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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
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110 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.
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