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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, >
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Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.