhaus Luftfahrt and the management, Professor Hornung

and Dr Linseisen, for this and numerous other outstanding

achievements in the year 2012 and for the perspectives they have

opened up for the future.

Ihr / Your

Dr. Detlef Müller-Wiesner

Beiratsvorsitzender / Chairman of the Advisory Board

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 7


Über das Bauhaus Luftfahrt

About Bauhaus Luftfahrt

Das Bauhaus Luftfahrt wurde im November 2005 von den drei Luftund

Raumfahrtunternehmen EADS, Liebherr-Aerospace und MTU

Aero Engines sowie dem Bayerischen Ministerium für Wirtschaft,

Infrastruktur, Verkehr und Technologie ins Leben gerufen. Seit

Anfang 2012 ist zudem die Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft

(IABG) Mitglied der Institution. Der gemeinnützige Verein ist eine

international ausgerichtete Ideenschmiede. Das Team aus rund

30 Wissenschaftlern befasst sich mit der Zukunft der Mobilität im

Allgemeinen und mit der Zukunft des Luftverkehrs im Besonderen.

Ziel der Forschungsarbeit ist es, das komplexe System der Luftfahrt

aus vielerlei Blickwinkeln zu betrachten: Bei allen Projekten werden

technische, wirtschaftliche, gesellschaftliche und ökologische

Aspekte ganzheitlich berücksichtigt.

In Anlehnung an die Tradition des „Bauhaus“, Deutschlands

historischer Hochschule für Gestaltung, will auch das Bauhaus

Luftfahrt ein fachübergreifender „Think Tank“ sein. Im Dessau der

1920er-Jahre wirkten unter der Leitung von Walter Gropius Architekten,

Maler und Bildhauer eng zusammen. Auf diese Weise entstand

ein breit gefächertes Kompetenzspektrum. Genau das realisiert

das Bauhaus Luftfahrt für die europäische Luftfahrtbranche,

und zwar nicht nur im interdisziplinären Dialog von Ingenieuren,

Ökonomen, Informatikern, Physikern, Chemikern, Geographen,

Kultur- und Sozialwissenschaftlern, sondern auch in enger Kooperation

von Industrie, Wissenschaft und Politik.

Das Bauhaus Luftfahrt arbeitet unabhängig und im öffentlichen

Interesse. Innovative Ideen müssen dort nicht per se marktorientiert

reifen. Vielmehr gibt das Bauhaus Luftfahrt Antworten

auf die Frage, welche Alternativen für die Anforderungen der Zukunft

denkbar sind. Dabei bestehen für die Wissenschaftler des

Kreativzentrums kaum gedankliche Tabus. Allerdings wird streng

darauf geachtet, dass visionäre Konzepte und Strategien stets

auch anwendungsorientiert und technisch machbar sind. Grundlage

zur Entwicklung tragfähiger Lösungen bilden somit immer die

klassischen Disziplinen der Physik und der Ingenieurwissenschaft.

Bauhaus Luftfahrt was created in November 2005 by the three

aerospace companies EADS, Liebherr-Aerospace and MTU Aero

Engines as well as the Bavarian Ministry for Economic Affairs,

Infrastructure, Transport and Technology. In January 2012, IABG-

Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft became the latest member

of the institution. The non-profit association is an internationally

oriented think tank. The team of around 30 scientists deals with

the future of mobility in general and with the future of air travel

in particular. The goal of the research work is to consider the

complex system of aviation from different points of view. In every

project, the technical, economic, social and ecological aspects are

con sidered holistically.

In keeping with the tradition of the "Bauhaus", Germany’s

once renowned School of Design, Bauhaus Luftfahrt has set out

to be a multidisciplinary think tank. In Dessau in the 1920s, architects,

painters and sculptors worked closely together under the

direction of Walter Gropius, leading to the emergence of a widely

diversified spectrum of expertise. This is exactly what Bauhaus

Luftfahrt is achieving within the European aviation industry – not

only in the interdisciplinary dialogue between engineers, economists,

computer scientists, physicists, chemists, geographers, cultural

experts and social scientists, but also in close cooperation

with industry, science and politics.

Bauhaus Luftfahrt works independently and in the interest

of the public. Here, innovative ideas do not need to be developed

to commercial maturity. Rather, Bauhaus Luftfahrt provides

answers to the question of which alternatives could conceivably

meet tomorrow’s requirements. Scientists at the creative

centre are virtually unconstrained by notional taboos. However,

strict attention is paid to the fact that visionary concepts and

strategies are also always application-oriented and technically

feasible. Thus, the traditional disciplines of physics and engineering

science inevitably create the foundation for the development

of sustainable solutions.

8

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 9


10

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Vorwort des Vorstands

Foreword by the Directors

Prof. Dr. Mirko Hornung

Dr. Anita Linseisen

Sehr geehrte Damen und Herren,

kann die Luftfahrt emissionsfrei operieren? Dies war die wesentliche

Fragestellung, mit der sich die unterschiedlichen Teams des

Bauhaus Luftfahrt in einem Gruppendesignprojekt auseinandergesetzt

haben. Das Ergebnis ist die Konzeptstudie Ce-Liner. Dahinter

verbirgt sich die Idee eines vollständig elektrisch betriebenen Verkehrsflugzeuges

für den Betrieb nach 2035. Unter Einbindung der

breiten Expertise des Bauhaus Luftfahrt wurde ein Flugzeugkonzept

abgeleitet, das wesentliche Fragen von der Flugzeuggröße über

notwendige Energiesysteme bis hin zum Betrieb adressieren soll.

Der Ce-Liner war auch das zentrale Element des ersten eigenständigen

Auftritts des Bauhaus Luftfahrt auf der Internationalen

Luftfahrtausstellung in Berlin. Neben dem Ce-Liner wurden dort

auch alternative Kraftstoffe, neue Systemtechnologien und Flughafenkonzepte

sowie Fragestellungen der Kooperation in Entwicklungsprojekten

vorgestellt.

Die Zusammenarbeit mit der IABG als neues Mitglied des Bauhaus

Luftfahrt hat in 2012 neue Forschungsschwerpunkte aufgezeigt.

Die thematische Weiterentwicklung wird zudem maßgeblich durch die

Entscheidung des Freistaats Bayern unterstützt, das Bauhaus Luftfahrt

künftig institutionell zu fördern und damit dauerhaft zu sichern.

Die Erfolge des Jahres 2012 sind auf das Zusammenwirken

vieler zurückzuführen. Daher gilt unser besonderer Dank den Beiratsmitgliedern

des Bauhaus Luftfahrt für ihre nachhaltige Unterstützung.

Darüber hinaus möchten wir uns ganz herzlich bei unseren

Mitarbeitern bedanken, die auch im Jahr 2012 unermüdlichen

Einsatz und großartige Leistungen gezeigt haben.

Mit den Themen dieses Jahrbuchs möchten wir Sie dazu anregen,

über neue Ideen und Konzepte für die Luftfahrt mit uns in

den Dialog zu treten. Allen Lesern wünschen wir im Namen des

Bauhaus Luftfahrt viel Freude an unserem Jahrbuch 2012.

Ihre / Your

Prof. Dr. Mirko Hornung

Vorstand Wissenschaft und Technik /

Executive Director Research and Technology

Dear Sir or Madam,

will aviation be able to operate emission-free? In their first group

design project, the various scientific teams of Bauhaus Luftfahrt

comprehensively dealt with this very question, finally resulting in

the so-called Ce-Liner. This concept study envisions the idea of a

fully electric airliner that could be operating from the year 2035.

Making extensive use of their broad scientific expertise, researchers

at Bauhaus Luftfahrt derived an aircraft concept that finally

addresses the essential questions from overall aircraft dimensions,

its necessary energy systems up to operational aspects.

The Ce-Liner also took the center stage in Bauhaus Luftfahrt's

first standalone appearance at ILA Berlin Air Show. Besides Ce-

Liner, research results ranging from alternative fuels, novel aircraft

systems technologies and future airport concepts up to collaboration

aspects in the development process have been presented.

The cooperation with IABG as the most recent member of

Bauhaus Luftfahrt highlighted many new focus areas for research

in 2012. The advancement in key scientific fields is moreover fostered

by the decision of the Free State of Bavaria to grant Bauhaus

Luftfahrt institutional funding, thereby securing the institution's

long-term development.

The success in 2012 is closely linked to the cooperation of

many. We would especially like to express our gratitude to the

members of Bauhaus Luftfahrt's advisory council for their enduring

support, and moreover to all our employees, who in 2012 have

again demonstrated a strong commitment and a marvelous performance.

We hope the topics of this yearbook encourage you to engage

with us in an active dialogue on novel ideas and concepts.

On behalf of Bauhaus Luftfahrt we wish all readers a good time

with our yearbook 2012.

Dr. Anita Linseisen

Vorstand Finanzen und Organisationsentwicklung /

Executive Director Finance and Organisation

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 11


12

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Modell des Terminalkonzepts „modulair“ aus einer Kooperation mit dem Lehrstuhl für Industrial Design der Technischen Universität München: Der Entwurf

stammt von Marvin Bratke, Daniel Jakovetic, Sandro Pfoh und Daniel Tudman.

Scale model of the airport terminal concept „modulair“ from a cooperation with the Chair for Industrial Design of Technische Universität München:

The concept was designed by Marvin Bratke, Daniel Jakovetic, Sandro Pfoh and Daniel Tudman.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 13


Neue Wege in der

Luftfahrt – drei

Forschungsschwerpunkte

New ways in aviation –

Three focus areas

1 Treiber der Luftfahrt

1 Drivers of aviation

Die Arbeiten am Bauhaus Luftfahrt

orientieren sich an den drei

wesentlichen Forschungsschwerpunkten:

Treiber der Luftfahrt,

innovative Lösungsansätze sowie

neue Methoden und Prozesse.

The research at Bauhaus Luftfahrt

is oriented along three main focus

areas: drivers of aviation, innovative

solutions, and new methods and

processes.

Unter den Treibern der Luftfahrt werden äußere Einflüsse wie die

sozialen und ökonomischen Randbedingungen des Luftverkehrs

verstanden, aber auch singuläre Technologien, die das Potenzial

eines radikalen Entwicklungsschritts in der Luftfahrt versprechen.

Dies sind zum Beispiel alternative Kraftstoffe, aber auch technologische

Fortschritte bei elektrischen Speichern.

Drivers of aviation represent movements in the external influences,

such as the social and economic developments affecting air transport,

as well as singular technologies indicating the potential for

radical development steps in aviation. For the latter, alternative

fuel solutions as well as technological developments in electrical

storage are only two examples.

14

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

2 Innovative Lösungsansätze

2 Innovative solutions

3 Methoden und Prozesse

3 Methods and processes

Die konzeptionelle Umsetzung und die Bewertung solch potenzialträchtiger

Technologien und Ansätze werden vom Bauhaus

Luftfahrt in integrierten Referenzkonzepten, zum Beispiel auf

Flugzeugebene oder in gesamten Lufttransportsystemen, durchgeführt.

Ein Beispiel für diese innovativen Lösungsansätze ist die

integrierte Bewertung neuer Antriebstechnologien in neuen Luftfahrzeugkonfigurationen.

Die Erkenntnisse in diesem Bereich bilden

die Basis für entsprechende Systembewertungen und Handlungsempfehlungen.

The transfer to system concepts and the evaluation of technologies

indicating such potential are carried out by Bauhaus Luftfahrt

through integrated reference concepts, for instance on the aircraft

or air transport system level. One example of such innovative solutions

is the integrated evaluation of novel propulsion concepts in

new aircraft designs. These innovative solutions provide the basis

for system performance evaluations and recommendations for further

actions.

Alternative Herangehensweisen an Fragestellungen der zukünftigen

Luftfahrt stehen im Fokus des Schwerpunktes „Neue Methoden

und Prozesse“. Neben neuartigen Ansätzen im Bereich des

Wissensmanagements stehen hier auch alternative Softwarekonzepte,

beispielsweise die Erstellung von Entwicklungswerkzeugen

auf Open-Source-Plattformen, im Mittelpunkt. Da neue technische

Konzepte neben fortschrittlichen Technologien zum Teil auch andere

Vorgehens- und Denkweisen in der Umsetzung erfordern,

erprobt das Bauhaus Luftfahrt zudem alternative Aufstellungen

seiner Teams, beispielsweise im Bereich der visionären Flugzeugkonzepte.

Novel approaches to the questions of future aviation are assessed

in the focus area “methods and processes”. Alongside new developments

in knowledge management, alternative software

concepts such as the implementation of new development tools

through the application of an open-source platform are also investigated.

As new technical concepts often also require, besides

new technologies, different methods of implementation, Bauhaus

Luftfahrt further develops novel team setups, for example in the

visionary aircraft concepts division.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 15


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Neue Wege durch die Treiber der Luftfahrt

New ways through the drivers of aviation

16

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 17


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

18

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Zukünftigen Anforderungen gerecht werden:

Ansätze mit Hebelwirkung

Meeting future requirements:

Solutions with leverage effect

Sehr geehrte Damen und Herren,

die gesamte Transportbranche stellt sich der großen Herausforderung,

in Zukunft effizienter, schneller und umweltfreundlicher

zu operieren. Als Komponente eines zukünftigen Netzwerks aus

nahtlos ineinandergreifenden Transportprozessen profitiert der

Luftverkehr von seinen Stärken – Geschwindigkeit und Reichweite

– besonders auf der Mittel- und Langstrecke.

Doch wie kann die europäische Luftfahrt der steigenden

Nachfrage gerecht werden, wenn sich ein Ausbau der Infrastruktur

geographisch wie politisch schwierig gestaltet und

eingesetzte Flugzeugtypen sowie verfügbare Slots die Kapazität

begrenzen? Eine Steigerung der Kapazität durch den Einsatz

größerer Flugzeuge und die damit einhergehende Reduzierung

der angebotenen Frequenz ist ein oft genannter Lösungsansatz.

Solche Maßnahmen beeinträchtigen jedoch die Flexibilität der

Passagiere und verringern damit die Attraktivität der Fluggesellschaft.

Eine weitere Möglichkeit, drohenden Engpässen zu

begegnen, ist, Kurzstrecken auf bodengebundenen Transport

zu verlagern. Hierfür wären jedoch erhebliche Investitionen in

entsprechende Infrastruktur erforderlich. Zudem würde dieses

Vorgehen den Einzugsbereich des Drehkreuzes Flughafen erhöhen,

wodurch eine zusätzliche Nachfrage generiert wird.

Um Kapazitätsengpässe nachhaltig zu beseitigen, muss

entlang der gesamten Transportkette nach Entwicklungsmöglichkeiten

mit Hebelwirkung gesucht werden. Zukunftsweisende

Lösungen könnten beispielsweise in der land- und

luftseitigen Prozessoptimierung, einer Verbesserung der

Schnittstelle Flughafen-Flugzeug oder der Koordinierung verschiedener

Transportmodi liegen.

Stellen Sie traditionelle Abhängigkeiten in Frage und nutzen

Sie entstehende Freiheitsgrade für innovative Lösungen!

Dear Sir or Madam,

The entire transport chain is faced with the major challenge

of operating in a more efficient, environmentally friendly and

faster way in the future. As part of a future network of seamlessly

integrated transport processes, air transport is benefiting

from its strengths – speed and range – especially on medium

and long-haul routes.

But how can the European aviation system meet the increasing

demand if infrastructure expansion continues to be

geographically and politically challenging, and if capacity is

constrained by operated aircraft types and available airport

slots? A frequently proposed solution addresses the operation

of larger aircraft and the resulting reduction of flight frequency.

This approach has a negative impact on passenger

flexibility, though, and hence an airline’s attractiveness.

Another possibility to tackle imminent bottlenecks in the aviation

system is the shift of short-distance flights to ground

transport. This would, however, require high investments in

the respective infrastructure. What's more, this approach

would increase the airport’s catchment area, thus generating

higher demand for air transport.

In order to sustainably alleviate capacity bottlenecks,

potential solutions and developments have to be evaluated

along the entire transport chain. Future-oriented approaches

could, for example, address landside and airside process optimisation,

the improvement of the interface between airport

and aircraft, or the efficient coordination of different transport

modes.

Challenge the traditional dependencies and use the

resulting freedom to develop innovative solutions!

Ihre / Your

Mara Cole

Kommissarische Leiterin Ökonomie und Verkehr /

Acting Head of Economics and Transportation

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 19


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Szenarioprozess 2040:

Luftverkehrswachstum,

Energie- und Umweltfragen

Scenario process 2040:

Air traffic growth, energy

and the environment

Das Spannungsfeld zwischen Klimawandel, Ressourcenknappheit

und Wachstum ist einer der zentralen Treiber für die Luftfahrt der

Zukunft. Sich hier optimal zu positionieren, stellt eine Herausforderung

für die verschiedenen Interessengruppen im Luftverkehr

dar. Ein in Kooperation von Bauhaus Luftfahrt, Airbus Operations

GmbH (Cabin Innovation and Design) sowie dem Lehrstuhl für

Luftfahrtsysteme der Technischen Universität München durchgeführter

Szenarioprozess erlaubt es, verschiedene Zukunftspfade in

diesem Bereich abzubilden und Implikationen für unterschiedliche

Interessengruppen abzuleiten.

Die systematische Analyse entscheidender Umfeldfaktoren

und deren Interaktion zeigt ein Spektrum möglicher Ausprägungen

auf, das von einem starken Anstieg der Passagierkilometer, von

großer politischer Stabilität und einer starken Mittelklasse bis hin

zu geringem Luftverkehrswachstum, politischen Instabilitäten und

einer inhomogenen Einkommensverteilung reicht. So kann zum

Beispiel ein starkes Wachstum erhöhte Anpassungen und Erweiterungen

im Hinblick auf die infrastrukturellen Gegebenheiten notwendig

machen. Der in allen Szenarien relevanten Ölabhängigkeit

wird zum einen durch vermehrte Innovationen, zum anderen aber

durch den Einsatz alternativer Kraftstoffe begegnet. Eine weitere

Möglichkeit stellt die Entwicklung neuer Antriebssysteme dar, die

eine Unabhängigkeit von fossilem Kerosin sicherstellen soll. Wachsende

und aufstrebende Märkte eröffnen zwar neue Handlungsfelder,

verstärkte Restriktionen im Energiebereich machen aber

auch neue Lösungsansätze erforderlich.

The tradeoff between climate change, resource scarcity and

growth is one of the main drivers shaping the future of aviation.

The different stakeholders in the aviation system face the challenge

to position themselves in the best possible way. The scenario

process conducted by Bauhaus Luftfahrt in cooperation with

Airbus Operations GmbH (Cabin Innovation and Design) and Technische

Universität München (Institute of Aircraft Design) makes it

possible to depict different paths of future development in this particular

area and to derive implications for different stakeholders.

The systematic analysis of crucial drivers and how they interact

illustrates an array of possible future developments ranging

from a steep increase in passenger kilometres, a high level of political

stability and a strong middle class to low air traffic growth,

political instabilities and inhomogeneous income distribution.

Strong growth, for example, may necessitate adjustments and expansion

with regard to the existing air transport infrastructure. The

dependency on oil, which is relevant in all scenarios, is addressed

by different measures including an increased level of innovation

and the deployment of alternative fuels. Another possibility is the

development of new propulsion systems that help to ensure the

independence from oil and fossil kerosene. Growing and emerging

markets do open up new opportunities, intensified restrictions in

the energy sector, on the other hand, require new and appropriate

solutions.

20

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Revenue passenger

kilometres (RPK)

Gross domestic

product (GDP)

1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Asia/Pacific

RPK (billions)

20,000

North America

Europe

GDP (billion US$)

100,000

18,000

90,000

16,000

80,000

14,000

70,000

12,000

60,000

10,000

50,000

8.000

40,000

6,000

30,000

4,000

20,000

2,000

10,000

0

0

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020

2021

2022

2023

2024

2025

2026

2027

2028

2029

2030

2031

2032

2033

2034

2035

2036

2037

2038

2039

2040

Gegenüberstellung der Entwicklung des Bruttosozialprodukts (Gross Domestic Product, GDP) und der geflogenen Passagierkilometer (Revenue Passenger

Kilometres, RPK): Im Szenarioprozess beschäftigten sich die Kooperationspartner, darunter das Bauhaus Luftfahrt, beispielsweise mit den Auswirkungen des wirtschaftlichen

Wachstums auf den Luftverkehr in bestimmten Weltregionen. (Quelle RPK: Boeing Market Outlook 2012-2031, Quelle GDP: United States Statistics Division)

Comparison of developments in gross domestic product (GDP) and revenue passenger kilometres (RPK): In the scenario process, the partners, including

Bauhaus Luftfahrt, dealt with the impact of economic growth on the aviation sector in certain regions of the world, for example. (Source RPK: Boeing Market Outlook

2012-2031, source GDP: United States Statistics Division)

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 21


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Alternative Kraftstoffpfade:

Vergleich langfristiger,

ertragreicher Optionen

Alternative fuel paths:

Comparison of long-term

high-yield options

Im Rahmen seiner Forschung zu ökologischen Perspektiven des

Luftverkehrs führte das Bauhaus Luftfahrt 2012 eine vergleichende

Bewertung dreier vielversprechender Kraftstoffpfade durch; der

thermochemischen Konversion von Biomasse aus schnellwachsenden

Hölzern, der Hydroprozessierung von Mikroalgenöl und der solar-thermochemischen

Konversion von Wasser und Kohlendioxid.

Die Bewertung der alternativen Luftfahrtkraftstoffe erfolgte

im Rahmen eines am Bauhaus Luftfahrt speziell für diesen Zweck

entwickelten Systems, das die wichtigsten Vor- und Nachteile jeder

Alternative in Bezug auf technologische Reife, Produktionspotenzial

und -kosten, Treibhausgasbilanz und den benötigten Einsatz

von Süßwasser und Nährstoffen offenlegt. Alle drei betrachteten

Alternativen zeigten sich dabei als vielversprechende Optionen

für eine langfristige Implementierung. Als solche müssen sie die

Konkurrenz zur Produktion von Nahrungs- und Futtermitteln vermeiden

und trotzdem hohe Erträge erzielen.

Nur der Pfad ohne Umweg über Biomasse demonstrierte eine

Kombination von akzeptablen Produktionskosten bei gleichzeitig

geringem Süßwasserbedarf. Diese beiden Kriterien entschieden

die Gesamtbewertung zu Gunsten der solar-thermochemischen

Herstellung, trotz ihrer relativ geringen technologischen Reife. Außerdem

ist sie nicht durch die niedrige Effizienz der zum Aufbau

von Biomasse notwendigen Photosynthese limitiert. Dieser Vorteil,

ihr geringer Reifegrad und die insgesamt höchste Gesamtbewertung

sprechen deutlich für eine weiterhin hohe Priorität der Forschung

an „solaren“ Kraftstoffen im Bauhaus Luftfahrt.

As part of its ongoing research on the ecological perspectives of

aviation, Bauhaus Luftfahrt in 2012 conducted a detailed comparative

assessment of three promising production pathways for renewable

aviation fuels; the thermochemical conversion of woody

biomass from fast-growing trees or shrubs, hydroprocessed microalgal

oil and the solar-thermochemical conversion of water and

carbon dioxide.

The assessment framework applied has been specifically

designed at Bauhaus Luftfahrt for the comparison of alternative

aviation fuels and reveals the major advantages and drawbacks of

each assessed alternative with respect to technology readiness,

production potential and costs, greenhouse gas balance and required

input of water and nutrients. Therein, each of the three

selected pathways represents a viable long-term implementation

option. As such, they need to avoid competition with food or feed

production yet yield high returns.

Only the non-biogenic pathway without biomass-production

demonstrated a combination of acceptable production cost with

low fresh water requirements, two criteria that are decisive for the

overall ranking of the pathways and outweighing the main drawback

of relatively low technological maturity. In addition, the solarthermochemical

pathway is not limited by the comparably low

efficiency of photosynthesis used for the cultivation of biomass.

This advantage together with the low technical maturity and the

highest overall score in the assessment underlines a clear priority

for further research on such “solar” fuel technologies at Bauhaus

Luftfahrt.

10

8

6

4

2

0

22

Woody crops

Solar fuels: low technological maturity Algae: high production costs High diversity in water consumption

7

7

2

Fuel readiness

level

Microalgae Solar fuels

10 10 10 9,9

10 10

8,8

8

7,2

6,8

6,1

5,1 5,7 2,2

Production

potential

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

0

Production

costs

Greenhouse

gas emissions

Fresh water

consumption

Nutrient

requirements

Bewertung der vom Bauhaus Luftfahrt betrachteten

Produktionspfade nach einzelnen Kriterien: Die

Produktion aus Mikroalgenöl ist durch hohe Produktionskosten

benachteiligt; der solar-thermochemische

Pfad zeichnet sich aufgrund der Unabhängigkeit von

biogenen Rohstoffen durch einen geringen Verbrauch

von Süßwasser aus.

Assessment of production pathways selected by

Bauhaus Luftfahrt with respect to specific criteria:

The main drawback of the production from microalgal

oil lies in its high production costs, while the solarthermochemical

pathway combines this advantage

with the benefits of low fresh water requirements.


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Holzanbau: Pappelplantage

Woody crops: Poplar plantation

Mikroalgen: Kultivierung in offenen Becken

Microalgae: Open raceway pond cultivation

Solare Kraftstoffe: Solarturmreaktor

Solar fuels: Solar tower reactor

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 23


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Qualitätssicherung und Nachhaltigkeit

von Biokraftstoffen

für die Luftfahrt (QuaNaBioL)

Securing the quality and

sustainability of biofuels

for aviation (QuaNaBioL)

Die Produktion alternativer Kraftstoffe für die Luftfahrt stellt Herausforderungen

an die Qualitätssicherung des Endprodukts sowie

die Einhaltung von Nachhaltigkeitskriterien. Zum einen werden für

die Herstellung der Kraftstoffe verschiedenste Rohstoffe und Konversionsprozesse

verwendet. Zum anderen erfolgt die Produktion

nicht ausschließlich durch die stark zentralisierte Petroleumindustrie,

sondern auch durch eine Vielzahl kleiner und mittelgroßer

Anbieter, die jeweils unterschiedliche Verfahren verwenden.

Im Forschungsprojekt QuaNaBioL arbeitet das Bauhaus Luftfahrt

gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits-

und Energietechnik UMSICHT, der Technischen Universität

Berlin (Fachgebiet Flugführung und Luftverkehr) und der Lufthansa

an den erforderlichen Rahmenbedingungen für die Sicherung

von Qualität und Nachhaltigkeit alternativer Kraftstoffe in der

Luftfahrt.

Aus der Analyse der Wertschöpfungs- und Prozesskette sowie

geeigneter Nachhaltigkeitskriterien werden mögliche Zielkonflikte

einer nachhaltigen Biokraftstoffproduktion identifiziert. Diese können

einen einzelnen Produzenten zum Beispiel in Bezug auf die Einhaltung

von Nachhaltigkeitsstandards betreffen oder auch zwischen

zwei oder mehreren Akteuren entlang der Logistikkette auftreten,

zum Beispiel zwischen einem Biomasseproduzenten und dem Abnehmer

des Biokraftstoffes. In QuaNaBioL soll noch bis Ende 2013

ein Anreizsystem entwickelt werden, das die Einhaltung verbindlicher

Nachhaltigkeitskriterien sowie die Gewährleistung bestimmter

Qualitätsmerkmale des Endprodukts fördert.

The production process of alternative fuels entails challenges

regarding the compliance of the final product with quality

standards and sustainability criteria. On the one hand, the specific

production of these fuels integrates different types of feedstock

and conversion processes. On the other hand, the production is

not only provided by the centrally operated petroleum industry

but also by many small and medium-sized suppliers which each

employ distinct procedures.

As part of the research project QuaNaBioL Bauhaus Luftfahrt,

Fraunhofer Institute for Environmental, Safety, and Energy

Technology (UMSICHT), the Technical University Berlin (Flight

Guidance and Air Transportation) and Lufthansa aim to develop

requirements to ensure the compliance of alternative fuels for

aviation with quality and sustainability standards.

The analysis of the entire value and process chain as well

as appropriate sustainability criteria can reveal conflicting goals in

terms of the sustainable production of biofuels. These conflicting

objectives can affect a single producer when it comes to adhering

to sustainability standards. Conflicts can also emerge between two

or more stakeholders along the value chain, for example, between

a feedstock producer and the end customer. Until the end of 2013

the partners develop an incentive system within QuaNaBioL. The

intention of this particular approach is to foster the compliance

with compulsory sustainability criteria and guarantee a certain

level of quality of the final product.

24

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Inputs and outputs of a sustainable value chain Inputs Co-production Positive effects on agriculture and soil Negative externalities on the environment Social effects

Fossil and other

energy sources

Agro-chemical production

(fertilisers, pesticides, etc.)

Agro-chemical transport

Animal feed,

glycerine, ...

Electricity

CO ²

sequestration in crops and soil

Water (irrigation)

More efficient and cleaner farming

Better soil management

Transport

Transport

Transport

Transport

Land

conversion

Cultivation of

energy crops

Harvesting

First gathering

point

Warehouse Producer Supplier End user

Deforestation

Eutrophication

Greenhouse gas emissions

Soil erosion

Biodiversity loss

Industrial scale plant

for algae cultivation

Land use of land

which is unsuitable

for agriculture

Groundwater depletion

Soil acidification

Human and ecological toxicity

Evapotranspiration

Improved access to

basic services and

livelihoods

Average wages

Exclusion of small producers

from access to land

Food source and water

competition

Große Herausforderung: Entlang der Wertschöpfungskette

von Bio-Flugkraftstoffen entstehen zahlreiche

In- und Outputs, die auf die Qualität des Endproduktes

Einfluss nehmen oder sogar ein Risiko für die

Einhaltung von Nachhaltigkeitsstandards darstellen

können. Anhand einer Matrix können die In- und Outputs

den Nachhaltigkeitskriterien gegenübergestellt

und adäquate Anreize zur Einhaltung dieser abgeleitet

werden. (Quelle: Basierend auf Soolgaard A., L.

Rucevska, M. Otto, P. Leagnavar (2011) Biofuel Vital

Graphics · Powering a Green Economy, UNEP)

A big challenge: Numerous inputs and outputs arise

along the value creation chain of aviation biofuels that

could possibly influence the product quality or even

pose a fundamental risk to its compliance with sustainability

standards. A matrix can be used to bring inand

outputs face to face with sustainability criteria in

order to derive suitable incentives for complying with

the sustainability principles. (Source: Based on Soolgaard

A., L. Rucevska, M. Otto, P. Leagnavar (2011) Biofuel

Vital Graphics · Powering a Green Economy, UNEP)

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 25


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Abschätzung des globalen

Bioenergiepotenzials:

Erste Ergebnisse

Assessment of the global

bioenergy potential:

First results

Der neuartige Ansatz des Bauhaus Luftfahrt zur Bestimmung des

technischen Biomassepotenzials auf Basis von georeferenzierten

Daten und unter Berücksichtigung von Nachhaltigkeitskriterien

hat 2012 erste Ergebnisse hervorgebracht.

Ausgehend von der Gesamtfläche jedes Landes schließt das

Verfahren zunächst alle Oberflächen aus, die für eine landwirtschaftliche

Nutzung nicht geeignet oder nicht zugänglich sind. Es

verbleibt die potenziell verfügbare landwirtschaftliche Nettofläche.

Unter Bezugnahme auf drei Ernährungsmodelle wird diese

dann um den Flächenbedarf für eine angemessene Herstellung

von Nahrungsmitteln reduziert. Eine erste Analyse zeigt, dass weltweit

1,36 Milliarden Hektar zur Kultivierung von Biomasse für die

Kraftstoffproduktion verwendet werden könnten.

Würde diese Fläche, rein theoretisch, ausschließlich dem

Anbau von Hölzern (Eukalyptus, Pappeln oder Weiden) mit einem

mittleren Jahresertrag von 8,4 Tonnen pro Hektar dienen, so ergäbe

sich ein jährliches Produktionspotenzial von 11,4 Milliarden

Tonnen. Durch die Umwandlung des Holzes in synthetisches Kerosin

(SPK) könnten weltweit etwa 1.970 Millionen Tonnen an SPK

im Jahr produziert werden – das etwa Achtfache des derzeitigen

globalen Kerosinbedarfs von 243 Millionen Tonnen pro Jahr.

Da diese Abschätzung nur einen ersten Eindruck über das

Potenzial von Biokerosin geben kann, wird das Bauhaus Luftfahrt

seine Forschung in diesem Bereich fortführen, um detailliertere

Daten über nationale und regionale Potenziale, die Perspektive für

2050 sowie für eine größere Auswahl an Energiepflanzen und Umwandlungsprozessen

zu gewinnen.

In 2012, Bauhaus Luftfahrt`s novel approach to estimate the technical

potential for bioenergy based on spatially explicit data and

considering sustainability criteria has yielded its first results.

Starting from the total area of each country, the procedure

excludes all surfaces not suitable or not accessible in order to

calculate the remaining net area available for agriculture. Subsequently,

the land area required for sufficient food supply is taken

into account referring to three distinct food consumption patterns.

This yields an estimate of the surplus of agricultural land potentially

available for energy crop cultivation. A first global analysis indicates

that 1.36 billion hectares of land could be used to cultivate

biomass for fuel production.

Making the strictly theoretical assumption that the surplus

agricultural land is exclusively cultivated with woody biomass (eucalyptus,

poplar or willow) with an average annual yield of 8.4 tonnes

per hectar, this would result in an annual production potential

of 11.4 billion tonnes of biomass. The Fischer-Tropsch conversion of

this woody biomass into synthetic kerosene would result in an annual

total of 1,970 million tonnes, roughly eight times the current

global demand of 243 million tonnes of jet fuels per year.

While this estimate gives a first impression of the technical

potential for bio-derived jet fuel, Bauhaus Luftfahrt will continue

its research efforts, aiming for more detailed results in terms of national

and regional bioenergy potentials, their perspective for 2050

and a broader range of energy crops and conversion processes.

26

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Total area of Germany: 357,100 km 2

Exclusion of:

Inland water bodies

8,430 km

Water bodies that are not suitable for agriculture

2

Forest areas

110,760 km

Woods need to be protected, hence they are not accessible for agriculture

2

Constrained habitats

4,291 km

Areas not suitable for agriculture such as high-altitude mountain ranges

2

Conservation zones

13,553 km

Areas with protected biodiversity, not accessible for agriculture

2

Settlement areas

Dominated by human-constructed objects, not accessible for agriculture 24,504 km 2

Net area for agriculture:

(Different area categories may overlap)

204,780 km 2

Die Kalkulation der Nettoflächen für die Landwirtschaft

auf Basis hochauflösender Satellitendaten

am Beispiel der Bundesrepublik Deutschland: Die

farblich markierten Bereiche sind ungeeignet oder

nicht zugänglich für die Landwirtschaft und werden

von den 357.100 Quadratkilometern der Gesamtfläche

Deutschlands abgezogen, nur die übrig bleibenden

Flächen (weiß) stehen für den landwirtschaftlichen

Anbau zur Verfügung. Von diesen 204.780 Quadratkilometern

ziehen die Forscher des Bauhaus Luftfahrt

anschließend unter Zuhilfenahme eines Ernährungsmodells

den Flächenbedarf für eine angemessene

Nahrungsmittelherstellung ab. Nur die übrige, nicht

für die Nahrungsproduktion benötigte landwirtschaftliche

Fläche stünde für einen nachhaltigen Anbau von

Rohstoffen für die Kraftstoffproduktion zur Verfügung.

The calculation of net areas for agriculture, based

on high-resolution satellite imagery, by way of

example illustrated for the Federal Republic of

Germany: The coloured areas are not suitable or not

accessible for agriculture and hence are subtracted

from Germany's overall land area of 357,000 square

kilometres. Only the remaining area (white) is available

for agriculture. Of these 204,780 square kilometres,

researchers at Bauhaus Luftfahrt further subtract the

land area that is required for sufficient food supply,

referring to a distinct food consumption pattern. Only

the remaining land area not required for food production

would be available for a sustainable cultivation of

feedstocks for biofuels.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 27


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Elektrische Energiespeicher und

-wandler: Skalierungsverhalten

hybrider Antriebssysteme

Electric energy storage and

conversion: Hybrid power

system scaling

Mit Hilfe voll- oder hybridelektrischer Antriebssysteme werden

umfangreiche Ressourcen an erneuerbarer Primärenergie nutzbar

und gleichzeitig lassen sich die Emissionen erheblich verringern.

Innovationspotenziale auf System- und Subsystem-Ebene elektrischer

Komponenten treffsicher auszumachen ist eine Herausforderung,

der das Bauhaus Luftfahrt in der Zukunftstechnologieanalyse

begegnet.

Ein „schwerer“ Energiespeicher wie eine Batterie schneidet

zum Beispiel beim Verhältnis „Leistung zu Masse“ besser ab als

ein System aus „leichtem“ Tank und einer hocheffizienten, aber

pro Gewicht weniger leistungsfähigen Brennstoffzelle. Kombiniert

man beide zu einem Hybridsystem, können sich Vorteile für bestimmte

Missionsprofile ergeben.

Das Systemverhalten wird allgemeingültig am besten durch

dimensionslose Parameter beschrieben, das heißt, die Metriken

des Systems werden auf einen geeigneten Bezugspunkt hin skaliert.

So kann in einer ersten Näherung zum Beispiel die erforderliche

Spitzenleistung in Beziehung zur Leistung im Reiseflug gesetzt

werden. Deren Quotient hat dann keine physikalische Einheit

mehr. Erkenntnisse aus dem dimensionslosen Modell können dann

auf alle Fälle mit ähnlichem Skalierungsverhalten übertragen werden.

Als Ergebnis erhält man charakteristische Schwellenwerte für

Zeitskalen und Leistungsverhältnisse, für die ein Gewichtsvorteil

hybridelektrischer Architekturen gegenüber den Einzelsystemen

zu erwarten ist. Für das Bauhaus Luftfahrt stellt diese Analyse

zukünftige Innovationspotenziale und Schlüsselanforderungen an

Energiespeicher und -wandler in Hybridsystemen klar heraus.

Fully electric or hybrid-electric motive power systems have the

potential to tap into a vast resource of renewable primary energy

in combination with a significant reduction of emissions. The unerring

identification of innovation potentials, enabled by electrical

systems and subsystems, is a challenge that is fundamentally

addressed by Bauhaus Luftfahrt in the future technology analysis

of power systems.

For example, the combination of a battery as a “heavy” electrical

energy carrier with a superior power-to-mass ratio and a fuel

cell subsystem consisting of a “light” fuel reservoir with a highly

efficient fuel cell but with lower power-to-mass ratio may result in

a system benefit within certain mission envelopes.

The general behaviour of the system is best modelled with

metrics scaled to a useful benchmark value such that the specific

metric has no physical units or dimensions. For example, in

a first approximation, the peak power demand can be scaled to

the cruise power demand which renders the power ratio, a value

without units. The fully dimensionless model and its results then

apply to all real cases that share this scaling similarity.

As a consequence, a characteristic break-even timescale and

peak-to-cruise power ratio is derived for which a mass benefit can

be expected for hybrid electrical architectures as compared to a

single-module system. This analysis provides Bauhaus Luftfahrt

with the necessary insights into future innovation potentials for

hybrid systems and the key requirements for their energy storage

and conversion technologies.

28

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

2

Hybrid system

crit

Mass ratio μ

1

Fuel cell system

0

1

Power ratio ψ

1

0.5

0.5

0

Time ratio

Darstellung der Leistungsanforderungen von Brennstoffzellen- und Hybridsystem während einer Flugmission: Aus der hellblauen Schnittlinie zwischen beiden

Flächen ergibt sich der charakteristische Schwellenwert . Das Hybridsystem zeigt einen Gewichtsvorteil, solange die hohe Leistungsanforderung relativ kurz ist

crit

im Vergleich zur gesamten Missionszeit ( < ). In der Grafik wird dieser Zustand dort sichtbar, wo die schräge Fläche des Hybridsystems die Referenzebene des

crit

Brennstoffzellensystems (transparente Fläche) unterschreitet.

Depiction of the varying power demand of a fuel cell and a hybrid system during a flight mission: The bright blue line at the intersection of the two surfaces

resembles a characteristic break-even threshold . The hybrid system shows a weight benefit for relatively short peak power demand relative to the total mission

crit

time ( < ). This condition is noticable where the inclined surface depicting the hybrid system reaches below the reference plane (transparent area) representing

crit

the fuel cell system.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 29


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Materialkarten:

Zukunftssichere Maßstäbe

für Leichtbauwerkstoffe

Material maps:

Future-proof benchmarks for

lightweight design materials

Im Flugzeug der Zukunft werden an die verwendeten Materialien

stetig wachsende Anforderungen gestellt. So müssen neue Werkstoffe

immer leichter und fester sein und möglichst mehrere Funktionen

auf einmal erfüllen. Die Breite und Komplexität der dafür

zur Verfügung stehenden Technologien nimmt ständig zu. Forschungsaktivitäten

im Bereich der Nanotechnologie, aber auch

bioinspirierte Materialien wie beispielsweise künstliche Spinnenseide,

erweitern den Katalog an Werkstoffen, die für verschiedene

Anwendungen zukünftig in Frage kommen.

Um das Zukunftspotenzial und den Stand der Technik neuer

Materien anschaulich zu beurteilen, nutzt das Bauhaus Luftfahrt

sogenannte Materialkarten. Dazu werden die charakteristischen

Werkstoffeigenschaften ermittelt und in einer aussagefähigen

Metrik gegeneinander aufgetragen.

Im Leichtbau sind beispielsweise kombinierte Kenngrößen

aus Elastizitätsmodul und Dichte von besonderer Bedeutung. Die

notwendige Wandstärke eines Bauteils und die Knickstabilität

können beispielsweise aus solchen spezifischen Werten abgeleitet

werden. In der Materialkarte zeigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufgrund

des sehr hohen theoretischen Potenzials die Leitplanken für

bestehende Materialien und deren Herstellungsverfahren.

Eine umfassende Zukunftstechnologie-Analyse neuer Materialien

wird im Bauhaus Luftfahrt zudem durch zusätzliche komplexere

Maßstäbe, wie zum Beispiel Herstellungskosten oder funktionale

Gütezahlen, ergänzt.

In the aircraft of the future consistently rising demands are made

on the used materials. New materials therefore need to be more

lightweight, harder and generally more multifunctional. The broadness

and complexity of technologies available for these purposes

is also increasing. Research activities in the area of nanotechnology,

but also bio-inspired materials like artificial spider silk are enlarging

the catalogue of materials which come into consideration

for future applications.

In order to assess the future potential and the state of the art

of new material technologies graphically, Bauhaus Luftfahrt uses

so-called material maps. Therein, the characteristic material parameters

are collected and plotted in a meaningful metric.

In lightweight design, combined parameters of Young’s modulus

and density are of special importance. The wall thickness of

a device and the buckling stability can be deduced from such specific

values, for example. In the material map, carbon nanotubes

represent the benchmark for existing materials and their production

processes due to their high theoretical potential.

At Bauhaus Luftfahrt, the extensive future technology analysis

of new materials is further enhanced by additional complex

metrics such as production costs or functional figures of merit.

30

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

R

R R R

C

H

O

C

H

O

C

H

O

C

H

O

C

C

N

C

N

C

N

C

N

C

N

C

N

C

N

C

N

O

C

H

O

C

H

O

C

H

O

C

H

R R R R

H

R R R R

O

H

O

H

O

H

O

C

N

C

C

N

C

C

N

C

C

N

C

C

N

C

C

N

C

C

N

C

C

N

C

C

O

H

H

H

H

O

O

O

R R R R

R = H 1

Glycin (Gly oder G) R = CH 3

Alanin (Ala oder A)

Ausschnitt aus einem Spinnenseidenprotein mit einer faltblattähnlichen Sekundärstruktur: Dieses Strukturmotiv tritt in Spinnenseide wiederholt als strukturverstärkendes

Element auf und verhilft dem Material zu einer enorm hohen Reißfestigkeit in Relation zum Gewicht.

Detail of a spider silk protein depicting its folding secondary structure: This configuration occurs repeatedly in spider silk as a reinforcing element and is responsible

for the material's unusually high tensile strength in relation to its weight.

σ/ρ (MPa/g/cm³)

1,000,000

100,000

nanotubes

10,000

diamond

aluminium

2024

kevlar

1,000

spider silk

carbon fibers

100

polymer resins + alumina (Al ²

O ³

)

wood // grain

steel

titanium

10

wood ┴ grain

1

1 10 100 1,000 10,000

E/ρ (GPa/g/cm³)

Materialkarte aus dem Bauhaus Luftfahrt: Carbon-Nanoröhren gelten als Maßstab in der Auftragung von spezifischer Festigkeit (σ / ρ) gegen den spezifischen

Elastizitätsmodul (E/ρ), die sehr aussagekräftig ist für die Eignung neuer Materialien im Leichtbau von Flugzeugteilen.

Material map developed at Bauhaus Luftfahrt: Carbon nanotubes show the benchmark for the specific strength (σ / ρ) versus specific modulus (E / ρ) plot, a valuable

metric with regard to the suitability of novel materials for lightweight aircraft structures.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 31


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Neue Wege für innovative Lösungsansätze

New ways for innovative solutions

32

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 33


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

34

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Visionäre Flugzeugkonzepte:

Innovative Lösungen für ambitionierte Ziele

Visionary Aircraft Concepts:

Innovative solutions for ambitious goals

Sehr geehrte Damen und Herren,

auch im Jahr 2012 wurden viele Ansätze zu fortschrittlichen

technischen Lösungen präsentiert. Unter der Berücksichtigung

sowohl der von der Industrie gesetzten Ziele als auch der ACARE

Strategic Research & Innovation Agenda (SRIA) konzentrierten

sich diesmal viele Forschungen auf die Bereiche Flugzeugzelle,

Systeme und Antriebe und schlossen sowohl Energiesysteme

als auch Einflüsse auf den Betriebsablauf mit ein.

Ein Beispiel sind sogenannte „verteilte“ Antriebe. Dieser

Ansatz führt zu einer direkten Integration der Vortriebserzeugung

in die Flugzeugzelle, die mit einer signifikanten Effizienzsteigerung

einhergeht. Derartige Verbesserungen lassen sich

nur durch Systemoptimierungen auf multi-disziplinärer Ebene

realisieren. Die Integration dieser Systemlösung auf Gesamtflugzeugebene

erfordert ein ganzheitliches Wissen, welches

weit über den bekannten multidisziplinären Optimierungsansatz

hinausgeht. Zum Beispiel erfordert ein elektrisch angetriebenes,

emissionsfreies Flugzeug nicht nur die Kopplung von Aerodynamik,

Antrieben, Systemen und Zelle, sondern auch eine

Strategie für die Elektrifizierung einzelner Komponenten und

Subsysteme. Solche Integrationsstudien müssen wiederum in

Bezug auf eine Vielzahl von Anforderungen seitens der Ökonomie,

des Flugbetriebs, der Zuverlässigkeit und der Akzeptanz bei

Fluggesellschaften und Passagieren bewertet werden.

Im Bereich neuer Systeme wurden 2012 zudem viele weitere

Themenfelder bearbeitet: Flugzeugkabine und Bodenabfertigung,

neuartige Gasturbinen und hybride Antriebe, adaptive

Strukturen sowie Methoden zur Abschätzung der Lebenszykluskosten.

Das Jahrbuch vermittelt einen guten Überblick über

diese vielversprechenden Ansätze zur Erfüllung der Ziele von

Flightpath 2050 und der ACARE SRIA.

Dear Sir or Madam,

the year 2012 provided many opportunities to reflect, consolidate

and apply renewed focus concerning research into

advanced engineering solutions. Taking cues from industry

and utilising the ACARE Strategic Research & Innovation

Agenda (SRIA) as a guide, categories of Airframe, Propulsion

and Power, and, Airline Operations were examined.

One example is that of distributed propulsion, an approach

that tightly couples propulsion and airframe with a

potential to realise significant vehicle efficiency gains. The

most effective manner in bringing such concepts to fruition

is by performing systems optimisation at a multi-disciplinary

level. Integrating such a system solution into an operational

concept requires expertise well beyond the multidisciplinary

design and optimisation of a technical system. For instance,

an in-flight, zero-emission concept not only requires

aero-propulsion-systems-airframe coupling, but also, for the

electrification strategies towards technical feasibility, related

to components and sub-systems, need to be generated. This

performance outcome then needs to be gauged against a set

of requirements that address economics, operability, dispatchability

and airline / passenger appeal.

Within the overarching search for novel system solutions

a variety of other research topics also were covered in

2012: cabin and ground servicing; gas-turbines and hybrid

propulsion; adaptive structures; and, life-cycle cost prediction

methods. The yearbook provides a good overview of possible

approaches in delivering Flightpath 2050 and SRIA goals.

Ihr / Your

Dr. Askin T. Isikveren

Leiter Visionäre Flugzeugkonzepte /

Head of Visionary Aircraft Concepts

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 35


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Der Ce-Liner:

Vom interdisziplinären

Gruppen-Designprojekt zur

Konzeptstudie eines potenziell

emissionsfreien Airliners

The Ce-Liner:

From an interdisciplinary

group design project to the

concept study for a potentially

emission-free airliner

Im seinem Jahrbuch 2011 hat das Bauhaus Luftfahrt bereits umfassend

das Gruppen-Designprojekt Concept 002 behandelt,

an dessen interdisziplinärer Entwicklung erstmals alle vier Forscherteams

der Institution beteiligt waren. Im Laufe des Jahres

2012 wurde das Projekt konsequent zu einer detaillierten Konzeptstudie

für ein potenziell emissionsfreies Fluggerät weiterentwickelt:

den Ce-Liner, der im September 2012 auf der Internationalen

Luft- und Raumfahrtausstellung (ILA) in Berlin erstmals der

Öffentlichkeit vorgestellt wurde.

Im Ce-Liner setzte das Bauhaus Luftfahrt die in Concept 002

ermittelten Technologien und Anforderungen des Jahres 2035 in

ein kompaktes Großraumflugzeug um, das von zwei elektrischen

Triebwerken am Heck angetrieben wird. Ein weiteres auffälliges

Merkmal des Ce-Liners ist der markante C-Flügel (siehe Seite 42).

Dieser erlaubt eine hohe aerodynamische Effizienz, die zur teilweisen

Kompensation der höheren Masse des Flugzeugs, bedingt

durch die Batterien, benötigt wird.

Diese Konfiguration ermöglicht dem Ce-Liner die in Concept

002 geforderte Reichweite von 900 nautischen Meilen (1.667 Kilometer)

und eine Reisefluggeschwindigkeit von Mach 0,75 (808

Kilometer pro Stunde) in einer Flughöhe von 33.000 Fuß (zehn Kilometer).

Die notwendige Crew besteht aus zwei Piloten und fünf

Besatzungsmitgliedern in der Kabine. Diese wurde in der Basisvariante

in einer Ein-Klassen-Bestuhlung mit Platz für 189 Passagiere

ausgelegt, wobei das Familienkonzept des Ce-Liners sowohl eine

verlängerte Version für bis zu 233 Passagiere als auch eine verkürzte

Variante für 140 Passagiere vorsieht.

Die größte Neuerung des Ce-Liners im Vergleich zu heutigen

Verkehrsflugzeugen liegt in seinem elektrischen Antrieb, mit dem

die in Concept 002 zugrunde gelegten Emissionsziele von Flightpath

2050 sogar übertroffen werden könnten. Zwei ummantelte

Fans werden durch Hochtemperatur-supraleitende Elektromotoren

angetrieben, deren Energie allein aus fortschrittlichen Lithium-

Ionen-Batterien stammt und mittels einer sogenannten universellelektrischen

Systemarchitektur (UESA, siehe Seite 46) verteilt wird.

Die notwendige Energiedichte der Batterien wurde in Concept 002

mit 2.000 Wattstunden pro Kilogramm angenommen, was

In its 2011 yearbook, Bauhaus Luftfahrt has already outlined the

comprehensive contributions of all four research groups to the

development of a first interdisciplinary group design project, then

internally designated as Concept 002. Over the course of 2012, this

project consequently evolved in a detailed concept study towards

a possible zero-emission aircraft solution. It was given the name

Ce-Liner when it was publicly presented for the first time during

ILA Berlin Air Show in September 2012.

In the Ce-Liner concept, Bauhaus Luftfahrt implemented

both the requirements and the technologies identified in Concept

002 for the year 2035 into a wide-body aircraft propelled by

two electric engines mounted on the rear fuselage. Another eyecatching

feature of the Ce-Liner is its prominent C-wing design

(see page 42) that ensures high aerodynamic efficiency, one of the

key requirements to partly compensate for the significantly higher

weight of an all battery-powered electric aircraft.

The proposed configuration allows the Ce-Liner to meet the

performance requirements defined in Concept 002: a range of 900

nautical miles (1,667 kilometres), a cruising altitude of 33,000 feet

(ten kilometres) and a cruise speed of Mach 0.75 (808 kilometres

per hour). The required onboard personnel would consist of two

pilots and five cabin crew for the standard version seating 189

passengers in an all-economy class layout. Moreover, a stretched

version for up to 233 passengers and a shortened version for 140

passengers have also been considered by Bauhaus Luftfahrt.

The most significant novelty of the Ce-Liner lies in its all-electric

propulsion system which enables the concept to potentially

exceed even the ambitious emission targets of Flightpath 2050

considered to be the main requirements behind Concept 002. Its

two ducted fans are driven by high-temperature superconducting

electric motors fed through a universally electric systems architecture

(UESA, see page 46) with energy from advanced lithium-ion

batteries. The required energy density for the latter was estimated

with 2,000 Watt-hours per kilogram, roughly eight to ten times as

much as state-of-the-art batteries achieve today. A number of battery

modules would be installed in specially adapted LD3 cargo

> containers, the so-called Charge Carrying Containers (3C). >

36

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Der Ce-Liner im Flug (Computergrafik): Mit diesem Flugzeugkonzept eröffnet das Bauhaus Luftfahrt seine Vision eines potenziell emissionsfreien Verkehrsflugzeugs

für das Jahr 2035.

Ce-Liner in flight (computer rendering): The unique concept resembles Bauhaus Luftfahrt's vision for a potentially emission-free airliner in the year 2035.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 37


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Self-trimming, non-planar C-wing

» Designed according to limited ground space

requirements (ICAO Annex 14 Code C)

» Reduced formation of wake vortices

» High lift-to-drag ratio

» Innovative flight controls and logic

» No horizontal tail required

Continuous window belts

» Transparent and stressed structures

» Novel experience for passengers

Electric propulsion system

» High-temperature superconducting

(HTS) electric motors

» Integrated cryocooler

» Reversible rotation for thrust reverse

» Silent Advanced Ducted Fans (SAFE)

» Translating nozzle plug

Power electronics and supply

» Direct current (DC) power supply systems

» Alternate current (AC) engine controllers

» Solid State Power Controller (SSPC)

» Converter 3000V-540V DC (subsystems)

» Direct current (DC) actuator controllers

Actuation systems

» Electric mechanical actuators

» Redundancy according to ETOPS

requirements

Charge Carrying Containers (3Cs)

» Specially modified containers, dimensions and

handling like conventional LD3 cargo containers

» Advanced lithium-ion battery technology

» Capacity: 2000 Wh / kg

» Replaced, not recharged during turnaround

Cabin layout

» Widebody cabin in twin-aisle configuration

» Seven-abreast seating (2-3-2)

» Sideward folding seats for boarding flexibility

and increased passenger comfort

» Centre door for rapid boarding / deboarding

Technische Höhepunkte des Ce-Liner-Konzepts: Die Wissenschaftler des Bauhaus Luftfahrt haben ihr Augenmerk nicht allein auf die universell-elektrische

Systemarchitektur und die aerodynamisch optimierte Flugzeugzelle gelegt, sondern ganz bewusst auch Ideen zur Verbesserung des Flugerlebnisses für die Passagiere

einfließen lassen. Letztere profitieren unter anderem von großflächigen Fenstern und einem innovativen Sitzkonzept.

Technical highlights of the Ce-Liner concept: Researchers at Bauhaus Luftfahrt not only placed emphasis on the universally-electric systems architecture and an

aerodynamically optimised airframe, they also kept an eye on the passengers' experience that benefits from large-scale windows and an innovative seating concept.

38

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

dem Acht- bis Zehnfachen heutiger Batterietechnik entspricht.

Die einzelnen Module der Batterien würden in speziell angepasste

LD3-Frachtcontainer, die sogenannten Charge Carrying Containers

(3C), integriert.

Die Flugsteuerung des Ce-Liners beinhaltet ein fortschrittliches

Fly-by-Wire-System zur Einhaltung der zulässigen Flugbereichsgrenzen.

Dazu trägt auch der neuartige, selbst trimmende

Flügel bei, der sich im Vergleich zu heutigen Flugzeugen stärker

aktiv verformen und somit optimal an verschiedene Flugzustände

anpassen kann, das sogenannte Morphing (siehe Seite 42).

Um Bodenstandzeiten von weniger als 30 Minuten zu garantieren

und gleichzeitig die großen Batterien unterzubringen, wurde

für den Ce-Liner ein besonders breiter Rumpfquerschnitt gewählt.

Dieser ermöglicht eine Passagierkabine mit zwei Gängen und die

Unterbringung von sieben Sitzen in einer Reihe. Im Unterdeck fänden

jeweils zwei 3C- oder LD3-Container nebeneinander Platz.

Zudem flossen die im Rahmen von Concept 002 ermittelten

veränderten Passagieranforderungen im Jahr 2035 in die Auslegung

der Kabine ein. Diese trägt somit nicht nur den steigenden

Körpergrößen und Durchschnittsgewichten der Fluggäste Rechnung,

sie wartet auch mit einigen interessanten technischen

Neuerungen auf. Mithilfe eines flexiblen Sitzkonzepts könnte der

Ce-Liner zum einen den Boardingprozess hocheffizient gestalten

(siehe Seite 74). Zum anderen bietet das Konzept der faltbaren Sitze

bei einem geringen Sitzladefaktor auch ein enormes Potenzial

in der Steigerung des Passagierkomforts, der den Passagieren zusammen

mit der spektakulären Aussicht durch großflächige Fensterbänder

ein völlig neues Flugerlebnis vermitteln könnte.

In seinem möglichen zukünftigen Marktumfeld müsste der

Ce-Liner jedoch nicht nur attraktiv für die Fluggäste sein, sondern

auch Luftfahrtbehörden zufriedenstellen und die kostensensitiven

Fluggesellschaften von einer Investition überzeugen. Den größten

Anteil an den Betriebskosten haben auch beim Ce-Liner die

Energiekosten, hier in Form von Elektrizität. Mit Hilfe von Studien

Flight control of the Ce-Liner would consist of an advanced

fly-by-wire system with full flight envelope protection. Another important

aspect is its novel, self-trimming wing that unlike today's

aircraft generation constantly adapts its shape to varying flight conditions

utilising so-called morphing techniques (see page 42).

To ensure the 30 minute turnaround time defined in Concept

002 and to provide enough storage for the large battery packs,

the Ce-Liner was designed to have a comparably large fuselage

cross-section. This allows for a cabin with seven-abreast seating

in a twin-aisle configuration. The cargo deck below would offer

enough room for two 3C or LD3 containers positioned side by side.

The Ce-Liner’s cabin configuration was also strongly influenced

by the passenger requirements determined in Concept 002.

Thus, it is not only designed to account for the increased body

dimensions and weight of travellers in 2035 and their baggage but

it also features technical innovations. These can, on the one hand,

be found in the flexible seat concept potentially speeding up the

boarding process by temporarily providing additional aisle space

(see page 74). On the other hand, the idea of sideward folding

seats provides opportunity to increase passenger comfort in case

the load factor is less than 100 percent. In combination with the

spectacular view through the Ce-Liner’s panoramic window belts,

this feature could offer passengers an entirely new flying experience.

However, in its potential future market, the Ce-Liner would

not only have to win over passengers’ appeal, but it would also

have to convince regulatory authorities and cost-sensitive decision-makers

in the airline business. With the Ce-Liner, too, the

largest share on operating cost is represented by energy expenses,

in this case electrical energy. Based on a comparison of future

electricity prices to those of fossil-oil based fuels, researchers at

Bauhaus Luftfahrt have estimated a cost-neutral operation of an

electric airliner in comparison with an evolutionary development of

today`s aircraft technology. Moreover, the Ce-Liner might benefit

über zukünftige Strompreise im Vergleich zu erdölbasierten > from an exclusion from environmental surcharges, which for >

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 39


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Kraftstoffen konnte das Bauhaus Luftfahrt abschätzen, dass ein

kostenneutraler Betrieb für das Jahr 2035 im Vergleich zu einer

evolutionären Weiterentwicklung heutiger Flugzeugtechnologien

möglich wäre. Zusätzlich böte der Ce-Liner eventuell den Vorteil,

dass für seinen emissionsfreien Betrieb keine zusätzlichen Umweltgebühren

anfallen würden, beispielsweise am Flughafen oder

durch das Europäische Emissionshandelssystem.

Mit der Präsentation der Ergebnisse des Gruppendesignprojektes

fördert das Bauhaus Luftfahrt die öffentliche Diskussion um

eine mögliche zukünftige Elektromobilität in der Luftfahrt und eröffnet

zahlreiche neue Möglichkeiten zur Zusammenarbeit mit der

Industrie und der Forschung. Die überaus positive Resonanz aus

Wissenschaft, Luftfahrtbranche, Presse und breiter Öffentlichkeit

im Rahmen der öffentlichen Ausstellung des Ce-Liner-Konzepts auf

der ILA bestärkt das Bauhaus Luftfahrt zudem, weitere interdisziplinäre

Entwurfsprojekte zur Luftfahrt der Zukunft zu erarbeiten und zu

präsentieren.

example could be levied at airports or by the European emissions

trading scheme.

With the dissemination of the group design project's results

in industry, academia, media and general public, Bauhaus Luftfahrt

aims to actively drive the discussion of a possible future for

electro-mobility in aviation and to open up new possibilities for

cooperation. The overwhelmingly positive feedback received during

the public exhibition of the Ce-Liner at ILA Berlin Air Show has

strongly encouraged the researchers to proceed with the further

development and presentation of novel interdisciplinary concepts

for future air travel.

Messestand von Bauhaus Luftfahrt auf der Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung (ILA): Der Ce-Liner wurde im September 2012 in Berlin erstmals

öffentlich ausgestellt und stieß dort auf eine durchweg positive Resonanz.

Exhibition booth of Bauhaus Luftfahrt at the ILA Berlin Air Show: The Ce-Liner concept was publicly presented for the first time in September 2012 and received

overwhelmingly positive feedback.

40

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 41


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Untersuchung adaptiver

Systeme selbstgetrimmter,

nicht planarer Flügel

Preliminary investigation of

self-trimming, non-planar

wings using adaptive utilities

Das Ce-Liner-Konzept des Bauhaus Luftfahrt fällt optisch vor

allem durch seinen ungewöhnlichen C-Flügel auf, der die aerodynamische

Effizienz des gesamten Flugzeugs für alle Flugphasen

verbessert und optimiert. Der C-Flügel besitzt drei nicht planar angeordnete

Elemente, bestehend aus einem Seitenflügel und einem

oberen Flügel, die an der Spitze des Hauptflügels montiert sind.

Diese Konfiguration ermöglicht den Verzicht auf ein Höhenleitwerk

und bietet damit eine Möglichkeit zur signifikanten Reduktion

des Gesamtwiderstands und des Gewichts eines Flugzeugs.

In der Konsequenz muss der C-Flügel eine ausreichende statische

Längsstabilität und Steuerbarkeit ausschließlich durch seine innovative

nicht planare Flügelform garantieren. Inspiriert davon

haben Forscher am Bauhaus Luftfahrt einen selbstgetrimmten

Flügel entworfen. Weiter wurden adaptive Systeme in Form des

sogenannten Morphings eingeführt, um die vorhandenen Systemfunktionalitäten

zu verstärken und die Effizienz und Autorität für

Stabilität und Steuerung zu verbessern.

Im Grunde genommen besteht die Funktion des nicht planaren

Flügels nicht nur in der Sicherstellung der statischen Längsstabilität

sondern auch in der Längstrimmung im Langsam- und

Reiseflug. Weiter muss er eine ausreichende Steuerautorität beim

Abheben und bei der Landung sowie beim Durchstarten mit maximalem

Schub liefern. Seine Längs- und Rollachse sind gekoppelt,

was bedeutet, dass der obere Flügel die Rollsteuerung über eine

Kopplung mit den Querrudern und den äußeren Bremsklappen unterstützt.

Der obere Flügel ist als komplett bewegliche Fläche mit

kontinuierlicher Hinterkantenklappe ausgeführt, ähnlich wie ein

sogenannter Stabilator, bei dem das gesamte Höhenleitwerk als

Steuerfläche dient. Diese Auslegung liefert aber zusätzlich zur Stabilator-Funktion

noch vier zusätzliche Freiheitsgrade. Zwei dieser

Freiheitsgrade ermöglichen eine aktive Änderung der Verwindung

und der Wölbung und damit eine Möglichkeit zur Optimierung der

aerodynamischen Effizienz für jede Flugbedingung durch Anpassung

des lokalen Auftriebs am oberen Flügel. Einen weiteren Freiheitsgrad

liefert die Möglichkeit, den Hebelarm des oberen Flügels

Bauhaus Luftfahrt's Ce-Liner concept features an unusual

C-wing layout that aims at enhancing and optimising the aerodynamic

efficiency of the whole aircraft for all flight phases and

modes of operation. The C-wing concept is a three-element,

non-planar wing assembly comprising side wings and top wings

mounted at the tip of the main wing. Such a tailless configuration

can provide opportunities due to the absence of a conventional

horizontal empennage to significantly reduce the overall drag and

weight of the aircraft. As a consequence, the tailless aspect of this

design implies that the whole wing system must be capable of

guaranteeing satisfactory longitudinal stability and control relying

only upon this innovative, compound, non-planar wing planform.

Inspired by this challenge, researchers at Bauhaus Luftfahrt proposed

the notion of procuring a self-trimming wing solution. To

further enhance the C-wing`s system-inherent attributes, adaptive

utilities in the form of morphing systems were suggested in order

to augment existing wing functionalities, and to improve the extent

of efficiency and authority for stability and control purposes.

Specifically, the function of the non-planar wing is to provide

static stability in pitch and trim for low-speed and high-speed operations,

and to ensure adequate control authority for situations

such as take-off rotation, de-rotation during landing and full-thrust

go-around manoeuvres. Pitch and roll axes are cross-coupled,

hence the top wing is intended to augment roll control through

an inter-connection with ailerons and outboard wing spoilerons.

The top wing is an all-moving surface with a plain trailing

edge flap that is akin to a stabilator. Also, it is designed as an active

poly-morphing device that can deliver four additional degrees

of freedom to that of the stabilator-like function. Two of these

provide active twist and camber tailoring, thus allowing for opportunity

to optimise the aerodynamic performance for any given

flight condition of the complete non-planar wing through localised

lift customisation of the top wing. Another degree of freedom is

afforded by the ability to manipulate the moment arm of the top

wing through in-line translation (stagger). Beneficial by-products

of this translation feature are the ability to augment the aircraft's

durch horizontale Translation zu ändern. Dies ermöglicht die > neutral point together with the centre of gravity, thereby >

42

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Main wing Top wing Side wing

Beschreibung des Aufbaus eines nicht planaren Flügels: Der Ce-Liner aus dem Bauhaus Luftfahrt ergänzt den Hauptflügel um ein vertikales, seitliches Element, an

dem wiederum der obere, zum Rumpf weisende Flügelteil angebracht ist.

General features of a non-planar C-wing layout: In Bauhaus Luftfahrt's Ce-Liner concept, the main wing`s tip is extended by the vertical side wing which in turn

supports the top wing pointing back to the fuselage.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 43


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Top wing variable sweep

x Main wing - Top wing

Top wing translation

Fixed configuration

Morphing configuration

Studie zum Einsatz von Morphing am nicht planaren Flügel: Das Bauhaus Luftfahrt untersuchte unter anderem kontinuierliche Veränderungen des vertikalen und

horizontalen Abstands zwischen dem oberen Flügel und dem Hauptflügel sowie eine veränderliche Pfeilung des oberen Flügelsegments. Die Ergebnisse zeigten ein

großes Potenzial zur Verbesserung der Handling-Eigenschaften auf.

Benefit analysis of morphing techniques on a non-planar wing: Among other ideas, Bauhaus Luftfahrt investigated continuous variations of the main and top

wing's gap and stagger as well as a variation in the top wing's sweep. The results highlighted a significant potential for an improvement of handling characteristics.

44

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Verschiebung des Neutralpunktes im Verhältnis zum Schwerpunkt

und erleichtert dadurch die Anpassung des Stabilitätsmaßes. Der

letzte Freiheitsgrad ist die Variation des vertikalen Abstands zwischen

dem oberem Flügel und dem Hauptflügel. Durch die horizontale

und vertikale Verschiebung werden die Handling-Eigenschaften,

vor allem während des Langsamflugs und bei Seitenwind,

verbessert.

Der obere Flügel besitzt eine flexible Struktur mit variabler

Steifigkeit, in der elektrostriktive Aktuatoren in einer Fachwerkstruktur

eingebaut sind, welche flexible und bewegliche Befestigungspunkte

aufweist. Die diskrete Hinterkantenklappe des

oberen Flügels wird mit zwei elektromechanischen Aktuatoren

pro Fläche betätigt, um die Steuerbarkeit zu verbessern und eine

Redundanz zu gewährleisten. Wissenschaftler im Bauhaus Luftfahrt

rechnen damit, dass die zukünftigen Bestrebungen nach

elek-trischer Mobilität, mit elektrischer Energie als einziger Quelle

für Kraftübertragung, die Verwendung solcher flexiblen Materialien,

strukturellen Lösungen und neuartigen Aktuatoren unterstützen

werden. Eine mögliche Folge wäre beispielsweise das

Wegfallen der integralen Treibstofftanks im Flügel, was wiederum

das für elektromechanische Aktuatoren verfügbare Volumen im

Flugzeug vergrößert.

facilitating variability in the aircraft`s static margin. The final

degree of freedom involves variation in the gap represented by

the height of the top wing relative to the main wing. The option

to vary gap and stagger is envisaged to improve handling qualities

particularly during low-speed operations and where cross-wind

conditions become unfavourable.

The top wing`s lifting surface design is a variable stiffness,

compliant structural system comprising embedded and specially

designed two-way electro-strictive actuators within a truss arrangement

employing a combination of flexural and articulated

joints. The discrete trailing edge surface of the top wing is actuated

with two electro-mechanical actuators installed on each lifting

surface to augment control and ensure system redundancy.

Researchers at Bauhaus Luftfahrt postulate that the usage of such

advanced materials, unconventional structural morphologies and

novel actuator technologies complements future aspirations of delivering

electro-mobility solutions. Electrical power being the only

source of force transmission could possibly maximise the available

net volume for electro-mechanical actuators on board, as aircraft

would no longer require integral fuel tanks.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 45


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Designbetrachtungen für

universell-elektrische

Flugzeugsystemarchitekturen

Design considerations for

universally-electric aircraft

systems architectures

Um zukünftige, ehrgeizige Umweltziele zu erfüllen, sucht das Bauhaus

Luftfahrt ständig nach neuen Technologien und vielversprechenden

neuen Systemkonzepten. Radikale Ansätze sind erforderlich,

um diese Ziele zu erreichen. Eine mögliche Lösung bietet

das Universal-Electric Aircraft (UEA). Diese Flugzeugkonfiguration

verfügt über ein vollelektrisches Antriebssystem und benötigt eine

universell-elektrische Systemarchitektur (UESA). Die Machbarkeit

und Umsetzbarkeit einer solchen Konfiguration wurde bereits mit

dem Flugzeugkonzept Ce-Liner demonstriert (siehe Seite 36).

Der Aufbau der UESA basiert auf einem herkömmlichen elektrischen

Systemlayout, erweitert um die Schuberzeugung. Jede

UESA lässt sich in fünf Unterkategorien aufteilen: Leistungserzeugung;

Energiespeicherung; Leistungsmanagement und -verteilung;

sowie in primäre und sekundäre Verbraucher. Ferner umfasst

diese Architektur nun ein Hoch-, Mittel- und Niederleistungssegment.

Das Hochleistungssegment beinhaltet das Antriebssystem

einschließlich der elektrischen Motoren und der Hochleistungselektronik.

Die Sekundärverbraucher (Mittel- und Niederleistungssysteme)

repräsentieren alle erforderlichen elektrischen Systeme

und die konventionelle Avionik. Diese Subsysteme werden weiter

in diverse Gruppen unterteilt, je nach ihrer Bedeutung während

des Fluges. Diese Aufteilung ermöglicht in einem Notfall eine

Trennung von nicht essentiellen Verbrauchern, um die Gesamtsystemlast

zu reduzieren. Darüber hinaus ist die gesamte UESA durch

Hochleistungsschalter, sogenannte Solid State Power Controller

(SSPC), geschützt, die fehlerhafte Komponenten vom restlichen

System isolieren können. Dieser vorgeschlagene Aufbau und die

modulare Integration der Komponenten ermöglicht auch die Kreuzkopplung

zwischen den installierten Systemen. Eine intelligente

und optimierte Verschaltung kann die Redundanz deutlich erhöhen,

bei gleichzeitig geringerer Anzahl der erforderlichen Komponenten

und damit der Systemmasse.

Bei Berücksichtigung einer UESA im Flugzeugvorentwurf

ergeben sich zusätzliche Freiheitsgrade bei der Auslegung eines

Flugzeugs. Der wesentliche Unterschied im Vergleich zu einem

herkömmlichen Flugzeug sind die entkoppelten Leistungs- und

Schuberzeugungssysteme. In einem herkömmlichen System

In order to fulfil ambitious future environmental targets, Bauhaus

Luftfahrt is constantly searching for new technologies and

promising novel system designs. Radical approaches are required

to reach such targets and one possible solution was identified with

the Universally-Electric Aircraft (UEA). This aircraft configuration

includes a fully electric propulsion system and requires a Universally-Electric

Systems Architecture (UESA). The feasibility and capabilities

of such a configuration have already been demonstrated

with the Ce-Liner aircraft concept (see page 36).

The design of the UESA is based upon a conventional electric

system layout extended to include a propulsion system. Each

UESA can be partitioned into the typical set of five sub-categories:

power generation; energy storage; power management and distribution;

as well as in primary and secondary power consumers.

Furthermore, this architecture includes a high, medium and low

power segment. The high power segment represents mainly the

propulsion system including electric motors and high power electronics.

The secondary power consumers (medium and low power

segment) include all required electrical systems and conventional

avionics. These subsystems are further allocated to different

groups according to their importance during flight operation.

This allocation allows disconnection of non-essential components

in case of a failure in order to reduce the total power demand.

Moreover, the entire UESA is protected by high power switches, so

called Solid State Power Controllers (SSPC), which would isolate

damaged components from the rest of the electrical system. This

proposed design of the UESA and the modular integration of the

components also enable cross-coupling between the installed systems.

An intelligent and optimised system interconnection can significantly

increase the system redundancy whilst simultaneously

minimising the bill of material and the system mass.

Considering an integrated UESA in conceptual design results

in additional degrees of freedom for sizing an aircraft. The major

difference compared to conventional aircraft are the decoupled

power and thrust generation systems. In a conventional system

both functions are fulfilled by a gas turbine. In UEA,the thrust

> generation system is currently taken over by a propeller or fan, >

46

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Propulsion system

Subsystems

Avionics

AC DC

GPU

AC DC

540 VDC non-essential

28 VDC non-essential

SSPC

SSPC

SSPC

SSPC

BTB

Motor Bus

SSPC

DC DC

540 VDC essential

SSPC

DC DC

28 VDC essential

SSPC

SSPC

SSPC

BTB

SSPC

SSPC

SSPC

Hot. Bat

SSPC

SSPC

SSPC

DC DC

DC DC

28 VDC vital

BTB

BCU

BCU

BCU

BCU

540 VDC flight controls

SSPC

540 VDC flight controls

SSPC

SSPC

BCU = Battery control unit

BTB = Bus type breaker

BCU

BCU

Detaillierung einer Systemarchitektur: In einer vom Bauhaus Luftfahrt entwickelten universell-elektrischen Auslegung werden alle Bestandteile verschiedenen

Untergruppen zugewiesen und untereinander verbunden, um eine hohe Redundanz zu gewährleisten.

Detailed system architecture design: In Universally-Electric Systems Architectures developed by Bauhaus Luftfahrt all components are allocated to different groups

and are cross-connected to ensure high redundancy.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 47


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Battery module concept 1

Cell 1 Cell 2 ... Cell n

Cell 1

Battery module concept 2

Cell 2

...

Cell m

Cell 1.1

Cell 1.2

Cell 1.m

Battery module concept 3

Cell 2.1

Cell 2.2

...

Cell 2.m

... ... ...

Cell n.1

Cell n.2

Cell n .m

Kombinatorik von Energiespeichern: Das Bauhaus Luftfahrt untersucht verschiedene Verschaltungen von Batterien und ermittelt ihre Auswirkungen auf eine

universell-elektrische Systemarchitektur.

Energy storage combinatorics: Bauhaus Luftfahrt investigates different battery cell interconnections and assesses their impact on a Universally-Electric Systems

Architecture.

48

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

werden beide Funktionen von Gasturbinen übernommen.

In einem UEA wird der Schub derzeit von Propellern oder Fans erzeugt,

die durch fortschrittliche Elektromotoren angetrieben werden.

Für die Energiebereitstellung kommen hauptsächlich Brennstoffzellen

oder Batterien zum Einsatz, die das System mit der erforderlichen

elektrischen Energie versorgen. Batterien übernehmen hierbei die

doppelte Funktion der Stromerzeugung und Energiespeicherung und

ermöglichen darüber hinaus einen komplett emissionsfreien Flug.

Das Bauhaus Luftfahrt hat im Jahr 2012 seine Simulationsund

Optimierungsfähigkeiten universell-elektrischer Systeme auf

die Komponentenebene und um ihren Einfluss auf die Gesamtarchitektur

erweitert. Beispielsweise wird die Modulkonfiguration

der Batteriepacks für ein gegebenes Missionsprofil optimiert. Die

treibenden Parameter für solche Optimierungen sind hauptsächlich

die Systemeffizienz und -masse für eine bestimmte Anzahl von installierten

Batteriezellen. Diese Packs sind so ausgelegt, dass elektrochemische

Grenzen der Zellen, wie ihre maximale Entladeschwelle,

berücksichtigt werden. Außerdem können unterschiedliche Entladecharakteristiken

verschiedener Batterietypen analysiert werden,

um den besten Batterietyp für eine erforderliche Anwendung

zu identifizieren.

which is powered by advanced electric motors. Power is mainly

generated by fuel cells or batteries, which are able to supply the

system with the required electrical power. Batteries have the dual

capability of power generation and energy storage. Furthermore,

batteries could reduce inflight emissions to zero.

Bauhaus Luftfahrt in 2012 has increased its simulation and

optimisation capability of such systems also at component level

and in regard to the identification of their impact to the entire

architecture. For example, the module configuration of the battery

packs is optimised for a given mission profile. The driving

parameters of such optimisations are mainly the overall electrical

system efficiency and system mass for a certain number of installed

battery cells. The battery packs are designed in such a way

that electro-chemical boundaries of the battery cells, like maximum

discharge threshold, are considered. Furthermore, different

discharge behaviours of various battery types can be analysed to

identify the best battery type for a required application.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 49


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Elektrische Flugantriebe:

Metriken für den Vergleich

mit Gasturbinen

Electric propulsion systems:

Metrics for comparison with

gas turbines

Vor dem Hintergrund der Flightpath 2050-Ziele der Europäischen

Kommission und der Fortschritte wichtiger elektrischer Technologien

wurde eine zukunftsweisende Vorkonzeptstudie am Bauhaus

Luftfahrt durchgeführt, um die theoretischen Potenziale bei der

Realisierung elektrisch basierter Flugantriebe in der Zukunft zu

identifizieren. In einer Reihe erster Studien wurde das Konzept

elektrisch angetriebener Fans mit fortschrittlicher Gasturbinentechnologie

auf Ebene des Energie- und Antriebssystems sowie

auf Flugzeugebene gegenübergestellt. Für einen konsistenten

Vergleich der konventionellen und der elektrisch angetriebenen

Antriebe wurden einheitliche Definitionen für die Systemgrenzen

und Kontrollvolumina sowie die beteiligten Wirkungsgradketten

eingeführt.

Konventionelle Flugantriebssysteme, beispielsweise Turbofan-

oder Turboprop-Triebwerke, sind durch den spezifischen

Kraftstoffverbrauch (TSFC) vergleichbar, der als Verhältnis von

Brennstoffmassenstrom und Netto-Schub definiert ist. Für eine

Untersuchung elektrisch basierter Antriebssysteme ist die TSFC-

Metrik aber nicht geeignet. Daher wurde eine Erweiterung der

TSFC-Metrik vorgeschlagen, nämlich die Schubspezifische Leistungsaufnahme

(TSPC), welche die von der Energiequelle zugeführte

Leistung auf den produzierten Netto-Schub bezieht. Die

TSPC-Metrik ist unabhängig von der Art der Leistung, etwa des

Brennstoffenergiestroms oder der elektrischen Leistung, und beinhaltet

die komplette Wirkungsgradkette des Energie- und Antriebssystems.

Bei herkömmlichen Antrieben kann TSPC durch den

Heizwert des Brennstoffs direkt mit dem klassischen TSFC in Bezug

gesetzt werden.

Für eine Antriebssystembewertung auf Flugzeugebene wurde

die bekannte Metrik der Spezifischen Reichweite (SAR) zur

Energiespezifischen Reichweite (ESAR) erweitert. Die ESAR-Metrik

beschreibt die Änderung der Flugzeugreichweite pro verbrauchter

Energieeinheit statt pro Einheit verbrauchter Kraftstoffmasse.

Somit stellt sie eine bequeme Gütezahl für Flugzeugstudien mit

unterschiedlichen Energieformen dar.

Mit Hilfe der TSPC- und ESAR-Metriken kann das Bauhaus

In the context of the European Commission`s Flightpath 2050

goals and the observed progress and perspectives in key electrical

technologies, Bauhaus Luftfahrt performed a forward-looking, preconcept

review in order to identify the theoretical potentials in realising

electrically based aircraft propulsion in the future. In an array

of initial studies, the concept of electrically driven ducted fans

was compared and contrasted to advanced gas turbine technology

at the energy, propulsion system and aircraft level. For a consistent

treatment of the conventional and the electrically driven power

plant architectures, unified definitions for the system control volumes

and the efficiency chains involved were introduced.

Conventional flight propulsion systems like turbofan or turboprop

type power plants can be compared by measuring the Thrust

Specific Fuel Consumption (TSFC) which is defined as the ratio

of fuel flow and net thrust. When performing an assessment for

electrically based propulsion systems, the TSFC metric is no longer

appropriate. Therefore, an enhancement of the TSFC metric was

proposed, namely, the Thrust Specific Power Consumption (TSPC)

which directly relates the power supplied by the energy source

to the net thrust produced. The TSPC metric is independent from

the type of power, that is fuel energy flow or electrical power, and

incorporates the complete efficiency chain of the energy and propulsion

system. In case of conventional heat engine cycles, TSPC

can be directly correlated to TSFC through the fuel heating value

property.

For propulsion system assessments at aircraft level, the wellknown

Specific Air Range (SAR) metric was extended to an Energy

Specific Air Range (ESAR). The ESAR metric is simply defined as

the change of aircraft range per expended unit of energy instead

of unit mass of fuel, and thus, represents a convenient figure of

merit for aircraft-level studies involving different types or mix of

energy.

Using the TSPC and ESAR metrics, Bauhaus Luftfahrt investigated

the efficiency characteristics of an Electrical Fan (EF)

concept relative to advanced turbofan technology. At flow path

sizing conditions, the EF concept showed a TSPC improvement 43

Luftfahrt die Effizienzeigenschaften eines Elektrofan-Konzepts > percent over an advanced direct drive turbofan and 39 per- >

50

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

V 0

Turbofan

Gas turbine

Fan and drive

system

Electric motor

Electric fan

Control volumes

Efficiencies

TSPC =

V 0

Power supply system

n ec

Energy conversion efficiency

n ec · n tr· n pr

Power transmission system

n tr

Transmission efficiency

Propulsion system

n pr

Propulsion efficiency

Die im Jahrbuch 2011 eingeführte Schnittdarstellung der konventionellen und elektrischen Triebwerksarchitektur ist hier durch anschauliche Darstellung

der den einzelnen Systemwirkungsgraden zugehörigen Kontrollvolumina ergänzt: Die Schubspezifische Leistungsaufnahme (TSPC) kann mit Hilfe dieser

Wirkungsgrade unmittelbar berechnet werden und bietet somit eine aussagekräftige Vergleichsmöglichkeit für diese sonst völlig unterschiedlichen Antriebskonzepte.

The sectional view of conventional and electrically driven engine architectures introduced in the yearbook 2011 has been amended by a demonstrative

depiction of system control volumes and their respective efficiencies: The latter allow for a direct calculation of the Thrust Specific Fuel Consumption (TSPC) as a

meaningful metric for the comparison of these two completely different propulsion concepts.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 51


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

TSPC [W/N]

650

600

Bypass ratio = 18

DD-TF

16

14

13

12

11

10

10

550

G-TF

Bypass ratio = 40

30 25

20 18

16

14

12

500

450

- 39 % - 43%

400

Fan diameter = 5.53m

1.97 m

1.82 m

Electric fan

2.17 m

350

3.59 m

2.86 m

2.45 m

0 20

40

60 80 100 120 140 160 180 200 220

Design-specific thrust (F N/W des

) [m/s]

Study settings

Streamtube sizing thrust 30kN

Conditions: ISA, MO.78, 35,000 feet

Fan polytropic efficiency: 0.94

Das Bauhaus Luftfahrt hat fortschrittliche direkt angetriebene Turbofan- (DD-TF), Getriebefan- (G-TF) und elektrisch angetriebene Fan-Architekturen in

Bezug auf ihre Schubspezifische Leistungsaufnahme (TSPC) miteinander verglichen: Das Ergebnis verdeutlicht das hohe Einsparpotenzial des Elektro-Fans, der

im Vergleich der jeweiligen Optima zwischen 39 und 43 Prozent weniger Leistung zur Erzeugung des gleichen Schubs benötigen würde.

Bauhaus Luftfahrt compared advanced direct-driven Turbofan (DD-TF), geared Turbofan (G-TF) and electrically driven fan architectures with regard to their

Thrust Specific Power Consumption (TSPC): The results indicate the high savings potential of the electric fan which in comparison of the respective optima would

require between 39 and 43 percent less power to generate the same amount of thrust.

52

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

(EF) mit fortschrittlicher Turbofan-Technologie vergleichen. Bei Auslegungsbedingungen

des Strömungskanals zeigte das EF-Konzept

eine TSPC-Verbesserung von 43 Prozent gegenüber einem fortgeschrittenen,

direkt angetriebenen Turbofan sowie eine 39-prozentige

Verbesserung gegenüber einem fortgeschrittenen Getriebefan.

Die Eigenschaften des EF-Konzepts deuten auf mögliche weitere

Lärmsenkungspotenziale hin, noch über jene von fortschrittlichen

Turbofan-Triebwerken hinaus. Die optimale Flugleistung, das heißt

die maximale ESAR, eines universell-elektrischen Kurzstreckenflugzeugs

mittlerer Kapazität übertraf den entsprechenden Wert

eines vergleichbaren Flugzeugs mit Getriebefan um mehr als zehn

Prozent, trotz eines erhöhten Flugzeuggesamtgewichts aufgrund

der universell-elektrischen Auslegung. Die energieoptimalen Betriebsbedingungen

lagen jedoch bei niedrigeren Flughöhen und

leicht reduzierten Flug-Machzahlen.

Zukünftige Arbeiten zur Beurteilung möglicher elektrisch

betriebener Flugantriebe am Bauhaus Luftfahrt werden genauere

Untersuchungen der Abstimmung zwischen Propulsorauslegung,

Elektromotor-Dimensionierung und -Teillastscharakteristik umfassen.

Besonderes Augenmerk wird auf die rigorose Analyse möglicher

Freiheitsgrade zur Reduktion der notwendigen installierten

elektrischen Leistung, einschließlich operativer Verfahren für minimalen

Energiebedarf, gelegt werden.

cent improvement over an advanced geared turbofan architecture,

respectively. Evidence was found that the EF concept may reduce

propulsion system noise even further than advanced turbofan engines.

Optimum vehicular performance, namely maximum ESAR,

of a universally-electric, short range, medium capacity aircraft

application was found to exceed the corresponding value of an

advanced geared turbofan powered aircraft by more than ten percent,

despite the significant aircraft weight penalties owing to the

universally-electric systems architecture. Optimum energy conditions,

however, appeared at lower flight levels and slightly lower

Mach numbers.

Bauhaus Luftfahrt's future work in assessing the potential

applicability of electrically powered propulsion systems will involve

more detailed investigations of the best and balanced matching of

propulsor design, electric motor sizing and part power characteristics.

Particular emphasis will be placed on performing rigorous

analyses of potential degrees of freedom for the reduction of aircraft

installed electric power, including operational procedures for

minimum power demand.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 53


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Flugleistungsberechnung und

Auslegung unter Verwendung

verteilter elektrischer Antriebe

Performance and sizing of

electrically powered

distributed propulsion

Universell-elektrische Flugzeuge (Universally Electric Aircraft, kurz:

UEA) haben den Wissenschaftlern im Bauhaus Luftfahrt bereits

zahlreiche neue Freiheitsgrade im Flugzeugvorentwurf aufgezeigt,

insbesondere in Bezug auf das Antriebssystem. Dazu zählt

auch eine zusätzliche Flexibilität in Bezug auf Möglichkeiten zur

Integration der elektrischen Antriebseinheiten. Im Gegensatz zum

klassischen Ansatz mit zwei oder vier Triebwerken können vollelektrische

Flugzeuge mit einer größeren Anzahl von Antriebselementen

ausgestattet werden, beispielsweise sechs oder noch mehr.

Dies wiederum führt zu einer Minimierung des kritischen Szenarios

eines Triebwerksausfalls während des Langsamfluges (One

Engine Inoperative, kurz: OEI) und als Folge zu einer reduzierten

installierten Gesamtleistung. Dieser Effekt wird durch entkoppelte

Leistungs- und Schuberzeugungssysteme in einer universell-elektrischen

Systemarchitektur (UESA) verstärkt. In einem konventionellen

Flugzeug werden beide Funktionen hauptsächlich von einer

Gasturbine übernommen, was bedeutet, dass im Falle eines Triebwerksausfalls

der verfügbare Schub und die verfügbare Leistung

reduziert werden. In einem UEA bleibt die gesamt verfügbare Maximalleistung

auch nach einem Fehler in einer Antriebseinheit vorhanden

und kann auf die restlichen Antriebseinheiten übertragen

werden. Aufgrund dieser erhöhten Leistungsbereitstellung an den

Elektromotoren ist der verfügbare Schub pro Antriebseinheit höher

als im Nominalfall.

Im Bauhaus Luftfahrt wurden darüber hinaus Studien durchgeführt,

um kritische Auslegungsfälle für die Dimensionierung der

Antriebseinheiten und Elektromotoren zu identifizieren und den

potenziellen Nutzen bei der Erhöhung der Anzahl der Elektromotoren

abzuschätzen. Vier, sechs, acht und zehn Antriebseinheiten

wurden dabei untersucht und mit einem Referenzdesign mit zwei

Antriebselementen verglichen. Das Referenzdesign basierte auf

dem Ce-Liner-Konzept, dessen zwei Antriebseinheiten vom Rumpfheck

unter die Flügel verlegt wurden. Es wurde gezeigt, dass mit

mehreren installierten Antriebseinheiten die kritischen OEI-Anforderungen

bei reduzierter installierter Leistung für das Antriebssystem

sichergestellt werden können. Um eine bessere Abschätzung

Research on Universally-Electric Aircraft (UEA) has already shown

many new degrees of freedom in aircraft conceptual design, especially

concerning the propulsion system. This also allows for additional

flexibility with respect to the possibilities of integrating electric

propulsors. As opposed to the classical approach with two to

four combustion engines, fully electric aircraft could be equipped

with a greater number of propulsors, that is six or more, which

would in turn minimise the criticality of the low-speed One Engine

Inoperative (OEI) scenarios and, as a consequence, reduce the total

installed power. This effect is possible due to the decoupled

power and thrust generation systems of a Universally-Electric Systems

Architecture (UESA). In a conventional aircraft both functions

are mainly taken on by a gas turbine, which means that in case of

an engine failure the available thrust and power will be reduced.

In UEA the maximum available power still remains even after a

propulsion failure, and can be advantageously transferred to the

remaining propulsion units. Due to the increased input power at

each electric motor the available thrust generated per propulsor is

higher compared to nominal operation.

At Bauhaus Luftfahrt, studies were performed in order to

identify the critical design cases for propulsor and electric motor

sizing and estimate the potential benefit of increasing the number

of engines. Four, six, eight and ten engines were investigated and

compared to a conventional reference design with two engines.

The reference design was based on a derivative of the Ce-Liner

concept with its two engines relocated in underwing pods. It was

shown that with more propulsors installed the critical OEI requirements

can be satisfied with a reduced amount of installed power

for the electric motor system. In order to get a better estimation of

the possible benefit, trends for an optimal number of propulsors

with respect to range and aircraft mass were shown based on an

integrated aircraft performance simulation model.

It has been shown that by increasing the number of propulsors

to four, the required power-to-weight ratio can be significantly

reduced. A further increase of the number of propulsors does

not lead to further power reductions. For six, eight and ten propulsors,

des möglichen Nutzens zu erhalten, wurden Trends für die > the All Engines Operative take-off requirement becomes >

54

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

2 engines

4 engines

6 engines

8 engines

10 engines

Skizze der vom Bauhaus Luftfahrt untersuchten Konfigurationen mit verteiltem Antrieb: Auslegungen mit vier, sechs, acht und zehn Triebwerken unter den

Flügeln wurden mit einem zweimotorigen Referenzflugzeug auf Basis des Ce-Liner-Konzepts aus dem Bauhaus Luftfahrt verglichen.

Sketches of the distributed propulsion concepts investigated at Bauhaus Luftfahrt: Configurations of four, six, eight and ten wing-mounted electric engines

were compared to a twin-engined reference aircraft derived from Bauhaus Luftfahrt's Ce-Liner concept.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 55


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

optimale Anzahl von Antriebselementen in Bezug auf Reichweite

und Flugzeugmasse in einem integrierten Flugleistungssimulationsmodell

dargestellt.

Aufgrund der geringeren installierten Antriebssystemmasse

bietet das Flugzeug mit vier Antriebseinheiten eine Steigerung von

rund zehn Prozent in der Reichweite gegenüber dem Referenzflugzeug,

obwohl es einen aerodynamischen Nachteil aufgrund

der zusätzlich installierten Antriebseinheiten unter dem Flügel

aufweist. Mit sechs, acht und zehn Antriebseinheiten reduziert

sich die Reichweite wieder aufgrund erhöhter aerodynamischer

Interferenzen und der stetig steigenden Massen für Antriebs- und

elektrische Systeme.

Zukünftige Forschungen im Bauhaus Luftfahrt sollen das Potenzial

solcher Antriebskonfigurationen für die Unterstützung der

Flugsteuerungssysteme untersuchen, um die Anzahl der aerodynamischen

Steuerflächen und deren Gewichte zu reduzieren. In

Kombination mit einer UESA kann die Leistungsübertragung sowie

die Überwachung im Vergleich zu einem herkömmlich betriebenen

Hydrauliksystem vereinfacht werden. Das wiederum würde auch

das Gewicht aufgrund einer reduzierten Anzahl von Systemkomponenten

senken.

the critical sizing case. Therefore, there is no benefit from

further increasing the number of propulsors.

Due to the lower installed propulsion system mass, the fourengine

aircraft has an increase of approximately ten percent in

range compared to the reference aircraft, although it has an aerodynamic

degradation due to the additional installed propulsors under

the wing. With six, eight and ten engines, the range is reduced

again due to aerodynamic interference and a significant increase

of the propulsion and electrical system masses.

Future research at Bauhaus Luftfahrt will also address the

potential of such configurations for assistance of the flight control

systems in order to reduce the number of aerodynamic control

surface areas and weights. In combination with UESA the power

transfer and control can be simplified compared to a conventional

fully powered hydraulic system, which in turn will also reduce the

system mass due to a reduced system bill of material.

56

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Range (nm)

960

Integrated aircraft study

940

+ 6 %

+ 10 %

920

Range (nm)

900

960

880

940

860

920

+ 6 %

+ 10 %

Integrated aircraft study

Original Ce-Liner configuration

Reference aircraft

The range of the Ce-Liner derivative with underwing engines

would be slightly shorter than the original Ce-Liner

configuration with aft-mounted engines

840

900 2

4 6 8 10

Original Ce-Liner configuration

Number of underwing podded engines (-)

880

Im Bauhaus Luftfahrt durchgeführte Vergleichsstudie zur Reichweite elektrisch angetriebener Flugzeuge: Die Nutzung Reference von aircraft vier elektrischen Triebwerken

The range of the Ce-Liner derivative with underwing engines

verspricht einen Reichweitengewinn von circa sechs Prozent im Vergleich zum zweimotorigen Referenzflugzeug. Eine weitere Erhöhung der Triebwerksanzahl würde

860

would be slightly shorter than the original Ce-Liner

dagegen wieder mit verringerten Reichweiten einhergehen, da das Gewicht des Vortriebs- und des elektrischen Systems immer weiter ansteigt.

configuration with aft-mounted engines

A trade-off 840 study of aircraft range conducted at Bauhaus Luftfahrt: Increasing the number

Integrated

of electric

aircraft

engines

study

to four yields a range increase of six percent over

the twin-engined 2 reference aircraft. 4 However, an even further 6 increase is projected to 8cause a reduction in range 10 due to the significant increase of the propulsion and

electrical 0.45 system masses.

Number of underwing podded engines (-)

Power loading (kW/kg)

0.40

0.35

0.30

Power loading (kW/kg)

0.25

0.20 0.45

0.15 0.40

0.10 0.35

0.05 0.30

AEO take-off boundary

The installed power loading must never fall short of the minimum power

loading required for take-off with All Engines Operative (AEO).

Integrated aircraft study

0.00 0.25

2 4 6 8 10

0.20

0.15

0.10

0.05

AEO take-off boundary

The installed power loading must never fall short of the minimum power

loading required for take-off with All Engines Operative (AEO).

Number of underwing podded engines (-)

0.00

2 4 6 8 10

Number of underwing podded engines (-)

Darstellung des installierten Leistungs-Gewichts-Verhältnisses für eine unterschiedliche Anzahl von Triebwerken: Die Analyse im Bauhaus Luftfahrt hat gezeigt,

dass ein signifikanter Vorteil nur durch die Verdoppelung von zwei auf vier Vortriebserzeuger erreicht werden kann. Eine weitere Vervielfachung würde keine weitere

Reduktion der benötigten Leistung mit sich bringen.

Projection of the installed power-to-weight ratio for different numbers of engines: Bauhaus Luftfahrt's analysis indicated that a benefit can only be achieved by

increasing the number of propulsors from two to four. Further increases do not allow for a further power reduction.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 57


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Multidisziplinäre Auslegung

und Machbarkeitsstudien zu

verteilten Antriebssystemen

Multi-disciplinary design and

feasibility studies of distributed

propulsion systems

Flugzeugkonzepte mit verteilten Antrieben sind ein Beispiel,

wo die klassische Trennung von Flugzeugzelle und Triebwerk bewusst

außer Acht gelassen wird, um die Synergieeffekte aus einer

engen Kopplung zwischen Vortriebserzeugern und Zelle voll

auszuschöpfen. Solche Synergien können sich positiv auf die Aerodynamik

auswirken, aber auch auf Antriebssystemaspekte sowie

strukturelle Verbesserungen. Darüber hinaus ermöglicht die

Trennung von Energieerzeugung und -verbrauch ein erhöhtes Maß

an Flexibilität während der multidisziplinären Flugzeugauslegung

und bildet somit eine Schlüsseltechnologie zur Einhaltung der von

der Europäischen Kommission gesetzten Flightpath 2050-Ziele zur

Emissionsreduktion. Zusätzlich motiviert wird diese Entwicklung

durch die projizierten Leistungssteigerungen von elektrischen

Komponenten, welche im Fall einer hybriden oder sogar vollständigen

Elektrifizierung Vorteile für das gesamte Flugzeugsystem mit

sich bringen würden.

Im Bereich der verteilten Antriebe hat das Bauhaus Luftfahrt

bereits mehrere Integrationsansätze in Betracht gezogen. Ein Beispiel

ist die Verteilung des Schubs aus einer einzelnen Quelle über

die gesamte Flügelhinterkante, entweder mittels eines zweidimensionalen

Gebläses, des sogenannten Cross-Flow Fans, oder über

die direkte Ausblasung von Triebwerksabgasen aus sogenannten

Jet Flaps. Eine andere Möglichkeit ist die mechanische, pneumatische

oder elektrische Verteilung der Energie aus einer begrenzten

Anzahl von Kerntriebwerken auf eine größere Anzahl von Vortriebserzeugern.

Ein vergleichsweise simpler Ansatz sieht dagegen

lediglich die Verteilung multipler kleiner, aber konventioneller

Triebwerke vor, die noch aus ihrer eigenen Energiequelle angetrieben

werden. Eine elegante Idee stellt der sogenannte Propulsive

Fuselage dar, bei dem einfach oder gegenläufig rotierende Fans

um den gesamten hinteren Flugzeugrumpf herumlaufen.

Die Forscher am Bauhaus Luftfahrt haben einen umfassenden

Auswahlprozess aller Ansätze durchgeführt, um jene Konzepte

zu bewerten und zu identifizieren, die maximal von den Vorteilen

eines verteilten Antriebs profitieren. Dazu wurde eine Prozedur

angewandt, welche die weitreichend anerkannten Methoden

Aircraft concepts utilising distributed propulsion are one instance

where the classic separation of airframe and engine is disregarded

with the express aim to fully exploit synergy effects by

closely coupling propulsors with the airframe. Such synergy effects

may relate to more efficient aerodynamics as well as propulsion

system aspects and structural improvements. In addition to these

benefits, a separation between energy generation and propulsion

offers an enhanced level of flexibility during multi-disciplinary aircraft

design so that it is seen as one of the key technology enablers

for meeting the European Commission`s Flightpath 2050 emission

goals. This development is further encouraged by projected performance

increases in electrical components, which may enable net

benefits at aircraft system level via power system hybridisation, or

even complete electrification strategies.

For distributed propulsion, researchers of Bauhaus Luftfahrt

have already considered numerous different design approaches.

One example is the distribution of thrust from a single source

along a wing's trailing edge, either by means of an integrated twodimensional

propulsor, the so-called cross-flow fan, or by directly

blowing engine exhaust out of so-called jet flaps. Another possibility

is the transmission of power, either pneumatically, mechanically

or electrically, from a limited number of core engines to a greater

number of fans or other propulsive devices. A more elementary

approach simply suggests the distribution of multiple discrete engines

that are all driven by their own power source. One elegant

idea envisages a single-rotating or counter-rotating fan encircling

the entire fuselage, the so-called Propulsive Fuselage.

Bauhaus Luftfahrt has performed a formal and sufficiently

comprehensive down-selection process in order to assess and

identify those concepts that maximise the potential benefits afforded

by distributed propulsion. A qualitative down-selection procedure

to estimate the target service entry year involves the widely

recognised Pugh Matrix method approach in combination with an

in-house developed technology maturity assessment. The subsequent

comparison with a reference concept, which was selected

to be a conventional twin with under-wing podded propulsion

der sogenannten Pugh Matrix mit eigenen Verfahren zur > system, included assessment criteria such as power system >

58

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Fan cowling

Outer casing

Air intake

Rotor blade

Rotor shroud

Rotor ring

Stator vane

Nozzle

Fuselage contour

Rotor bearing support

Levitation coils

Permanent

magnets

Inner casing

Z

X

Schematische seitliche Schnittansicht eines Propulsive Fuselage-Konzeptes: Basierend auf seiner wachsenden Erfahrung mit elektrischen Systemarchitekturen

für Flugzeuge hat das Bauhaus Luftfahrt ein Propulsive Fuselage-Konzept entwickelt, bei dem Magnetschwebetechnik den vortriebsgebenden Propulsor-Ring um den

hinteren Rumpf rotieren lässt.

Principal arrangement of a Propulsive Fuselage concept in cross-sectional side view: Based on its burgeoning expertise in electric systems architectures for aircraft,

Bauhaus Luftfahrt envisaged a Propulsive Fuselage concept that utilises the principles of magnetic levitation to rotate a propulsor ring around the rear fuselage.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 59


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Numerische aerodynamische Analyse eines neuartigen Propulsive Fuselage-Konzepts: Studien am Bauhaus Luftfahrt zeigten, dass ein solches Konzept eine bis

zu zehn Prozent größere Reichweite im Vergleich zu einem konventionellen Referenzflugzeug mit zwei Triebwerken unter den Flügeln ermöglichen könnte.

Numerical aerodynamics analysis of a novel propulsive Fuselage Concept: Studies conducted at Bauhaus Luftfahrt yielded up to a ten percent range increase for

this concept in comparison to a conventional reference aircraft with two wing-mounted engines.

60

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Bestimmung des Technologiereifegrads für das Jahr der Inbetriebnahme

kombiniert. Für den anschließenden Vergleich mit einem

konventionellen Referenzflugzeug mit zwei Triebwerken unter

den Flügeln wurden folgende Bewertungskriterien einbezogen:

Leistungs-Systemintegration, Lärmentwicklung, Systemgewichte,

operationelle Verfügbarkeit, Attraktivität für Passagiere sowie Gesamtflugzeugeffizienz.

Nach Abschluss der Bewertung zeigte sich, dass das Propulsive

Fuselage-Konzept, vor allem unter Gesamteffizienzaspekten,

am besten abschnitt, da es die Fähigkeiten besitzt, die rumpfnahe

Grenzschicht abzusaugen und die durch die Rumpfreibung verzögerte

Strömung im Nachlauf wieder auf Fluggeschwindigkeit zu

beschleunigen. Eine detailliertere Analyse des Konzepts ergab

eine zehnprozentige Steigerung der Reichweite im Vergleich zum

Referenzflugzeug. Durch den Einsatz verschiedener Software-

Werkzeuge kam die Studie zu dem Ergebnis, dass die mittels

Grenzschichteinsaugung erreichte Steigerung der Gesamteffizienz

nicht nur auf der Steigerung des Vortriebswirkungsgrades, sondern

vielmehr auch auf einer Verschiebung des optimalen Fandruckverhältnisses

zu höheren Werten beruht, die mit niedrigeren

Eintrittsdrücken einhergeht. Die Folge sind kleinere Fandurchmesser,

ein geringeres Gewicht und ein verkleinerter Widerstand des

Antriebssystems.

integration, noise, system weights, in-flight operability, passenger

appeal, dispatchability and overall vehicle efficiency potential.

Upon completion of the down-selection the researchers concluded

that the Propulsive Fuselage fared best out of all candidates,

especially from the perspective of vehicle efficiency as it

entrains the fuselage boundary layer and distributes the thrust

along the viscous wake generated by the fuselage. A subsequent

analysis performed on the Propulsive Fuselage concept yielded

just over ten percent improvement in range compared to the reference

aircraft. By utilising a set of high-end, low-fidelity and interlaced

fidelity numerical tools, one major finding of this study was

that boundary layer ingestion is able to increase aircraft efficiency

not just simply through propulsive efficiency improvements, but

also by shifting the optimum fan pressure ratio to higher values,

hence allowing for a smaller propulsor size, and thus, lower weight

and drag of the propulsion system.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 61


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Untersuchung neuartiger

Antriebssysteme auf Basis

hybrider Energiequellen

Assessment of novel

propulsion systems based on

hybrid energy sources

Ein aktuell sichtbarer Trend in der Luftfahrtindustrie beschreibt den

Versuch, durch die Hybridisierung konventioneller Verbrennungskraftmaschinen

auf Basis elektrischer Energiequellen die strategischen

Ziele zur Emissionsreduktion zu erreichen. Die Einführung

von elektrischen Energiequellen in das klassische Gasturbinen-basierte

Antriebskonzept bedarf jedoch neuer Bewertungsmethoden,

um thermische mit nicht thermischen und hybriden Energiewandlungsprozessen

konsistent vergleichen zu können.

Alle heute bekannten Maschinentypen, die Arbeit verrichten,

wie beispielsweise bei der Erzeugung von Schubleistung, sind an

mindestens einen Energiewandlungsprozess gekoppelt. Die Qualität

des Wandlungsprozesses, auch bezeichnet als Wirkungsgrad,

wird typischerweise ermittelt als Verhältnis der jeweiligen Energiemengen

vor und nach der Wandlung. Verbrennungskraftmaschinen,

beispielsweise Kolbenmotoren oder Gasturbinen, wandeln die

chemisch gebundene Energie des Kraftstoffes zuerst in thermische

und anschließend in mechanische Energie. Elektrische Motoren

nutzen dagegen Elektrizität als Energiequelle. Neuartige Konzepte

wie beispielsweise hybride Antriebssysteme bestehen üblicherweise

aus einer Serie von Wandlungsprozessen mit jeweils unterschiedlichen

Wirkungsgraden. Darüber hinaus kann sich auch die

Qualität der genutzten Energiequellen unterscheiden.

Das Bauhaus Luftfahrt nutzt zur Ermittlung der Qualität von

Energie daher das physikalische Konzept der sogenannten Exergie.

Diese beschreibt dabei den Anteil von Energie, welcher unter Berücksichtigung

des Umgebungszustandes vollständig in nutzbare

Arbeit, zum Beispiel mechanischer Art, umgewandelt werden kann.

Durch die Verwendung des Exergie-Konzeptes zum Vergleich

von konventionellen Gasturbinen mit elektrischen Antriebssystemen

werden zwei wichtige Aspekte herausgestellt: Zum einen ist

die Nutzarbeit, die aus dem Verbrennungsprozess von Kraftstoff

in konventionellen Gasturbinen gewonnen werden kann, deutlich

geringer als die Nutzarbeit aus der gleichen Menge elektrischer

Energie, beispielsweise aus Batterien zum Betrieb von Elektromotoren.

Zum anderen ist der Anteil an Nutzarbeit, der im Abgasstrahl

eines Verbrennungskraftmaschinenprozesses verloren geht,

A current trend in aviation shows the attempt to reduce in-flight

emissions of conventional combustion engines through hybridisation

via electrical energy sources in order to meet, or rather exceed,

strategic goals of future emission reduction targets. The introduction

of electrical energy sources within classical combustion-based

propulsion systems, however, requires the capability to allow for a

consistent comparison of thermal, non-thermal and hybrid energy

conversion processes.

All known types of propulsion systems in their generation of

propulsive power are intrinsically tied to at least one process of

energy conversion. Typically, the overall quality of this conversion

process, also known as process efficiency, is measured by comparing

the specific amount of provided energy before and after

the conversion. Combustion machines such as piston engines or

gas turbines convert chemically bonded fuel energy into thermal

energy and further into mechanical energy; electrical motors instead

utilise electricity as their energy source. Novel concepts

such as hybrid engines are based on a series of such conversion

processes. This may result in the fact that the quality of the conversion

process of novel engine concepts and the quality of the

underlying energy sources might actually differ.

Therefore, Bauhaus Luftfahrt applies the physical method of

exergy to measure the energy quality. Exergy describes the share

of energy which, under consideration of the environment, allows

for a complete conversion into fully usable work such as mechanical

work.

The application of exergy analysis for the comparison of gas

turbine engines and electric propulsion systems accounts for two

important facts: first of all, the share of exergy resulting from fuel

combustion is significantly lower within the total thermal energy

budget than the potential exergy of electrical energy which, for

example, is stored in batteries. On the other hand, the share of

exergy in the exhaust gases of a combustion engine is significantly

higher than the exergy of waste heat produced by an electric motor.

Both facts directly affect the net efficiency of the machinery

while, in addition, the second fact directly correlates with its capability

signifikant größer als die Abwärme eines elektrischen Motors. > to reduce emissions. An application of exergy analysis to >

62

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Turbofan engine (TF)

Cooling air flow

Fuel energy

Parallel hybrid Turbofan (PHTF)

Cooling air flow

Electric energy

Fuel energy

Integrated hybrid Turbofan (IHTF)

Cooling air flow

Electric energy

Fuel energy

Schematische Halbschnitte dreier vom Bauhaus Luftfahrt untersuchter Triebwerksarchitekturen: Die Wissenschaftler untersuchten (von oben nach unten) einen

konventionellen Zwei-Wellen-Turbofan (TF), einen parallel-hybriden Turbofan mit Elektromotor auf der Niederdruckwelle (PHTF) und einen integriert-hybriden Turbofan

mit elektrisch angetriebenem Hochdruckverdichter (IHTF). Für Letzteren hat das Bauhaus Luftfahrt im Jahr 2012 ein Patent angemeldet.

Schematic half-sectional views of three different engine architectures investigated by Bauhaus Luftfahrt: The researchers investigated (top to bottom) a

conventional two-spool Turbofan engine (TF), a parallel hybrid Turbofan with an electrically supported low-pressure spool (PHTF) and an integrated hybrid Turbofan

utilising an electrically powered high-pressure compressor (IHTF). The latter concept was submitted for patent by Bauhaus Luftfahrt in 2012.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 63


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

0.6

Darstellung der inneren Wirkungsgradverluste

der drei vom Bauhaus Luftfahrt verglichenen

Triebwerksarchitekturen im Auslegungspunkt:

Es zeigt sich, dass beide Hybridlösungen

nicht nur die Verluste der Kraftmaschine deutlich

verringern (bunte Segmente), sondern auch dass

sie von der höheren Verfügbarkeit der genutzten

Energiequellen (dunkelblaues Segment) im Vergleich

zu dem herkömmlichen Turbofan-Triebwerk

profitieren.

Visualisation of the inner efficiency losses

of the three engine architectures compared

by Bauhaus Luftfahrt at the design point: The

analysis shows that hybrid solutions are not only

capable of reducing the losses within the power

machine (coloured segments). They also benefit

from the higher availability of the energy source

(dark blue segment) compared to a conventional

Turbofan engine.

Inner efficiency losses ζ i

[-]

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

TF

PHTF

IHTF

Losses:

Exhaust residual kinetic energy losses

Exhaust residual thermal energy losses

Low pressure system losses

High pressure system losses

Inlet ram air losses

Electric energy transfer losses

Chemical energy transfer losses

Un-availability (anergy) of the

propulsion system energy source

Study settings:

ISA, MO.78, 35,000 feet

30kN thrust class

64

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Beide beschriebenen Aspekte spiegeln sich direkt im Maschinenwirkungsgrad

wider. Der zweite Aspekt ist zusätzlich ein Maß für

die Fähigkeit einer Maschine, Emissionen zu reduzieren. Wird die

Exergieanalyse auf die gesamte Energiewandlungskette eines Systems

angewandt, vom Antriebssystem über das Flugzeug bis zum

Energieerzeugungsprozess, wird eine ganzheitliche Untersuchung

der Verbesserungspotenziale von neuartigen Antriebskonzepten

ermöglicht.

Darüber hinaus ermöglicht die Exergieanalyse dem Bauhaus

Luftfahrt eine einheitliche Bewertung von neuartigen integrierten

hybriden Antriebskonzepten. Parallel-, seriell- oder kombinierthybride

Konfigurationen verbessern die operationelle Charakteristik

der gesamten Maschine durch optimale Kombination ihrer

Einzelcharakteristiken. Jedoch werden die Wirkungsgrade der individuellen

Maschinen dadurch nicht verbessert, so dass der niedrigere

Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine weiterhin

problematisch bleibt. Hierdurch motiviert, arbeiten die Forscher

am Bauhaus Luftfahrt weiter an integrierten hybriden Konzepten,

welche die effiziente elektrische Energiewandlung nutzen, um den

thermodynamischen Wirkungsgrad deutlich zu steigern.

the overall energy conversion chain, which includes all conversion

processes from the propulsive system and the used transport vehicle

to the energy generation process, allows for a holistic assessment

of the actual improvement potentials of novel concepts.

Furthermore, exergy analysis enables Bauhaus Luftfahrt to

consistently assess novel hybrid energy propulsion concepts such

as integrated hybrid engines. Commonly known concepts such

as parallel, serial or combined hybrid concepts promise improved

overall operational characteristics due to optimal combination of

the individual characteristics of existing machinery. However, the

efficiencies of the individual machines are not improved, and thus,

the lower efficiency of the combustion engine remains problematic.

Hence, the researchers at Bauhaus Luftfahrt are continuously working

on integrated hybrid engine concepts that utilise the higher

electrical conversion efficiency in order to boost thermodynamic

engine cycles and therefore avoid efficiency impediments.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 65


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Aktive variable Änderung der

Spannweite: Eine integrierte

Designstudie

Active variable span

adjustment: An integrated

conceptual design study

Der ständige Bedarf an einer Verbesserung der Flugleistungen

und Steuerautorität hat das Interesse der Flugzeugdesigner auf

die Erforschung aktiver, variabler Spannweiten gelenkt. Flügel mit

großer Spannweite haben eine hohe Reichweite, eine lange Flugdauer

und eine gute Treibstoffeffizienz, aber schlechte Manövriereigenschaften

sowie eine relativ geringe Reisefluggeschwindigkeit.

Im Gegensatz dazu sind Flugzeuge mit geringer Spannweite

schneller und besser manövrierbar, haben aber auch eine schlechtere

aerodynamische Effizienz. Ein Flügel mit variabler Spannweite

könnte somit alle Vorteile in einem einzigen Flugzeug vereinen.

Als Beispiel für fortgeschrittene Forschung in einem internationalen

Umfeld haben das Bauhaus Luftfahrt, die Swansea

University und die University of Bristol eine detaillierte Machbarkeitsstudie

zur aktiven variablen Spannweite durchgeführt. Dabei

war es ihr Ziel, die Flugleistungen eines unbemannten Fluggeräts

(Unmanned Aerial Vehicle, kurz: UAV) mit mittlerer Flughöhe und

großer Flugdauer (Medium Altitude Long Endurance, kurz: MALE)

zu verbessern und seine Rollsteuerung zu unterstützen. Es wurde

untersucht, inwieweit eine variable asymmetrische Spannweitenänderung

die Funktion der Querruder innerhalb der gesamten

Flugbereichsgrenzen eines Luftfahrzeugs übernehmen kann. Um

Synergien zu nutzen, wurde dasselbe System auch für eine symmetrische

Betätigung zur Verbesserung der Flugleistungen während

der „Loiter“-Phase, des Langsamfluges und in Transitionsphasen

verwendet.

Für diese Studie wurde als Referenz ein MALE UAV ausgewählt,

das ein Gewicht von 800 Kilogramm besitzt und bis zu 18

Stunden lang bei einer Geschwindigkeit von Mach 0.16 (180 Kilometer

pro Stunde) in einer Höhe von 20.000 Fuß (6.100 Meter)

fliegen kann. Für unterschiedliche Gewichte und Anstellwinkel

des Flugzeugs wurden Analysen durchgeführt, um den Einfluss

der Spannweitenänderung auf das Rollmoment zu bestimmen.

Geeignete Modelle für die Beschreibung der Kinematik der aktiven

variablen Spannweite und ihres dynamischen Verhaltens wurden

ebenfalls entwickelt. Diese beinhalten den Einfluss auf das Biegemoment

in der Flügelwurzel, die Eigenschaften von Aktuatoren

und die zeitliche Variation der Massenträgheitsmomente. Zusätz-

Continuous demands to enhance flight performance and control

authority have focused the interest of aircraft designers on active

variable span systems. Wings with large spans have good range,

endurance and fuel efficiency, but lack manoeuvrability and have

relatively low cruise speeds. In contrast, aircraft with low aspect

ratio wings can fly faster and become more manoeuvrable, but

show poor aerodynamic efficiency. A variable span wing could

potentially combine the advantages of both design goals into a

single aircraft.

As an example of advanced research collaboration in an international

setting, Bauhaus Luftfahrt, Swansea University and

the University of Bristol jointly performed a detailed conceptual

design study on the feasibility of active variable span technologies

to provide roll control and enhance the operational performance

of a Medium Altitude Long Endurance (MALE) Unmanned Aerial

Vehicle (UAV). The use of continuously variable asymmetric span

extension was posited to suitably replace ailerons and maintain

roll control over the entire flight envelope of the vehicle. In order

to maximise synergy and functionality, the same span-morphing

system to be operated asymmetrically for roll control was also considered

for symmetrical actuation serving to enhance flight performance

during loiter, and to improve the operational performance

during low speed transitional flight phases.

For the study, an exemplary MALE UAV was considered

which takes off with a weight of 800 kilograms and is capable

of a maximum loiter of 18 hours at a speed of Mach 0.16 (180

kilometres per hour) at 20,000 feet (6,100 metres) altitude. Analyses

were performed to establish the sensitivity of rolling moments

generated by span morphing for different flight parameters, namely,

instantaneous vehicular weight and angle of attack. Pertinent

models to account for kinematics of the active variable span system

and dynamic response of the aircraft were produced including

effects of wing root bending moments, actuator attributes and

corresponding time-dependent variation in moments of inertia. In

addition, for purposes of examining operational characteristics in

a coherent manner and to maximise vehicular performance, methods

were devised to identify optimal speed schedule strategies

66

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Aileron deflection (10 degrees)

Port wing 0% Starboard wing +43%

Port wing -22% Starboard wing +22%

Port wing -43% Starboard wing +4%

Schematische Darstellung verschiedener asymmetrischer Spannweitenkonfigurationen (von oben nach unten) zur Erzeugung eines erforderlichen Rollmoments

auf das Flugzeug: Das erste Beispiel repräsentiert zum Vergleich ein konventionelles Flugzeug mit gleichbleibender Spannweite, bei dem lediglich die Querruder

um zehn Grad ausgelenkt werden. Die zweite Darstellung sieht eine Verlängerung des rechten Flügels um 43 Prozent vor, bei gleichbleibender Länge des linken Flügels.

Im dritten Beispiel wird der rechte Flügel um 22 Prozent verlängert und der linke Flügel um den gleichen Prozentsatz verkürzt. Die vierte Konfiguration sieht lediglich

eine vierprozentige Verlängerung des rechten Flügels vor, verkürzt den linken Flügel jedoch um 43 Prozent.

Schematic depiction of various asymmetric wing span configurations (top to bottom) for the generation of a required aircraft roll moment: The first design

resembles a conventional reference aircraft with invariable wing span simply deflecting its ailerons by ten degrees. The second example envisages a constant span

of the port wing while the starboard wing is extended by 43 percent. In the third configuration, the starboard wing is extended by 22 percent while the port wing is

shortened by the same percentage. The fourth example depicts only a slight extension of the starboard wing by four percent, but a dramatic shortening of 43 percent

on the port wing.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 67


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

lich wurden auf Basis der durchgeführten numerischen Experimente

Methoden zur Optimierung der Betätigungszeit entwickelt,

die für eine optimierte Flugleistung sorgen sollen.

Es wurde festgestellt, dass für das benötigte Rollmoment

eine Spannweitenerweiterung von 22 Prozent auf der einen sowie

eine Spannweitenreduktion von 22 Prozent auf der anderen Seite

nötig wären. Dies berücksichtigt auch die Forderung nach einem

ähnlichen Transitionsverhalten im Vergleich zum konventionellen

Querruder. Ein sehr interessantes Ergebnis dieser Studie ist, dass

es für die Rollsteuerung effizient ist, den Anstellwinkel des Flugzeugs

zu erhöhen und gleichzeitig den Flügel auszufahren. Solche

Manöver, die eine Anstellwinkeländerung und das Rollen verbinden,

können für Flugzeuge, die kurzzeitig ein hohes Rollmoment

und eine hohe Rollrate benötigen, sehr interessant sein. Solche

Flugeigenschaften sind für Flugzeuge mit konventionellen Querrudern

nicht realisierbar. Mit Hinblick auf Effizienz könnte eine

Erhöhung der Spannweite um 22 Prozent den Gesamtwiderstand

um 13 Prozent verringern und damit die Flugdauer um 6,5 Prozent

erhöhen. Gleichzeitig würden die Startbahnlänge um 28 Prozent

und die Landebahnlänge um zehn Prozent reduziert.

corresponding to the various symmetric variable span numerical

experiments performed.

It was concluded that a target maximum constant rolling

moment, including checks for similarity in transient response, afforded

by conventional ailerons would be adequately matched by a

variable span strategy wherein one side of the wing is extended by

22 percent and the other retracted by 22 percent. A very interesting

outcome of this initial study indicated that it is efficient to pitch

and extend the wing span simultaneously in order to maximise the

rolling authority of the vehicle. Such manoeuvres that involve coupling

of pitch and roll can be of great interest for aircraft requiring

on those occasions larger rolling authority, such as moment

and rate. This aspect is not available for exploitation on aircraft

employing conventional aileron control surfaces. Alternatively, in

the context of operational performance a symmetrical variable

span schedule of +22 percent was found to reduce total drag by

13 percent, enhance the endurance capability by 6.5 percent, and

reduce the take-off field length and landing distance by 28 and ten

percent respectively.

68

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Roll rate (rad/s)

0.8

0.6

0.4

0.2

0

0

0.2

0.4 0.6 0.8 1

Time (s)

Aileron (10 deg/s)

Starboard wing +43% Port wing 0%

Starboard wing +22% Port wing -22%

Starboard wing +4% Port wing -43%

Darstellung der mit den zuvor aufgeführten Konfigurationen in einer bestimmten Zeit erreichbaren Rollrate des Flugzeugs: Die Analyse macht deutlich, dass mit

einer 22-prozentigen Verlängerung des rechten Flügels und einer ebenso großen Verkürzung des linken Flügels (grün) die gleichen Rollraten erzeugt werden könnten wie

beim konventionellen Referenzflugzeug, das bei gleichbleibender Spannweite lediglich seine Querruder um zehn Grad auslenkt (hellblau).

Depiction of aircraft roll rates achievable in certain time frames with the aforementioned asymmetric span configurations: The analysis highlights that a 22

percent extension of the starboard wing combined with a shortening of the same percentage on the port wing (green) would allow for the same roll rate characteristics

as the conventional reference aircraft simply deflecting its ailerons by ten degrees (light blue).

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 69


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Fliegende Kommunikationsnetzwerke:

Treiber,

Elemente und Perspektiven

Airborne communication

networks: Drivers, elements

and perspectives

Die Luftfahrt von morgen braucht neue Informations- und Kommunikationstechnologien,

um den Anforderungen an ihr zukünftiges

Datenaufkommen gerecht zu werden. Maßgebliche Treiber dafür

sind unter anderem das wachsende Luftverkehrsaufkommen mit

gestiegenen Anforderungen an die Flugverkehrskontrolle (ATC),

das Bestreben nach optimierter Flugführung, um Emissionen und

Betriebskosten zu minimieren, sowie mobile Onboard-Kommunikationsdienste

für Passagiere.

Um die Flugsicherheit zu wahren, werden im Rahmen von

Kooperationen wie SESAR (EU) und NextGen (USA) effiziente

Flugsicherungskonzepte entwickelt, in denen auch Flugüberwachungssysteme

eine wichtige Rolle spielen. Die dafür notwendige

digitale Datenübertragungstechnik benötigt Kapazitäten im aeronautisch

nutzbaren, begrenzten Funkspektrum.

Neben dem sicherheitsrelevanten Flugfunk stellen mobile

Dienste für Passagiere einen starken Wachstumsmarkt dar, da die

Verbreitung mobiler Endgeräte stetig zunimmt und ortsunabhängige

Konnektivität Marktanteile am Passagieraufkommen sichern

kann. Hierfür werden wesentlich höhere Kapazitätsanforderungen

abgeschätzt, als für die Flugverkehrskontrolle notwendig sind.

Eine weitere Anwendung sind Datenlinks zur Flugsteuerung,

die für unbemannte Fluggeräte (UAS) notwendig sind

und in Zukunft zur Realisierung des Ein-Personen-Cockpits für

Transportflugzeuge führen könnten. Die für die ATC reservierten

Frequenzen stehen für diese Anwendungen nicht zur Verfügung,

weswegen hier oft auf teure und mit langen Laufzeiten behaftete

Satellitenverbindungen zurückgegriffen wird.

Zur Erfüllung zukünftiger Anforderungen wurde am Bauhaus

Luftfahrt ein Konzept entwickelt, welches auf existierenden

Forschungsarbeiten aufbaut und sich als fliegendes Netzwerk bezeichnen

lässt. Das Flugzeug ist hier nicht bloß Nutzer von Kommunikationsdiensten,

sondern wird Teil einer Kommunikationsinfrastruktur.

Dies hat zur Folge, dass die bereitgestellte Kapazität

nicht nur den jeweiligen Eigenbedarf decken, sondern auch auf

die Durchleitung großer Datenströme ausgelegt sein muss. Die

Untersuchung des Konzepts am Bauhaus Luftfahrt berücksichtigt

Tomorrow`s aviation will require novel information and communication

technologies in order to be able to cope with future data

processing requirements. Main drivers for the growth trends include

the increasing commercial air traffic with rising demands on

air traffic control (ATC), striving to optimize flight guidance in order

to minimise emissions and operating cost, as well as in-flight connectivity

services for passengers.

In order to maintain air traffic safety, research and development

collaborations like SESAR (EU) and NextGen (USA) are developing

efficient ATC concepts, which are based especially on digital

radio communication. Here, aerial surveillance equipment is also an

important component. All systems mentioned will require communication

capacity within the limited aeronautical radio communication

frequency spectrum.

Apart from safety-relevant aeronautical radios, in-flight connectivity

offerings represent a fast-growing market due to the

omnipresence of personal mobile and entertainment devices, and

the added business value of ubiquitous connectivity for air travellers.

It is estimated that such services will require much higher

communication bandwidth capacity as compared to ATC service

requirements.

Another application are data links for flight control, which are

required for unmanned aircraft systems (UAS) and may in the future

enable the realisation of single pilot flight decks for transport

aircraft. The frequencies that are reserved for ATC are not available

for this application, which is why costly and delay-ridden satellite

communication links are often resorted to in this case.

In order to meet future requirements, a concept is being developed

at Bauhaus Luftfahrt which builds on existing research

results and can be described as a flying network. The aircraft in

this case is not a mere subscriber to communication services, but

itself serves as an element of the communication infrastructure.

In effect, the available capacity not only has to suffice for a single

aircraft, but must be designed to support much higher network

throughput traffic. The investigation of this concept considers different

aspects of networking, which need to be classified and may

dabei unterschiedliche Netzwerkaspekte, die klassifiziert > be subject to national and international regulations. Its imple- >

70

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

May be buffered – network sharing uncritical

Bandwidth

Communication system requirements

1 Gbit/s

Cross connect

1 Mbit/s

1 kbit/s

Stored locally

Scientific Equipment

Weather data

In-flight

connectivity

Health Monitoring

UAS

ATC

Must be „real-time“

(safety-critical)

> 100 s < 1 s

Latency tolerant

Time critical

Response time

Schematische Darstellung der Anforderungen an Bandbreite und Reaktionszeit verschiedener aeronautischer Telekommunikationsdienste: Es wird deutlich,

dass unterschiedliche Dienste sehr verschiedene Anforderungen an die Qualität der Kommunikationstechnologie besitzen.

Schematic illustration of requirements on bandwidth and response time of different aeronautical telecommunication services: It is found that different services

exhibit differing requirements on the characteristics of the communication system.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 71


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

werden müssen und nationalen und internationalen Reglementierungen

unterliegen können. Maßgeblich für die Realisierung

sind insbesondere Technologien wie Funk-Antennen, welche die

technologische Nutzung physikalischer Effekte ermöglichen, aber

auch begrenzenden Randbedingungen unterliegen. Die Vernetzung

einzelner Systeme, in diesem Fall zum Beispiel Flugzeuge,

wird beschrieben durch Netzwerktopologien, in denen Kommunikationsprotokolle

die Regeln des elektronischen Datenverkehrs

festlegen. Letztlich beschreiben Infrastrukturen die praktische

Implementierung der einzelnen Netzwerkaspekte in eine nutzbare

Architektur, die aus verschiedenen Teilnehmern mit entsprechenden

Kommunikationseinrichtungen, Netzwerkstrukturen und

definierten Verfahren besteht.

Das vom Bauhaus Luftfahrt erarbeitete Konzept eines fliegenden

Kommunikationsnetzwerks nutzt einen hybriden Ansatz,

der auf zwei wesentlichen Technologien basiert: Photonische

Datenverbindungen (Laser-Links) werden genutzt, um ein weitgehend

interferenzfreies Basisnetz hoher Bandbreite aufzubauen

und dieses an das terrestrische Internet anzubinden. Gerichtete

Funk-Antennen im Gigahertz-Bereich ermöglichen kleineren Flugzeugen

mit geringerem Datenaufkommen den Zugang zum fliegenden

Netzwerk und bieten zusätzliche Redundanz. Das Konzept

hat das Potenzial, eine großflächige Breitband-Internetversorgung

für Flugzeuge bereitzustellen, welche nur durch die Dynamik

des weltweiten Flugverkehrs und atmosphärische Einflüsse

beschränkt ist.

mentation strongly depends on technologies like radio antennas,

which enable the technical exploitation of physical effects, but are

also limited by physical boundary conditions. The structure of networks

of individual systems, like aircraft, is described by network

topologies, whereas communication protocols define the rules

of electronic communication. Lastly, infrastructures describe the

implementation of the aforementioned concepts into a useful architecture,

which consists of individual network participants with

their respective communication facilities, network structures and

pre-defined procedures.

The concept of an airborne communication network developed

at Bauhaus Luftfahrt is based on a hybrid approach that

mainly consists of two technologies: photonic data links (laser

links) are used in order to realise a largely interference-free backbone

network with high transmission capacity and to inter-connect

the network with the terrestrial internet, while directive radio

antennas working in the Gigahertz-range enable smaller and less

data-hungry aircraft to hook up to the flying network and may also

offer backup connectivity. This offers the potential of long-range,

broadband internet access to aircraft, bounded only by the dynamics

of worldwide air traffic and atmospheric influence.

72

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


HAPS

2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Am Bauhaus Luftfahrt entwickeltes hybrides Netzwerkkonzept für aeronautische Breitbandverbindungen: Die wesentlichen Elemente sind permament nachgeführte

Laserlinks, die genutzt werden um ein Basisnetz mit hoher Datenübertragungsrate aufzubauen (hellblaue Flugzeuge). Höhenplattformen (HAPS) stellen eine

Möglichkeit dar, den Zugang zum terrestrischen Internet mit hoher Ausfallsicherheit zu gewährleisten. Durch diese werden die gesammelten Datenströme zu Bodenstationen

mit Anbindung ans terrestrische Internet geleitet. Flugzeuge, die nicht Teil des Basisnetzes sind (dunkelblau), werden über Funkantennen mit Richtcharakteristik

an das laserbasierte Basisnetz angebunden.

Depiction of the hybrid network concept for aeronautical broadband communication developed at Bauhaus Luftfahrt: The integral elements are permanently

tracked laser links which are used to set up a backbone network with large data transmission capacity (light blue aircraft). High Altitude Platform Stations (HAPS) represent

a possible solution to provide ground connectivity with low outage probability in order to route aggregated data streams to the terrestrial internet. Aircraft which

do not participate in the photonic backbone (dark blue) join the network by directive radio antennas.

HAPS

Directive radio transmission

Tracked laser links

Terrestrial internet

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 73


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Zukunftskonzepte für

Kabinenprozesse und

Bodenabfertigung

Future concepts for

cabin processes and

ground servicing

Der Rumpf ist enorm wichtig für moderne Flugzeuge, da in ihm

die Nutzlast in Form von Passagieren und Fracht, und damit die

Einnahmequelle der Airlines, untergebracht ist. Bei herkömmlichen

Transportflugzeugen entfallen rund 50 Prozent der benetzten

Oberfläche auf den Rumpf und 21 Prozent des Betriebsleergewichts

auf die Rumpfstruktur. Die Größe der Kabine ist somit

ein entscheidendes Kriterium für potenzielle Flugzeugkäufer. Der

aktuelle Trend geht zu immer größeren Kabinenquerschnitten: Der

Rumpf des neuen Airbus A350 XWB wird es ermöglichen, zehn

Passagiere nebeneinander unterzubringen, gegenüber acht Sitzen

im Vorgängermodell A330. Dennoch ist der Rumpfquerschnitt der

einzige Teil eines Flugzeugs, der über die gesamte Laufzeit eines

Flugzeugprogramms nicht verändert wird.

Im Kabinendesignprozess werden schon früh verschiedene

Anforderungen an das Passagierkomfortniveau oder die Zertifizierung

berücksichtigt. Das Kabinenlayout wird durch die Anzahl

der Buchungsklassen und ihre entsprechenden Sitzabstände

bestimmt. Darüber hinaus sind die Anzahl und Position von Kabinenmonumenten,

beispielsweise Toiletten und Bordküchen, und

daraus resultierende operationelle Beschränkungen während des

Fluges zu berücksichtigen. Weiterhin muss der Laderaum die Anforderungen

des Passagiergepäcks und der Fracht erfüllen.

Anforderungen an Bodenabfertigungsprozesse werden oft

als Zielzeit für den Turnaround-Prozess formuliert, welche die

Serviceabwicklungszeit des Flugzeugs am Boden beschreibt. Normalerweise

ist die Bodenabfertigung in einzelne Arbeitsschritte

untergliedert und wird von Subunternehmern ausgeführt. Ziel

ist es, die zeitliche Abfolge der notwendigen Prozesse optimal zu

gestalten. Jegliche Verzögerung in diesen Prozessen würde eine

Verlängerung der Turnaround-Zeit bedeuten. Während der Bodenzeit

wird die Fracht umgeladen und die Passagiere steigen ein und

aus. Darüber hinaus wird das Flugzeug betankt und mit Wasser

aufgefüllt, das Catering eingeladen und die Kabine gereinigt.

Die erforderlichen Zugänge für diese Tätigkeiten, wie Türen und

Wartungsklappen, müssen bereits während des Kabinendesigns

berücksichtigt werden. Mit einem Blick auf die Kabinenarchitektur

The fuselage is of great importance for modern aircraft, as it

houses the payload in terms of passengers and freight, which ultimately

generate the airline's revenue. In conventional transport

aircraft, the fuselage accounts for approximately 50 percent of the

wetted area and its structure has roughly a 21 percent share of the

Operating Empty Weight (OEW). The size of the cabin is hence a

crucial purchasing criterion for potential aircraft buyers. The current

trend is towards wider cross-section layouts. For instance,

the new Airbus A350XWB fuselage allows a ten-abreast seating

configuration compared to its predecessor A330 with eight seats.

However, the fuselage cross-section is the only part of an aircraft

that is not changed during its programme life.

During the cabin design process, various requirements regarding

the level of passenger comfort or certification have to be

considered very early on. The cabin layout is affected by the number

of booking classes and their corresponding seat pitch. Moreover,

the number and position of monuments such as lavatories

and galleys adheres to operational constraints during the flight. In

addition, the cargo compartment has to fulfil the requirements for

passenger luggage and freight storage.

Requirements for the ground processes are often formalised

as a targeted turn-around time that defines the servicing period

of an aircraft while it is on the ground. Usually, ground handling

is subdivided into individual processes executed by sub-contractors.

The aim is to minimise the time required for the critical path

which describes mandatory processes that must be completed in

sequence. Any delays to them would hence increase the total time

of the turn-around. During ground time the passengers board and

deboard, the freight is loaded on and off. Furthermore, the aircraft

is replenished with fuel and water, the catering is loaded and the

cabin is cleaned. The required interfaces, such as doors and panels,

already have to be considered at the cabin design stage.

Looking at the cabin architecture of Bauhaus Luftfahrt`s Ce-

Liner, one recognises a twin-aisle, seven-abreast concept. This

results from the requirements of a family concept with 140-189-

233 passengers and a turn-around time of less than 30 minutes.

des Ce-Liners erkennt man ein Zwei-Gang-Design mit sieben > Time-efficient boarding processes are ensured by a centre >

74

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

G

No seats folded

(100% load factor, during cruise)

F

E

D

C

B

A

Seat B folded

(85% load factor

or during boarding/deplaning)

Seat B & Seat C folded

(71% load factor

or during boarding/deplaning)

Kabinenquerschnitt des Ce-Liner-Konzepts

aus dem Bauhaus Luftfahrt: Die seitlich verschiebbaren

Sitze ermöglichen zeitweise eine

bessere Ausnutzung des verfügbaren Platzes in

den Gängen, da sie es den Passagieren erlauben,

sich nebeneinander im Gang zu bewegen.

Dadurch wird das Ein- und Aussteigen deutlich

beschleunigt.

95% percentile US male

95% percentile

US male

50% percentile US male

95% percentile US male

50% percentile US male

50% percentile US male

95% percentile US male

95% percentile US male

Cabin cross-section of Bauhaus Luftfahrt's

Ce-Liner concept: The sideward folding seat

concept temporarily allows a better utilisation of

aisle space with an opportunity for passengers

to pass each other during the boarding and deboarding

process, which in turn is significantly

accelerated.

Centre boarding door

Type A

Darstellung des Ein- und Aussteigevorgangs, der im Ce-Liner durch eine zentrale Tür in der Mitte der Kabine durchgeführt wird: Durch diesen vereinfachten

Zugang verkürzt sich die durchschnittliche Wegstrecke eines Passagiers zu seinem zugewiesenen Sitz und minimiert die für das Ein- und Aussteigen notwendige Zeit.

Depiction of the centre boarding principle used in the Ce-Liner concept: Passengers entering the aircraft via the centre door are provided with easier access and

shorter walking distances to their assigned seats. This minimises the boarding time.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 75


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Lights front / back

Lights front / back

Telescope arm

Pick-ups

Still elements:

frame and rim

Moving elements:

solid tread

Battery segments

Toothed wheel transmission

Electric motor

Induction loop for charging

Gyroscope

Der sogenannte ElDeeDee (Electronic Load Device Delivery Boy, oben) stellt eine Containertransporteinheit dar, deren innovativer Antrieb auf dem selbststabilisierenden

gyroskopischen Prinzip der bekannten Segway-Roller aufgebaut ist: Mit Hilfe dieses Fahrzeugs könnten sowohl die Fracht- als auch die speziell

im Ce-Liner verwendeten Batteriecontainer autonom zum Flugzeug transportiert werden.

The so-called ElDeeDee (Electronic Load Device Delivery Boy, above) resembles a container transportation unit, whose drivetrain is based on the selfstabilising

gyroscopic principle utilised in the well-known Segway personal transporters: This autonomously operating vehicle could provide for safe transport

of both cargo as well as the Ce-Liner's special battery containers to the aircraft.

76

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Sitzen nebeneinander. Dies ergibt sich aus den Erfordernissen eines

Familienkonzepts mit Platz für 140, 189 oder 233 Passagiere

und einer anvisierten Turnaround-Zeit von unter 30 Minuten. Sie

wird gewährleistet durch das Ein- und Aussteigen über eine zentrale

Tür in der Flugzeugmitte und seitlich verschiebbare Sitze. Ein

weiterer Treiber für das Zwei-Gang-Design war der erforderliche

Platz im Frachtraum für die Batterien. Diese werden in speziell modifizierten

LD3-Containern ähnlich den heutigen Fracht-Containern

untergebracht. Aufgrund schwerer Batterien und Elektronik sind

Elektromobilitätskonzepte sehr gewichtssensitiv. Daher wurden

herkömmliche Frachttüren anstatt schwerer schwenkbarer Frontoder

Heckladetüren vorgesehen.

Ein weiteres wichtiges Thema ist seit jeher die Vorfeldsicherheit.

Dortige Unfälle kosten Fluggesellschaften weltweit rund zehn

Milliarden Dollar pro Jahr. Allein an den Frachttüren entstehen 20

Prozent aller Flugzeugschäden. Um diese zu reduzieren, hat das

Bauhaus Luftfahrt in Kooperation mit der Fachhochschule Pforzheim

Designstudien für eine autonome Bodenabfertigung entwickelt.

Diese bestehen aus drei multifunktionalen Fahrzeugen für

den Umschlag von Fracht- und Batteriecontainern, das Boarding sowie

für den Transport von Passagieren und Catering zum Flugzeug.

boarding door arrangement and sideward foldable seats. Another

driver for the twin-aisle design was the large space in the

freight compartment required for energy storage. The batteries are

housed in specially modified LD3-type containers, which are similar

to standard freight containers used today. Due to the significant

weight of batteries and supporting power management and

distribution, concepts reflecting electromobility are highly weight

sensitive. Hence, standard cargo doors were preferred over heavy

nose-swivelling or tail-loading door designs.

Ramp safety has always been another major issue. Accidents

on the apron amount to an annual cost of roughly ten billion US

dollars for airlines worldwide. Cargo doors alone account for 20

percent of aircraft damage. With this in mind, Bauhaus Luftfahrt in

cooperation with the Pforzheim University of Applied Sciences, developed

design studies on how to reduce this aspect using autonomous

ground handling concepts. This novel ground service equipment

consists of three multifunctional vehicles that autonomously

take care of loading and unloading batteries and cargo containers,

boarding and deboarding, and the safe transport of passengers

and catering boxes to the aircraft.

Zeitsparende Abfertigung des Ce-Liners am Boden: Drei multifunktionale Servicefahrzeuge aus einer vom Bauhaus Luftfahrt in Kooperation mit der Fachhochschule

Pforzheim entwickelten Designstudie könnten sich vollkommen autonom auf dem Vorfeld bewegen und somit die Bodenzeiten des universell-elektrischen

Flugzeugkonzepts minimieren.

Time-saving ground servicing of the Ce-Liner: Three multifunctional service vehicles developed in a design study of Bauhaus Luftfahrt in cooperation with the

Pforzheim University of Applied Sciences autonomously move around the apron and thus minimise turn-around times of the universally-electric airliner concept.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 77


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Neue Wege in Methoden und Prozessen

New ways in methods and processes

Ecological awareness

Currency exchange rates

Ways of living and orientation

towards leisure time

Population development

and structures

Population growth

Ageing society

Urbanisation

Emerging megacities

78

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Air travel

Resources

3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Climate change

Technology

Supply

Economic developments

GDP growth

Available income

Global middle class

Costs

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 79


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

80

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Sonnenenergie im Fokus von Zukunftstechnologien

und Ökologie der Luftfahrt

Solar energy in the focus of Future Technologies

and Ecology of Aviation

Sehr geehrte Damen und Herren,

der besondere Augenblick, in dem man sich im Steigflug über

eine geschlossene Wolkendecke erhebt, gewährt unerwartet

klare, weitreichende Perspektiven. Im übertragenen Sinne

scheint dies auch für die Zukunft der Luftfahrt so einzutreten.

Energietechnologien gehören weiterhin zu den wichtigsten

Zukunftstechnologien zur Sicherung des Wachstums der

Luftfahrt auf lange Sicht. Es gibt jedoch noch keinen „grünen“

Kraftstoff, der alle Voraussetzungen für Kompatibilität, Nachhaltigkeit

und ökonomische Skalierbarkeit gleichzeitig in hohem

Maße erfüllt. Daher war es notwendig, grundsätzlich „neue

Wege“ zu gehen, woraus sich jetzt eine sonnenklare Perspektive

(siehe Seite 22) abzeichnet, die in der Energiediskussion

zuvor so nicht in Erscheinung trat.

Es sind Aufgaben wie diese, die das Team aus Physikern,

Chemikern, Informatikern, Ingenieuren, Geographen und Materialwissenschaftlern

angeht, um die wichtigsten Innovationspotenziale

der Luftfahrt zu identifizieren und zu erforschen, in den

Bereichen der Energietechnologien, Materialien, Informationstechnologien

ebenso wie auf neuen Wegen des Wissensmanagements

und der Zukunftstechnologieanalyse.

Die direkte und effiziente Umwandlung von stark fokussierter

Sonnenenergie, Wasser und Kohlendioxid in drop-infähigen

Kraftstoff steht in einem internationalen Forschungsverbund

mit den Fördermitteln der Europäischen Kommission

kurz vor der ersten Technologiedemonstration. Prinzipiell ginge

das auch für kohlenstoffbasierte Hochleistungsmaterialien.

Als wichtiger Erfolg gilt bereits jetzt die wissenschaftlich

fundierte Perspektive solarer Kraftstoffe, die in der zukünftigen

Diskussion über klimaneutrales Fliegen einen festen

Platz einnehmen wird.

Dear Sir or Madam,

the instant you rise above the clouds during a flight opens

up unprecedented views, a special moment of clear and farreaching

perspectives. In a metaphorical sense, this seems to

become a reality for the future of aviation.

Energy technologies are still among the most significant

future technologies to study for securing the long-term

growth of the aviation industry. So far, however, there is no

single “green“ fuel production path that scores high in all

three criteria of suitability, sustainability and economic scalability.

Going “new ways“ became a necessity, with the positive

result that a new perspective as clear as daylight emerged

(see page 22), which had been missing entirely in the energy

discussion so far.

This is the nature of tasks which the team of physicists,

chemists, information scientists, engineers, geographers and

material scientists is coping with in order to identify and analyse

the most impactful innovation potentials for aviation. The

team researches the areas of energy technologies, materials,

information technologies, knowledge management and the

methodology of future technology analysis.

The direct and efficient transformation of tightly focused

solar energy, water and carbon dioxide for the production of

“drop-in” capable fuel is just about to undergo its first technology

demonstration, to be performed within an international

research consortium funded by the European Commission.

The principles also apply to the production of renewable highperformance

carbon materials for aviation. The scientifically

sound analysis of solar fuels is already a significant achievement

in the sense that solar fuels are now permanently on the

map of climate-neutral aviation.

Ihr / Your

Dr. Andreas Sizmann

Leiter Zukunftstechnologien und Ökologie der Luftfahrt /

Head of Future Technologies and Ecology of Aviation

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 81


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Methoden zur Auslegung

und Leistungsbetrachtung

elektrischer Flugzeuge

Unique sizing and

performance methods for

Universally-Electric Aircraft

Im Vergleich zu mit Kerosin betriebenen Flugzeugen wird die Untersuchung

vollständig elektrisch angetriebener Flugzeuge (UEA)

im Bauhaus Luftfahrt durch drei interessante Aspekte beeinflusst:

Erstens müssen UEA mit einer niedrigeren Energiedichte im Vergleich

zu Kerosin auskommen, heutzutage sowie in absehbarer

Zukunft. Hinzu kommt, dass ihr Gewicht während der gesamten

Mission gleich bleibt. Ein dritter Aspekt ist die konstante Leistung

von E-Motoren, die weder von der Höhe noch von der Fluggeschwindigkeit

beeinflusst wird.

Der letztgenannte Aspekt hat entsprechende Konsequenzen

in der Dimensionierung von UEA. Der Start, vor allem unter Berücksichtigung

eines Triebwerksausfalls, ist ausschlaggebend für

den Auslegungspunkt und das elektrische System. Die Leistungsanforderung

im „Top-of-Climb“ ist nicht mehr kritisch. Aus diesem

Grund ist die Reduktion der Leistungsanforderung beim Start der

Schlüssel für jedes UEA-Design.

Die geringere Energiedichte der Batterien führt dazu, dass

die Reichweite ein treibender Faktor wird. Dadurch wird das Abfluggewicht

deutlich höher, obwohl die Wandlung von elektrischer

Leistung in Schub für UEA viel effizienter ist im Vergleich zu einem

mit Kerosin betriebenen Flugzeug.

Aufgrund des konstanten Gewichts während der gesamten

Mission wird ein flacher Reiseflug als die optimale Flugtrajektorie

angesehen. Schnelleres und höheres Fliegen bedeutet nur geringe

Nachteile für den Energiebedarf. Im Umgang mit diesen Besonderheiten

baut das Bauhaus Luftfahrt seine Aktivitäten in der

Forschung an UEA weiter aus.

In comparison to conventional fuel energy based aircraft, the assessment

of Universally-Electric Aircraft (UEA) at Bauhaus Luftfahrt

is influenced by three interesting aspects: firstly, UEA are prone to

a lower energy density in comparison to kerosene-fuelled aircraft,

now and in the foreseeable future. Additionally, the weight of a

UEA stays constant during its entire mission. A third aspect is the

constant power of a UEA`s electric motor which remains uninfluenced

by both altitude and speed.

The third aspect has dramatic consequences on the sizing of

UEA. The design point is driven by take-off, especially when considering

the requirement for the One Engine Inoperative (OEI) scenario,

which sizes the electrical system. The power required at top

of climb is no longer critical as enough power is available. Therefore,

any means of reducing requisite take-off power becomes key

for any successful UEA design concept.

The lower energy density of batteries leads to a higher aircraft

weight, although the conversion of electrical power into

available thrust is more efficient for UEA compared to kerosenebased

concepts. Therefore, the range becomes a driver in the design

at higher maximum take-off weights compared to kerosenebased

aircraft.

Due to the constant weight during the entire mission, a flat

cruise phase is seen as the optimum flight technique. Flying faster

and higher produces minor to modest penalties for energy consumption.

In dealing with the unique characteristics of UEA, Bauhaus

Luftfahrt is constantly expanding its activities in this field of

research.

82

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Power to weight (kW/kg)

Design point

Wing loading (kg/m 2 )

Target range = 900nm

Landing field length at sea level and ISA standard atmosphere

2nd segment climb 5000ft with one engine inoperative (ISA standard atmosphere +20 °C)

Take-off field length at sea level and ISA standard atmosphere

Auslegungsdiagramm für den vom Bauhaus Luftfahrt entwickelten Ce-Liner: Die farbigen Flächen stellen die operationellen Anforderungen dar, die von den

besonderen Charakteristiken von UEA in Bezug auf Startfall und Reichweite resultieren. Als Auslegungspunkt wurde folglich eine Flächenbelastung von 635 kg/m² bei

einer spezifischen Leistung von 0,407 kW / kg festgelegt.

Performance constraint chart for Bauhaus Luftfahrt's Ce-Liner concept: The coloured areas represent operational constraints resulting from the unique characteristics

of UEA such as take-off and range requirements. The design point was hence selected at a wing loading of 635 kg/m² and a power-to-weight ratio of 0.407 kW / kg.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 83


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Bestimmung der

Produktlebenszykluskosten:

Ein einheitlicher Ansatz

Estimation of

product life cycle cost:

A unified method

Rund 65 Prozent der gesamten Produktlebenszykluskosten eines

Flugzeugs (LCC) werden während der konzeptionellen Entwurfsphase

festgelegt. In der zivilen Luftfahrt weisen die gesamten operationellen

Kosten, also direkte (DOC) und indirekte (IOC) Betriebskosten,

den mit Abstand größten Anteil an den LCC auf. Auf der

anderen Seite entsteht in dieser initialen Phase nur ein Bruchteil

der Kosten. So ist die Einbeziehung der LCC in den konzeptionellen

Flugzeugentwurf notwendig, um Auswirkungen von alternativen

Flugzeugentwürfen auf die unterschiedlichen Kosten erfassen

zu können. Erst ein detailliertes Verständnis der LCC sowie ihrer

unterschiedlichen Anteile und Einflussfaktoren ermöglicht dem

Flugzeugentwickler daher das Aufzeigen wesentlicher Kostenreduktionspotenziale

alternativer Konzepte.

Der Forschungsansatz des Bauhaus Luftfahrt zielt auf die

Entwicklung eines einheitlichen Ansatzes zur Bestimmung der fixen

(COO) und variablen (COC) Flugzeugkosten, der Zusatzkosten

(ADOC) durch Umweltauflagen sowie der Entsorgungskosten im

Flugzeugvorentwurfsprozess. Dieser einheitliche Ansatz vereinigt

etablierte Methoden zur Bestimmung der Kosten, deren Funktionen

aber durch aktuelle Daten angepasst worden sind. Gerade die

verstärkte Einführung von Umweltabgaben wie Lärm- und Emissionsentgelten

macht eine Berücksichtigung notwendig.

Der einheitliche Ansatz wird am Bauhaus Luftfahrt daher

kontinuierlich weiterentwickelt, um Aussagen zu den Lebenszykluskosten

für unterschiedliche Entwicklungen durch Szenarien

oder für neue Flugzeugkonzepte treffen zu können.

Around 65 percent of an aircraft's total life cycle cost (LCC) is fixed

during the conceptual design phase. For civil transport applications,

total operating costs consisting of direct operating costs

(DOC) and indirect operating costs (IOC) have the largest share of

the LCC. However, only a minor fraction of the total LCC is actually

spent during that initial phase. Thus, the inclusion of LCC assessment

in the conceptual design process is essential to capture

the cost impact of alternative aircraft designs and to allow for the

quantification of their impact on the predicted LCC. Detailed knowledge

about aircraft LCC and their respective shares and influence

factors hence provides design engineers with opportunities to substantially

reduce the cost of alternative aircraft concepts.

The research approach followed by Bauhaus Luftfahrt results

in a method covering costs associated with aircraft cost of ownership

(COO), cash operating costs (COC) and additional direct operating

cost (ADOC) as well as disposal costs where all required input

parameters are available during the conceptual design phase.

This unified method builds upon existing cost estimation methods

with recalibration according to more recent data. An enhancement

of available methods was deemed necessary especially for environmental

charges like noise or emission surcharges.

The unified cost estimation method is subject to continuous

development at Bauhaus Luftfahrt due to application for novel

aircraft concepts and coupling with future scenario analyses.

84

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Percentage of aircraft life cycle cost (LCC)

Programme cost

- Reseach and development

Percentage - Tests of and aircraft certification life cycle cost (LCC)

- Production: materials,

manufacturing, quality control

Programme cost

- Reseach and development

- Tests and certification - Freight

- Production: materials, - Passengers

manufacturing, - Fixed quality costs control and administration

- Freight

- Passengers

- Fixed costs and administration

Indirect operating cost (IOC)

- Depreciation

- Interest/leasing

- Insurance

- Depreciation

- Interest/leasing

- Insurance Cost of

ownership (COO)

- Crew (cabin and cockpit)

- Fuel

- Maintenance

- Ground handling

- Navigation charges

- Crew - Fees (cabin and cockpit)

- Fuel

- Maintenance

- Ground handling

- Navigation charges

- Fees

Cash operating cost (COC)

Direct operating cost (DOC)

ADOC (Additional direct operating cost)

- Environmental airport

charges

- Emission trading

scheme

ADOC (Additional direct operating cost)

- Environmental airport

charges

- Emission trading

scheme

3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Cost of

ownership (COO)

Operating cost

Cash operating cost (COC)

Disposal cost

Indirect operating cost (IOC)

0% 25%

Direct operating cost (DOC)

50% 75% 100%

Disposal cost

Operating cost

Typische Verteilung der Produktlebenszykluskosten eines heutigen Langstrecken-Verkehrsflugzeugs: Das Diagramm verdeutlicht, dass die Betriebskosten mit

0% 25%

50% 75% 100%

Abstand den größten Anteil an den gesamten Produktlebenszykluskosten eines Flugzeugs haben.

Typical values of life cycle cost distribution for a state-of-the art long-range aircraft: The diagram shows that operating costs have by far the highest share of

an aircraft`s overall life cycle cost.

Share of LCC (%)

Impact on LCC (%)

100%

95%

80%

85%

Share of LCC (%)

Impact on LCC (%)

100%

60%

80%

65%

85%

95%

40%

60%

65%

20%

40%

0%

20%

0%

Conceptual

design

Preliminary

design and system

integration

Detailed

design

Manufacturing

and acquisition

Operation

and support

Disposal

Aircraft life cycle

Conceptual

design

Preliminary

design and system

integration

Detailed

design

Manufacturing

and acquisition

Operation

and support

Disposal

Aircraft life cycle

Einfluss der Programmphasen auf die Festlegung der späteren Lebenszykluskosten (orange, Daten basierend auf Willcox 2004) als auch auf den Anteil der

aufgewendeten Kosten während eines Flugzeuglebens (blau): Das Diagramm zeigt die Notwendigkeit einer detaillierten Kostenmodellierung bereits während des

konzeptionellen Flugzeugvorentwurfs.

Impact of aircraft programme phases on the determination of an aircraft's life cycle cost (orange, data based on Willcox 2004) and their share of expenditure

during an aircraft life (blue): The diagram underlines the necessity of advanced cost estimation methods as early as the conceptual design phase.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 85


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Skalierbare

Entscheidungsfindung

in großen Gruppen

Scalable

decision making

in large groups

Zu den Kernkompetenzen des Bauhaus Luftfahrt gehören die interdisziplinäre

Bewertung und strategische Priorisierung von zukünftigen

Luftfahrtforschungsthemen. Dies erfordert die Einbindung

einer großen und heterogenen Gruppe von Interessenvertretern,

die jeweils ihre unterschiedlichen Bewertungskriterien anwenden.

Bauhaus Luftfahrt untersucht die Marktmetapher zur skalierenden

Erfassung der Expertenmeinungen dieser Zielgruppe. Bei diesem

Ansatz kaufen die Teilnehmer Aktien ihrer favorisierten Themen

und verkaufen Aktien der weniger favorisierten Themen auf einem

Markt. Hohe oder niedrige Preise, ausgelöst durch starke oder

schwache Nachfrage, zeigen dabei den Zustimmungsgrad zu dem

jeweiligen Thema an.

Trotz der vielversprechenden Markteigenschaften ist es notwendig,

die Vertrauenswürdigkeit der Marktergebnisse für ihre

nützliche Verwendung sicherzustellen. Dies erfordert ein wohlüberlegtes

Design der Marktanwendung. Im Jahr 2012 entwarf

das Bauhaus Luftfahrt daher ein Marktmodell, bestehend aus

den Schlüsselfaktoren Teilnehmermotivation, Entscheidungstyp und

Marktanreize, um vertrauenswürdige Marktergebnisse erzielen zu

können.

Bauhaus Luftfahrt untersucht zudem die Anwendbarkeit der

Marktmetapher für die Konzeptualisierung von zukünftigen Themen.

Als vielversprechende Anwendung der Marktmetapher wurde

dabei die Auflösung von widersprüchlichen Beziehungen zwischen

Themen identifiziert. Potenzielle Lösungsmöglichkeiten werden dabei

als Aktien gehandelt, wobei der höchste Aktienpreis die gegenwärtig

bevorzugte Lösung im fortlaufenden Markt angibt.

Among the core competencies of Bauhaus Luftfahrt is the interdisciplinary

assessment and strategic prioritisation of future aeronautic

research topics. This requires the incorporation of a large and

heterogeneous group of stakeholders all applying their different

sets of evaluation criteria. Bauhaus Luftfahrt examined the market

metaphor as a scalable way of gathering expert opinions from

such stakeholder groups. With this approach, people buy shares in

topics they favour and sell shares of unfavoured topics on a market.

Strong demand causes prices of topics to rise whereas a lack

thereof lowers them, indicating the level of consent for the topics.

Despite its promising capabilities, ensuring the trustworthiness

of the market results is a prerequisite for a beneficial application

of the market metaphor. This requires a careful design of the

market application scenario. In 2012, Bauhaus Luftfahrt elaborated

a market model comprising the key factors of participants’ motivation,

decision type and market incentives that allow for producing

trustworthy market results.

Bauhaus Luftfahrt also investigates the applicability of the

market metaphor to the conceptualisation of future topics. The

resolution of conflicting relations between topics has been identified

as a promising application of the market metaphor in this

context. Potential conflict resolutions are traded as shares with the

highest ranking share defining the currently preferred resolution in

the continual market.

86

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Emerging markets

Alternative fuels

Stability

Economy

?

New materials

Globalization

?

Politics

Innovation

Regulations

Technology

Charges

Society

Income

Urbanisation

Migration

Konflikt in der Kategorisierung eines Konzepts (gestricheltes Rechteck): In diesem Beispiel darf ein Konzept nur einer Kategorie (dunkelblaues Rechteck) zugewiesen

sein. Bauhaus Luftfahrt untersucht, inwiefern die Marktmetapher zur Lösung solcher Konflikte anwendbar ist.

Conflict in the assignment of a concept (dotted box) to a category (dark blue box): In this example, a concept may be assigned to only one category. Bauhaus Luftfahrt

investigates the application of the market metaphor for resolving such conflicts by trading shares of the two assignments.

Involvement

Motivation

Assignment Altruism

Interest

Incentives

Forecast

Reputation

Decision type

Preference

Strategic

Performance

Participation

Operational

Strategic

Indecisive

Behaviour

Sincere

Speculative

Consensus

Effectiveness Acceptance

Market

Result

Quality

Decision

Schlüsselfaktoren für das Marktdesign: In der Anwendung der Marktmetapher werden diese Faktoren identifiziert, um das Teilnehmerverhalten und somit das

Marktergebnis im Hinblick auf eine skalierbare Entscheidungsfindung in größeren Gruppen zu beeinflussen.

Key market design factors: In the application of the market metaphor, these factors are identified in order to influence the behaviour of the participants and thus the

market result, hence enabling scalable decision making within larger groups.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 87


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Integriertes

Datenmanagement

mit OpenCDT

Integrated

data management

in OpenCDT

Der Entwurf von Flugzeugkonzepten ist eine multidisziplinäre Aktivität,

welche die Koordination von Beiträgen mehrerer Fachrichtungen

erfordert. Es ist üblich, diese Beiträge in fachspezifischen

Software-Werkzeugen zu modellieren. Durch diese Vorgehensweise

ist das Gesamtkonzept über mehrere Datenmodelle verteilt. Aus

Sicht des Datenmanagements hat dieser Ansatz den Nachteil,

dass die Erkennbarkeit von Inkonsistenzen zwischen den Datenmodellen

erschwert wird.

Ein integrierter Datenmanagement-Ansatz vermeidet diese

Nachteile, da er alle Datenmodelle an ein integriertes Datenmodell

anschließt. Bauhaus Luftfahrt benutzt diesen Ansatz bei seiner

Arbeit an OpenCDT, einem Open-Source-Werkzeug für ein integriertes

Datenmanagement. Während dieser Ansatz einen positiven

Einfluss auf die Erhaltung der Konsistenz des Datenmodells

hat, führt er, wenn er ohne Anpassungen übernommen wird, zu

einer geringeren Benutzerfreundlichkeit, da Größe und Komplexität

des Datenmodells stark ansteigen.

Um die Benutzerfreundlichkeit des integrierten Datenmodells

zu erhöhen, sucht Bauhaus Luftfahrt daher nach Möglichkeiten,

die Fachbenutzer in der Handhabung dieser Komplexität

zu unterstützen. Ein vielversprechender Ansatz ist der Einsatz von

Filtern. Diese definieren eine Untermenge des Datenmodells durch

die Angabe von Auswahlkriterien. Der Fachexperte hat somit die

Möglichkeit, eine handhabbare Untermenge des Datenmodells

auszuwählen, die er im Kontext einer bestimmten Disziplin bearbeitet.

Designing a conceptual aircraft model is a multi-disciplinary activity

that requires the coordination of contributions from several

discipline experts. Usually these contributions are created by using

discipline specific software tools, a practice that results in an overall

design that is fragmented into several data models. From a data

management point of view, the use of fragmented data models

has several disadvantages, including the lack of effective means

to ensure the overall designs’ consistency.

The use of an integrated data management approach, where

all data models are merged into a single integrated data model,

avoids these disadvantages. Bauhaus Luftfahrt is applying this approach

in its work on OpenCDT, an open source tool for integrated

data management. While this approach has a positive impact on

ensuring the data models’ consistency, it will, when applied without

further refinements, reduce the usability for discipline-specific

users due to the data models’ increased size and complexity.

In order to increase the usability of integrated data sets,

Bauhaus Luftfahrt in 2012 has looked at how to support discipline

experts in handling this complexity. A promising approach that has

been implemented and tested in OpenCDT is the use of filters. A

filter defines a subset of the integrated data model by specifying

selection criteria. A discipline expert can, thus, define manageable

subsets that are manipulated in a given discipline context.

88

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Subset A2

Data model A

3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Subset A1

Beispielhafte Darstellung des vom Bauhaus Luftfahrt angewandten Ansatzes zur Filterung: Das Datenmodell A enthält sieben Elemente mit Attributen, die durch

unterschiedliche Formen visualisiert sind. Zwei Untermengen werden durch zwei Filter erzeugt, die jeweils eine Eigenschaft der Formen, welche die Attribute visualisieren,

als Selektionskriterium benutzen: einen Winkel und einen Bogen. Die Untermenge A1 besteht aus allen Elementen, deren Attribute durch eine Form visualisiert

sind, die zwei oder mehrere Winkel enthält. Die Untermenge A2 besteht aus Elementen mit Formen, die mindestens einen Bogen enthalten.

Exemplary depiction of the filtering approach employed by Bauhaus Luftfahrt: Data model A contains seven elements with attributes that are visualised by

individual shapes. Two subsets are produced by applying different filters, using two characteristics of the shapes that visualise the attributes as the selection criteria:

an angle and an arc. Subset A1 contains all elements the attributes of which are visualised by shapes containing two or more angles. Subset A2 contains all elements

with shapes containing at least one arc.

Eine Bildschirmansicht aus OpenCDT, welche

die Verwendung von Filtern zeigt: Das integrierte

Datenmodell ist links in der Ansicht „Navigator“

zu sehen. Eine Untermenge, die nur aus den

Komponenten Flügel und Triebwerk mit all ihren

Attributen besteht, wird in der Ansicht „wing

and engine“ in der Mitte des Bildschirms gezeigt.

Die Ansicht „Properties“ im unteren Bereich des

Bildschirms zeigt die Definition eines Filters für

die Selektion der Komponente Flügel und all ihrer

Attribute.

OpenCDT ist unter www.opencdt.org zum

Download verfügbar.

A screenshot showing filters in OpenCDT: The

integrated data model is shown in the “Navigator”

view on the left. A subset containing only attributes

that describe the wing and the engine component

is shown in the “wing and engine” view in

the middle. The definition of a filter for selecting

all attributes that belong to the component “wing”

is shown in the “Properties” view at the bottom.

OpenCDT is available for download from

www.opencdt.org.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 89


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Die Verteilung von

Entwicklungsaufwand durch

Open-Source-Software

Open source software

and the distribution of

development effort

Der Entwurf und die Bewertung von flexiblen und unkonventionellen

Flugzeugkonfigurationen sowie die Kollaboration im multidisziplinären

Entwurfsprozess treiben die Entwicklung von neuen Softwarewerkzeugen

für den konzeptionellen Flugzeugentwurf voran.

Die nachhaltige Entwicklung derartiger Softwarewerkzeuge

überschreitet die Kapazitäten und Fähigkeiten vieler Forschungseinrichtungen

und Unternehmen. Bauhaus Luftfahrt wirbt daher

für eine breite Zusammenarbeit in der Entwicklung neuer Softwarewerkzeuge

zur Aufteilung des Aufwands und zur Vereinigung

der jeweiligen Kompetenzen.

Einen ersten Schritt auf dem Weg dorthin stellt die Etablierung

eines standardisierten Frameworks für Flugzeugentwurfssoftware

dar. Dieses Framework sieht die Trennung von Softwarewerkzeugen

in Basisdienste wie Daten- oder Prozessmanagement und

separate Module mit erweiterter oder proprietärer Funktionalität

vor. In einem zweiten Schritt folgt die kollaborative Entwicklung

der Basisdienste sowie anderer geteilter Module und deren Veröffentlichung

als Open-Source-Software (OSS). Die gemeinschaftliche

Entwicklung und Pflege von OSS erlaubt dabei die Verteilung

des Aufwands und die Vereinigung der jeweiligen Kompetenzen.

Diese Vorgehensweise, für die sich das Bauhaus Luftfahrt

einsetzt, ermöglicht es Organisationen, eine besonders nachhaltige

Strategie für die Entwicklung von Softwarewerkzeugen zu bilden.

Die Wiederverwendung von Basisdiensten hat das Potenzial,

deren Entwicklungsaufwand zu reduzieren und die so frei gewordenen

Entwicklungsressourcen für die jeweiligen Kernkompetenzen

aufzuwenden.

The trends that drive the development of new software tools

for conceptual aircraft design include the demand for increased

flexibility to model unconventional aircraft configurations, and for

collaborative design features supporting multi-disciplinary design

approaches.

The development of software tools that sustainably address

these trends exceeds the capacities and capabilities of many organisations,

both in industry and academia. Therefore, Bauhaus

Luftfahrt promotes a broad collaboration in the development of

software tools for the mutual benefit of distributed effort and

shared competencies.

In the first step of this approach a standard framework for

software tools for aircraft design is established. This framework

aims for the separation of software tools into basic services such

as general data management or process management, and separate

modules enclosing advanced or proprietary functionality. In a

second step, basic services and other shared modules are developed

collaboratively and released as open source software (OSS).

The community-driven development and maintenance of OSS enables

the distribution of effort and pooling of competencies.

This approach, which is promoted by Bauhaus Luftfahrt, enables

organisations to develop a truly sustainable strategy for software

tool development. Reusing basic services has the potential to

reduce their development effort and to spend the freed development

resources on their respective core competencies.

90

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Module 1 … Module n Module library

Process management

Model and

process library

Data management

Ein standardisiertes Framework für Flugzeugentwurfssoftware: Dieses Framework ermöglicht die kollaborative Entwicklung von Open-Source-Software und geteilten

Modulen für Basisdienste sowie die Entwicklung von Modulen mit proprietärer Funktionalität.

A standard framework for software tools used in conceptual aircraft design: The framework supports the collaborative development of basic services that are

released either as open source or as shared modules, and of modules enclosing advanced proprietary functionality.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 91


92

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 93


ACARE: Eine Strategie für Luftfahrt-Forschung

und -Innovation in Europa

ACARE: A strategic agenda for aviation

research and innovation in Europe

In dem sogenannten Flightpath

2050-Dokument haben hochrangige

Vertreter der europäischen Luftfahrt

ihre Vision formuliert, unterstützt von

der Europäischen Kommission.

High-level aviation representatives

have published their long-term vision

for European aviation in the so-called

Flightpath 2050 document supported

by the European Commission.

Zentrale Ziele sind die Erfüllung der Mobilitätsbedürfnisse der Gesellschaft

sowie die Beibehaltung der globalen Führungsrolle der

europäischen Luftfahrtindustrie. Auf der Basis dieser Vision hat

ACARE (Advisory Council for Aviation Research and Innovation in

Europe) auf der Luftfahrtschau ILA 2012 in Berlin ihre Strategic Research

& Innovation Agenda (SRIA) veröffentlicht. Die SRIA stellt

Entwicklungen dar, die es ermöglichen, die Flightpath 2050-Ziele

zu erfüllen, gegliedert in kurz- (bis 2020), mittel- (bis 2035) und

langfristige Ziele (bis 2050).

Bauhaus Luftfahrt war an allen fünf ACARE-Arbeitsgruppen

zur Erstellung der SRIA aktiv beteiligt und hat zudem das Cluster

„Gesellschaftliche Erwartungen“ der Arbeitsgruppe „Safety and

Security“ geleitet. Die Arbeitsgruppen waren analog zu den in

Flightpath 2050 identifizierten Herausforderungen strukturiert:

» Erfüllung von gesellschaftlichen und

Marktanforderungen

» Beibehaltung und Erweiterung der industriellen

Führungsrolle

» Schutz der Umwelt sowie Sicherstellung der

Energieversorgung

» Gewährleistung von Safety und Security

» Priorisierung von Forschung, experimentellen

Fähigkeiten und Ausbildung.

Durch seine besondere Erfahrung im Hinblick auf langfristige Entwicklungen

der Luftfahrt sowie die Expertise in verschiedensten

Disziplinen konnte das Bauhaus Luftfahrt zur erfolgreichen Gestaltung

der Strategie beitragen.

The main objectives identified in Flightpath 2050 are to serve society’s

needs for air transport and to maintain global leadership in

the aviation sector. Drawing on this vision, the Advisory Council

for Aviation Research and Innovation in Europe (ACARE) launched

a Strategic Research & Innovation Agenda (SRIA) at the ILA

Berlin Air Show 2012. The SRIA outlines developments that will enable

the vision to be achieved, structured according to three time

scales: short-term (to 2020), medium-term (to 2035) and long-term

(to 2050).

Bauhaus Luftfahrt actively contributed to all five working

groups developing the SRIA and led the cluster “Societal Expectations”

in the working group “Safety and Security”. The working

groups were structured according to the major challenges identified

in Flightpath 2050:

» Meeting market and societal needs

» Maintaining and extending industrial leadership

» Protecting the environment and the energy supply

» Ensuring safety and security

» Prioritising research, testing capabilities and education.

Bauhaus Luftfahrt’s specific experience regarding long-term developments

within the air transport system as well as its expertise

in multiple disciplines contributed to the successful realisation of

the roadmap.

94

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Druckausgabe der Strategic Research & Innovation Agenda: Das Bauhaus Luftfahrt war aktiv an der Ausarbeitung des wegweisenden Dokuments beteiligt.

Printed edition of the Strategic Research & Innovation Agenda: Bauhaus Luftfahrt played an active role in the conception of the groundbreaking document.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 95


Munich Aerospace: Leitthema Aviation

Management erfolgreich etabliert

Munich Aerospace: Core topic Aviation

Management successfully established

Munich Aerospace ist auch 2012

wieder kontinuierlich gewachsen.

Munich Aerospace experienced

continuous growth in 2012 as well.

Neben ihren mittlerweile über 20 Stipendiaten vernetzt die Fakultät

für Luft- und Raumfahrt nun insgesamt elf Forschergruppen an

23 Instituten und Lehrstühlen. Sie arbeiten an den nunmehr fünf

etablierten Leitthemen von Munich Aerospace.

Das Bauhaus Luftfahrt ist unter anderem im Rahmen des Leitthemas

Aviation Management aktiv und leitet hier die Forschergruppe

„Operationelle Modellierung, Simulation und Optimierung

intermodaler Knoten im Luftverkehr“. Als Partner beteiligen sich

zudem der Lehrstuhl für Luftfahrtsysteme der Technischen Universität

München sowie das Institut für Theoretische Informatik,

Mathematik und Operations Research der Universität der Bundeswehr

München an dieser Forschergruppe.

Ziel ihres Vorhabens ist der Aufbau einer operationellen

Bewertungsfähigkeit für neue Flughafenkonzepte und -prozesse.

Vor dem Hintergrund einer zunehmenden Vernetzung von strategischen

Entwicklungen mit operationellen Aspekten des Flughafenbetriebs

können Potenziale entwickelter Lösungsansätze nur auf

Gesamtsystemebene erforscht und beurteilt werden. Die Arbeiten

der Forschergruppe gliedern sich in drei Bereiche: die strategische,

die operationelle sowie die Technologie-Ebene. Im Rahmen des

Leitthemas werden interdisziplinäre Lösungsansätze entwickelt,

welche die verschiedenen Bereiche inhaltlich sowie methodisch

verbinden. Auf diese Weise wird der sukzessive Aufbau einer Gesamtprozesssicht

für das Flughafenumfeld ermöglicht und so ein

Beitrag zur Prozessoptimierung und Entscheidungsfindung geleistet.

Besides its more than 20 scholars the faculty for aerospace now

closely links eleven research groups within a network of 23 institutes

and university chairs. Their research work is centred around

five core topics established for Munich Aerospace.

Among others, Bauhaus Luftfahrt plays an active role in the

core topic Aviation Management in which it leads the research

group “Operational Modelling, Simulation and Optimisation of

Intermodal Nodes in Aviation“. The other partners within this

group are the Institute for Aircraft Design of Technische Universität

München as well as the Institute for Theoretical Computer

Science, Mathematics and Operations Research of Universität der

Bundeswehr München.

The purpose of this group is to establish assessment capabilities

for new airport concepts and processes. The increasing level

of interconnections between different aspects of airport operations

such as strategic developments and operational structures

requires an integrated system approach. This ensures a thorough

analysis and assessment regarding the potential of developed solutions.

The activities of the research group are split in the strategic,

operational and technological level. Within these areas,

interdisciplinary solutions are developed which link the diverse

technical and methodological competencies of the research group.

This facilitates the successive build-up of an integrated system approach

for the airport environment. It hence contributes to the

optimisation of processes and supports informed decision making.

96

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Strategic level

Anaylsis of drivers and

development of scenarios

to specify requirements

for the air transport system

Socio-economic

drivers and air

transport scenarios

Derivation of

requirements for

the air transport

system

Today

Future

Operational level

Analysis and modelling of

processes of different

stakeholders as well as

operational aspects within

the air transport system

Passenger

and cargo

processes

Fleet

developments

and route

networks

Business

models

(airline and

airport)


Integrated

system

approach

Technological level

Analysis and assessment

of innovative technologies

for the optimisation of the

air transport system

Economic

sustainability

(cost)

Ecologic

sustainability

(noise and

emissions)

Airport

capacity

(landside and

airside)


Die Arbeitsebenen der Forschergruppe „Operationelle Modellierung, Simulation und Optimierung intermodaler Knoten im Luftverkehr“: Das Bauhaus Luftfahrt

und seine Projektpartner entwickeln interdisziplinäre Lösungsansätze, welche die verschiedenen inhaltlichen sowie methodischen Kompetenzen der Forschergruppe

zu einer Gesamtprozesssicht verbinden.

The different assessment levels of Munich Aerospace's research group “Operational Modelling, Simulation and Optimisation of Intermodal Nodes in

Aviation“: Bauhaus Luftfahrt and its project partners work on interdisciplinary solutions which combine the diverse technical and methodological competencies of the

research group into an integrated system approach.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 97


aireg: Bauhaus Luftfahrt leitet den

Arbeitskreis Nachhaltigkeit

aireg: Bauhaus Luftfahrt leading the

sustainability working group

Auch 2012 hat aireg wieder viele

Schritte unternommen, um das

führende deutsche Netzwerk im Bereich

alternativer Kraftstoffe aufzubauen.

In 2012, aireg has advanced further

on its way to becoming the

leading network in the field of

alternative fuels in Germany.

In der 2011 ins Leben gerufenen „Aviation Initiative for Renewable

Energy in Germany e.V.“ (aireg) sollen nationale Anstrengungen

in Wissenschaft und Forschung gebündelt und die Expertise entlang

der gesamten Wertschöpfungskette vereint werden. In seiner

Rolle als Gründungsmitglied der Initiative, als Mitglied in allen

Arbeitskreisen und durch den Vorsitz im Arbeitskreis Nachhaltigkeit

hat sich auch das Bauhaus Luftfahrt 2012 wieder aktiv in die

Entwicklung von aireg eingebracht.

So war es für die Ausarbeitung der Themen „Ökologische

Herausforderungen und Reduktionsziele“ sowie „Nachhaltigkeitskriterien

und die wesentlichen Prämissen der Nachhaltigkeit“ des

aireg-Strategiepapiers 2012 verantwortlich. Außerdem leistete

das Bauhaus Luftfahrt einen starken Beitrag zu einem aireg-Forschungsantrag,

in dem der Einsatz von Biokraftstoffen und deren

Beitrag zur Senkung der CO 2

-Emissionen im Luftverkehr abgeschätzt

werden. Das hieraus entstandene Forschungsprojekt wird

durch das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung

(BMVBS) seit Ende 2012 gefördert.

Zudem vertritt das Bauhaus Luftfahrt auch international die

Interessen von aireg in der ICAO SUSTAF (Sustainable Alternative

Fuels for Aviation) Expertengruppe, die Empfehlungen zur Unterstützung

der weltweiten Entwicklung und des Einsatzes nachhaltiger

alternativer Flugkraftstoffe erarbeitet.

Since its foundation in 2011, national efforts in research and development

as well as expertise of different stakeholders along the

entire value chain have been pooled in the “Aviation Initiative for

Renewable Energy in Germany e.V.“ (aireg). In its role as a founding

member of the initiative, its representation in all of the five

working groups and its leading role in the sustainability working

group, Bauhaus Luftfahrt again played an active part in the development

of aireg in 2012.

Among many other things, it was responsible for elaborating

the key topics for the aireg strategy paper published in mid-

2012, namely “Ecological challenges and reduction targets” and

“Sustainability principles and premises of sustainability”. Bauhaus

Luftfahrt also played a key role in the development of a project

proposal for aireg, aiming at estimating the impact of biofuels to

CO 2

emission reductions in aviation. This project is funded by the

Federal Ministry of Transport, Building and Urban Development

(BMVBS) since the end of 2012.

Furthermore, Bauhaus Luftfahrt represents aireg internationally

in the ICAO SUSTAF (Sustainable Alternative Fuels for Aviation)

expert group, supporting the development of recommendations

to further facilitate the global development and deployment

of sustainable alternative fuels for aviation.

98

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


C0 2

life cycle of fossil fuels

Extraction

Transport

Refining

Transport

Distribution at airport

Flight

C0 2

life cycle of biofuels

Flight

Feedstock growth

(crops and algae)

Transport

Distribution at airport

Refining

Processing

In der vom Bauhaus Luftfahrt geleiteten aireg-Arbeitsgruppe „Nachhaltigkeit“ wird die CO 2

-Produktion über den gesamten Lebenszyklus eines Kraftstoffes

betrachtet: Bei der Produktion von fossilem Kerosin wird derzeit an jedem Schritt der Wertschöpfungskette Kohlendioxid emittiert. Der große Vorteil von Bioflugkraftstoffen

ist, dass diese Emissionen zu Beginn der Wertschöpfung, das heißt beim Anbau der Biomasse, in den Pflanzen gespeichert und somit absorbiert werden können. Somit

entstünde ein geschlossener Kreislauf, bei dem kein zusätzliches fossiles CO 2

in die Atmosphäre gelangt.

In aireg's sustainability working group led by Bauhaus Luftfahrt, the complete life cycle of aviation fuels is taken into account when analysing the overall

CO 2

emissions: In the production of fossil kerosene, carbon dioxide is emitted at every stage of the supply chain. The advantage of biofuels is that these emissions

are reabsorbed when feedstock is cultivated as a renewable biomass. In this case, a closed loop would be created in which no additional fossil CO 2

is released into

the atmosphere.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 99


Zahlen und Fakten

Facts and figures

100

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 101


Finanzen

Financial figures

Das Bauhaus Luftfahrt konnte sich im Geschäftsjahr 2012 stabil

entwickeln. Die IABG als neues Mitglied erhöhte die Mitgliedsbeiträge

auf nunmehr 876.000 Euro. Darüber hinaus sind die Erträge

aus Aufträgen und Kooperationen mit den Industriepartnern auf

1,48 Mio. Euro angestiegen. Aufgrund des ausgefallenen nationalen

zivilen Luftfahrtforschungsprogramms des Bundes (LuFo) und

der deutlichen Überzeichnung bei EU-Projektanträgen haben sich

die Erträge aus EU- und bundesgeförderten Projekten um 189.000

Euro auf 149.000 Euro rückläufig entwickelt. Für das Jahr 2013

plant das Bauhaus Luftfahrt mit einer Zunahme bei den Drittmitteleinnahmen

aus Förderprojekten auf rund 810.000 Euro sowie

aus Kooperations- und Verbundforschungsprojekten auf rund 1,9

Mio. Euro.

During the fiscal year 2012, Bauhaus Luftfahrt once again experienced

a solid development. As a result of IABG joining the ranks as

the newest partner, membership fees increased to 876,000 euros.

Moreover, the earnings from projects and cooperations with the

industrial partners rose to 1.48 m euros. Due to the postponement

of the German federal civil aviation research programme (LuFo)

and an explicit oversubscription in research calls to the European

Union, earnings from European and federally funded projects have

dropped by 189,000 euros to 149,000 euros. For the year 2013,

Bauhaus Luftfahrt expects an increase in third-party funds to

roughly 810,000 euros alongside 1.9 m euros from cooperations

and integrated research projects.

Umsatzerlöse / Revenues

5.000.000

4.500.000

4.000.000

3.500.000

3.000.000

2.500.000

2.000.000

1.500.000

1.000.000

Forschungsaufträge

Research contracts (€)

Bund / EU

Federal / European funds (€)

Mitgliedsbeiträge

Membership fees (€)

2010

1.401.705

508.254

750.600

2011

1.436.420

338.202

750.600

2012

1.480.204

148.956

875.600

500.000

0

2010

2011

2012

Zuschüsse Freistaat Bayern

Grants from the Free State of Bavaria (€)

1.500.000

1.500.000

1.500.000

102

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Personal

Personnel

Die stabile finanzielle Entwicklung ermöglichte es dem Bauhaus

Luftfahrt, auch im Jahr 2012 gezielt in hochqualifiziertes wissenschaftliches

Personal zu investieren. So konnten im Jahresverlauf

zusätzliche acht Mitarbeiter für das Bauhaus Luftfahrt gewonnen

werden. Dieser Personalaufbau erfolgte schwerpunktmäßig in den

wissenschaftlichen Teams. Das Bauhaus Luftfahrt konnte dadurch

seine Kompetenzen deutlich stärken. Im Jahresdurchschnitt waren

am Bauhaus Luftfahrt 40 Mitarbeiter beschäftigt. Hinzu kamen

insgesamt 25 Studenten, die ihre Semester-, Bachelor- oder Diplomarbeit

in Zusammenarbeit mit dem Bauhaus Luftfahrt geschrieben

haben. Der Anteil der Wissenschaftlerinnen blieb mit rund 21

Prozent konstant. In Abhängigkeit von der finanziellen Entwicklung

des Bauhaus Luftfahrt sollen auch im Jahr 2013 selektiv Nachwuchskräfte

gewonnen werden.

The solid financial development in 2012 allowed Bauhaus Luftfahrt

to invest systematically in highly qualified academic personnel.

Hence, another eight additional employees could be recruited. This

personnel ramp-up mainly took place in the scientific teams, helping

Bauhaus Luftfahrt to further expand its competences in this

field. On annual average, 40 persons were employed at Bauhaus

Luftfahrt, amended by an overall 25 students working on their term

papers, bachelor or diploma theses. The percentage of female scientists

remained stable at approximately 21 percent. Depending

on the funding situation, Bauhaus Luftfahrt is planning to selectively

acquire additional researchers in 2013.

Mitarbeiter (Jahresdurchschnitt) / Employees (year average)

2010 2011 2012

Vorstand

Executives 2 2 2

Verwaltung

Administration 5 6 9

Wissenschaftler

Scientists 22 21 29

Studenten

Students 13 29 25

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 103


Wissenschaftliche Veröffentlichungen / Patente

Scientific publications / Patents

Zeitschriftenaufsätze / Journal articles

2012

03.2012 Futures | Vol. 44, No. 4

A Scenario-Based Approach to Airport Security

M. Cole, A. Kuhlmann

04.2012 Canadian Aeronautics and Space Journal | Vol. 58, No. 1 | DOI: 10.5589/q12-003

Integrated Flight Control System Development using CEASIOM

C.S. Beaverstock, T.S. Richardson, A. Maheri, A.T. Isikveren

05.2012 Aircraft Engineering and Aerospace Technology | Vol. 84, No. 3

The Case for Open Source Software in Aeronautics

S. Ziemer, G. Stenz

07.2012 AIAA Journal of Aircraft | Vol. 49, No. 4 | DOI: 10.2514/1.C031499

Multi-objective Optimization for the Multi-Phase Design of Active Polymorphing Wings

D.D. Smith, R.M. Ajaj, A.T. Isikveren, M.I. Friswell

Journal of Intelligent Material Systems and Structures | DOI: 10.1177/1045389X12444493

Dynamic Modelling and Actuation of the Adaptive Torsion Wing

R.M. Ajaj, M.I. Friswell, W.G. Dettmer, G. Allegri, A.T. Isikveren

10.2011 The Aeronautical Journal | Vol. 116, No. 1184

Performance and Control Optimization of a UAV Using the Adaptive Torsion Wing

R.M. Ajaj, M.I. Friswell, W.G. Dettmer, G. Allegri, A.T. Isikveren

12.2012 Aerospace Science and Technology Journal | DOI: 10.1016/j.ast.2012.12.002

The Zigzag Wingbox for a Span Morphing Wing

R.M. Ajaj, E.I. Saavedra Flores, M.I. Friswell, A.T. Isikveren, G. Allegri, W.G. Dettmer, B.K.S. Woods

Buchbeiträge / Book contributions

2012

05.2012 S.D. Eppinger, T.R. Browning, Design Structure Matrix Methods and Applications

| MIT Press | ISBN 978-0-262-01752-7

Airport Security System

M. Cole, M. Maurer

Konferenzbeiträge / Conference papers

2012

03.2012 IEEE Aeronautics 2012 / Big Sky

Towards a Continuous Build-up Process of a Reusable Requirements-based System Model

M. Glas, S. Sartorius

On the Adoption of Open Source Software in Aeronautics

S. Ziemer

On Development Environments for Aircraft Modeling

S. Prochnow, G. Stenz, S. Ziemer

104

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


04.2012 53rd AIAA Structures, Structural Dynamics, and Materials and Co-located Conferences | Honolulu

Optimum Design of a PID Controller for the Adaptive Torsion Wing Using GA

R.M. Ajaj, M.I. Friswell, W.G. Dettmer, G. Allegri, A.T. Isikveren

Span Morphing: A Conceptual Design Study

R.M. Ajaj, M.I. Friswell, E.I. Saavedra Flores, O. Little, A.T. Isikveren

Hierarchical Approach for Conceptual Design of Morphing Devices

M. Pleißner, M. Trapani, A.T. Isikveren, M. Hornung, R. Ajaj, M. Friswell, J. Wittmann, H. Baier

09.2012 Ökobilanz-Werkstatt 2012 | Stuttgart

Alternatives to Conventional CFRP

O. Boegler

Mikroalgenkultivierung zur Produktion alternativer Kraftstoffe für die Luftfahrt

C. Endres

Zweistufiger solarer thermochemischer Prozess zur Herstellung nachhaltiger Kraftstoffe für die Luftfahrt

C. Falter

09.2012 61. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress | Berlin

Future Developments Regarding the Air Cargo Market – A Scenario-based Analysis

A. Reinhold, A. Kuhlmann, A. Becker, P. Phleps

Drivers and Elements of Future Airborne Communication Networks

K.-D. Büchter, A. Reinhold, G. Stenz and A. Sizmann

Renewable Aviation Fuels - Assessment of Three Selected Fuel Production Pathways

C. Endres, C. Falter, A. Roth, F. Riegel, A. Sizmann

Fundamental Prerequisites for Electric Flying

H. Kuhn, A. Sizmann

Challenges for Collaborative Data Management in an MDAO Process

D. Böhnke, E. Moerland, D. Seider, M. Kunde, M. Litz, S. Ziemer, G. Stenz

Modelling Approach with Versatile Filtering Capabilities

S. Ziemer

Application of Agile Methods in Conceptual Aircraft Design

M. Glas, A. Seitz

Preliminary Investigation of a Self-trimming Non-planar Wing Using Adaptive Utilities

M. Trapani, M. Pleißner, A.T. Isikveren, K. Wieczorek

Performance and Sizing of Transport Aircraft Employing Electrically-Powered Distributed Propulsion

H.-J. Steiner, P. Vratny, C. Gologan, K. Wieczorek, A.T. Isikveren, M. Hornung

Electrically Powered Propulsion: Comparison and Contrast to Gas Turbines

A. Seitz, O. Schmitz, A.T. Isikveren, M. Hornung

Conceptual Studies of Universally-Electric Systems Architectures Suitable for Transport Aircraft

A.T. Isikveren, A. Seitz, P. Vratny, C. Pornet, K.O. Plötner

Influence of Aircraft Parameters on Aircraft Market Price

K.O. Plötner, M. Cole, M. Hornung, A.T. Isikveren, P. Wesseler, C. Essling

09.2012 28th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences | Brisbane

Shielding Cosmic Radiation in Air Traffic

L. Schrempp, A. Sizmann

Progress and Perspectives of Electric Air Transport

H. Kuhn, A. Seitz, L. Lorenz, A.T. Isikveren, A. Sizmann

Multi-disciplinary Design and Feasibility Study of Distributed Propulsion Systems

H.-J. Steiner, A. Seitz, K. Wieczorek, K.O. Plötner, A.T. Isikveren, M. Hornung

10.2012 3rd Aircraft Structural Design Conference | Delft

Panoramic Passenger Windows Applied to Transport Aircraft

D. Empl, R. Wehrle, M. Trapani, M. Pleißner, K. Plötner, N. Hofheinz, H. Baier

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 105


Wissenschaftliche Veröffentlichungen / Patente

Scientific publications / Patents

Studienarbeiten / Diploma or bachelor theses and term papers

Visionäre

Flugzeugkonzepte /

Visionary Aircraft

Concepts

> Diplomarbeit / Diploma thesis

Wingbox Mass Prediction Considering Quasi-Static Nonlinear Aeroelasticity

K. Seywald / 01.2012

> Semesterarbeit / Term paper

Evaluation of the CFD Code OpenFoam with Respect to Incompressible and Compressible Airfoil Analysis

J. Trosky / 03.2012

> Masterarbeit / Master's thesis

Analysis and Design Study of a Boundary Layer Ingesting Propulsive Fuselage Concept Using OpenFOAM

L. van Dyck / 08.2012

> Diplomarbeit / Diploma thesis

Scenario-Based Life-Cycle-Cost Assessment of Future Air Transport Concepts

M. Schmidt / 10.2012

Zukunftstechnologien

und Ökologie der

Luftfahrt / Future

Technologies and

Ecology of Aviation

> Semesterarbeit / Term paper

Techno-economic Analysis of Jet Fuel Production from Phototrophic Microalgae

C. Soyk / 07.2012

Dissertationen / Dissertations

> Technische Universität München

Advanced Methods for Propulsion System Integration in Aircraft Conceptual Design

A. Seitz / 01.2012

106

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Patente / Patents

EP 1964774 A2

> Europäisches Patentamt, München

> „Fluggerät mit rotierenden Zylindern zur Erzeugung von Auftrieb und/oder Vortrieb“

> Erfinder / Inventor: J. Seifert

Status: Patentanmeldung vom 27. Februar 2008

DE 102007009951 B3 > Deutsches Patent- und Markenamt, München

> „Fluggerät mit rotierenden Zylindern zur Erzeugung von Auftrieb und/oder Vortrieb“

> Erfinder / Inventor: J. Seifert

Status: Erteilungsbeschluss vom 5. März 2008

DE 102008022452 A1 > Deutsches Patent- und Markenamt, München

> „Flugzeug mit aktiv steuerbaren Hilfsflügeln“

> Erfinder / Inventor: J. Wittmann

Status: Erteilungsbeschluss vom 5. Mai 2010

DE 102008024463 B4

DE 102012015104.7

> Deutsches Patent- und Markenamt, München

> „Flugzeugantriebssystem“

> Erfinder / Inventor: A. Seitz

Status: Erteilungsbeschluss vom 5. Oktober 2010

> Deutsches Patent- und Markenamt, München

> „Fahrzeugtriebwerk, Fahrzeug mit diesem Fahrzeugtriebwerk und Verfahren zum Betrieb dieses

Fahrzeugtriebwerkes“

> Erfinder / Inventor: O. Schmitz

Status: Patentanmeldung am 30. Juli 2012 / Submitted July 30th, 2012

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 107


Medien / Vorträge

Media / Lectures

Medienberichterstattung / Media coverage

Pressemitteilungen des Bauhaus Luftfahrt

Press releases issued by Bauhaus Luftfahrt

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Medienberichte über das Bauhaus Luftfahrt

Media reports on Bauhaus Luftfahrt

2010

2011

2012

Printmedien

Print media

0 10 20 30 40 50 60

Online-Medien

Online media

Audiovisuelle Medien

Audiovisual media

2010

2011

2012

Expertenvorträge (exkl. Konferenzen) / Expert lectures (excl. conferences)

National

0 2 4 6 8 10 12

International

2010

2011

2012

108

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 109


110

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Impressum

Imprint

Bauhaus Luftfahrt

Jahrbuch 2012

Herausgeber / Publisher

Bauhaus Luftfahrt e.V.

Lyonel-Feininger-Straße 28

80807 München

www.bauhaus-luftfahrt.net

Redaktion / Editor

Michael Lagemann

Bildnachweise / Picture Credits

Romy Bonitz, München

Kubinska & Hofmann, München

Petra Rödl, Ingolstadt

Johannes Wolko, Pforzheim

ediundsepp Gestaltungsgesellschaft, München

Seite 21: © Lars Lindblad; shutterstock.com

Seite 23 (oben): © PHOTOERICK, fotolia.de

Seite 23 (mitte): © Bos11, shutterstock.com

Seite 23 (unten): © raulbaenacasado, iStockphoto.com

Seite 25: © virtua73, fotolia.de

Seite 64: © Photographer: Jens Görlich, Lufthansa AG

Seite 91: © Fineas, fotolio.de

Gestaltung / Layout

ediundsepp Gestaltungsgesellschaft, München

Lektorat / Lectorate

Beate Warcholik (MCIL) (BDÜ)

BW Translations

Druck / Print

Druckerei Johannes Walch GmbH

Auflage / Circulation

750 Exemplare / 750 copies

Wir bitten um Verständnis, dass wir aus Gründen der Lesefreundlichkeit

in diesem Jahrbuch auf die explizite Nennung der weiblichen

Form verzichtet haben. Wenn zum Beispiel von Mitarbeitern

die Rede ist, sind selbstverständlich auch die Mitarbeiterinnen

gemeint.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 111

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