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BauhausLuftfahrt

Inhalt

Contents

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

Impuls: Pfadfinder für „Neue Wege“

Impulse: Pathfinder for “New Ways” .....................19

Impuls: Ein interdisziplinäres Musterbeispiel

Impulse: An interdisciplinary flagship project ..............51

Munich Aerospace: Gründungsphase abgeschlossen

Munich Aerospace: Start-up phase completed .............84

“Aviation Initiative for Renewable Energy

in Germany” – aireg ..................................86

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 . ...............68

2

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Zahlen und Fakten

Facts and figures

Finanzen

Financial figures .....................................90

Personal

Personnel . ..........................................91

Wissenschaftliche Veröffentlichungen / Patente

Scientific publications / Patents .........................92

Medien / Vorträge

Media / Lectures . ....................................96

Impressum

Imprint . ............................................99

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 3


Inhalt

Contents

1 Neue Wege durch die Treiber der Luftfahrt

1 New ways through the drivers of aviation

Trendanalysen

Trend analyses ..................................... 20

Luftfrachtszenarien

Air cargo scenarios .................................. 22

Analyse von Outsourcing-Entscheidungen

Analysis of outsourcing decisions ...................... 24

Zukunftstechnologieanalyse

Future technology analysis ............................ 26

Solare Kraftstoffe

Solar fuels ......................................... 28

Zukunftsmaterialien: Strahlenabschirmung

Future materials: Radiation shielding . ................... 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

Zukunftskonzepte für Flughafen-Terminals

Future airport terminal concepts ....................... 34

Hybride elektrische Leistungssysteme

Hybrid electrical power systems . ....................... 38

Fortschrittliche Gasturbinen und Elektromobilität

Advanced gas turbines and electromobility ............... 42

Verteilte Antriebe und Rumpf-Integration

Distributed propulsion and propulsive fuselage . ........... 46

Interdisziplinäres Projekt:

Ein vollelektrisches Kurzstreckenflugzeug

Interdisciplinary project:

A universally electric short-range aircraft

Flughafensicherheit: Ethische und strukturelle Analyse

Airport security: Ethical and structural analysis . ........... 70

Modellieren im konzeptionellen Flugzeugentwurf

Modelling of conceptual aircraft designs . ................ 72

Wege der Zusammenarbeit im Flugzeugentwurf

Ways of collaboration in aircraft design . ................. 74

Alternative Kraftstoffe: Priorisierung und Bewertung

Alternative fuels: Prioritisation and assessment ........... 76

Konzeptentwurf vollelektrischer Luftfahrzeuge

Conceptual systems design of full-electric aircraft .......... 78

Untersuchung neuartiger Kreisprozesse für Gasturbinen

Assessment of vovel gas turbine engine cycles ............ 80

> Definition von Anforderungen

Derivation of top-level requirements .................. 52

> Agile Methoden für den Konzeptentwurf

Agile methods in conceptual aircraft design ............ 56

> Systemauslegung

System concepts .................................. 62

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,

die EU-Kommission hat im Jahr 2011 durch die Formulierung des

„Flightpath 2050“ die langfristigen Ziele für die Luftfahrt klar abgesteckt.

Diese sehr ambitionierten Forderungen stellen den Luftverkehr

vor ganz besondere Herausforderungen. Es zeichnet sich

bereits heute ab, dass vieles davon nur durch ein starkes Netzwerk

umsetzbar sein wird, in dem interdisziplinäre Ansätze und auch

radikale Innovationen gemeinsam vorangetrieben werden.

In diesem Sinne war auch für das Bauhaus Luftfahrt das Jahr

2011 geprägt von einer noch stärkeren Vernetzung in Industrie und

Forschung. Diese gelang insbesondere durch einen Ausbau der industriellen

Kooperationen, in erster Linie mit der IABG, die wir im

Januar 2012 als erstes neues Mitglied am Bauhaus Luftfahrt seit

seiner Gründung im Jahr 2005 begrüßen durften. Darüber hinaus

konnte das Portfolio durch eine stärkere Zusammenarbeit mit dem

Flughafen München noch weiter ausgebaut werden.

Im Bereich der alternativen Kraftstoffe hat das Bauhaus Luftfahrt

im Sommer 2011 gemeinsam mit der EADS, der Lufthansa

und weiteren 17 Partnern aus Industrie und Forschung die „Aviation

Initiative for Renewable Energy in Germany – aireg“ gegründet.

Dieser Verbund hat es sich zum Ziel gesetzt, regenerative Kraftstoffe

für die Luftfahrt nachhaltig verfügbar zu machen. Mit diesem

Ziel wird „aireg“ die Vernetzung in einem der Schwerpunktthemen

des Bauhaus Luftfahrt noch weiter ausbauen und möglicherweise

zahlreiche neue wissenschaftliche Themenfelder erschließen.

Letztere waren auch im Jahr 2011 wieder in breiter Vielfalt

vorhanden, wie Ihnen dieses Jahrbuch veranschaulichen wird. Bei

der Lektüre wünsche ich viel Freude und interessante Einblicke.

Dem Team des Bauhaus Luftfahrt und der Leitung, Frau Dr.

Linseisen und Herrn Prof. Dr. Hornung, danke ich im Namen des

Beirats und persönlich für die erfolgreichen Leistungen im Jahr

2011 und die Perspektiven für die weitere Zukunft.

Dear Sir or Madam,

The European Commission clearly defined its long-term goals for

the aviation sector by issuing “Flightpath 2050” in 2011. The very

ambitious demands pose extraordinary challenges for the future

of air transport. Most of these challenges can only be tackled by

a strong network, jointly driving interdisciplinary approaches and

radical innovations.

Correspondingly, at Bauhaus Luftfahrt the year 2011 was

strongly influenced by expanding networking activities within research

and industry. The latter was primarily achieved through the

expansion of its circle of members: IABG joined in January 2012

as the first new industry member since the foundation of Bauhaus

Luftfahrt in 2005. Moreover, the research portfolio could be further

expanded by intensifying the already very successful cooperation

with Munich Airport.

In the field of Alternative Fuels, Bauhaus Luftfahrt together

with EADS, Lufthansa and 17 additional partners from aviation industry

and research founded the “Aviation Initiative for Renewable

Energy in Germany – aireg”. The aim of this initiative is to make

regenerative fuels sustainably available for the aviation sector.

Through “aireg”, Bauhaus Luftfahrt will be able to further expand

its existing network in one of its major fields of activity, possibly

paving the way for the identification and exploration of numerous

new research areas.

The year 2011 already provided a broad variety of research

topics, as this yearbook will illustrate. I wish you a fascinating read

and many interesting insights.

On behalf of the Advisory Board I thank the team of Bauhaus

Luftfahrt and its management, Dr. Linseisen and Prof. Dr. Hornung,

for their outstanding achievements in 2011 and for their future

perspectives.

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.

Der eingetragene Verein 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.

The registered association 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,

was hat eine Taktik aus dem Rugby-Sport mit dem Flugzeugentwurf

zu tun? Im Bauhaus Luftfahrt eine ganze Menge. Im Bestreben, auch

neueste Methoden der Zusammenarbeit zu bewerten, hat unser

Team im Jahr 2011 erstmals einen Ansatz aus der Softwareentwicklung,

den sogenannten „Scrum“-Prozess, auf den Flugzeugentwurf

angewandt. Im Rahmen unseres ersten Gruppendesignprojektes

konnte dieser Prozess sehr erfolgreich getestet werden.

Die Einführung solcher Gruppendesignprojekte war ein ganz

wesentlicher Schritt im Jahr 2011. Anhand konkreter Fragestellungen

widmete sich unser interdisziplinäres Forscherteam darin

der Erarbeitung alternativer Lösungsansätze. So hatten es sich die

Wissenschaftler zur Aufgabe gemacht, ein im Betrieb emissionsfreies

Flugzeugkonzept zu entwickeln, das vollständig auf einer elektrischen

Energieversorgung beruht. Die Heterogenität des Teams

hat dazu geführt, dass dabei zahlreiche neue Ideen implementiert

wurden und ein breiteres Verständnis zu den Potenzialen und Herausforderungen

erzeugt werden konnte.

Die positive finanzielle Entwicklung der vergangenen Jahre ermöglichte

es, auch im Jahr 2011 in hochqualifizierte Wissenschaftler

zu investieren und dadurch gezielt die Kompetenzen in wichtigen

Themenfeldern weiter zu stärken. Auch dieser Wachstumspfad

konnte nur durch ein erfolgreiches Mannschaftsspiel erreicht werden,

für das wir unserem Team ganz herzlich danken möchten.

Allen Lesern wünschen wir im Namen des Bauhaus Luftfahrt

viele interessante Ideen und Anregungen aus der Lektüre unseres

Jahrbuchs 2011.

Dear Sir or Madam,

What does a rugby tactic have in common with conceptual aircraft

design? At Bauhaus Luftfahrt a whole lot! Driven by the ambition

to assess even the newest methods of collaboration, our team

adapted a software development approach, the so-called “Scrum”

process, in an aircraft design project for the first time. Through this

first interdisciplinary group design effort, the employed process

could be evaluated with highly positive results.

The introduction of such group design projects was a major

step in the year 2011. In these projects, problem-based requirements

set the scope for the assessment of specific solutions jointly

developed by our interdisciplinary team. In the course of the first

project, a concept aircraft solely powered by electricity, and hence

capable of emission-free operation, was developed. The team’s

heterogeneity proved fruitful as numerous novel approaches and

ideas could be successfully implemented and a broader understanding

of the fundamental potentials and challenges achieved.

The positive financial development of recent years provided

us with the opportunity to again invest in highly qualified scientific

personnel in 2011, thus further strengthening the competences of

Bauhaus Luftfahrt in important fields of research. This growth path

was only made possible through successful team play, for which

we would like to cordially thank our team.

On behalf of the entire Bauhaus Luftfahrt we wish all readers

of our yearbook 2011 many interesting insights and ideas.

Ihre / Your

Prof. Dr. Mirko Hornung

Vorstand Wissenschaft und Technik /

Director Research and Technology

Dr. Anita Linseisen

Vorstand Finanzen und Organisationsentwicklung /

Director Finance and Organisation

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 11


12

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


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.


Zukunftstechnologien und Ökologie der Luftfahrt:

Pfadfinder für „Neue Wege“

Future technologies and ecology of aviation:

Pathfinder for “new ways”

Sinnvolle und wissenschaftlich fundierte Zukunftskonzepte

entstehen im Wechselspiel zwischen langfristiger Vision,

Kreativität und der entsprechenden Analysefähigkeit. Die

vorausschauende Erforschung von physikalisch-technischen

und ökologischen Zukunftsfaktoren sowie die Identifikation

von Innovationspotenzialen geben den Zukunftskonzepten

des Bauhaus Luftfahrt damit eine wissenschaftliche Basis.

Das Spektrum reicht hierbei von erneuerbaren Kraftstoffen

und Komponententechnologien der Elektromobilität über nanostrukturierte

und Metamaterialien bis hin zu Sensor-, Informations-

und Kommunikationstechnologien.

Im vergangenen Jahr wurden unter anderem zwei wesentliche

Ziele erreicht. Erstens wurden die Zukunftstechnologie-Aktivitäten

um zwei Kompetenzbereiche erweitert

(Seite 26), die erhebliches Innovationspotenzial versprechen.

Die Themen Photonik und Nanomaterialien wurden bereits

2005 und 2010 durch die Physik-Nobelpreise als wichtige

Forschungsschwerpunkte ausgezeichnet. Zweitens konnten

wir als Zukunftstechnologen und Luftfahrt-Ökologen in den

etablierten Themenbereichen zum Beispiel des elektrischen

Fliegens und der CO 2

-neutralen Energiekonzepte wesentliche

Fortschritte erzielen.

Mit Potenzialanalysen basierend auf Batterietechnologien,

dem Exergiekonzept und dem solarthermischen Kraftstoffpfad

geben wir neue Impulse in Richtung der Ziele von

„FlightPath 2050“ und der globalen Klimaziele der Luftfahrt.

Mit eingeladenen Konferenzbeiträgen und der Arbeit in den

ACARE-Arbeitsgruppen für die neue „Strategic Research and

Innovation Agenda“ (SRIA) zeigte das Team, dass es auch international

erfolgreich unterwegs ist als Pfadfinder für „Neue

Wege“ in die Zukunft.

Significant and scientifically profound future concepts can

only emerge from the successful combination of long-term

visions, creativity and the respective analytic capabilities.

Forward-looking research on future drivers of aviation in

the fields of physics, technology and ecology as well as the

identification of innovation potentials hence provide a sound

basis for the future concepts developed by Bauhaus Luftfahrt.

The spectrum of topics assessed therein ranges from alternative

fuels and component technologies for electromobility to

nano-structured and meta-materials on to sensor, information

and communication technologies.

In the year 2011, two major goals were achieved. Firstly,

our activities in the field of future technologies have been expanded

into two additional areas of competency (page 26),

each promising significant innovation potential. The topics

of photonics and nanomaterials are very promising research

domains, as proven by respective Nobel-Prize-winning breakthroughs

in 2005 and 2010. Secondly, our team has achieved

major progress in the research areas already established at

Bauhaus Luftfahrt, for example electric flight and carbon-neutral

energy concepts.

With its future technology analyses applied to battery

technology, the exergy concept and a solar-thermal pathway

for fuel production, Bauhaus Luftfahrt has already identified

possible major contributions to the achievement of global climate

goals and to those of “Flightpath 2050”. Through invited

conference presentations and its strong involvement in the

ACARE work groups jointly forming the new “Strategic Research

and Innovation Agenda” (SRIA), the team demonstrated

its internationally successful role as pathfinder for “New

Ways” into the future.

Dr. Andreas Sizmann

Leiter Zukunftstechnologien und Ökologie der Luftfahrt /

Head of Future Technology and Ecology of Aviation

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 19


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Trendanalysen: Zukünftige

Entwicklungen frühzeitig

verstehen

Trend analyses: Understanding

future developments at an

early stage

Trendanalysen dienen der Untersuchung und Beschreibung von

Veränderungen wirtschaftlicher, ökologischer, technologischer,

gesellschaftlicher und kultureller Begebenheiten. Ziel ist es, aus

der Fülle von Wandlungsprozessen die für die Luftfahrtindustrie

relevanten Trends zu identifizieren, um deren Auswirkungen und

damit zusammenhängende Unsicherheiten zu evaluieren. Gegenwärtige,

heute schon zu erwartende oder auch mögliche zukünftige

Entwicklungen müssen dazu erkannt, verstanden und in den

Kontext zur Luftfahrt gebracht werden.

Themen, die das Bauhaus Luftfahrt im Jahr 2011 analysiert

hat, waren unter anderem: „Veränderung der Körpermaße“, „Neue

Fertigungsverfahren mit Hilfe von 3D-Printing“ sowie „Afrika auf

dem Vormarsch“. In allen Fällen wird untersucht, welche Bereiche

der Luftfahrt von den beschriebenen Veränderungen betroffen

sind. Die Zunahme der weltweiten durchschnittlichen Größe

und des Gewichts der Bevölkerung hat sowohl auf die Passagiere

selber als auch auf Flugzeughersteller, Airlines und Flughäfen

Auswirkungen. Aufgrund der Entwicklungen hin zu leichteren

und kraftstoffsparenden Flugzeugen könnten die Passagiere von

morgen mit einem Flugticketpreis konfrontiert werden, der sowohl

von ihrem Eigengewicht als auch von dem ihres Gepäcks abhängt.

Airlines hingegen könnten beispielsweise auf größere und

breitere Menschen mit Anpassungen sowie Erweiterungen ihrer

Sitzplatzklassen reagieren. Flugzeughersteller würden in diesem

Zusammenhang die erforderliche Sitzkonfiguration in der Kabine

anpassen und an Flughäfen könnte ein gesteigerter Bedarf an

Gesundheitsversorgungen adipöser Menschen nötig werden.

Trend analysis is a common and very expedient application when it

comes to describing and analysing economic, environmental, technological,

social or cultural changes. It is used to systematically

analyse and evaluate those developments relevant for the aviation

industry. These trends vary with respect to their level of uncertainty

and impact. Trends with a rather uncertain future development

but at the same time large impact are those which have to be

monitored carefully. The consequences for the various stakeholders

such as airlines, aircraft manufacturers or airports therefore

have to be carefully assessed in order for them to hedge against

external influences and to develop corresponding strategies.

In 2011, scientists at Bauhaus Luftfahrt assessed the following

topics: “Change of body dimensions”, “Novel manufacturing

processes by means of 3D printing methods” and “Africa is gaining

ground”. Each of them describes changes that may influence different

scopes of aviation. One example is that since industrialisation

people have been becoming taller and heavier. This affects

passengers, aircraft and seat manufacturers as well as airlines and

airports. Due to technical developments in lighter and more fuelefficient

planes, passengers of tomorrow could face flight ticket

prices considering total weight of the passenger and his luggage.

Airlines could enlarge their seats or change their seat class systems.

The required seat configuration inside the cabin could be

redesigned and adapted by manufacturers, and airports may need

to focus on health care for obese passengers.

20

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

1980 2009

Body Mass Index

Adults % overweight

(≥ 25.0), Most recent

≥ 50.0

40.0 – 50.0

30.0 – 40.0

20.0 – 30.0

10.0 – 20.0

0.0 – 10.0

no data

Die Entwicklung der Körpermaße und -gewichte hat einen signifikanten

Einfluss auf Airlines und Flughäfen. Oben: Die Entwicklung des Übergewichts

gezeigt am Body Mass Index (Quelle: Weltgesundheitsorganisation). Unten: Die

Entwicklung der durchschnittlichen Körpergröße der männlichen Bevölkerung

(Quelle: NZZ Online 2007, basierend auf Komlos und Pfister/Straub)

Developments in body dimensions and weights will significantly influence

airlines and airports in the future. Above: The development of global

overweight demonstrated by Body Mass Index (source: World Health Organisation).

Below: The development of average body size of male population (source:

NZZ Online 2007, based on Komlos and Pfister/Straub)

Average body height 1830–1970

(centimetres)

Average body height 2000

(centimetres)

185

180

175

170

165

160

Netherlands Denmark Norway Germany USA Austria Switzerland England France Italy Spain

164.9 184.0 165.3 183.2 168.6 179.9 167.3 179.6 174.1 178.8 164.5 178.6 165.4 178.4 165.6 177.2 164.8 177.0 162.7 177.0 162.6 176.6

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 21


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Luftfrachtszenarien:

Chancen und Risiken einer

Wachstumsbranche

Air cargo scenarios:

Opportunities and threats for

a growth sector

Prognosen für den Luftfrachtsektor sagen ein sehr starkes Wachstum

für die nächsten 20 Jahre voraus. Die Nachfrage in diesem

Markt ist jedoch stark durch Schwankungen im Wirtschaftswachstum,

verändertes Konsumentenverhalten, verschiedene

Umweltauflagen sowie allgemeine Regularien beeinflusst. Die

resultierenden Kosten für die verschiedenen Interessengruppen

sind starke Treiber für den Ausbau und die Weiterentwicklung effizienter

intermodaler Transportlösungen. Darüber hinaus sind Verbesserungen

hinsichtlich der CO 2

-Bilanz besonders in diesem Sektor

entscheidend, wenn es darum geht, Kosten zu senken. Cargo

Airlines, Systemintegratoren im Bereich Fracht, Flughäfen und

Hersteller stehen somit in der Zukunft großen Herausfor derungen

gegenüber. Um auf Unsicherheiten adäquat reagieren zu können,

ist es für diese Interessengruppen notwendig, verschiedene Strategien

wie etwa neue Geschäftsmodelle zu evaluieren. Entscheidungshilfe

hinsichtlich unterschiedlicher Alternativen kann in

diesem Fall die Szenarioanalyse bieten. Hierbei lassen sich Handlungsstrategien

im Kontext von unsicheren, aber entscheidenden

Entwicklungen aus den Bereichen Politik, Wirtschaft, Gesellschaft,

Umwelt oder Technologie abbilden. Eine vom Bauhaus Luftfahrt

in Kooperation mit der Abteilung Cabin Innovation and Design

der Airbus Operations GmbH, Deutsche Post DHL und dem Lehrstuhl

für Luftfahrtsysteme der Technischen Universität München

durchgeführte Szenariostudie bildet Risiken und Chancen im Luftfrachtsektor

ab, so dass mögliche Implikationen für die einzelnen

Marktteilnehmer abgeleitet werden können.

Industry forecasts regarding the air cargo market predict a strong

growth in the next 20 years. However, this sector is highly sensitive

to fluctuations in the global economy, changes in customer behaviour

as well as environmental and other regulations. Resulting cost

increases as well as consequences from climate change are major

drivers for optimised co-modal transport solutions. Improvements

regarding the carbon footprint and associated cost reductions are

required. Hence, cargo airlines, freight integrators, airports and

manufacturers are faced with major challenges ahead. In order

to react to uncertain future outcomes and to become more robust

against external influences, it is necessary for them to assess possible

strategies such as new or amended business models. Scenario-based

analysis proves to be a valuable decision-supporting

tool in this context. It allows the assessment of possible strategies

in the context of uncertain but important developments in areas

such as politics, economy, society, environment and technology.

An analysis conducted by Bauhaus Luftfahrt in cooperation with

the Cabin Innovation and Design department of Airbus Operations

GmbH, Deutsche Post DHL and the Institute of Aircraft Design at

Technische Universität München yielded different paths of development

regarding the air cargo market. These allow the better

understanding of possible risks and opportunities and the assessment

of implications for stakeholders.

22

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Green wings Survival of the fittest Growth without regret

Opportunities > > High revenue tonne kilometre (RTK)

demand due to global growth of middle

class

> > Globalised production and shorter product

development times

> > Growing demand for high-value goods

Threats > > Environmental restrictions and charges

inhibit RTK growth

> > Ecologically driven consumer behaviour

> > High investments in technology and processes

required to increase emissions efficiency

> > Stagnation in environmental regulations

allows longer fleet life

> > Other transport modes become insecure

and less reliable

> > Limited access to capital market

> > Strong regionalisation

> > Security issues as show-stopper

> > Globalised production demands complex

logistic solutions

> > Globalised and faster production cycles:

just-in-time

> > Cost advantage with optimal

cargo capacity utilisation

> > Inability to match rapid growth of the

air cargo market

> > Long cargo aircraft delivery and conversion

times: unable to meet cargo airline

demand

Drei verschiedene Luftfrachtszenarien aus der Untersuchung:

Überblick über die jeweiligen Chancen und Risiken der Branche.

Three exemplary air cargo scenarios:

Indication of both opportunities and threats.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 23


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Outsourcing-Entscheidungen

von Flugzeugherstellern:

Analyse des Entwicklungsund

Herstellungsprozesses

Outsourcing decisions of

aircraft integrators:

Analysis of the development

and manufacturing activities

Die vier großen Flugzeugbauer Embraer, Bombardier, Airbus und

Boeing haben mit unterschiedlichem Erfolg Teile ihrer Wertschöpfungskette

auf Zulieferer ausgelagert. Generell beabsichtigen die

Hersteller durch dieses „Outsourcing“ einerseits spezifische Kenntnisse

und Produktionskostenvorteile ihrer Zulieferer für Entwicklung

und Produktion zu nutzen und andererseits die wachsenden

Investitionskosten und -risiken neuer Flugzeugprogramme auf eine

größere Anzahl von Beteiligten zu verteilen.

Das Bauhaus Luftfahrt hat auf der Grundlage der Managementtheorie

und der Neuen Institutionenökonomik einen methodischen

Rahmen entwickelt, um die Teile und Komponenten der

Wertschöpfungskette zu charakterisieren. Darin haben die Wissenschaftler

analysiert, welche Teile für die Produktionsstrategie

„Outsourcing“ besonders geeignet erscheinen und bei welchen

eher Probleme zu erwarten sind. Dafür wurden kritische Faktoren

identifiziert, die sich als Hindernis für die Gestaltung effizienter

Verträge und einer reibungslosen Zusammenarbeit zwischen Hersteller

und Zulieferer erweisen können.

Anschließend wurde die Relevanz dieser kritischen Faktoren in

Bezug auf die jeweilige Komponente der Wertschöpfungskette mit

Hoch, Mittel oder Niedrig bewertet. Als besonders kritisch für Outsourcing

wurden die integrierten Systeme (hydraulische, pneumatische,

Avionik-Systeme, Flugzeugsteuerung) sowie die Flugzeugzelle

bewertet, da sie meist sehr spezifisch auf das jeweilige Flugsystem

abgestimmt und besonders komplex sind. Außerdem ist die Anzahl

der Anbieter integrierter Systeme eher klein.

The big four aircraft integrators Embraer, Bombardier, Airbus and

Boeing have outsourced components of their development and

manufacturing activities with different levels of success. In principle,

such outsourcing activities are undertaken to take advantage

of the specific expertise of suppliers in aircraft design and development,

to increase production efficiency and to share the increasing

risks of new aircraft programmes.

Bauhaus Luftfahrt has analysed outsourcing activities in the

aerospace industry using theoretical insights from management

theory and new institutional economics in order to systematically

assess which kind of components and activities of the aircraft integrator's

value chain are suited for outsourcing and which are not.

Within this analysis, critical market conditions which can be detrimental

to an aircraft integrator's success in outsourcing activities

were identified.

Finally, a qualitative survey was performed that establishes

a link between technical areas of commercial aircraft product development

and the critical market conditions which were derived

earlier. The relevance of the respective market condition for every

segment of the value chain was rated as High, Medium or Low.

A major result of the presented analysis is that airframe systems

and integrated utility systems are the most critical components in

aircraft integration especially since aerodynamic and structural design

of airframe systems and avionic-mechatronic system design

is highly specialised and complex. In addition, the availability of

competitors dealing with integrated utility systems is limited.

Number of

competitors

Complexity Specificity Essentiality Life cycle

duration

Design tools and methods L L L L L

Materials (alloys and composites) M L L L L

Components (mechanical and electrical) H M M L L

Airframe system (assembly and cabin) M H H M M

Integrated utility systems L H H H H

Power systems (primary and auxiliary) M M M H M

Production (tooling and manufacturing) H M L L L

Testing (virtual and physical) H M M H M

Für Outsourcing relevante Marktbedingungen

(Tabelle rechts) und

entsprechende qualitative Bewertung

von Komponenten der Wertschöpfungskette

(Tabelle links):

Hoch (H), Mittel (M) oder Niedrig (L)

For outsourcing relevant market

specifications (right table) and

corresponding qualitative survey

of requisite technical areas of

expertise (left table): High (H), Medium

(M) or Low (L)

24

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

8

7

10

9

6

5

4

2

3

3

1

1 Radome

2 Fuselage cockpit section

3 Landing gear

Wheels & brakes

4 Fuselage

center sections

5 Wing box

6 Rear fuselage section

7 Fuselage tailcone

8 Empennage

9 Wings, control surfaces,

high-lift devices

10 Engines,

nacelles, pylons

> > Avionics

> > Radar equipment

> > Hydraulics

> > Auxiliary Power Unit

(APU)

> > Doors & hatches

> > Windows

> > Seats

> > Galleys

> > Lavatories

> > Wiring harnesses

> > Air conditioning

> > Cargo handling

equipment

Großes Puzzle: An modernen Flugzeugprogrammen

ist eine Vielzahl von Zulieferern

und Anteilseignern beteiligt.

Big puzzle: Modern aircraft programmes are

shared between a large number of suppliers

and stakeholders.

Anzahl der Konkurrenten /

Number of competitors

Komplexität / Complexity

Spezifizität / Specificity

Wesentlichkeit / Essentiality

Lebenszyklus-Bindung /

Life cycle duration

Bestimmt die Wahrscheinlichkeit, einen Zulieferer bei

Minderleistung im nächsten Flugzeugprogramm zu ersetzen

Situation, in der einerseits der Nutzen eines spezialisierten

Zulieferers besonders hoch wäre, andererseits geeignete

Zulieferer aber selten sind

Schwierigkeit, eine Transaktion / einen Prozess so zu

standardisieren, dass die geforderte Leistung relativ leicht am

Markt angeboten werden kann (ist die Leistung besonders

wertvoll für die spezifische Flugzeugkomponente, aber von

relativ geringem Wert in anderen Anwendungen, entsteht

eine sogenannte Hold-up-Situation – ein Vertragspartner kann

die Situation zu Lasten des anderen ausbeuten)

Die zu liefernde Komponente ist von kritischer Bedeutung

für das Gesamtprodukt

Notwendigkeit, den Zulieferer über den gesamten

Lebenszyklus der Produktplattform zu beteiligen

The probability of replacing an underperforming sub-contractor

in the next development programme

A situation in which specialisation advantages are most

valuable but the number of suitable sub-contractors may be

relatively low

The difficulty of standardising a process and thus of making

the required service relatively freely available on the market

(a transaction / production of an aircraft component that is

more valuable to the specific production than to any other

deployment – this creates a mutual hold-up situation)

The respective component is of critical relevance for the

performance of the entire product

The necessity of a sub-contractor to provide support and

coverage over the entire life of the product platform

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 25


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Zukunftstechnologieanalyse:

Sprunghafte Entwicklungen

in neuen Forschungsfeldern

Future technology analysis:

New research domains for

step-change developments

Zukunftsweisende Luftfahrtkonzepte vereinen die Anforderungen

der Luftfahrt von morgen mit kommenden Technologieoptionen.

Eine objektive, transparente und reproduzierbare Analyse technologischer

Innovationspotenziale sichert dabei die wissenschaftliche

Qualität dieser Konzepte. Aus diesem Grund identifiziert

das Bauhaus Luftfahrt frühzeitig potenziell einflussreiche Technologieentwicklungen

und bewertet diese anhand von Metriken,

zukunftssicheren Richtwerten und Abschätzungen ihres Skalierungsverhaltens

sowie ihres Potenzials für technologische Durchbrüche.

Dieses „Technologieradar“ hat zum Beispiel zur frühen

Untersuchung von Schlüsselentwicklungen für das elektrische

Fliegen und für solare Kraftstoffe geführt, deren Fortschritt bis hin

zur konzeptionellen Integration eines voll elektrischen Antriebs in

„Concept 002“ präsentiert wird (Seite 62).

Die bereits etablierten Bereiche für die Zukunftstechnologieanalyse,

„Energie“ und „Alternative Kraftstoffe“ wurden im Jahr

2011 ergänzt durch „Materialien“ sowie „Photonik, Sensorik, Informations-

& Kommunikationstechnologien“. In diesen Bereichen

sind sprunghafte Entwicklungen häufig auf die Nanostrukturierung

von Materialien oder auf Quantentechnologien zurückzuführen.

Die Gütezahl für thermoelektrische Konversionsmaterialien

quantifiziert zum Beispiel einen solchen sprunghaften Fortschritt,

der neue Möglichkeiten für ein energieoptimiertes Flugzeug eröffnet.

Weitere Innovationspotenziale in der Bewertung entstammen

unter anderem den Materialtechnologien, die aus biologisch inspirierter

Entwicklung hervorgegangen sind. Dazu zählen selbstheilende

Materialien sowie Oberflächenstrukturen, die eine Vereisung

verhindern, oder transparente, lasttragende Strukturen als

wichtige Bestandteile visionärer Flugzeug- und Kabinenkonzepte.

Tomorrow’s concepts of air transport and air travel are shaped by

future requirements and upcoming technology options. An objective,

transparent and quantitative analysis of the innovation

potentials of future technologies therefore provides a prerequisite

for the scientific quality of these concepts. For this reason,

Bauhaus Luftfahrt evaluates potentially impactful early developments

through the definition of metrics and future-proof absolute

benchmarks and through the assessment of scaling properties as

well as disruptive potentials. The “technology radar” led, for example,

to the early detection of key developments for electric flying

and solar fuels up to the integration of fully electric propulsion in

“Concept 002“ (page 62).

The already established domains for the future technology

analysis, primarily “Energy” and “Alternative Fuels”, were supplemented

in 2011 by “Materials” and “Photonics, Sensorics, Information

& Communication Technologies”. In the latter, step-change

developments are often based on nano-structuring of materials

and on quantum engineering. An example of such a step-change

improvement is quantified in the figure of merit of thermoelectric

conversion materials, which opens up new opportunities for energy-optimised

aircraft. More innovative potentials were evaluated,

amongst others for material technologies created from biologically

inspired engineering such as self-healing materials and anti-ice

surfaces, or for transparent stressed structures as key ingredients

for visionary aircraft and cabin concepts.

26

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Energy storage

1 Batteries

2 Alternative fuels

Energy conversion

3 High temperature

superconducting motors

4 Electric propulsion

5 Fuel cells

4

6

1

2

5

Materials

6 Self-healing materials

7 Radiation shielding

8 Transparent structures

9 Thermoelectric

energy harvesting

10 Anti-icing

7

8

9

10

3

Breites Spektrum: Potenzielle Anwendungen

von Zukunftstechnologien im Flugzeug.

Broad spectrum: Potential applications of future

technologies in an aircraft.

ZT max

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

1940

ZnSb

Bi 2

Te 3

Si 0,85

Ge 0,15

Zn 4

Sb 3

Ce 0,9

Fe 3

CoSb 12

PbTe

1950 1960 1970 1980

CeFe 3,5

Co 0,5

Sb 12

Superlattices

AgPb m

SbTe 2+m

1990 2000 2010

Die thermoelektrischen Eigenschaften von

Materialien wie Verbindungshalbleitern, sogenannten

„Skutteruditen“ sowie neuen Strukturen

wie Quanten-Übergittern werden durch die

dimensionslose Gütezahl ZT max

beschrieben. Die

historische Entwicklung der entsprechenden

Messdaten illustriert ihren sprunghaften Anstieg.

The thermoelectric properties of materials

like compound semiconductors, so-called “skutterudites”

and more recently quantum superlattices

are described by the dimensionless figure

of merit ZT max

. This historical plot of experimental

data illustrates the step-change improvement of

this figure.

Year of publication

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 27


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Solare Kraftstoffe:

Analyse von

Umwandlungsprozessen

Solar fuels:

Analysis of conversion

processes

Eine relativ neue Alternative für die Herstellung von synthetischem

Kerosin ohne den Umweg über Biomasse stellen solare Kraftstoffe

dar, die seit 2010 im Bauhaus Luftfahrt erforscht werden. Sie

können grundsätzlich auf drei verschiedene Arten hergestellt werden:

elektrochemisch, photochemisch und thermochemisch. Allen

drei Wegen gemein ist die Erzeugung eines solaren Synthesegases,

einer Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, die im

Weiteren durch den bekannten Fischer-Tropsch-Prozess in Kerosin

umgewandelt wird.

Der elektrochemische Pfad ist derzeit unter anderem durch

eine zweistufige Energieumwandlung auf circa 18 Prozent Wirkungsgrad

begrenzt, der photochemische bei der Photosynthese

sogar auf etwa 3,5 Prozent. Die zweistufige thermochemische Umwandlung

befindet sich im Forschungsstadium mit der langfristigen

Perspektive eines theoretischen Wirkungsgrades von 40 Prozent.

Sie nutzt die Hochtemperaturwärme konzentrierter Sonnenstrahlung,

um einen chemischen Prozess zu betreiben, bei dem bei

circa 1500 Grad Celsius eine Reduktion des Materials und bei etwa

800 Grad Celsius eine Re-Oxidation stattfindet. In Summe ergibt

sich eine Umwandlung von Wasser und Kohlendioxid in Synthesegas

und Sauerstoff.

Ein im Bauhaus Luftfahrt durchgeführter Vergleich der Wirkungsgrade

des „Biomass-to-liquid“-Prozesses (BTL) mit dem

thermochemischen Prozess zeigt heute in beiden Fällen niedrige

Wirkungsgrade, was auf den Entwicklungsstand der Kraftstoffe zurückzuführen

ist. Wird das langfristige Potenzial betrachtet, zeigt

sich ein zehnmal so hoher Wirkungsgrad in der Umwandlung von

Solarenergie zu Kraftstoff für den thermochemischen Prozess und

damit eine vielversprechende Alternative zu Biokraftstoffen.

A relatively new alternative for the production of “drop-in” capable

synthetic kerosene without the detour of biomass production

are the so-called solar fuels which are investigated at Bauhaus

Luftfahrt since 2010. For the production of solar fuels, in principle,

three paths can be followed, each of which produces so-called synthesis

gas, a mixture of hydrogen and carbon monoxide. Making

use of the well-known Fischer-Tropsch process, synthesis gas can

be further converted to drop-in-capable jet fuel.

Among the different paths, electrochemistry is limited to

about 18 percent efficiency today, partly due to a two-fold energy

conversion involving solar electricity, and photochemistry is limited

to roughly 3.5 percent in the case of photosynthetical conversion.

The two-step thermochemical conversion is subject to research

and shows a long-term efficiency potential of 40 percent.

In a thermochemical process, high-temperature heat gained

through the concentration of solar energy is used to drive a twostep

chemical cycle that reduces the material at about 1500 degrees

Celsius and reoxidises it at about 800 degrees Celsius. The

overall reaction results in the conversion of water and carbon

dioxide to synthesis gas and oxygen.

A comparison conducted by Bauhaus Luftfahrt in terms of efficiency

between the thermochemical and the “Biomass-to-Liquid”

(BTL) process shows equally low values today, which is due to their

low technical maturity. The long-term potentials of both processes

however are much higher, with the thermochemical cycle efficiency

reaching values ten times as high as the BTL-process, making

solar fuels a promising alternative to biofuels.

28

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

H 2

O

CO 2

Electrochemical

> > Electrolysis

Photochemical

> > Photosynthesis

> Biomass gasification /

pyrolysis + water-gas

shift

> Algae

> > Photocatalysis

Thermochemical

> > One-step

Direct thermolysis

> > Two-step

Metal-oxide redox

reactions (CoFe, CeO2)

> > Three-step

Sulphur-iodine cycle,

UT-3 cycle

Drei Pfade zur Herstellung solaren Synthesegases,

einer Mischung aus Wasserstoff und

Kohlendioxid, einer Vorstufe solarer Kraftstoffe

Three pathways to the production of solar

synthesis gas, a mixture of hydrogen and carbon

monoxide, a precursor for solar fuels

H 2

CO

Syngas (H 2

/ CO)

1.75%

+ heat recuperation

20%

Future

STL

BTL

Wirkungsgrad der Umwandlung von Solarenergie

zu Kerosin für zweistufigen thermochemischen

Cer-Oxid-Prozess (Sunlight-to-liquid,

STL) und photosynthetische Synthesegasherstellung

(BTL), jeweils mit angeschlossenem

Fischer-Tropsch-Prozess.

0.015%

0.3%

Today

Conversion efficiency of solar energy to jet

fuel for two-step thermochemical ceria process

(sunlight-to-liquid, STL) and photosynthetic production

of synthesis gas (BTL), each followed by

the Fischer-Tropsch process.

0%

5%

10% 15% 20% 25%

Efficiency Factor η

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 29


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Zukunftsmaterialien:

Abschirmung von kosmischer

Strahlung im Flugverkehr

Future materials:

Shielding cosmic

radiation in air traffic

Um die Flugdauer und den Kraftstoffverbrauch zu optimieren,

setzen Airlines verstärkt auf transpolare Flüge, beispielsweise zwischen

Nordamerika und Asien. Des Weiteren werden zukünftige

Flugzeuggenerationen in immer größere Höhen vorstoßen. Diese

Trends gehen einher mit einer zunehmenden Belastung von Flugpersonal,

Vielfliegern und Flugzeugelektronik durch kosmische

Strahlung. Aufgrund der damit verbundenen Gesundheitsrisiken

und der Anfälligkeit für Avionikausfälle entstehen erhöhte Kosten

durch das Umleiten von Flugzeugen auf niedrigere Breitengrade

oder Flughöhen während Sonnenstürmen. Daher entwickelt das

Bauhaus Luftfahrt ein Bewertungsschema für vielversprechende

Lösungen zur Strahlungsabschirmung, die sich aus Fortschritten

der Nanotechnologie ergeben.

Kaskaden von kosmischer Strahlung entstehen, wenn von

der Sonne und außerhalb des Sonnensystems stammende hochenergetische

Teilchen mit den Bestandteilen der Atmosphäre

wechselwirken. Als Folge der geringeren Atmosphärendichte ist

in Flughöhe die Strahlungsintensität mehrere hundert Mal größer

als auf dem Erdboden und aufgrund der Beschaffenheit des Erdmagnetfeldes

maximal, wenn die Pole überflogen werden. Dabei

stellen kosmische Neutronen die größte Gefährdung dar. Nanomaterialien

können in Relation zum Gewicht Neutronen effizient

absorbieren.

Das Bauhaus Luftfahrt untersucht das theoretische Maximum

der Abschirmfähigkeit in Abhängigkeit von neuen Freiheitsgraden

der Nanophysik. Dieser Ansatz erlaubt die Bewertung von

Nanomaterialien zur Abschirmung kosmischer Strahlung und von

Perspektiven, kosteneffizient oberhalb und jenseits des natürlichen

Strahlenschutzes der Erde zu fliegen.

To shorten flight times and optimise fuel burn, airlines are increasingly

using cross-polar routes, for instance in directly connecting

North America and Asia. Moreover, future commercial air traffic

might be flying at ever-higher altitudes. These trends are accompanied

by a growing level of exposure to cosmic radiation for aircrew,

frequent flyers and aircraft electronics. Due to the associated

radiation hazards to humans and the risk of avionics failures, this

implies increased costs as a result of rerouting aircraft to lower

latitudes or altitudes during solar storms. To evaluate these effects

on aviation, Bauhaus Luftfahrt is developing a quantitative assessment

framework for promising radiation-shielding solutions which

emerge from recent advances in nanotechnology and material science.

Cascades of cosmic radiation are produced when highly energetic

particles originating from the sun and from outside of the

solar system interact with the constituents of the atmosphere. Due

to the lower density of the atmosphere at aircraft altitudes the

radiation intensity is several hundred times greater than on the

ground and at their peak when flying across the magnetic poles

owing to the nature of the Earth’s magnetic field. The dominant

hazard arises from cosmic neutrons. Nanomaterials can efficiently

absorb neutrons with a minimal weight penalty and beyond that

qualify for multifunctional use. In order to establish benchmarks

for optimised shielding performance, Bauhaus Luftfahrt explores

the dependence of the shield efficiency on novel degrees of freedom

from physics at the nanoscale. This approach allows the assessment

of the application potential of nanomaterials for cosmic

radiation shielding and the prospects for economic flight above

and beyond the Earth’s natural radiation protection.

30

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

12

max: 210.3

avg: 57.4

6

max: 210.3

avg: 80.8

μSv/hr

210

15 km

80

70

80

70

190

170

11 km

12

60

18 50

3

80

70

60

18 50

0

2

max: 81.5

1 avg: 22.0

0

12

6

12

60

50

3

80

70

60

50

18

2

max: 81.5

1 avg: 30.2

18

150

130

110

90

70

50

30

10

12

6

5 km

18

80

70

60

50

0

max: 8.1

avg: 2.4

12

80

70

60

50

18

max: 8.4

avg: 3.2

1 London – New York

2 Chicago – Stockholm

3 Chicago – Beijing

Die Strahlendosis in mikrosievert pro Stunde (µSv/h) ist hier vor (linke Spalte) und während (rechte Spalte) eines solaren Ausbruchs dargestellt, jeweils auf drei

unterschiedlichen Flughöhen. Die Strahlenexposition nimmt mit der Flughöhe sowie dem magnetischen Breitengrad zu und akkumuliert sich mit der Zeit. Eine Röntgenaufnahme

im Brustbereich ist in etwa vergleichbar mit einer Strahlendosis von 100 µSv.

Quelle: Mertens et al., Space Weather (2010)

The radiation dose equivalent rates in micro Sievert per hour (µSv/h) is shown before (left column) and during (right column) a solar storm at three different

altitudes. The radiation exposure grows with altitude and magnetic latitude and accumulates with flight time. For comparison, the radiation dose of one chest X-ray

corresponds to roughly 100 µSv.

Source: Mertens et al., Space Weather (2010)

χ [cm 2 / g]

10

1

10 -1

10 -2

10 -3

Aluminium LDPE 3% BNNT 5% BNNP 5% BNNT

Der Massenschwächungskoeffizient χ, eine Metrik für die Effektivität

der Neutronenabschirmung im Verhältnis zum Gewicht; für leichtes

Polyethylen (LDPE), Polyimid-Komposite mit geringer Konzentration von Bor-

Nitrid-Nanopartikeln (BNNP) und Bor-Nitrid-Nanoröhren (BNNT) sowie für

Aluminium als Referenz (basierend auf NASA-Daten).

The mass attenuation coefficient χ, a metric for the effectiveness of

neutron shielding in relation to the mass penalty; for low-density polyethylen

(LDPE), polyimide composites containing low loading boron nitride

nanoparticles (BNNP) and boron nitride nanotubes (BNNT) as well as for

aluminium as a benchmark (based on NASA data).

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

Zukunftskonzepte für

Flughafen-Terminals:

Analyse und Beispiele

Future airport terminal

concepts: Analysis and

examples

Trotz verschiedener Krisen in der Vergangenheit ist der Luftfahrtsektor

stark gewachsen. Dieser Trend wird sich auch in der Zukunft

fortsetzen. Ein höheres Passagieraufkommen weltweit birgt jedoch

auch neue Herausforderungen für die verschiedenen Marktakteure.

Airlines, Flughäfen und die Flugsicherung müssen dieses Wachstum

bewältigen und effizient gestalten. Besonders im Bereich Flughafeninfrastruktur

kann es in der Zukunft zu großen Kapazitätsengpässen

kommen, was Verspätungen und steigende Kosten für alle Beteiligten

mit sich bringt. Der entstehenden Unterversorgung kann auf verschiedenen

Wegen begegnet werden: zum einen durch Ausbau der

Infrastruktur oder aber durch eine effizientere Gestaltung der Prozesse.

Hierbei müssen Flughafenbetreiber jedoch die verschiedenen

Nutzer und deren Anforderungen sowie Bedürfnisse miteinbeziehen

und Lösungen hinsichtlich der entstehenden Zielkonflikte finden.

Eine am Bauhaus Luftfahrt zusammen mit EADS und Airbus

durchgeführte und bereits auf dem Deutschen Luft- und Raumfahrtkongress

präsentierte Studie beschäftigt sich mit der Analyse

unterschiedlicher Passagieranforderungen und wie diese bei der Gestaltung

von Terminals berücksichtigt werden können. Hierbei ging

es vor allem darum, die Interessen und Prioritäten von Geschäftsund

Privatreisenden sowie Transferpassagieren zu untersuchen und

Unterschiede herauszustellen. Dazu wurde am Flughafen München

eine Passagierbefragung durchgeführt, da die unterschiedlichen

Terminalkonzepte dieses Flughafens ein sehr gutes Untersuchungsumfeld

bieten. Anhand der erzielten Ergebnisse konnten Passagieranforderungen

und -erwartungen den verschiedenen Gruppen von

Reisenden zugeordnet und entsprechend priorisiert werden. Unterschiede

konnten vor allem hinsichtlich der Abwicklungsprozesse,

der Orientierung und Information im Terminal sowie der Nutzung

verschiedener Angebote während des Aufenthalts festgestellt werden.

Geschäftsreisende beispielsweise legen den vergleichsweise

größten Wert auf die gute Erreichbarkeit des Flughafens sowie sehr

geringe Wartezeiten. Für Privatreisende sind dagegen Ansprechpartner

innerhalb des Terminals am wichtigsten. Aus den gewonnenen

Erkenntnissen entwickelte das Bauhaus Luftfahrt eine Methodik zur

Bewertung verschiedener Terminalkonzepte auf ihre Eignung für die

unterschiedlichen Reisegruppen.

Despite several crises in the past decades, air traffic has been

growing steadily and passenger numbers at airports all over the

world will rise even higher in the future. A major challenge of the

aviation industry, both for airlines and airports, is to accommodate

this growth. Especially airport infrastructure might pose a capacity

constraint if not expanded accordingly. Potential congestion and

delays on the ground can be avoided by increasing existing infrastructure

and by enhancing the operational efficiency of aviationrelated

processes at the airport. Airport operators also have to

incorporate the requirements of various users such as airlines or

different passenger types, and find solutions how to best address

arising trade-offs between interest groups.

A study conducted at Bauhaus Luftfahrt in cooperation with

EADS as well as Airbus and already presented at the German Aerospace

Congress analysed the perceptions and expectations of distinct

passenger groups, for example business and private as well

as transfer and embarking travellers. For this purpose a passenger

survey was carried out at Munich Airport. This represents a good

research environment since the airport comprises two very distinct

terminal layouts. As a result of the survey, passenger requirements

and expectations were classified according to multiple travel purposes.

The importance travellers place on aspects such as passenger

handling processes, orientation and information within the

terminal as well as the availability of various services and facilities

differs by passenger type. Business passengers, for example,

value an airport’s good accessibility and the minimisation of waiting

times higher compared to all other aspects. However, private

passengers rather prioritise the availability and courtesy of the

airport staff. The combination of the manifold insights into passenger

perceptions and the ideas behind specific terminal designs

enabled Bauhaus Luftfahrt to develop an assessment metho dology

for terminal layouts. This particular framework helps to assess passenger

expectations as well as arising trade-offs. The next step is

to consider how these can be conceptualised within passengerfriendly

terminal concepts.

Assessing and designing new and innovative concepts was

> also the aim of “Terminal Tomorrow”, a project conducted >

34

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Sicherheits-Kreisverkehr: Eines der Konzepte aus dem „Terminal Tomorrow“-Projekt mit der Technischen Universität München beschäftigte sich mit der Vision einer

Sicherheitsschleuse mit beinahe kontinuierlichem Passagierfluss. Die Designstudenten Meike Braun, Diana Waitz und Kyriakos Xydias entwickelten dazu die Idee des

hier abgebildeten „Sicherheits-Kreisverkehrs“.

Security roundabout: One concept from the “Terminal Tomorrow“ project in cooperation with Technische Universität München envisions a security checkpoint utilising

principles of a more continuous passenger flow. The pictured concept of a “security roundabout” was developed by design students Meike Braun, Diana Waitz and

Kyriakos Xydias.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 35


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Die Um- und Neugestaltung von Prozessen und Strukturen am

Flughafen war zudem Ziel eines in Kooperation mit dem Lehrstuhl

für Industrial Design der Technischen Universität München

durchgeführten praktischen Semesterentwurfs zum Thema „Terminal

Tomorrow“. So ist beispielsweise, in Anlehnung an das

Kreiselkonzept im Straßenverkehr, eine Idee für einen neuen Sicherheitsprozess

entwickelt worden, die Passagieren ein schnelles

und stressfreies Durchlaufen der Kontrollen ermöglichen soll. Ein

weiteres Konzept beschäftigt sich mit einer sogenannten vertikalen

Integration: Hier soll bereits der Flughafenzubringer-Zug genutzt

werden, um einen Teil der vor dem Abflug zu durchlaufenden

Prozesse auszulagern. Die Passagiere haben in diesem Fall die

Möglichkeit, bereits im Zug einzuchecken, ihr Gepäck aufzugeben

und die Sicherheitskontrolle zu passieren. Am Flughafen angekommen,

betreten sie direkt den Sicherheitsbereich und können das

vorhandene Unterhaltungs-, Einkaufs- und Gastronomieangebot

nutzen, während sie auf ihren Flug warten. Die gesamte Reisezeit

würde somit optimal genutzt, der Flughafen muss nicht mehr so

viel Terminalfläche für Abfertigungsprozesse zur Verfügung stellen

und Reisende kommen entspannt am Flughafen an. Auch wenn

beide Beispiele aufgrund größeren Umbaubedarfs nur an neuen

Flughäfen realisierbar scheinen, so zeigen sie dennoch, dass innovative

Lösungen wertvolle Bausteine liefern für einen effizienten

und kundenfreundlichen Flughafen der Zukunft.

by the Institute of Industrial Design at Technische Universität

München and Bauhaus Luftfahrt. One of the resulting models

describes a new way of approaching passenger-related security

processes within a terminal. It draws on the concept of a classic

roundabout as found in road transport. The goal is to ensure a

continuous passenger flow at the security checks and hence minimise

waiting times – an aspect especially important for business

travellers. Another concept elaborated the idea of conducting specific

terminal processes during the train ride to the airport. In this

particular case, passengers are able to check in, to drop off their

luggage and pass through security controls while aboard this train.

Upon arrival at the airport, they proceed directly to the departures

area and can hence enjoy the amenities on offer while waiting for

their flight. Advantages of this concept include time savings by

optimal usage of travel time, freed-up space within the terminal

and relaxed passengers. As both examples require extensive modifications

of the existing infrastructure, they seem more feasible

for new terminal concepts. However, these examples clearly show

that innovative solutions provide valuable components for an efficient

and passenger-friendly airport of the future.

Gate Schengen

Gate Non-Schengen

Airport baggage handling system

Baggage drop-off

Check-in machines

Security checkpoint

Security area

in the airport

Passport control

Baggage compartment

Security area onboard the train

36

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Zug zum Flug: Die Abwicklung des Eincheckvorgangs bereits im Zubringerzug zum Flughafen ist eine weitere Idee aus „Terminal Tomorrow“, einem Kooperationsprojekt

mit der Technischen Universität München. Erdacht und ausgearbeitet wurde das Konzept von den Designstudenten Martina Kaindl, Hanna Ruck und Peter Frank.

Train to the plane: Pre-drawing parts of the check-in process to commuter trains was another idea developed in the “Terminal Tomorrow” project with Technische

Universität München. Design students Martina Kaindl, Hanna Ruck and Peter Frank designed a suitable concept train.

Check-in

Baggage drop-off

Security check

Buffer

Boarding

Departure

2040

Today

0 30 60 90 120 150

180

210 Minutes

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 37


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Untersuchung und Bewertung

hybrider elektrischer

Leistungssysteme

Analysis and assessment

of hybrid electrical power

systems

Zukünftige Wachstumsperspektiven der Luftfahrtindustrie hängen

entscheidend von der Verbesserung ihrer Umweltbilanz ab.

Die dazu notwendigen neuen Energieträger als Ersatz für fossiles

Kerosin lassen völlig neuartige Antriebsarchitekturen in den langfristigen

Fokus der Forschung rücken, die anders als „drop-in“-

fähige Ersatzkraftstoffe maßgeblichen Einfluss auf das Gesamtsystem

Flugzeug hätten.

Neben potenziell emissionsfreien vollelektrischen Antrieben

betrachtet das Bauhaus Luftfahrt dabei auch die Perspektiven

hybrider Antriebssysteme, also Kombinationen aus den bekannten

Verbrennungstriebwerken („internal combustion engines“,

kurz: ICEs) mit elektrischen Speichern wie Batterien sowie elektrischen

Motoren und Generatoren. Eine angemessene Beurteilung

des Fortschritts auf diesen Gebieten erfordert ein genaues

physikalisches Verständnis der Grundkomponenten sowie deren

naturwissenschaftlich präzise Modellierung. Machbarkeit und

Skalierungsverhalten des vollständig oder hybridelektrisch betriebenen

Lufttransports werden umfassend durch einige grundlegende

Prinzipien beschrieben und durch wissenschaftliche Entwicklungen

außerhalb des Luftfahrtsektors vorangetrieben. Diese

müssen ihrerseits mit neuartigen Flugzeugkonzepten und Integrationsmöglichkeiten

zusammengeführt werden, um ihr Innovationspotenzial

voll auszuschöpfen. Die grundlegenden Prinzipien

der Machbarkeit des voll- oder teilelektrischen Fliegens sind nach

Auffassung des Bauhaus Luftfahrt in drei Aspekte zu gliedern.

An erster Stelle steht das Konzept der spezifischen Exergie

als geeigneter Bewertungsmaßstab eines Energieträgers in der

Luftfahrt in Bezug auf dessen Masse und Volumen. Das Bauhaus

Luftfahrt nutzt diese Metrik an Stelle der Energie, von welcher

die Exergie den maximal arbeitsfähigen Anteil darstellt. Der

zweite Aspekt liegt in der Brauchbarkeit eines Energieträgers in

Verbindung mit einem Leistungswandler, die grundlegend durch

ihre gemeinsame Leistungs- und Exergiedichte, die sogenannten

Ragone-Metriken, bestimmt wird. Diese Kombination von

Bewertungsprinzipien dient als Schlüsselkriterium der Machbarkeit

des elektrischen Fliegens im Vergleich mit alternativen

The future growth of the aviation industry critically depends on

reducing its environmental footprint through the substitution of

fossil kerosene. Contrary to “drop-in”-capable fuel alternatives,

other novel energy carriers bring entirely new propulsion architectures

into the focus of research, and will have a substantial influence

on the overall aircraft system.

Besides potentially emission-free all-electric propulsion systems,

Bauhaus Luftfahrt is also evaluating the progress and perspectives

of hybrid motive power systems, which combine the

conventional internal combustion engines (ICEs) with batteries,

electric motors and generators. For an adequate analysis of such

architectures a detailed physical understanding and scientific

modelling of the basic components is mandatory. The realisation

potential and scaling properties of fully or hybrid electric air transport

are governed by a few fundamental principles and driven by

scientific developments outside the field of aviation. These have

to be combined with novel aircraft configuration and integration

options to reach their full innovation potential. The fundamental

principles for the feasibility of partly or full electric flying as proposed

by Bauhaus Luftfahrt fall into three categories.

First, the concept of specific exergy has been identified as a

suitable assessment criterion for energy carriers in aviation in relation

to their mass and volume. Bauhaus Luftfahrt utilises this metric

instead of energy, of which exergy describes only the part that

can be transformed into useful work. The second aspect highlights

the usefulness of an energy carrier in combination with a power

converter, which is fundamentally determined by their combined

power density and exergy density, the so-called Ragone metrics.

This combination of metrics is the key indicator of electric aircraft

feasibility in comparison with alternative power sources.

The third aspect covered by Bauhaus Luftfahrt is the hybridisation

degree of freedom: two or more energy storage and power

conversion subsystems that individually are inadequate for electric

flying may be combined into a hybrid system with suitable performance.

The performance scaling of subsystems is key to proper

Energiequellen.

> power system design. ICEs and fuel cell systems, for example, >

38

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Gener. PMAD Motor

ICE

Motor

PMAD

Fuel cell

PMAD

Motor

PMAD

Motor

Vier verschiedene Beispiele: Auf der Basis

einer grundlegenden Analyse der Kombinatorik

von teil- oder vollelektrischen Architekturen in

den vergangenen Jahren fokussierte das Bauhaus

Luftfahrt seine Arbeiten stärker auf ausgewählte

hybridelektrische Antriebssysteme für

zukünftige Flugzeugkonzepte.

Fuel flow

Mech. power

PMAD = Power Management And Distribution

Electr. power

ICE = Internal Combustion Engine

Four different examples: Following a general

assessment of the combinatoric benefits from

more-electrical and all-electrical architectures

in recent years, Bauhaus Luftfahrt narrowed its

research focus to selected hybrid-electric motive

power systems for future aircraft concepts.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 39


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

An dritter Stelle betrachtet das Bauhaus Luftfahrt den Freiheitsgrad

der Hybridisierung. Zwei oder mehr Untersysteme zur Energiespeicherung

und Leistungsumwandlung, die für sich betrachtet

den Anforderungen des elektrischen Fliegens nicht gerecht werden,

können in ihrer Kombination ein umsetzungsfähiges Antriebssystem

darstellen.

Beim Entwurf eines Antriebskonzepts ist das Skalierungsverhalten

der Leistungsfähigkeit einzelner Untersysteme ein

Schlüsselparameter. ICEs und Brennstoffzellensysteme erlauben

es beispielsweise, das Leistungsniveau des Antriebs und den

Energieinhalt des Speichers, und damit die Betriebsdauer, unabhängig

voneinander auszulegen. Batterien dagegen vereinen

beide Eigenschaften innerhalb eines Systems, weshalb beide

Parameter in die Bestimmung der notwendigen Batteriegröße

eingehen. Aus den Ragone-Metriken kann für jeden Fall die Leistungsskalierung

abgeleitet werden. Bei der Integration eines volloder

hybridelektrisch betriebenen Antriebssystems können, anders

als bei herkömmlichen Triebwerken, Leistungsbereitstellung

und -verbrauch räumlich voneinander getrennt werden. Aus der

Vielzahl an Kombinationsmöglichkeiten zwischen Untersystemen

zur Energiespeicherung und Leistungsbereitstellung ergeben sich

neue Freiheitsgrade für den Flugzeugentwurf, für Aerodynamik

und Vortriebseffizienz sowie zahlreiche andere Aspekte.

Mit dieser physikalischen Herangehensweise kann das Bauhaus

Luftfahrt aussichtsreiche Fortschritte in Wissenschaft und

Technik auf dem Gebiet der Energiespeicherung und -umwandlung

identifizieren, die für eine langfristige und nachhaltige Zukunft

der Luftfahrt in ihrer Gesamtheit entscheidend sein werden.

allow for an independent scaling of power level and energy content,

which determines the useful flight time. Batteries incorporate

both characteristics at once, hence either characteristic defines

the necessary battery size. Building on the Ragone metrics, the

performance scaling can be derived in each case. Unlike traditional

arrangements of turbo-machinery, the integration of fully or

hybrid-electric motive power systems into the aircraft allows for

the separation of power generation and power consumption. From

a wide combinatorial variety of energy storage and power generation

subsystems, new degrees of freedom arise for aircraft design,

aerodynamic and propulsive efficiency and many other aspects.

With this physical understanding Bauhaus Luftfahrt is able

to identify promising advances in science and technology pertaining

to energy storage and conversion, which may become the key

enablers of a long-term sustainable future of the aviation industry

as a whole.

40

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

10

Relative specific power

To enable

sufficient range

Batteries

Kerosene

Hybrid

(turbo-electric)

1

To enable flight

Fuel cell

0.1

0.01 0.1 1 10

Relative specific

exergy

Die Fokussierung der Forschungsarbeiten auf dem Gebiet hybrider Antriebssysteme verdeutlicht die Ergänzung des im Jahrbuch 2009/2010 eingeführten

schematischen Ragone-Diagramms mit realen Simulationsdaten ausgewählter teil- und vollelektrischer Antriebsarchitekturen auf Basis heutiger

Technologie: Deren Leistungsfähigkeit in verschiedenen Kombinationen mit Batterien (hellblau), Brennstoffzellen (rot) oder Hybridlösungen (orange) kann so mit der

eines typischen Mittelstreckenflugzeugs mit konventionellen, kerosinbetriebenen Turbinen (grün) verglichen werden.

The focus of research is reflected in the amendment of the schematic Ragone diagram introduced in the yearbook 2009/2010 with real simulation data

of more-electric and full-electric propulsion architectures based on today’s technology level: Their performance in combination with batteries (light blue), fuel

cells (red) or hybrid solutions (orange) can hence be shown in comparison to a typical medium-range aircraft powered by turbo engines and fuelled with conventional

kerosene (green).

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 41


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Vergleichsstudien zwischen

fortschrittlichen Gasturbinen

und Elektromobilität in der

Luftfahrt

Comparison between

advanced gas turbines

and electromobility in

aviation

Mit Blick auf die kürzlich veröffentlichten strategischen Ziele der

Luftfahrtforschung kommt der Untersuchung radikal neuer Technologiekonzepte,

besonders im Bereich der Antriebe zukünftiger

Luftfahrzeuge, eine hohe Bedeutung zu. Grundsätzlich dienen

elektrische Systeme in Flugantrieben als eine potenzielle Langfristalternative

zu heutigen Gasturbinen in der Realisierung des

emissionsfreien Fliegens. Als Leistungsquelle für die Antriebe

derartiger Transportflugzeuge werden am Bauhaus Luftfahrt elektrische

Energiespeicher und -wandler untersucht. Für die Einführung

elektrischer Energieversorgung zum Antrieb von Flugzeugen

sind unterschiedliche Szenarien denkbar, darunter eine hybride

Leistungsbereitstellung durch Brennstoffzellen, turboelektrische

oder parallele Versorgung aus elektrischer Energie und Kraftstoff

oder eine ausschließliche Energiespeicherung in Batterien

(Seite 62).

In der gleichen Größenordnung wie bei konventionellen

kraftstoffbasierten Systemen kann die Schuberzeugung im Fall

elektrischer Energieversorgung sowohl durch ummantelte als auch

durch offene Vortriebserzeuger, also Fans oder Propeller, stattfinden.

Die Leistung des Antriebs wird hierbei lediglich durch einen

Elektromotor anstatt einer Gasturbine bereitgestellt.

Die Forscher des Bauhaus Luftfahrt untersuchen wichtige Aspekte

der konzeptionellen Auslegung und der Flugzeugintegration

solch elektrischer Antriebe sowie deren Einflüsse auf die optimalen

Betriebsbedingungen möglicher elektrischer Transportflugzeuge.

Darüber hinaus werden zudem die Systemarchitekturen eines

möglichen elektrischen Flugantriebs mit denen eines klassischen

Turbofan-Triebwerks verglichen. Für Elektromotoren mit Technologien

zur Hochtemperatursupraleitung konnten in Laborversuchen

in der Vergangenheit bereits gewichtsbezogene Leistungsdichten

ähnlich heutigen Gasturbinen nachgewiesen werden.

Im Unterschied zu luftatmenden Flugantrieben ist die Leistungsfähigkeit

von Elektromotoren nahezu unabhängig von Flughöhe

und -geschwindigkeit. Außerdem unterscheidet sich die

Effizienz von Elektromotoren im Teillastbereich deutlich von der

Charakteristik von Gasturbinen. Während der Betrieb heutiger

In view of the recently established strategic goals for aeronautical

research, radically new technology concepts for powering future

aerospace vehicles need to be considered. Electric-powered systems

might provide long-term potential either considered within

gas turbine architectures or as fully electric propulsion systems.

For the introduction of electrical energy for aircraft propulsion,

a number of scenarios are conceivable including hybrid power

solutions involving fuel-cell-based as well as battery-based energy

(page 62) for turbo-electric or even fully electrical system architectures.

In the same order of magnitude as conventional kerosene-based

propulsion systems, the production of thrust from an

electrical energy supply may support ducted fan or unducted rotor

devices. The power to drive the propulsive device, however, is supplied

by an electric motor instead of the classic gas turbine.

Researchers at Bauhaus Luftfahrt have been investigating

essential aspects of airborne electromotive power solutions with

regards to propulsion system conceptual design, aircraft integration

and optimum operating conditions. Moreover, an architectural

comparison between a possible electric motive power system and

a conventional turbofan engine has been conducted. Electric motors

featuring high temperature superconducting technologies

have been considered as a baseline. In laboratory tests, these

engines have already demonstrated specific power densities, the

amount of power generated for a given weight, similar to contemporary

gas turbines.

Different from air-breathing engines, electric motors provide

almost constant power supply, independent of flight speed and altitude.

Moreover, the efficiency characteristics of electric motors at

part power differ from gas turbines. Unlike contemporary aircraft

operations, which are strongly influenced by the in-flight weight

reduction due to the fuel burn, electromotive power involving

energy storage in batteries could mean constant aircraft weight

during the entire mission. This would preclude the notion of common

en route procedures like step-cruising.

All these considerations have a great impact on aircraft design

and operational performance and may require new approaches

Verkehrsflugzeuge infolge des Kraftstoffverbrauchs stark > for the overall aircraft system layout and sizing. On the one >

42

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Core engine

Fan

Fan drive gearbox

Nozzle

Nacelle

Residuals

Weight breakdown of advanced geared turbofan

power plant (ultra-high bypass ratio)

HTS motor

Cryocooler

Controller

Fan

Fan drive gearbox

Nozzle

Nacelle

Residuals

Weight breakdown of electric fan power plant

Ein am Bauhaus Luftfahrt durchgeführter Konzeptvergleich zwischen elektrischer und konventioneller Getriebefanarchitektur zeigt die Auswirkung eines

Austauschs des Leistungserzeugers auf die Verteilungen der Komponentengewichte: Nicht nur der Hochtemperatur-supraleitende (HTS) Elektromotor an sich,

sondern auch die Systeme zur Motorkühlung und -steuerung machen sich deutlich bemerkbar.

A conceptual comparison carried out at Bauhaus Luftfahrt between electrically and conventionally driven geared fan architectures highlights the impact of

an exchange of power generation on the component weight breakdown: Not only does the weight of the high-temperature-superconducting (HTS) electric motor

become noticeable, but also the required components for cryo-cooling and power electronics.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 43


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Two-spool

geared turbofan

Replacement of turbo

engine by electric motor

Single rotating

geared electric fan

Motor

Vergleich zweier Triebwerksarchitekturen mit ummantelter Luftschraube und Getriebe: angetrieben durch eine herkömmliche Gasturbine (oben) beziehungsweise

Hochtemperatur-supraleitende (HTS) Elektromotoren (unten). Die elektrisch angetriebene Luftschraube ist zur Anpassung des Motor-Drehmoments durch zwei

Getriebestufen untersetzt.

Comparison of two geared ducted fan architectures: Powered by a conventional gas turbine (above) and high-temperature-superconducting (HTS) electric motors

(bottom). The electrically powered fan is driven through two gear stages in order to moderate the electric motor's torque.

44

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

durch eine Gewichtsabnahme während des Fluges beeinflusst ist,

wäre das Gewicht eines batteriebetriebenen Elektroflugzeuges

während der gesamten Flugmission konstant. Dies würde heutige

Standardverfahren während des Reiseflugs wie den Step-Cruise

ausschließen.

Die aufgezeigten Erwägungen haben große Auswirkungen

auf die Flugzeugauslegung und Missionsleistungen und können

völlig neuartige Designansätze erfordern. Einerseits bringen

die elektrische Energieversorgung und -wandlung wesentliche

Änderungen der Flugzeuggewichte und Ausbalancierung, der

Bodenversorgung und Abfertigungszeiten mit sich. Andererseits

ermöglicht der Einsatz elektrischer Energiewandler eine effiziente

Umsetzung verteilter Antriebskonzepte, was etwa neue Freiheiten

zur strukturellen Optimierung der Flugzeugzelle schafft und somit

zu neuen, effizienten Luftfahrzeugkonfigurationen führen könnte.

Nicht zuletzt kann der Austausch des klassischen Kerntriebwerks

durch einen Elektromotor auch die externe Schallabstrahlung des

Flugzeugs beeinflussen, was in Verbindung mit fortschrittlichen

ummantelten Vortriebserzeugern ein deutliches Potenzial zur Reduzierung

des Fluglärms bieten könnte.

hand, the application of an electric energy supply and subsequent

conversion imposes major changes on aircraft weights and balance

and ground servicing as well as impacts on turn-around time

performance. On the other hand, electric energy conversion could

facilitate new concepts like distributed propulsion, which enables

new degrees of freedom for airframe structural optimisation, and

thus may lead to new efficient aircraft designs. Finally, the replacement

of a gas turbine core engine by electric motors influences the

external noise characteristics of the aircraft, potentially offering

the capability of significant noise reduction when combined with a

ducted propulsive device.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 45


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Verteilte Antriebe und

Rumpfintegration:

Neue Freiheitsgrade für

den Vortrieb

Distributed propulsion

and propulsive fuselage:

new degrees-of-freedom

in motive power

In der Vergangenheit wurde ein erheblicher Anteil der Emissionsreduktionen

durch Verbesserung des Antriebssystems erreicht. Die

neuen Triebwerke für die kürzlich angekündigte Boeing 737 „MAX“

werden in Bezug auf den Missionskraftstoffverbrauch zum Beispiel

mehr als 30 Prozent effizienter sein als die Triebwerke der zweiten

Generation der Modelle 737-300, -400 und -500. Der größte Anteil

der Triebwerksverbesserung resultiert aus der Verbesserung der

Vortriebseffizienz. Diese erhöht sich, wenn bei gleichem Schub die

Fläche des Fans im Verhältnis zum Kerntriebwerk vergrößert wird.

Dies führt jedoch bei konventionellen Turbostrahltriebwerken,

bei denen ein Kerntriebwerk einen Fan antreibt, zu zusätzlichem

Gewicht und Widerstand aufgrund der großen Fandurchmesser.

Zusätzlich ist der Durchmesser des Fans durch Installationsrandbedingungen,

beispielsweise die Höhe des Fahrwerks, beschränkt.

Als Ergebnis dieses Zielkonflikts könnten die erreichten Verbesserungen

in eine Auslegung außerhalb des Optimums konvergieren.

Um weitere Verbesserungen der Flugzeugeffizienz zu erreichen,

sind daher neue Ansätze für das Antriebssystem und dessen

Integration nötig. Eine vielversprechende Idee ist die Verteilung

der Leistung eines Kerntriebwerks auf zwei oder sogar mehrere

Fans, wodurch die Fläche des Fans und somit die Vortriebseffizienz

steigt. Gleichzeitig ist der Anstieg des Fandurchmessers und somit

des Gewichts moderat. Außerdem können die Kerntriebwerke

separat optimiert werden, weil die Idee des „verteilten“ Antriebs

Flexibilität in der Positionierung bietet. Die Kerntriebwerke können

zum Beispiel außerhalb des Fanstrahls angebracht werden, beispielsweise

im Rumpf. Durch den größeren Bauraum, der somit zur

Verfügung steht, kann das Kerntriebwerk durch Zwischenkühler

und Rekuperatoren optimiert werden. Solche Lösungen resultieren

in größerer Komplexität und Zusatzgewicht aufgrund zusätzlicher

Komponenten wie Wellen und Getriebe. Bauhaus Luftfahrt

arbeitet an der Entwicklung von parametrischen Modellen, die in

der Lage sind, die genannten Zielkonflikte zu quantifizieren, um

das Potenzial von verteilten Antrieben auf Gesamtsystemebene zu

bestimmen.

Während in ersten Schritten die Leistung der Kerntriebwerke

In the past, a significant proportion of jet aircraft emission reduction

occurred through improvements to the propulsion system. For

example, the new engines of the recently announced re-engined

version of the Boeing 737 “MAX” will be more than 30 percent

more efficient in regard to block fuel consumption compared to

the engines of the second-generation 737-300, -400 and -500. The

biggest contributor to engine improvement is the increase in propulsive

efficiency. If the area of the fan which produces the largest

proportion of the thrust is increased for a given level of thrust,

the propulsive efficiency will increase. However, for conventional

engine designs the improvements resulting from the larger fan

diameter are limited by engine weight and nacelle drag. More over,

the fan diameter may be limited by installation constraints, for

example the landing gear height could become excessive. As a result

of this trade-off, the improvements converge to a constrained

optimum design point.

Consequently, new approaches for propulsion system design

and integration are required to further improve aircraft efficiency.

One promising idea proposed by academia and industry is to distribute

the power of one core engine to two or even more fans,

which increases the propulsive efficiency due to a larger total fan

area while maintaining a moderate increase in fan diameter and

weight. In addition, this design flexibility offers the possibility to

disassociate the core engine from the fan exhaust. Referred to as

“distributed propulsion”, this opens up new options for optimisation,

such as allowing for the introduction of intercoolers and recuperators

to improve engine core efficiency. However, such solutions

suffer from increased complexity that might result in weight

penalties due to additional components like shafts and gears. Researchers

at Bauhaus Luftfahrt are working on the development of

models to quantify the potentials of the stated trade-offs of such

distributed propulsion systems at the overall aircraft level.

While in the first steps the power of the core engines could

be distributed mechanically using shafts and gears, a distribution

of the power using generators, wires and electric motors is also a

future option. The latter approach is currently being investigated

mit Wellen und Getrieben mechanisch auf die Fans verteilt > at Bauhaus Luftfahrt as it can offer a weight and complexity >

46

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Rumpfantrieb: Die Verteilung der Schubproduktion um den gesamten Rumpf herum könnte eine optimale Basis für die Nutzung der Grenzschichteinsaugung zur

Reduktion der Rumpfreibung darstellen.

Propulsive fuselage concept: Distributing the thrust production around the entire fuselage could allow for an optimum use of Boundary Layer Ingestion to reduce

the fuselage drag.

Das Claire Liner-Konzept: Seine Auslegung mit

zwei Kerntriebwerken, die vier ummantelte Fans

antreiben, ist ein Beispiel für eine „verteilte“

Antriebsarchitektur.

The Claire Liner concept: Its design using two

core engines to drive four ducted fans is one

example of distributed propulsion architectures.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 47


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

V jet

Momentum excess

of jet (thrust)

V wake

Momentum deficit of wake

(body viscous drag)

Separated body and engine

V ∞

V jet

Benefit via elimination of kinetic

energy outflow in the wake

V wake

Body and engine integrated with partial wake filling

V ∞

Wake is reenergised and the jet

perfectly fills the wake

Body and engine integrated with ideal wake filling

V ∞

System is self-propelled, if =

Die Veranschaulichung dreier Konzepte zur Antriebsintegration, die im Bauhaus Luftfahrt untersucht werden, zeigt deutlich die Vorteile von teil- oder

vollintegrierten Lösungen: Für die größtmögliche Effizienz sollte das durch Widerstand (orange) und Schub (hellblau) entstehende Geschwindigkeitsfeld im Nachlauf

möglichst homogen sein, um Verluste durch Reibung zu minimieren. Ein theoretisches Optimum stellt daher die untere Grafik dar, bei der die verzögerte Strömung

wieder exakt auf Fluggeschwindigkeit beschleunigt wird.

The depiction of three propulsion integration concepts under study at Bauhaus Luftfahrt clearly highlights the benefits of partially and fully integrated

solutions: To ensure maximum efficiency, the wake velocity field formed by body drag (orange) and thrust (light blue) has to be as homogeneous as possible in order

to minimise drag. A theoretical optimum is hence shown in the graphic at the bottom, where the decelerated flow is accelerated exactly back to freestream velocity.

48

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

werden kann, ist die Verwendung von Generatoren, elektrischen

Leitungen sowie Elektromotoren eine Option für die Zukunft. Diese

Lösung wird am Bauhaus Luftfahrt untersucht, weil sie für manche

Flugzeugkonfigurationen eine Gewichtseinsparung sowie eine

Komplexitätsreduktion im Vergleich zu einem Wellensystem bringen

kann.

Eine Erhöhung der Anzahl der Fans erhöht gleichzeitig den

Freiheitsgrad an möglichen Flugzeugkonfigurationen in puncto Integration.

Die Fans können so angebracht werden, dass sie die

Grenzschicht des Rumpfes einsaugen und somit den Gesamtwiderstand

reduzieren, wie zum Beispiel beim Claire Liner-Konzept.

Für die Klasse eines typischen Kurz- und Mittelstreckenflugzeugs

verbessert sich dadurch die Effizienz um circa fünf Prozent. Auch

ein Vorteil der Integration der Fans in die Flugzeugzelle ist die

Reduktion des Triebwerksgondel-Widerstands sowie eine erhöhte

Lärmreduktion. Diesen Potenzialen gegenüber steht eine

Verschlechterung des Strömungszustands am Fan durch die gestörte

Anströmung der Grenzschicht. Basierend auf empirischen

Methoden sowie numerischen Strömungssimulationen für die

Grenzschicht und die Flugzeugumströmung arbeitet das Bauhaus

Luftfahrt an der Quantifizierung des Potenzials für die Effizienzsteigerung

durch Grenzschichteinsaugung.

Wenn man in die weite Zukunft blickt, könnte die Verteilung

der Schuberzeugung um den Rumpf herum eine Lösung sein. In

einer solchen Konfiguration wäre die Fanfläche und somit auch die

Vortriebseffizienz sehr hoch, während die Fanschaufeln leicht und

dünn, und somit auch aerodynamisch effizient, gebaut werden

können. Ein solches Konzept nutzt den Effekt der Grenzschich t-

einsaugung optimal aus. Nachteile durch die Strömungsstörungen

am Fan könnten im Vergleich zu einer Konfiguration wie dem Claire

Liner oder anderen Konzepten für verteilte Antriebe hier minimiert

werden.

benefit when compared to a purely mechanical system, depending

also on the aircraft configuration.

The idea of distributing the thrust to a larger number of fans

also offers new degrees of freedom when it concerns the aircraft

configuration choice. The fans can be installed in such a way that

they could “ingest” the fuselage boundary layer, as can be seen

in the Claire Liner concept, which reduces the effective drag of

the aircraft. Assuming the dimensions of a typical narrow-body aircraft,

the efficiency improvement of a similar propulsion system is

approximately five percent. Also beneficial is the reduction of the

nacelle drag and noise due to the integration of the fans into the

airframe. It is emphasised that a reduction of the improvements is

expected due to a degradation of the fan inlet performance resulting

from the non-uniform flow and fan ducting. Based on empirical

methods as well as Computational Fluid Dynamics (CFD) for modelling

the boundary layer and aircraft flow field, Bauhaus Luftfahrt

is working on the assessment of the overall benefit of Boundary

Layer Ingestion.

Looking far into the future, one further option may consider

distributing the thrust production around the entire fuselage. This

configuration offers a very large fan area and hence high propulsive

efficiency for lower fan weight and thinner fan blades that

have better aerodynamic efficiency. Additionally, such a concept

makes optimum use of Boundary Layer Ingestion and may possibly

avoid problems like fan distortion compared to configurations

like the Claire Liner or other distributed propulsion system-based

designs available in literature.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 49


50

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Entwicklung eines vollelektrischen Verkehrsflugzeugs:

Ein interdisziplinäres Musterbeispiel

Designing a universally-electric airliner:

An interdisciplinary flagship project

2011 war ein ebenso spannendes wie auch technisch

herausforderndes Jahr für das Bauhaus Luftfahrt. Die von

der EU-Kommission in „Flightpath 2050“ festgesetzten ambitionierten

Ziele entwickelten sich zu einem wesentlichen

Treiber der Arbeiten unserer Forschungsbereiche. Aus den

dort bereits identifizierten Technologien und Ideen in den

verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen entwickelte

sich bald der Wunsch, diese in einem konzeptionellen Entwurf

und der anschließenden Bewertung eines emissionsfrei

fliegenden Verkehrsflugzeugs umzusetzen. Im ersten gemeinsamen

Gruppen-Designprojekt brachten alle vier Teams am

Bauhaus Luftfahrt ihre Expertise zusammen, um den gesamten

Prozess von der Zieldefinition über die grundsätzliche

technische Auslegung bis hin zu einer ersten operationellen

Bewertung eines solchen Konzepts abzubilden.

Angetrieben von der großen Herausforderung der Aufgabe

erprobte das Team dabei auch neue Wege der Zusammenarbeit,

die sich im Angesicht der hochgradig dynami schen

und komplexen Zielsetzung als sehr wertvoll erwiesen. Das

ambitionierte Ziel der Emissionsfreiheit wurde durch eine universellelektrische

Systemarchitektur, elektrisch angetriebene

Fans, fortschrittlichste Batterietechnologien und neuartige

Konfigurationen wie den C-Wing erreicht, immer mit der Verfügbarkeit

der Technologien in den Jahren 2035 bis 2040 im

Hinterkopf.

Am Ende entstand unter dem Arbeitstitel „Concept 002“

ein Luftfahrzeugkonzept, das ein hohes Maß an Flexibilität im

Betrieb verspricht, und das zu signifikant niedrigeren Kosten

gegenüber dem Wettbewerb im angenommenen zukünftigen

Marktsegment. Mehr Details zu den einzelnen Projektstudien

finden Sie auf den folgenden Seiten, die Ihnen, wie ich hoffe,

einen interessanten Einblick in eine potenziell emissionsfreie

Zukunft geben.

The year 2011 proved to be a very stimulating, exciting and

technically challenging time at Bauhaus Luftfahrt. Meeting

or even exceeding the European Commission Flightpath 2050

goals resembled the key driver for activities in all Bauhaus

Luftfahrt groups. Out of the identified technologies and ideas

in multiple disciplines the idea evolved to join those ideas into

the conceptual design and assessment of a zero-emission (in

flight) transport aircraft. In a joint group design project all

teams brought their expertise together to go through the full

process from requirements definition through conceptual design

to an initial operational assessment of such a concept.

Challenged by this task the group even selected a new

method of cooperation during the process, which proved very

valuable in highly dynamic and interdisciplinary tasks. The

ambitious zero-emissions target was achieved through technological

implementation of a universally electric systems

architecture, ducted electric-driven fans, latest battery technologies

and novel configurational features like the C-wing,

keeping technology availability in 2035 to 2040 in mind.

The final proposal ended with a vehicle that exhibits operational

flexibility, competitive performance and significantly

lower operating economics compared to advanced transport

aircraft projected to serve the same future market segment.

Details of the project studies carried out under the interim title

“Concept 002” can be found on the following pages, which I

hope will provide you with an interesting insight into a possible

emission-free future.

Dr. Askin T. Isikveren

Leiter Visionäre Flugzeugkonzepte /

Head of Visionary Aircraft Concepts

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 51


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Definition von Anforderungen

an ein Passagierflugzeug mit

elektrischem Antrieb

Derivation of top-level

requirements for an

all-electric short-range airliner

Klimawandel und die Endlichkeit der Ölressourcen stellen die

Luftfahrt vor große Herausforderungen. Vor diesem Hintergrund

werden im „FlightPath 2050“-Dokument der Europäischen Kommission

sehr ambitionierte und konkrete Ziele für Fluggeräte mit

Indienststellung in 2050 vorgelegt. Insbesondere ist die Verminderung

des Kohlendioxid (CO 2

)-Ausstoßes um 75 Prozent im

Vergleich zum technologischen Stand im Jahr 2000 beabsichtigt.

Aufgrund der relativ hohen CO 2

-Emissionen ist das Marktsegment

der Kurzstreckenflüge von dieser Entwicklung besonders

betroffen. Vor diesem Hintergrund hat das Bauhaus Luftfahrt eine

Konzeptstudie für ein Kurz- und Mittelstreckenflugzeug mit elektrischem

Antrieb in einem Gruppendesignprozess durchgeführt,

mit der Zielsetzung, weitgehend unabhängig von Rohöl zu sein

und lokal kein Kohlendioxid mehr auszustoßen.

Zu Beginn des Flugzeugdesignprozesses wurden ökonomische

und technische „Top-Level“-Anforderungen als Leitlinien

der Flugzeugauslegung definiert, so zum Beispiel für Flugzeuggröße,

Reichweite, Reisegeschwindigkeit, Umschlagzeit am Flughafen

und eine Reihe weiterer Parameter.

Zunächst wurde dafür eine grundlegende Trade-Off-Untersuchung

zwischen der Nutzlast und der Reichweite eines Flugzeugs

vorgenommen. Darin wurden verschiedene Stufen der

erwarteten Entwicklung der Batterietechnik verschiedene Zeitpunkte

der Inbetriebnahme des Flugzeugs (2030, 2035 und 2040)

gegenübergestellt. Die daraus resultierenden Nutzlast-Reichweiten-Diagramme

ergeben eine mögliche Missionsreichweite je

nach Zuladung für verschiedene Arten der Energiespeicherung

wie konventionelles Kerosin, hybrid oder voll elektrisch. Es wurde

deutlich, dass die Flugzeuggröße keine grundlegende Abhängigkeit

darstellt, so dass in die weitere Analyse auch größere Flugzeugtypen

einbezogen wurden.

Um das Flugzeugsegment mit dem höchsten Marktpotenzial

zu identifizieren, was bei entsprechend hoher Durchdringung

der Flugzeugflotte einem möglichst hohen CO 2

-Reduktionseffekt

entspräche, wurden die Flugbewegungen und die Flugzeuggröße

mittels einer internationalen Flugdatenbank untersucht und

Oil scarcity and climate change define major challenges for the

future design of aircraft. Europe's vision for aviation, as formulated

in the “Flightpath 2050” document, reflects these challenges by

stating ambitious environmental goals, notably a 75 percent reduction

in carbon dioxide (CO 2

) emissions from the year 2000 to

2050. Since fuel consumption and corresponding CO 2

emissions

per revenue passenger kilometre decrease with the flying distance,

aviation's most affected segment are short-range flights. This

background provides a strong motivation for the conceptual design

and assessment of a short-range aircraft with electric propulsion

which is largely independent from fossil fuels and produces no CO 2

emissions from gate to gate.

A crucial prerequisite for the aircraft design process is the

definition of economic and technical top-level requirements,

which define the aircraft size and mission range, as well as cruise

speed, turnaround times and a variety of other parameters.

First, the natural trade-off between payload and range was

analysed. Therefore the expected development in battery technology

was extrapolated to calculate the payload-range ratio for three

possible entry-into-service (EIS) dates of the electrical aircraft,

which allow for a sufficiently advanced technology level for the

batteries: 2030, 2035 and 2040. The resulting curves provided a

possible mission range as a function of payload for a given type of

energy storage, such as conventional fuel, hybrid or full electric. It

was shown that a variation in the ratio of aircraft size to structural

weight produces no significant difference to the results, which allowed

including larger aircraft in the subsequent analysis.

In order to identify the aircraft size segment with the highest

market potential, which hence is allowing for the largest CO 2

abatement effects on the global fleet, the flight movements by region

and aircraft size were analysed. This was done by use of international

flight data for the year 2010 which were scaled up with

growth rates for movements and size to the year 2035. The analysis

shows that the highest frequency of flight movements comprising

all world regions is done by aircraft with seats in the range

between 180 and 200. Therefore, the aircraft size was defined to

nach Regionen differenziert. Der Status quo für das Jahr > allow for the mean value in this category, which is 190 seats. >

52

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Increase of installed seats

2009 to 2035, ACI forecast 2009

Europe

+14%

Middle East

+14%

Increase of aircraft movements

2009 to 2035, ACI forecast 2009

Central & South

America

+85%

+314%

+59%

Africa

+43%

North America

+8%

+200%

Asia/Pacific

+23%

+32%

+291%

+374%

North America

Asia/Pacific

Europe

Middle East

Africa

Central & South America

Australia

Steigende Nachfrage nach Flugreisen: Prognose des Wachstums der durchschnittlichen Sitzplatzanzahl in

Flugzeugen und der Flugbewegungen von 2009 bis 2035 (Vorhersage basierend auf ACI, 2009 wie zitiert in

György, 2010)

Soaring demand for air travel: Forecasted increase of average aircraft seat count and aircraft movements

from 2009 to 2035. (Forecast data are based on ACI, 2009 as cited in György, 2010)

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 53


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

180 – 200

Prozentuale Häufigkeit von Passagierflugzeugen

mit einer spezifischen Sitzplatzanzahl,

gewichtet mit der Anzahl der Flugbewegungen,

im Jahr 2035: Aus der Erkenntnis,

dass über alle Weltregionen hinaus Flugzeuge

mit einer Kapazität von 180 bis 200 Passagieren

für die meisten Flugbewegungen verantwortlich

sein werden, leitete das Bauhaus Luftfahrt die

Designgröße von 190 Sitzen für sein Konzept ab.

Percentage frequency of installed aircraft

seats, weighted by flight operation frequency,

in the year 2035: From findings indicating that

aircraft carrying 180 to 200 passengers will be

responsible for the most flight movements in this

time frame, Bauhaus Luftfahrt derived a design

capacity of 190 passengers for its concept.

Percent

15.0% 140 – 240 market segment

10.0%

5.0%

Africa

Australia

Canada

Europe

Far East

Middle East

South and Central America

USA

0.0%

0

21-40

61-80

101-120

141-160

181-200

221-240

261-280

301-320

341-360

381-400

421-440

461-480

501-520

541-560

581-600

621-640

661-680

701-720

741-760

781-800

821-840

861-880

901-920

Number of installed

seats 2035

Verteilungsfunktion der Flugdistanzen für

Passagierflugzeuge mit 180 bis 200 Sitzen,

Prognose für das Jahr 2035: Mit der vom

Bauhaus Luftfahrt für sein Konzept anvisierten

Reichweite von 900 nautischen Meilen würden

demnach 79 Prozent (orangefarbene Säule) aller

weltweiten Flugstrecken, die üblicherweise mit

Flugzeugen zwischen 180 und 200 Sitzen bedient

werden, abgedeckt.

Cumulative frequency of mission distances

for jet aircraft with 180 to 200 seats, forecast

for the year 2035: With its planned design

range of 900 nautical miles, the concept aircraft

of Bauhaus Luftfahrt would be able to cover 79

percent (orange column) of all flight missions typically

served by aircraft between 180 and 200

seats worldwide.

100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0%

0%

1%

3%

8%

16%

24%

30%

38%

43%

49%

54%

59%

63%

68%

71%

75%

77%

79%

81%

83%

84%

85%

87%

87%

89%

90%

91%

92%

92%

93%

100%

1-50

51-100

101-150

151-200

201-250

251-300

301-350

351-400

401-450

451-500

501-550

551-600

601-650

651-700

701-750

751-800

801-850

851-900

901-950

951-1000

1001-1050

1051-1100

1101-1150

1151-1200

1201-1250

1251-1300

1301-1350

1351-1400

1401-1450

1451-1500

1500 +

Cumulative percentage

Design range of Bauhaus Luftfahrt´s concept

Nautical

miles

54

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

2010 wurde auf das Jahr 2035 abgeleitet. Die Analyse zeigt, dass

dann über alle Weltregionen Passagierflugzeuge in der Kategorie

mit 180 bis 200 Sitzen für die meisten Flugbewegungen verantwortlich

sind, weshalb der Wert von 190 Sitzen als Designgröße

festgelegt wurde.

Die Definition der optimalen Reichweite zielte auf eine möglichst

große Marktabdeckung in der entsprechenden Größenkategorie

ab. Die mögliche Reichweite hingegen wird wesentlich

durch die bei Markteintritt verfügbare Batterietechnologie bestimmt.

Damit ist die Definition der Reichweite eng mit dem Datum

der Indienststellung verknüpft.

Für ein elektrisch angetriebenes Flugzeug mit 100 Tonnen

Strukturgewicht und einer Kapazität von 190 Passagieren wurde

eine Reichweite von 600 nautischen Meilen (nm) im Jahr

2030, von 900 nm für das Jahr 2035 und von 1400 nm im Jahr

2040 ermittelt. Die Auswertung der Flugdaten zeigt, dass bei einer

Reichweite von 600 nm 59 Prozent, bei 900 nm 79 Prozent

und bei 1400 nm 92 Prozent aller Flugbewegungen durchgeführt

werden können. Eine Marktabdeckung von 79 Prozent wurde als

ausreichend hoch eingeschätzt, womit das Jahr 2035 als Markteintrittszeitpunkt

für ein Flugzeug mit einer Reichweite von 900

nm bei vollständig elektrischem Antrieb definiert wurde.

Zusätzlich zu den genannten Parametern der Flugzeuggröße

und Reichweite wurde für den Designprozess gefordert, dass

das Flugzeug die Leistungsparameter eines vergleichbaren Referenzflugzeugs

mit konventionellem Antrieb erfüllt, zum Beispiel

eine Fluggeschwindigkeit von Mach 0.75, eine Landebahnlänge

von 1615 Metern sowie eine Umschlagzeit am Flughafen von 30

Minuten.

Subsequently the optimal operational range had to be defined, in

order to allow for a sufficiently large coverage of the respective

market segment. As the range is closely connected to the battery

technology level, this decision is closely connected to the EIS date.

Forecasts of future battery technology developments indicated

a range of 600 nautical miles (nm) for an EIS in 2030, 900 nm

for an EIS in 2035 and 1400 nm for an EIS in 2040. According to an

additional market coverage study assessing the cumulative share

of operated flights, the calculated range segments of 600, 900 and

1400 nm would cover 59, 79 and 92 percent of all flights operated

by aircraft within the defined size category. As 79 percent of possible

market coverage was evaluated to be sufficient, the EIS year

was defined to be 2035, corresponding to an operational range of

900 nm.

In addition to this performance goal, it was postulated that

the aircraft fulfils the performance parameters of the best conventionally

propelled reference aircraft with similar size regarding, for

example, a cruise speed of Mach 0.75, a landing field length of

1615 metres and an airport turnaround time of 30 minutes.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 55


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Agile Methoden:

Größtmögliche Flexibilität für

den Konzeptentwurf

Agile methods:

Maximised flexibility in

conceptual aircraft design

In der Produktentwicklung hat nicht zuletzt der Luftfahrtsektor

zunehmend mit begrenzten finanziellen und zeitlichen Ressourcen

zu kämpfen, die einem steigenden Bedarf an innovativen

und sogar revolutionären Lösungen gegenüberstehen. Zusätzlich

verschärfen die dezentrale netzwerkartige Struktur vieler Projekte

und mögliche späte Änderungen von Produktanforderungen die

Komplexität und Dynamik vieler Projektorganisationen, was zu

Überschreitungen des Budgets führen kann.

In der industriellen Softwareentwicklung wird diesem Problem

mit sogenannten „Agilen Methoden“ begegnet. Diese Vorgehensmodelle

basieren auf der Annahme, dass der permanente

Wandel von Projekt- und Entwicklungszielen eine natürliche

Eigenschaft von Projekten aller Art ist. Daher wird ein Wettbewerbsvorteil

darin gesehen, besonders flexibel und effizient auf

vielerlei Veränderungen reagieren zu können, ohne von Qualität

und Budget abzuweichen. Darüber hinaus soll dem Kunden das

Produkt bei möglichst kontinuierlicher Wertsteigerung bereits

während des Entwicklungsprozesses zur Beurteilung gegeben

werden und nicht erst zum Ende. Um dies zu erreichen, werden

einige radikale Ansätze verfolgt. Beispielsweise wird der engen

Zusammenarbeit zwischen Entwicklern und Managern sowie

häufigen Demonstrationen von funktionierenden Prototypen ein

hoher Stellenwert eingeräumt.

Eine besonders weit verbreitete agile Methodik ist „Scrum“.

Dieser Ausdruck bezeichnet im Rugby-Sport ein aktives Gedränge

aller Spieler um den Ball. Dieser Analogie folgend sollen

dazu im Vorgehensmodell alle Projektbeteiligten in ihren Rollen

dynamisch um die Definition und Erfüllung der Projektziele ringen.

Typisch sind hier unter anderem die folgenden Rollen: Der

“Product Owner“ ist vor dem Kunden dafür verantwortlich, dass

das Entwicklerteam nach jedem Entwicklungszyklus ein wertgesteigertes,

potenziell lieferfertiges Produkt übergibt. Der „Scrum

Master“ tritt als Coach des Entwicklerteams auf und sorgt dafür,

dass alles beseitigt wird, was das Entwicklerteam an konzentrierter

und motivierter Arbeit hindert. Dem Entwicklerteam fallen bei

Scrum bedeutende Aufgaben wie beispielsweise die Aufwandsabschätzung

The development of new products, in particular in the aviation

sector, is increasingly afflicted by limited time and financial

budgets which are in opposition to mounting demands regarding

innovative and even revolutionary solutions. In addition, the

decentralized networking structure of many projects and potential

last minute changes to product requirements exacerbate the

complexity and dynamics of project organisations and can hence

lead to budget overruns.

In industrial software development this problem is counteracted

by the application of so-called “agile methods”. These

process models are based on the assumption that the permanent

change of project and development goals is a natural characteristic

of all kinds of projects. Therefore, the ability to adapt to manifold

changes in a flexible and efficient way without compromising

quality or budgets is seen as a competitive advantage. Additionally,

the resulting product is supposed to be handed to the customer

for evaluation not only at the end but also already during

the development process, presenting an added value increasing

with time. In order to achieve this, some radical approaches are

pursued. For example, high emphasis is placed on the tight interaction

of developers and managers as well as on frequent demonstrations

of working prototypes.

“Scrum” is the name of a particularly widespread agile

method. In the sport of rugby, this term describes a situation

where all players actively jostle for the ball. Similarly, in the design

process model all stakeholders in their project roles are supposed

to strive dynamically for the definition and achievement of the

project goals. A number of characteristic roles are involved in this

process. The “product owner” is responsible to the customer for

the delivery of a value-enhanced, potentially shippable product by

the development team after each development cycle. The “Scrum

master” acts as a coach of the development team and takes care to

eliminate all influences impeding focused and motivated work. In a

Scrum, the “development team” has major tasks such as determining

the required effort for achieving each goal. Moreover, Scrums

attach great importance to frequent, regular and time-limited

zu. Darüber hinaus wird bei Scrum Wert auf > team meetings called “Daily Scrums”.

>

56

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Daily Scrum

Product

Backlog

Sprint-Backlog

Max. sprint = 30 days

Product

Visualisierung des generischen “Scrum”-Prozesses, den das Bauhaus

Luftfahrt für seine interdisziplinäre Konzeptentwicklung angepasst hat:

Die Grafik beschreibt die Unterteilung des Projektzeitraums in mehrere iterative

Projektzyklen von maximal 30 Tagen, die sogenannten „Sprints“. Darin wird

jeweils ein Teil aus dem Lastenheft zu einem „potenziell versandfertigen Produkt“

realisiert. Dieser iterative Prozess fördert den Dialog zwischen dem Kunden

und dem Entwickler, die nach jedem Sprint gemeinsam die Produktanforderungen

und die Zeitabschätzungen bewerten und gegebenenfalls anpassen,

bis das Endprodukt fertiggestellt ist.

Visualisation of the generic Scrum process adopted in the conceptual

design project at Bauhaus Luftfahrt: It illustrates the breakdown of the project

time in iterative periods of 30 days called “sprints”. Therein, the developer

team itself monitors the progress in short 15-minute meetings called “Daily

Scrums”. In each sprint a part of the overall product backlog is realised to

a potentially shippable product. This iterative approach fosters the dialogue

between customer and developer team, who together revise and realign the

product requirements and especially time estimates after each sprint until the

final product is completed.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 57


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

At a first glance this practice does not seem to coincide with the

product complexity and high safety requirements of the aviation

industry. Nevertheless, Bauhaus Luftfahrt’s scientists identified

aircraft conceptual design as a potential application scenario for

this process model, all the while hoping that here the outspoken

demand for flexibility and radical solutions would bring the

strengths of agile methods to bear.

Thus, Scrum was applied for the first time in the context of

the interdisciplinary design project “Concept 002”. Here, the project

participants did not only face the task of developing a radically

new aircraft concept within four months, but also to prepare

and establish the necessary tool infrastructure as well as a design

process tailored specifically to the needs of Bauhaus Luftfahrt: the

so-called “Advanced Design Process”. In the course of this work

the availability of the design team and to some degree even fundamental

product requirements changed on an almost daily basis,

right to the end of the project.

According to the Scrum method, the individual project teams

first outlined the general performance requirements called the

“product backlog”. The effort for each work package was estimated

and then prioritised in cooperation with the customer. Then the

product backlog was split up into four-week work periods called

“sprints”. During that time the backlog of the current sprint always

remained fixed. However, the backlogs of upcoming sprints

were adapted, complemented or revised in cooperation with the

customer, according to the experience gathered up to that time.

Following each sprint the developed products were presented to

the customer and problems as well as possible improvements

were discussed in the team.

In retrospect it turned out that a clear assignment of the

aforementioned Scrum roles and the establishment of direct communication

paths between the main actors was a deciding factor

for the ability to deal efficiently even with unforeseen problems.

Also, already in the early stages of the project a three-dimensional

visualisation of the overall product was available along with a list

häufige, regelmäßige und zeitlich begrenzte Team-Treffen, sogenannte

„Daily Scrums“ gelegt.

Diese Praxis scheint auf den ersten Blick nicht mit der Produktkomplexität

und den hohen Sicherheitsanforderungen im

Flugzeugbau vereinbar zu sein. Trotzdem identifizierten die Wissenschaftler

am Bauhaus Luftfahrt den Flugzeugkonzeptentwurf

als ein geeignetes Einsatzszenario dieses Vorgehensmodells, in

der Hoffnung, dass hier der klare Bedarf an Flexibilität und Radikalität

die Stärken von agilen Methoden voll zur Geltung bringen

würde.

Die erstmalige Anwendung von Scrum geschah daher im

Rahmen des interdisziplinären Entwurfsprojekts „Concept 002“.

Darin hatten die Projektteilnehmer nicht nur die Aufgabe, innerhalb

von vier Monaten ein radikal neuartiges Flugzeugkonzept

zu entwickeln, sondern gleichzeitig Werkzeuginfrastruktur und

einen gesondert auf die Bedürfnisse des Bauhaus Luftfahrt zugeschnittenen

Flugzeug-Entwurfsprozess, den sogenannten „Advanced

Design Process“, zu erarbeiten und zu etablieren. Dabei

änderten sich bis zum Schluss fast täglich die Verfügbarkeit des

Teams und zum Teil fundamentale Produktanforderungen.

Gemäß der Scrum-Vorgehensweise entwickelten die einzelnen

Projektteams zunächst die allgemeinen Leistungsanforderungen,

das sogenannte „Product Backlog“. Jedes Arbeitspaket

wurde durch das Team im Aufwand geschätzt und mit dem

Kunden priorisiert. Dann wurde das „Product Backlog“ auf Arbeitsperioden

von vier Wochen, sogenannte „Sprints“ aufgeteilt.

Zwar blieb der jeweils aktuelle Sprintbacklog konstant, allerdings

wurden die Backlogs der noch zukünftigen Sprints aufgrund der

bereits gesammelten Erfahrung angepasst, ergänzt oder gegebenenfalls

mit dem Kunden bereinigt. Nach jedem Sprint wurden

dem Kunden die erarbeiteten Produkte präsentiert und im Team

über Probleme und Verbesserungsmöglichkeiten reflektiert.

Im Nachhinein stellte sich heraus, dass eine klare Besetzung

der vorher erwähnten Scrum-Rollen und die Etablierung

von direkter Kommunikation zwischen den Protagonisten entscheidend

war, um auch auf unvorhergesehene Probleme effizi-

of performance parameters; both were presented regularly to the

ent reagieren zu können. Außerdem existierte sehr früh eine > development team as well as the customer. This way it was >

58

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 59


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Der Ursprung von “Scrum”: Die Methodik, die das Bauhaus Luftfahrt im Konzeptentwurf

angewandt hat, wurde von den dynamischen Abläufen im Rugby-

Sport inspiriert.

The origin of “Scrum”: The methodology used by Bauhaus Luftfahrt in the

conceptual design process was inspired by rugby players actively jostling for

the ball.

60

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

dreidimensionale Visualisierung des Gesamtprodukts sowie eine

Liste der Leistungswerte, die oft und regelmäßig dem gesamten

Entwicklerteam und dem Kunden präsentiert wurde. So konnten

ausstehende Aufgaben leichter priorisiert und Missverständnisse

zeitig aufgeklärt werden. Einige Teams gingen dazu über, täglich

einen Daily Scrum abzuhalten, um sich gegenseitig über den

aktuellen Fortschritt zu informieren. Da die meisten Teilnehmer

nicht über die ganze Projektlaufzeit verfügbar waren, halfen diese

kurzen Treffen, einen kontinuierlichen Arbeitsfluss aufrechtzuerhalten.

Obwohl es am Bauhaus Luftfahrt zuvor keine praktische

Erfahrung mit agilen Methoden gab, konnten bereits bei der

Premiere in der Entwicklung von „Concept 002“ die Kundenwünsche

zeitgerecht und innerhalb des gegebenen Budgets erfüllt

werden. Zusätzlich konnte am Bauhaus Luftfahrt eine wiederverwendbare

Infrastruktur aus Werkzeugen und Methoden etabliert

werden, welche für zukünftige Entwurfsprojekte eine sehr

gute Ausgangsposition darstellt, unabhängig davon, ob dabei

agile Methoden zum Einsatz kommen oder nicht. Der „Scrum“-

Prozess konnte somit einen erheblichen Beitrag im Konzeptentwurfsprozess

leisten und ist damit auch für zukünftige Projekte

vorgesehen.

possible to easily prioritise upcoming tasks and resolve ambiguities

in a timely fashion. Some of the teams internally adopted a

scheme of daily Scrums in order to keep all team members up to

date on the project progress. As most of the researchers were not

fully available for the entire duration of the project, these brief

meetings helped to maintain a steady flow of work.

Although there had been no practical experience regarding

agile methods at Bauhaus Luftfahrt, customer requests could be

realised on time and on budget even during this premiere development

of “Concept 002”. In addition, a reusable infrastructure

of tools and methods could be established at Bauhaus Luftfahrt,

which will serve as a very good starting point for future design

projects, whether these will be realised using agile methods or

not. The Scrum process therefore could make a significant contribution

to the conceptual design process and is consequently

planned for use also in future projects.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 61


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Systemauslegung für

ein vollelektrisches

Kurzstreckenflugzeug

System concepts for

an all-electric

short-range airliner

Nach Abschluss der Untersuchung von Marktanforderungen (Aircraft

Top Level Requirements, kurz: ATLeRs) eines ökonomisch

sinnvollen Flugzeugkonzepts für das Jahr 2035 mussten in einem

nächsten Schritt Schlüsseltechnologien, die Systemkonfiguration

und das Grundkonzept abgeleitet werden. Das Ziel, ein

voll -elektrisches Antriebssystem für ein Flugzeug für 190 Passagiere

und 900 nm Reichweite auszulegen, erwies sich dabei als

hochgesteckt, da es sich klar von aktuell bekannten Entwürfen

differenzierte. Für den Betrieb eines lokal emissionsfreien Luftfahrzeugs

kamen statt Brennstoffzellen oder Hybridsystemen für

die Energieversorgung nur Batterien in Frage. Vor allem deren

Leistungs- und Energiedichten stellten aber größte Herausforderungen

an die Machbarkeit. Eine deutliche Verbesserung der Batterietechnologie

wie in den letzten Jahren (mit einer Zunahme

der Energiedichte von sieben Prozent pro Jahr) ist Voraussetzung

für eine mögliche Realisierung im Jahr 2035.

Auf der einen Seite bietet der vollelektrische Ansatz neue

Freiheitsgrade bei der Auslegung und Integration von Systemen

innerhalb des Flugzeugs. Andererseits ergeben sich aber auch

neue Einschränkungen durch die in den ATLeRs festgeschriebene

Abfertigungszeit am Flughafen: Das Schnellladen der Batterien

stellt extreme Anforderungen, weshalb ein Austausch der Batterien

nach jedem Flug angenommen wird.

Inspiriert von der Selbstverpflichtung des Bauhaus Luftfahrt,

nur gleichermaßen innovative wie wissenschaftlich fundierte Ansätze

zu verfolgen, wurde bei der Auswahl der Technologien und

der darauf basierenden Flugzeugkonfiguration eine zweiteilige

Strategie gewählt. In einem ersten Schritt wurden daher verschiedene

Flugzeugauslegungen in einem Ideenwettbewerb gesammelt.

Diese deckten einen großen Bereich zwischen visionären

und konventionellen Ansätzen ab und variierten auch sehr stark in

ihrem Detailgrad. Alle im Wettbewerb stehenden Konfigurationen

wurden anschließend systematisch analysiert und in einer zweidimensionalen

Vergleichsansicht in puncto Radikalität und Detailtiefe

gegenübergestellt, in der ein vollelektrisches Flugzeug in der

heutigen Standardauslegung die höchstmögliche Konventionalität

With an economically viable transport application for an entry

into service (EIS) in the year 2035 identified and the Aircraft Top

Level Requirements (ATLeRs) fixed, the aircraft’s key technologies,

system configuration and overall layout had to be selected.

Setting up an electromotive power system for the targeted 190

passenger and 900 nm design was a challenging task, going far

beyond current concepts of full-electric flight. To ensure a locally

emission-free operation, fuel cells or hybrid systems had to be neglected

from the beginning in favour of an entirely battery-based

energy supply. Energy and power density of the latter impose

tight constraints; continuous significant improvements in battery

performance of an average seven percent increase per year in

energy density, as observed in recent years, are required for the

targeted EIS.

On the one hand, a full-electric approach including electromotive

power offers new degrees of freedom with respect to

system integration on board the aircraft. On the other hand, the

ground handling characteristics established in the ATLeRs, especially

turnaround times similar to contemporary ground operations,

require easy access to the battery packs. Recharging the

batteries during turnaround is postulated to remain challenging;

hence the researchers assumed an exchange after each flight.

Inspired by the Bauhaus Luftfahrt commitment to pursuing

a both innovative and scientifically sound approach, a two-fold

strategy was adopted for technological and configuration downselection:

in response to an open “call for ideas”, researchers at

Bauhaus Luftfahrt submitted a plethora of conceptual designs,

spanning the entire configuration space from radical to conventional,

and ranging from coarse to fine in their degree of detail.

These competing entries were then assessed systematically and

assigned tentative positions on a two-dimensional plot of “conventionality

of design versus level of descriptive detail”. In this

plot, a future universally electric version of a standard aircraft defines

the maximum conventionality at the highest level of detail.

In a subsequent step, the ATLeRs were used to perform a

first selection among the suggested configurations: for example,

bei gleichzeitig dem größten Detailreichtum darstellte. > “blended wing body” layouts were not retained because >

62

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

1

Detailed

Fuselage + wing

A3002 neeo

Blended Wing Body

SiZe

CoZe

ZEALiner

SteepApp

AddPax

PropFus

Progeny

E-BWB

EIDER

Flying Flatfish

Conceptual

Visionary

Conventional

CO 2

De

SWing

TriLift

NoEvil

2

Detailed

Fuselage + wing

A3002 neeo

Blended Wing Body

SiZe

CoZe

ZEALiner

SteepApp

AddPax

PropFus

Progeny

Conceptual

3

Visionary

Conventional

Detailed

Fuselage + wing

1

ZEALiner

2

Progeny

Conceptual

Visionary

Conventional

Vom ersten Ideenwettbewerb bis zur Auswahl der aussichtsreichsten Entwürfe wurde am Bauhaus Luftfahrt darauf geachtet, nur gleichermaßen innovative

wie wissenschaftlich fundierte Konzepte in die engere Wahl zu nehmen: Somit wurden aus der Ideensammlung (1) alle zu wenig fundierten Konzepte aussortiert

(2) und aus den verbleibenden Ideen zwei Konzeptkandidaten für die Synthese eines voll-elektrischen Konzeptflugzeugs für das Jahr 2035+ ausgewählt (3).

From the first “call for ideas“ to the selection of the most promising candidate designs, the Bauhaus Luftfahrt commitment to a both innovative and scientifically

sound approach was maintained: From the initial collection (1), those concepts lacking scientific soundness were sorted out (2) leaving eight candidates from

which two were finally selected (3) to serve as a first blueprint for the synthesis of a final 2035+ universally electric aircraft configuration.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 63


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Scenario score Robustness Final score

1

0.5

0

ZEALiner

Progeny

PropFus AddPax SiZe CoZe

SteepApp

-0.5

-1

-1.5

-2

Expertenbewertung mit Hilfe eines am Bauhaus Luftfahrt entwickelten Auswahl-Tools: Die Analyse zeigte deutlich die Stärken und Schwächen der einzelnen

vorgeschlagenen Konzepte für ein vollelektrisches Regionalflugzeug auf.

Expert assessment using Bauhaus Luftfahrt’s advanced down-selection tool: The analysis clearly highlighted the advantages and disadvantages of all proposed

designs for a universally electric airliner concept.

64

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Im zweiten Schritt wurden die ATLeRs für eine erste Vorauswahl

der vorgeschlagenen Konzepte herangezogen. Beispielsweise

wurden dabei bereits Nurflügel-Konzepte aufgrund ihrer Anforderungen

an die äußeren Abmessungen und das gewünschte Familienkonzept

aussortiert. Die verbleibenden Kandidaten wurden

dann, mit dem vollelektrischen Flugzeug in der heutigen Standardauslegung

als Referenzpunkt, klassifiziert und anhand von

gewichteten Kriterien aus sieben Kategorien bewertet: Aerodynamik,

Flugeigenschaften, Struktur, Antrieb, Energieversorgung,

Flugbetrieb sowie Reifegrad/Machbarkeit. Aus der Kategorie

Aerodynamik wurde beispielsweise abgeleitet, ob ein Konzept

Vorteile beim Verhältnis von Auftrieb und Widerstand oder seinen

Hochauftriebseigenschaften besitzt.

Für jedes Kriterium vergab eine Expertenkommission eine

Punktzahl zwischen –5 und +5. Diese ingenieurwissenschaftlichen

Empfehlungen flossen in ein vom Bauhaus Luftfahrt entwickeltes

Auswahlwerkzeug ein, mit dessen Hilfe schlussendlich

die zwei vielversprechendsten Konzepte identifiziert wurden. Die

dabei angewandte Methode ist zudem in der Lage, die Aussagekraft

des Ergebnisses anzugeben. Auf Basis einer Integration

ihrer jeweiligen Schlüsselinnovationen in ein stimmiges Gesamtkonzept

entstand abschließend aus beiden Konzeptkandidaten

die erste Blaupause für die Synthese eines vollelektrischen Konzeptflugzeugs

für das Jahr 2035+.

In der folgenden Projektphase wurde das aus den Ergebnissen

des Auswahlprozesses abgeleitete Konzept einer tieferen

Analyse mit Schwerpunkt auf den speziellen Charakteristiken des

vollelektrischen Fliegens unterzogen. Ziel dabei war es, eine detaillierte

Dokumentation des Flugzeugs nach den Richtlinien der

Air Transport Association (ATA) zu erhalten. In einem iterativen Prozess

wurden Kernmerkmale der Konfiguration wie das elektrische

Antriebssystem, Rumpf und Kabine sowie die Auftriebsflächen

im Hinblick auf Gewicht und Leistung optimiert. Das Batteriegewicht

ist der kritische Faktor für die Realisierbarkeit des vollelektrischen

Fliegens. Lithium-Ionen-Batterien müssen weiterentwickelt

werden, um sowohl die erforderliche Spitzenleistung beim Start

of the small aircraft size as well as the requirement of a family

concept. The remaining candidates were then ranked relative to

each other with the universally electric aircraft of conventional

morphology as a reference point. The criteria for the down-selection

process were arranged into seven categories: aerodynamics,

hand ling, structure, propulsion energy supply, operations and maturity/feasibility,

each of which comprised several weighted criteria.

Examples from the aerodynamics category are indications to

what extent the aircraft concept ensures “higher lift-to-drag ratio”

or “better high-lift capability”.

This ranking was performed by in-house expert groups attributing

scores from -5 to +5 for each criterion to every concept.

The experts’ engineering judgement was recorded in a downselection

tool developed at Bauhaus Luftfahrt, where finally the

two most promising configurations were identified. As an additional

benefit, the BHL down-selection tool provides a measure

for the robustness of a given candidate design. Sifted for their key

innovative features and merged into a single conclusive concept,

the two contest winners served as a first blueprint for the synthesis

of a final 2035+ universally electric aircraft configuration.

In a holistic approach, the details of the aircraft concept

were then simultaneously assessed further, including all relevant

aspects of aircraft design with particular emphasis on the charac

teristics of universally electric flight. The goal was to produce

a detailed aircraft document in accordance with the Air Transport

Association (ATA) chapters. In an iterative process, the key features

of the aircraft concept such as the electric system, cabin and

fuselage, wing and motive power systems were optimised continuously

with respect to weight and performance. Battery mass

is a critical factor for universally-electric flight. Advanced lithiumion

battery technology must be further developed to deliver the

necessary power density for take off while maintaining sufficient

energy densities for a reasonable mission duration. The motive

power system was equipped with High Temperature Superconducting

(HTS) motors, which, by the time of EIS, are expected to

deliver a high power-to-weight ratio. The power transmission system

als auch die für die angestrebte Reichweite erforderliche > was conceived as a high voltage system with lightweight >

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 65


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Energiedichte zu erreichen. Für das Antriebssystem sind weiterhin

Hochtemperatur-Supraleitungs-Motoren (HTS) vorgesehen, die im

Jahr 2035 voraussichtlich die höchste Leistung pro Gewicht erzielen

können, während die Leistungsübertragung mit Hochspannungs-Aluminium-Kabeln

erfolgt, die bei einem vollelektrischen

Flugzeug das konventionelle Kraftstoffverteilungssystem ersetzen.

Die aerodynamische Effizienz wird durch ein nichtplanares

Tragflächenkonzept gesteigert, für das der wirbelinduzierte

Widerstand geringer ist, während gleichzeitig Spannweitenbeschränkungen

seitens der Flughäfen eingehalten werden können.

Der Vorteil einer solchen Flügelkonfiguration zeigte sich

bereits in der positiven Bewertung der beiden Siegerkonzepte

in der Kategorie Aerodynamik, in die das Potenzial zur Widerstandsverringerung

als Kriterium einging. Um das Verhalten der

Flügelstruktur unter aerodynamischen Lasten zu untersuchen

und davon die strukturelle Auslegung abzuleiten, verwendete

das Bauhaus Luftfahrt eine fortschrittliche Methode, die lineare

Annahmen zur Aerodynamik mit der nichtlinearen Biegetheorie

koppelt und somit für den Designprozess anwendbar macht.

Der technischen Machbarkeit sowie externen Regularien,

wie beispielsweise denen der ATA, kam während des Entwurfsprozesses

große Bedeutung zu, dennoch bilden sie nicht das gesamte

Anforderungsprofil ab. Auch wirtschaftliche Überlegungen

seitens eines potenziellen Flugzeugbetreibers waren ein wichtiger

Baustein: Das vorgeschlagene Konzept muss in Bezug auf die

Wartungs- und Betriebskosten besser abschneiden als Mitbewerber

und ein durchdachtes Kabinenkonzept als Verkaufsargument

mitbringen. Deshalb wurde ein Kabinenentwurf vorgelegt,

der beispielsweise Bevölkerungsentwicklungen für 2035+ wie

den Trend zu steigenden Körpermaßen (Seite 21) in der Konfiguration

von Sitzen, Gängen und Staufächern berücksichtigt.

Das entwickelte „Concept 002“ stellt einen grundlegend

neuen Ansatz für den Passagierflug im anvisierten Zeitrahmen

dar, sowohl bezüglich des Antriebssystems als auch in seiner Gesamtkonfiguration.

Das Ergebnis dieser Konzeptstudie wird vom

Bauhaus Luftfahrt erstmals auf der ILA Berlin Air Show im September

2012 der Öffentlichkeit präsentiert.

aluminium wiring, thus minimising the mass impact of the power

management and distribution system replacing the conventional

fuel management and distribution system in an electromotive aircraft

concept.

Aerodynamic efficiency is improved by adopting a non-planar

wing configuration, which offers an enhanced aerodynamic

performance for given geometrical constraints imposed by airport

compatibility, for instance regulations that limit the wing span.

This positive effect of non-planar wing configurations is reflected

by the two winning concepts’ high scores in the aerodynamics

down-selection category, which included criteria related to drag

reduction potential. In order to assess the behaviour of the wing

structure under aerodynamic loads and deduce information about

structural layout, a method coupling advanced linear aerodynamic

predictions with non-linear structural bending theory was developed

and applied for the design work.

Technical feasibility and externally imposed regulations such

as those discussed in the ATA chapters were of vital importance

throughout the entire layout process, but they do not represent

the entire range of requirements. An important set of requirements

are associated with economic considerations of the potential

operators. This means, fundamentally, the chosen concept

needs to outperform any competitors in terms of operating cost

and direct maintenance. Besides this aspect, it should offer a well

thought-out cabin layout as a unique selling point. These aspects

were thus also addressed during the design phase: specifically,

the cabin interior for this forward-looking project was designed

using passenger data for the year 2035+, catering to expected

changes in population characteristics, such as the trend towards

taller passengers (page 21). This imposes, for example, a modified

setup of seats, aisles and storage bins.

Altogether, the developed “Concept 002“ constitutes a radically

new approach for the envisioned time frame: radical both

with respect to its configuration and its exclusively electromotive

power system. The first public presentation of Bauhaus Luftfahrt’s

concept is planned for ILA Berlin Air Show in September 2012.

66

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

C-wing load distribution

b c

h

Der Auswahlprozess umfasste auch eine

Reihe aerodynamischer Kriterien, wie beispielsweise

das Potenzial zur Verringerung

des Widerstands: Die beiden Konzepte in der

Endausscheidung erreichten hohe Punktzahlen

in dieser Kategorie, vor allem durch ihre nichtplanaren

Flügelkonfigurationen.

The down-selection of concept designs included

several aerodynamic criteria, for

example the drag reduction potential: The

two winning concepts received high scores in

this category, mostly related to the positive effect

of their non-planar wing configurations.

b

3D panels, collocation points and normals

15

10

5

0

Body y-coordinate

-5

40

-10

35

Body x-coordinate

-15

30

25

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 67


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

Costs

Supply

Population development

and structures

Population growth

Ageing society

Urbanisation

Emerging megacities

68

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Resources

Air travel

3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Climate change

Technology

Economic developments

GDP growth

Available income

Global middle class

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 69


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Flughafensicherheit: Ethische

und strukturelle Analyse

Airport security: Ethical and

structural analysis

Sicherheitskontrollen an Flughäfen sollen das Risiko sich verändernder

Bedrohungslagen mindern, neue Mechanismen werden

jedoch oft erst als Reaktion auf Zwischenfälle implementiert. Das

Bauhaus Luftfahrt untersuchte zwei dabei zentrale Aspekte, die

häufig übergangen werden.

Der erste befasste sich mit der reaktiven Vorgehensweise,

aufgrund der ein Angreifer immer einen Schritt voraus ist. Eine proaktive

Herangehensweise hilft hingegen, Schwachstellen zu identifizieren,

bevor sie ausgenutzt werden können. Als Grundlage für

einen entsprechenden Ansatz hat das Bauhaus Luftfahrt verschiedene

Gruppen von Bedrohungsszenarien erstellt, die systematisch

mit Sicherheitstechnologien und -prozessen vernetzt wurden. Für

bestimmte Bedrohungen wurden potenziell effektive Mechanismen

abgeleitet und analysiert. Dieses Wissen hilft zu verstehen,

ob beispielsweise Investitionen in Training oder technische Erkennungssysteme

das Sicherheitsniveau verbessern können.

Der zweite Aspekt behandelte Interessenkonflikte, die entstehen,

wenn mehr Sicherheit zu einer Einschränkung von Grundrechten

wie Freiheit, Gerechtigkeit oder der Privatsphäre führt.

Eine umfassende Bewertung ethischer Kriterien sollte daher sowohl

einer Technologieentwicklung als auch der Implementierung

neuer Sicherheitsstandards vorausgehen. Am Bauhaus Luftfahrt

wurde eine Marktforschungsstudie durchgeführt, um die Beziehung

ethischer Faktoren und Sicherheitsmechanismen zu untersuchen.

Die Ergebnisse erlauben eine entsprechende Beurteilung

sowohl aktueller als auch zukünftiger Sicherheitsmechanismen.

Beide Aspekte wurden im Rahmen des Projekts SiVe („Sicherheit

von Verkehrsinfrastrukturen“) untersucht, das vom Bundesministerium

für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wurde.

The purpose of airport checkpoints is to reduce the risk associated

with constantly evolving threats, but security measures are often

implemented as direct reactions to incidents. Bauhaus Luftfahrt focused

its activities on two important but often neglected aspects.

The first aspect refers to reactive responses which always

leave attackers one step ahead. A proactive approach towards the

airport security system would in contrast help identify weaknesses

before they can be exploited. In the respective approach developed

at Bauhaus Luftfahrt different clusters of threat scenarios

were systematically matched with existing security technologies

and processes. Potentially effective measures regarding specific

threats were identified and analysed in order to understand how

either investment – in training or in more equipment – or further

development, for instance in detection capabilities, could improve

the overall level of security.

The second aspect dealt with the fact that a higher level of

security often leads to reductions in basic rights such as liberty,

justice and privacy, thus entailing a conflict of fundamental interests.

A comprehensive assessment of ethical aspects of airport security

should hence always go along with the development of new

technologies and the implementation of new security standards.

Bauhaus Luftfahrt set up a passenger survey to investigate the

relation of ethical aspects and airport security measures. The respective

findings allow the evaluation of current as well as future

technologies, processes or standards.

Both aspects were explored in the course of the research

project SiVe (“Sicherheit von Verkehrsinfrastrukturen”, Security of

transport infrastructures), funded by the German Federal Ministry

of Education and Research (BMBF).

70

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Privacy

Liberty

Mobility

Justice

Health

Security Etc.

Security

Security

vs.

Privacy

Liberty

Privacy

Liberty

Mobility

Justice

Health

Etc.

Mobility

Justice

Health

Etc.

Werte-Gleichgewicht: Das Bauhaus Luftfahrt untersuchte die Beziehung ethischer Einflussfaktoren auf

Sicherheitsmechanismen von Flughäfen.

Balance of rights: Bauhaus Luftfahrt investigated the relation of ethical aspects and security measures at

airports.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 71


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Modellieren im konzeptionellen

Flugzeugentwurf

Modelling of conceptual

aircraft designs

Entwurf und Entwicklung neuer Flugzeugsysteme sind zeitaufwendig

und teuer. Diesem Problem versucht man mit dem Einsatz visueller

Methoden im modellbasierten Entwurf zu begegnen. Jedoch

unterstützen die dafür verfügbaren Visualisierungswerkzeuge nur

unzureichend die Integration verschiedener Systeme und die verständliche

Darstellung von Systemkomplexität. Das Bauhaus Luftfahrt

arbeitet daran, solche visuellen Darstellungen hierarchisch

zu strukturieren, um dem Bearbeiter die Fokussierung der jeweils

wichtigen Teildarstellungen zu ermöglichen.

In den derzeit zur Verfügung stehenden Werkzeugen für den

Flugzeugentwurf werden die modellierten Strukturen typischerweise

in Form von Bäumen dargestellt. Diese eigentlich recht

intuitive Form der Visualisierung stößt bei komplexen Systemen

jedoch an ihre Grenzen. So kann zum Beispiel eine Ansteuerungsleitung

für die Flügelklappen sowohl zur Überkomponente „Flügel“

als auch zur Überkomponente „Hydrauliksystem“ gehören. Dieser

Zusammenhang lässt sich aber nicht mehr einfach als Baum darstellen,

die Übersichtlichkeit der Darstellung leidet dann erheblich.

Eine der aktuellen Arbeiten im Team des Wissensmanagements

von Bauhaus Luftfahrt zielt darauf ab, einzelne Teile des Gesamtmodells

zu isolieren, die für sich betrachtet als Baum darstellbar

sind. Dies wird über die Bereitstellung von Systemsichten, sogenannten

„Views“, ermöglicht. Diese Views unterstützen den Benutzer

bei der Organisation und Darstellung von Modellen, indem

sie für eine übersichtliche Darstellung der relevanten Teilaspekte

sorgen und irrelevante Gesichtspunkte ausblenden. Diese Sichten

finden gegenwärtig Eingang in das CDT-Softwarewerkzeug des

Bauhaus Luftfahrt.

The design and development of new aircraft systems consume

large amounts of time and resources. Current approaches try to

tackle these problems using visual design methods for modelbased

development. However, the visualisation software tools

available for this task only inadequately support the integration of

different systems and the comprehensibility of system complexity.

Bauhaus Luftfahrt is working to ameliorate this situation by imposing

hierarchical structures on visual displays, therefore allowing

the user to focus on the respective relevant sub-aspects.

The currently available tools for aircraft design typically arrange

the modelled structures of components and functions by

means of data trees. However, this inherently quite intuitive visualisation

method reaches its limits when displaying increasingly

complex systems. For example, a hydraulics line for wing flap actuation

can be considered as belonging to both the component

“wing” as well as the component “hydraulics system”. Hence, this

multiple containment cannot be readily displayed in tree form,

therefore significantly reducing the lucidity of the display. Current

activities in the Bauhaus Luftfahrt knowledge management team

are aiming to identify and isolate parts in a system model that can

by themselves be structured as trees. This is achieved by providing

different system views to the user. These views enable the user

to properly organise and visualise models by allowing the clear

arrangement of relevant system sub-aspects and blanking out the

irrelevant parts. The resulting system views are currently being

integrated into the CDT software tool at Bauhaus Luftfahrt.

72

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Aircraft

Hydraulic system

Aerodynamics

Span

Wetted

area

Air foil

Wing

Rudder

Rudder actuator

Flap actuator

Flap

Aircraft

Wing

Rudder

Rudder actuator

Flap actuator

Spoiler actuator

Span

Wetted

area

Air foil

Aircraft

Wing

Rudder

Aileron

Flap

Spoiler

Tank

Spoiler actuator

Rudder hydraulic pipe

Rudder hydraulic pipe

Anwendung der Systemsichten: Die Komplexität eines parametrisierten

Flugzeugmodells wird durch die Filterung anhand spezieller Charakteristika

reduziert.

Applying systematic views: A parameterised aircraft model is reduced in its

complexity by filtering for specified characteristics.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 73


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Wege der Zusammenarbeit

im Flugzeugentwurf

Ways of collaboration in

aircraft design

Die enge Kooperation zwischen Herstellern und Zulieferern in der

heutigen Luftfahrtindustrie erfordert einen umfassenden Austausch

von Information über die Grenzen von Entwicklungsteams

und auch Organisationen hinweg. So wird Kollaboration in ihren

verschiedenen Formen zu einem zentralen Begriff im Rahmen des

Wissensmanagements in der Luftfahrt.

Im kollaborativen Flugzeugentwurf entstehen parallel unterschiedliche

Entwurfsmodelle, die verschiedene Sichten der einzelnen

Teams auf ein Gesamtentwurfsziel repräsentieren. Deren

konsistente Zusammenführung zu einem Gesamtsystemmodell

erfordert meist einen großen Anteil von Hintergrundwissen über

Bedeutungen und Zusammenhänge. Das Bauhaus Luftfahrt entwickelt

daher sogenannte „Ontologien“. Dieser Begriff bezeichnet

strukturierte Darstellungen von Bedeutungen und Abhängigkeiten

zwischen Begriffen. Im Kontext des Flugzeugentwurfs dienen sie

dazu, unterschiedliches Hintergrundwissen über Entwürfe und

Prozesse maschinell verwertbar zu machen, indem sie helfen, unterschiedliche

Terminologien und Konzeptstrukturen systematisch

aufeinander abzubilden.

Die Kollaboration in der Luftfahrtforschung wird durch die

Verwendung von kommerziellen Werkzeugen erschwert, welche

die Transparenz der Abläufe und den Austausch von Information

begrenzen. Vor allem in Forschung und Entwicklung lassen sich

aktuelle Softwareentwicklungen daher besser durch eine offene

organisationsübergreifende Zusammenarbeit lösen. Um diese zu

fördern beschäftigt sich das Bauhaus Luftfahrt besonders mit Konzepten

von Open-Source-Software. Wichtiger als der Kostenaspekt

sind dabei die bessere Transparenz und die einfachere Verbreitung

dieser Art von Programmen

The close cooperation between aircraft manufacturers and suppliers

in today’s aeronautics industry requires an extensive exchange

of information across development teams and even organisational

boundaries. Hence, collaboration in its different forms is becoming

one of the central concepts of aviation knowledge management.

When aircraft are designed in a collaborative manner, different

design models are generated in parallel so that each represents

the view of a single team on the overall design goal. Merging

these individual models into an overall system model usually requires

a considerable amount of background knowledge regarding

the concepts and relationships used. So-called “ontologies” represent

structured descriptions of concepts and their interdependencies.

These help to make such implicit knowledge of designs and

processes explicit. They do so by aiding in the systematic mapping

of terminologies and conceptual structures.

Collaboration in aeronautical research is often hampered by

the use of commercial software tools, which limit the transparency

of operational sequences and the exchangeability of information.

Especially when research and development are considered, current

software development tasks are accomplished more easily by

means of open inter-organisational cooperation. To assist in their

establishment Bauhaus Luftfahrt is intensively investigating concepts

of open-source software. Far more important than any cost

reduction effect are increased transparency and widespread distribution

of information through this software paradigm.

74

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Reasoner

Similarity finder

Ontology O i

Recommendations

to user

Ontology O R

Translator

Domain expert

Model M i

Equivalence

relationships

to O R

Additional

standardised

concepts

Darstellung des ontologiebasierten Modellentwurfsprozesses: Der Flugzeugkonstrukteur

bezieht sein selbstgemachtes Entwurfsmodell auf eine sogenannte

Referenzontologie, wobei er auf Empfehlungen eines Integrationswerkzeugs

zurückgreifen kann.

Visualisation of the ontology-based modelling process: The aircraft designer

references his own design model to a so-called ontology, a process supported

by recommendations of an integration tool.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 75


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Alternative Kraftstoffe:

Methoden zur objektiven

Priorisierung und Bewertung

Alternative fuels: Objective

methods for assessment and

prioritisation

Um trotz der Verknappung fossiler Ressourcen und der Notwendigkeit

des Klimaschutzes den weltweit wachsenden Mobilitätsbedarf

nachhaltig zu bedienen, braucht die Luftfahrt alternative

Kraftstoffe. Hierzu wird eine stetig wachsende Zahl von Technologien

zur Rohstoffproduktion und -konversion entwickelt. Diese

zunehmende technologische Vielfalt erfordert ein allgemein anwendbares

Bewertungsverfahren, das eine weitestgehend objektive

und transparente Priorisierung der unterschiedlichen Kraftstoffalternativen

erlaubt.

Ein solches Bewertungsschema wurde am Bauhaus Luftfahrt

auf Basis einer gewichteten Entscheidungsmatrix entwickelt. Die

Liste der Kriterien umfasst technische, ökonomische sowie ökologische

Aspekte, wie etwa die Rohstoffverfügbarkeit oder Treibhausgasemissionen

über den gesamten Lebenszyklus eines Kraftstoffs.

Abhängig von den Randbedingungen werden die Kriterien

der Bewertung individuell gewichtet.

Zur weiteren Entwicklung des Bewertungsschemas wurde

eine Umfrage durchgeführt, die ein Bild von der Gewichtung der

einzelnen Kriterien aus Sicht von Interessenvertretern aus den

Bereichen Forschung, Luftfahrtindustrie und Kraftstoffproduktion

vermittelt. Die Umfrageergebnisse zeigen unter anderem, dass im

Hinblick auf eine Implementierung bis 2020 vor allem technische

Aspekte als wichtig erachtet werden. Dagegen werden in Bezug

auf einen Einsatz bis 2050 vor allem Kriterien der Nachhaltigkeit,

wie Emissionen und Wasserverbrauch, höher gewichtet.

Das Bewertungsschema wird am Bauhaus Luftfahrt kontinuierlich

weiterentwickelt und zur Anwendung gebracht. Dazu

gehört auch der Aufbau eines Informationskompendiums zu den

vielfältigen Produktionspfaden.

In the context of depleting fossil resources and the necessity to

reduce its climate impact, aviation considers alternative fuels an

important measure to meet the globally growing mobility demand

in a sustainable way. Consequently, a large number of technologies

for feedstock production and conversion are currently under

development. The growing technological variety creates a need for

generally applicable metrics that allow the objective and transparent

assessment and prioritisation of different fuel options.

Bauhaus Luftfahrt has developed such an assessment

scheme, based on the principle of a weighted decision matrix. The

list of criteria includes technical, economic and ecological aspects,

for instance feedstock availability, production costs and life-cycle

greenhouse gas emissions. Specific weighting factors are assigned

to each of the criteria according to the boundary conditions of the

assessment.

As part of its effort to improve the assessment scheme, Bauhaus

Luftfahrt further conducted a survey to develop a picture of

the weight of the individual criteria from the viewpoint of a number

of stakeholders from all over the aviation sector, for example

from science, the aviation industry and fuel-producing companies.

The survey’s results show that with respect to an implementation

by 2020, aspects of technical compatibility are considered most

important. In contrast, when the focus moves towards application

by 2050, the highest weights shift to criteria focused on sustainability,

for example emissions and water consumption.

The assessment scheme is subject to continuous development

and application at Bauhaus Luftfahrt. The build-up of a comprehensive

compendium of the rapidly broadening field of fuel production

pathways represents an important part of this work.

76

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Starch-containing

Biomass

Cellulosic Biomass

HO

O HO

OH O

O

HO

HO OH

O HO

O

O

HO

HO OH OH

Polymeric Glucose

(Cellulose and Starch)

OH

OH

O

OH

Gasification / Fischer-Tropsch synthesis

Enzymatic or chemical cleavage

HO

HO

OH

O

H

OH OH

Paraffines (Alkanes)

Glucose

Fermentation

Sugar-containing

Biomass

Oilseeds

Synthetic Kerosene

OH

Dehydratisation /

HO O

O

Fermentation

Polymerisation

OH O

OH

OH

OH

HO

HO HO

Alcohols

Saccharose

( ) O

O n O

O

O

Hydroprocessing (HEFA)

O

( ) m

( ) l

Oils and fat

(Triglycerides)

Beispiele von Prozesswegen zur Produktion synthetischen Kerosins aus Biomasse: Die Umsetzung des Rohstoffs erfolgt oft in mehreren fermentativen und/oder

chemischen Schritten. Trotz der teils sehr verschiedenen Rohstoffe führen die Prozesswege zu einem Produkt, nämlich zu synthetischem Kerosin.

Examples of process pathways for the production of synthetic kerosene from biomass: Feedstock conversion is carried out through multiple fermentative and/or

chemical steps. Despite the different feedstocks and processes, the pathways result in the same product: synthetic kerosene.

Criteria

Suitability

Sustainability

Scalability

Fuel readiness level

Technical compatibility

Greenhouse gas emissions

Local air quality

Demand for fresh water

Nutrient demand

Demand for pesticides

Geographical distribution of resources

Production costs

Substitution potential

Total reserves left

2020 2050

Relative

weight

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Die expertenbasierte Gewichtung der Bewertungskriterien:

Die Befragung zeigte eine

signifikante Verschiebung der Prioritäten von

der kurzfristigen Implementierung bis 2020, wo

vor allem die technischen Aspekte als wichtig

erachtet werden, hin zu denen des langfristigen

Einsatzes bis beispielsweise 2050, wo vor allem

Kriterien der Nachhaltigkeit, wie Emissionen

und Wasserverbrauch, höher gewichtet werden.

The expert-based weighting of the assessment

criteria: The survey showed a significant

shift of priorities from the short-term view by

2020, where aspects of technical compatibility

are considered most important, towards longterm

applications, for example for the year 2050,

with a higher weight of sustainability criteria

like emissions and water consumption.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 77


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Methoden und Überlegungen

für den Konzeptentwurf vollelektrischer

Luftfahrzeuge

Methods and system design

considerations for full-electric

aircraft

Das Bauhaus Luftfahrt betreibt verstärkt Forschung an vollelektrischen

und damit lokal emissionsfreien Luftfahrzeugkonzepten. Dabei

führen die Wissenschaftler Machbarkeitsstudien zu verschiedenen

Technologien wie neuartigen Antriebssystemen und ihrer

Versorgung aus elektrischen Energiequellen durch, beispielsweise

basierend auf Brennstoffzellen- und neuen Batterie-Entwicklungen.

Diese theoretischen Betrachtungen werden anhand von

physikalischen Eigenschaften und Grenzen sowie experimentellen

Daten entwickelt. Um eine hohe Genauigkeit und zuverlässige

Analysen während des Konzeptentwurfs sicherzustellen, werden

aus der Theorie semiempirische Methoden abgeleitet. Diese erlauben

es den Wissenschaftlern, nichtlineare Abhängigkeiten der

an Bord gespeicherten Energie bei einem bestimmten benötigten

Leistungsbedarf zu modellieren.

Die Arbeiten legen ein besonderes Augenmerk auf die ganzheitliche

Integration der erwähnten Komponenten in die Flugzeug-

Systemarchitektur. Ist Letztere vollkommen elektrisch ausgelegt,

kann sie in ein Hochleistungs-Antriebssystem und Mittelleistungs-

Subsysteme unterteilt werden. Innerhalb dieser beiden Systeme

werden die Komponenten in drei verschiedene Gruppen unterteilt:

„vitale“, „essentielle“ und „nichtessentielle“ Systeme. Diese Designphilosophie

erlaubt eine optimale Nutzung der elektrischen

Energie durch den Transfer von einem System in ein anderes. Deren

Anordnung und Aufbau können somit auch in Bezug auf die

Flugleistung untersucht werden, wodurch sich eine Schnittstelle

mit weiteren Forschungsaktivitäten am Bauhaus Luftfahrt ergibt.

Bauhaus Luftfahrt actively embraces the research of full-electric

and zero-emission aircraft concepts. Ongoing research involves

feasibility studies of different technologies concerning the usage

of novel propulsion systems, transmission and energy sources

based on emerging fuel cell and battery technologies. Theoretical

approaches are tuned according to the investigation of physical behaviours,

recommended system limitations and experimental data.

In order to enhance and ensure confidence in analysis performed

during the conceptual design phase, semi-empirical methods are

derived. These allow researchers to model non-linear dependencies

associated with the energy stored on-board; for instance total

battery capacity for a specific power demand.

Research also focuses on the integration of the above-mentioned

components in terms of the entire aircraft system architecture.

The systems on board a full-electric aircraft can be classified

as a high-power propulsion system and medium-power subsystems.

Components included in these groups are further deducted

as “vital”, “essential” and “non-essential” systems. This distinction

is part of a design philosophy that leads to more efficient onboard

power management and usage of the electrical energy by transferring

it from one system to another. Novel layouts and concept designs

of the latter can hence be investigated in relation to aircraft

performance, allowing for synergies with other research activities

carried out at Bauhaus Luftfahrt.

78

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

De-icing

Aileron

actuators

De-icing

Elevator

actuators

De-icing

HTS

Avionics

Landing

gear

Lights

Thermal

management

Fire

extinguisher

ECS

Cabin

PMAD

Motor

controller

Motor

controller

Rudder

actuators

De-Icing

Aileron

actuators

De-icing

Elevator

actuators

De-icing

HTS

3000 VDC 540 VDC 28 VDC Non-essential

Essential

Vital

Batteries

PMAD = Power management and distribution HTS = High temperature superconducting motor ECS = Environmental control system

Beispiel für den Aufbau von Systemarchitekturen: Die Systeme eines unkonventionellen, vollelektrisch angetriebenen Flugzeugkonzepts werden in Bezug auf

Redundanz und optimale Flugleistung angeordnet und positioniert.

Exemplary architecture: Systems of all-electric unconventional aircraft concepts are allocated and positioned in regard to redundancy and optimal flight performance.

Ohmic

resistance

4.2

4

3.8

3.6

3.4

3.2

3

2.8

V(95%) Linear model

Solid phase diffusion

V(20%)

0 0.05 0.4 0.15 0.2 0.25 0.3

Methodology

Losses

Entwicklung semiempirischer Methoden: Von

physikalischen Grenzen und experimentellen

Daten leitet das Bauhaus Luftfahrt effektive Methoden

für den Konzeptentwurf von elektrischen

Systemarchitekturen ab.

Developing semi-empirical methods: Based

on physical limits and experimental data, Bauhaus

Luftfahrt derives methods of high accuracy

for the conceptual design of electric aircraft system

architectures.

+


R i

M

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 79


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Methoden zur Untersuchung

neuartiger Kreisprozesse für

Gasturbinen

Assessment methods for

novel gas turbine engine

cycles

Mit Ausnahme von Lärm entstehen fast alle Emissionen während

des Fluges im Antriebssystem eines Flugzeuges. Stand in

den Anfängen der Luftfahrt noch die Steigerung der spezifischen

Leistung, also der Antriebsleistung pro Gewichtseinheit, im Mittelpunkt

der Forschung und Entwicklung, so rückt heutzutage die

Anforderung zur Reduktion von Emissionen immer stärker in den

Vordergrund. Dabei untersucht das Bauhaus Luftfahrt neben hybriden

oder vollelektrischen Antriebsarchitekturen auch neuartige

Kreisprozesse für Gasturbinen.

Letztere sind sowohl in ihrer verfügbaren spezifischen Leistung

als auch in der Menge der Emissionen abhängig von der Gesamteffizienz

der zugrundeliegenden Kreisprozesse. Diese ergibt

sich wiederum aus der Fähigkeit einer Verbrennungskraftmaschine,

die im Kraftstoff enthaltende Energie in Nutzarbeit umzusetzen,

die sogenannte thermische Effizienz, als auch diese Arbeit in Form

von Schubkraft bereitzustellen, die sogenannte Vortriebseffizienz.

Letztere wird heutzutage hauptsächlich durch zwei Technologien

zur Schuberzeugung bestimmt: ummantelte „Fans“ und

offene Propeller. Trotz deren unterschiedlicher Charakteristika erzielen

moderne Anwendungen bis zu 90 Prozent des theoretischen

Effizienzmaximums.

Die thermische Effizienz ist grundsätzlich abhängig von dem

Arbeitsprinzip der zugrunde liegenden Maschine, beispielsweise

dem Joule/Brayton-, Humphrey-, Otto- oder Dieselprozess. Moderne

Maschinen erreichen in etwa 60 Prozent des theoretischen

Effizienzmaximums, des sogenannten Carnot-Vergleichsprozesses.

Untersuchungen am Bauhaus Luftfahrt haben gezeigt, dass

beispielsweise gekoppelte und hybride Kreisprozesse eine weitere

Steigerung der thermischen Effizienz bewirken können. Die

Erforschung und Umsetzung solcher Kreisprozesse in neuartige

Antriebskonzepte ist daher ein elementarer Bestandteil der multidisziplinären

Antriebssystemanalyse am Bauhaus Luftfahrt.

With the exception of noise, the bulk of aircraft in-flight emissions

arise from the propulsion system. In the early days of aviation, the

goal was to increase available power per unit weight – the socalled

specific power. This aim dominated research and development,

but today the reduction of emissions has become an increasingly

important requirement. In this aim, Bauhaus Luftfahrt is not

only assessing hybrid or full-electric propulsion architectures for

future airliners, but also novel engine cycles for combustion engines.

In every combustion engine, both the specific power and

emissions production depend on the overall efficiency of the underlying

cycle. The latter is determined as a product of the system

capability to convert fuel energy into usable mechanical work, the

so-called thermal efficiency, and to transform the mechanical work

into thrust, referred to as propulsive efficiency.

To achieve the latter, two types of propulsive devices are

mainly used in modern aircraft: ducted fans and unducted propellers.

Despite the differing characteristics between the two, the efficiency

of these devices achieves up to 90 percent of their respective

theoretical maxima.

The thermal efficiency in general depends on the working

principle of the underlying machine, for example Joule/Brayton,

Humphrey, Otto or Diesel cycle. It should be noted that modern engines

achieve only about 60 percent of their theoretical optimum,

the so-called Carnot cycle.

Research at Bauhaus Luftfahrt has indicated that, for instance,

commingled and hybrid cycles offer great potential for

improvements in thermal efficiency. The development and implementation

of such cycles into novel propulsion concepts is hence a

fundamental part of the multidisciplinary analysis of motive power

systems at Bauhaus Luftfahrt.

80

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Thermal efficiency (-)

Joule cycle

0.60

0.50

0.40

0.30

Thermal efficiency (-)

Otto cycle

0.60

0.50

0.40

0.30

Vergleich von vier verschiedenen Arbeitsprinzipien

für Verbrennungsmaschinen: Das

Bauhaus Luftfahrt analysiert eine Vielzahl dieser

Prozesse in Bezug auf ihr Potenzial für zukünftige

Verbesserungen der thermischen Effizienz.

Comparison of four different working principles

for combustion machines: Bauhaus

Luftfahrt analyses numerous processes in order

to identify their potential for future improvements

in thermal efficiency.

0.20

0.20

0.10

0

200 400 600 800

0.10

0

200 400 600 800

Specific usable work (kJ/kg)

Specific usable work (kJ/kg)

Diesel cycle

Humphrey cycle

Thermal efficiency (-)

0.60

0.50

Thermal efficiency (-)

0.60

0.50

0.40

0.40

0.30

0.30

0.20

0.20

0.10

0

200 400 600 800

0.10

0

200 400 600 800

Specific usable work (kJ/kg)

Specific usable work (kJ/kg)

Comparison point @ pressure ratio = 50, combustion temperature = 1600 K

Temperatures 1400 K 1600 K 1800 K 2000 K

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 81


82

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 83


Munich Aerospace: Gründungsphase abgeschlossen

Munich Aerospace: Start-up phase completed

Nach der Gründung von Munich Aerospace

e.V. im Juli 2010 unter aktiver

Beteiligung des Bauhaus Luftfahrt hat

die Fakultät für Luft- und Raumfahrt

im Jahr 2011 ihren operativen

Geschäftsbetrieb aufgenommen.

Dazu wurden die grundlegenden Kooperationsverträge zwischen

den Partnern von Munich Aerospace im Bereich Forschung, Stipendien

und Lehre aufgesetzt und unterzeichnet.

Da für den Erfolg von Munich Aerospace in erster Linie der

Bekanntheitsgrad im Kreis der Wissenschaftler entscheidend ist,

wurde bereits im ersten Quartal 2011 eine eigene Internetpräsenz

in deutscher und englischer Sprache entwickelt. Ebenfalls speziell

für die wissenschaftliche Zielgruppe fanden Informationsveranstaltungen

statt, bei denen vermittelt wurde, wie Forschungsanträge

bei Munich Aerospace gestellt werden können. Dies zahlte sich

aus: In einer ersten Runde wurden zunächst vier Forschergruppen

auf Empfehlung des wissenschaftlichen Beirats durch den Vorstand

von Munich Aerospace genehmigt. Mit der Bewilligung des

Förderantrags im Rahmen der HGF-Allianz DLR@Uni haben sich

vier weitere Forschergruppen etabliert. Das gesamte Projektbudget

für Munich Aerospace in den kommenden fünf Jahren umfasst

acht Millionen Euro. Projektbeginn war am 1. Januar 2012.

Im Bereich der Lehre konnte zum Wintersemester 2011/2012

ein durchgängiges Lehr- und Prüfungsangebot mit der TU München

und der Universität der Bundeswehr München gestartet

werden. Dabei wurde ESPACE, ein Masterstudiengang an der

Schnittstelle zwischen Raumfahrttechnologie und ingenieurwissenschaftlicher

Nutzung von Satelliteninformationen, als erster

Studiengang in Munich Aerospace integriert.

Mit der konstituierenden Sitzung des Kuratoriums am 3. November

ist die Gründungsphase von Munich Aerospace nunmehr

abgeschlossen. Derzeit werden die ersten Stipendien an junge

Wissenschaftler vergeben.

Following the foundation of Munich

Aerospace e.V. in July 2010, in which

Bauhaus Luftfahrt actively took

part, the joint faculty for aerospace

commenced its business operations

in the year 2011.

For this purpose, the underlying cooperation agreements for research,

scholarships and education were signed between the various

partners of Munich Aerospace.

As the success of Munich Aerospace is strongly dependent

on its widespread recognition among researchers, a dedicated

website in German and English was set up in the first quarter of

2011. Also strictly focusing on a scientific target audience, special

informative events were organised, for example to explain the application

process for research projects within Munich Aerospace.

This active approach paid off: based on recommendations of the

Scientific Advisory Board, four different research groups were approved

by the Executive Board in the first instance. Following the

grant of support in line with the project DLR@Uni by the Helmholtz

Association, a further four research groups could be established.

The entire budget for research under the cover of Munich Aerospace

sums up to eight million euros over five years. The official

starting date was 1 January 2012.

In the field of academic education, an integrated study and

examination programme was launched in cooperation with Technische

Universität München and Universität der Bundeswehr

München in the winter semester 2011/2012. Thereby ESPACE, a

master’s program positioned between space technology and the

utilisation of satellite data for engineering applications, was set up

as the first graduate school programme within Munich Aerospace.

With the constitutive session of the Board of Trustees on

3 November the start-up phase of Munich Aerospace was finally

completed. At the moment, the first scholarships are being awarded

to young researchers.

84

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Horst Rauck, gewählter Vorsitzender des Kuratoriums,

bei der Entgegennahme der Glückwünsche

von Dr. Anita Linseisen, geschäftsführender

Vorstand von Munich Aerospace.

Horst Rauck, elected Chairman of the Board

of Trustees, receives the congratulations of Dr.

Anita Linseisen, Managing Director of Munich

Aerospace.

Mitglieder des Kuratoriums zusammen mit dem Vorstand von Munich Aerospace: Gruppenfoto nach der konstituierenden Kuratoriumssitzung am 3. November.

Members of the Board of Trustees together with members of the Executive Board: Group photo following the constitutive session on 3 November.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 85


“Aviation Initiative for Renewable Energy

in Germany e.V.” – aireg

Die Implementierung alternativer

Kraftstoffe in der Luftfahrt erfordert die

Zusammenarbeit verschiedener Interessenvertreter,

wie Airlines, Flughafenbetreiber,

Kraftstoff- und Biomasseproduzenten

sowie Forschungsinstitute.

Implementing alternative fuels in

aviation requires the collaboration

of numerous key stakeholders like

airlines, airports, fuel and biomass

producers as well as research

institutes.

Weltweit haben sich in jüngster Zeit zahlreiche nationale Initiativen

gebildet, um die Bemühungen dieser Einrichtungen zu bündeln.

Der Vorreiter in diesem Bereich ist die 2006 gegründete USamerikanische

„Commercial Aviation Alternative Fuels Initiative“

(CAAFI). Nach dem Vorbild von CAAFI wurde in Deutschland 2011

die „Aviation Initiative for Renewable Energy in Germany e.V.“,

(aireg), ins Leben gerufen mit dem Ziel die Entwicklung, Demonstration

und Bewertung alternativer Kraftstoffoptionen auf zunächst

nationaler Ebene voranzutreiben und Informationen rund um das

Thema alternative Kraftstoffe für die Luftfahrt bereitzustellen.

Mit der Gründung von aireg, an der das Bauhaus Luftfahrt

aktiv beteiligt war, vereinigen neben Vertretern der Luftfahrtindustrie,

wie EADS Deutschland und Lufthansa, zahlreiche Institutionen

ihre Expertise, um alle Bereiche der Wertschöpfungskette von

der Biomasse bis zum Tank weiterzuentwickeln. Bauhaus Luftfahrt

ist in allen fünf Arbeitskreisen zu den Themen „Rohstofferzeugung“,

„Rohstoffverarbeitung“, „Kraftstoffnutzung“, „Qualität und

Zulassung“ sowie „Nachhaltigkeit“ vertreten und hat im Letztgenannten

die Rolle des Koordinators übernommen.

Ein wichtiger Aspekt der Arbeiten von aireg ist die enge

Partnerschaft mit CAAFI. Das Bauhaus Luftfahrt unterstützt den

aktiven Dialog auf Basis einer langjährigen Kooperation mit der

amerikanischen Initiative.

To this end, national initiatives have been founded in many countries

in recent years, similar to the role model of the “Commercial

Aviation Alternative Fuels Initiative” (CAAFI), founded in the USA

in 2006. Along the lines of CAAFI, the “Aviation Initiative for Renewable

Energy in Germany e.V.“ (aireg) was founded in 2011. It

aims at promoting the development, demonstration and assessment

of alternative fuel options for aviation, at first on a national

level. A further goal is to actively provide the public with related

information.

Bauhaus Luftfahrt played a key role in the foundation of

aireg. In cooperation with other founding members, like EADS and

Lufthansa, a broad range of institutions pool their expertise and

forces for further developments along the entire value chain from

crop to tank. Bauhaus Luftfahrt is member of all five aireg working

groups; “Feedstock Production”, “Feedstock Conversion”, “Fuel

Utilisation”, “Quality and Certification” and finally “Sustainability”,

where it has taken the coordinating role.

Cooperating closely with CAAFI is a key aspect of aireg’s

activities. Based on its long-standing cooperation with the American

initiative, Bauhaus Luftfahrt actively supports this regular

dialogue.

86

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Provision of

feedstock

Technologies of

fuel production

Fuel

utilisation

Quality and

certification

Sustainability

Übersicht der Arbeitskreise der Initiative

aireg e.V.: Das Bauhaus Luftfahrt ist in allen

Arbeitskreisen vertreten und nimmt zudem im

Arbeitskreis „Nachhaltigkeit“ die Rolle des Koordinators

ein.

Overview of the working groups of aireg:

Bauhaus Luftfahrt is actively engaged in all five

groups and is moreover acting as coordinator in

the working group “Sustainability”.

Five working groups cover the core areas from crop to tank

Prof. Dr. Mirko Hornung auf der Gründungsveranstaltung von aireg im Juni 2011 in Berlin: Das Bauhaus Luftfahrt ist eines von 20 Gründungsmitgliedern der Initiative.

Prof. Dr. Mirko Hornung at the foundation meeting of aireg in June 2011 in Berlin: Bauhaus Luftfahrt is one of the initiative’s 20 founding members.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 87


Zahlen und Fakten

Facts and figures

88

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 89


Finanzen

Financial figures

Das Bauhaus Luftfahrt hat sich im Jahr 2011 aus finanzieller und

personeller Sicht stabil entwickelt. Die Zuschüsse des Freistaates

Bayern und die Beiträge der Mitglieder sind wie geplant konstant

geblieben. Während die Erträge aus EU- und bundesgeförderten

Projekten bei rund 340.000 Euro lagen und damit leicht rückläufig

waren, stiegen die Erträge aus Aufträgen und Kooperationen mit

den Industriepartnern auf rund 1,44 Mio. Euro an. Für das Jahr

2012 plant das Bauhaus Luftfahrt mit einer weiteren Zunahme

bei den Drittmitteleinnahmen aus Kooperations- und Verbundforschungsprojekten

auf insgesamt etwa 1,8 Mio. Euro.

In the year 2011, with regard to the financial sector as well as to

human resources, Bauhaus Luftfahrt saw a stabilisation of its positive

development. As planned, the grants from the Free State of

Bavaria and the financial contributions of the members were kept

constant. While the earnings of projects promoted by the EU and

the German Federation slightly dropped to 340.000 euros, earnings

from cooperation with industry in the research sector increased to

around 1.44 m euros. For 2012 Bauhaus Luftfahrt is planning with

another progression of third-party funds from cooperations and integrated

research projects to around 1.8 m euros.

Finanzmittel / Funds

5.000.000

Euros

4.000.000

3.000.000

2009

2010

2011

2.000.000

Forschungsaufträge

Research contracts (€)

669.000

1.401.705

1.436.420

Bund / EU

Federal / European funds (€)

261.403

508.254

338.202

1.000.000

Mitgliedsbeiträge

Membership fees (€)

750.600

750.600

750.600

Zuschüsse Freistaat Bayern

Grants from the Free State of Bavaria (€)

1.500.000

1.500.000

1.500.000

2009 2010 2011

90

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Personal

Personnel

Die positive finanzielle Entwicklung der vergangenen Jahre ermöglichte

es dem Bauhaus Luftfahrt, auch im Jahr 2011 gezielt

in hochqualifiziertes wissenschaftliches Personal zu investieren.

So konnten im Jahresverlauf wie geplant weitere neun wissenschaftliche

Mitarbeiter für das Bauhaus Luftfahrt gewonnen und

damit der Bestand an wissenschaftlichem Personal auf 32 erhöht

werden. Der Personalaufbau ist schwerpunktmäßig in den Teams

„Visionäre Flugzeugkonzepte“ sowie „Zukunftstechnologien, Innovationspotenziale

und ökologische Perspektiven“ erfolgt. Das

Bauhaus Luftfahrt konnte dadurch seine Kompetenzen auf den

Gebieten neuer Technologien, des Flugzeugentwurfs und der Systemauslegung

weiter verstärken. Der Anteil der Wissenschaftlerinnen

blieb mit rund 19 Prozent stabil. In Abhängigkeit von der finanziellen

Entwicklung des Bauhaus Luftfahrt sollen im Jahr 2012

selektiv Nachwuchskräfte gewonnen werden.

The positive financial development of recent years allowed Bauhaus

Luftfahrt in 2011 to invest systematically in highly qualified

academic employees. Hence another nine researchers could be

recruited, taking the overall scientific workforce to 32. The personnel

ramp-up mainly took place in the fields of “Visionary Aircraft

Concepts” as well as “Future Technologies, Innovation, Alternative

Energy and Ecology of Aviation”, helping Bauhaus Luftfahrt to

further expand its competences in the fields of new technologies

as well as aircraft and system design. The percentage of female

scientists remained stable at roundabout 19 percent. Depending

on the funding situation, Bauhaus Luftfahrt is planning to selectively

acquire additional researchers in 2012.

Mitarbeiter (am Jahresende) / Employees (year end)

2009 2010 2011

Vorstand

Executives 2 2 2

Verwaltung

Administration 5 4 9

Wissenschaftler

Scientists 23 23 32

Studenten

Students 5 13 10

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 91


Wissenschaftliche Veröffentlichungen / Patente

Scientific publications / Patents

Zeitschriftenaufsätze / Journal articles

2011

01.2011 The Aeronautical Journal / Vol. 115, No. 1163

A Conceptual Design Methodology for Acoustic Fatigue Mitigation

R. M. Ajaj, G. Allegri, A. T. Isikveren

05.2011 AIAA Journal of Guidance, Control, and Dynamics / Vol. 34, No. 3

Analysis of Flexible Aircraft Dynamics Using Bifurcation Methods

N. Baghdadi, M. H. Lowenberg, A. T. Isikveren

06.2011 The Aeronautical Journal / Vol. 115, No. 1168

Emission Comparison Of Turbofan And Open Rotor Engines Under Special Consideration Of Aircraft

And Mission Design Aspects

A. Seitz, S. Donnerhack, D. Schmitt

10.2011 Progress in Aerospace Sciences / Vol. 47

Analysis of Conventional and Asymmetric Aircraft Configurations using CEASIOM

T. S. Richardson, C. McFarlane, A. T. Isikveren, K. Badcock, A. Da Ronch

Analysis of the Boeing 747-100 using CEASIOM

T. S. Richardson, C. S. Beaverstock, A. T. Isikveren, A. Maheri, K. Badcock, A. Da Ronch

10.2011 Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science

Design of a Single DOF Kinematic Chain Using Hybrid GA-Pattern Search and Sequential GA

A. Maheri, A. T. Isikveren

Konferenzbeiträge / Conference papers

2011

03.2011 IEEE Aeronautics 2011 / Big Sky

A Conceptual Design Tool for Multi-Disciplinary Aircraft Design

S. Ziemer, M. Glas, G. Stenz

04.2011 7th AIAA Multidisciplinary Design Optimization Specialist Conference / Denver

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

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

Roll Control of a UAV using an Adaptive Torsion Structure

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

04.2011 19th AIAA/ASME/AHS Adaptive Structures Conference / Denver

Conceptual Modeling of an Adaptive Torsion Wing Structure

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

05.2011 Software & Systems Engineering Essentials / Frankfurt

Some observations from an OSS project for a conceptional aircraft design tool

S. Ziemer

06.2011 International Conference of the European Society for Ecological Economics / Istanbul

Biofuels, Food Prices and the Carbon Cycle – Cleaning up with a Dirty Rag?

A. Kuhlmann, C. Stoeckle

92

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


06.2011 Air Transport Research Society World Conference / Sydney

Sensitivity Analysis for a Future-Oriented Optimization of Airport Security

M. Cole, M. Maurer

Identification of Key Aircraft Parameters Related to Airport Charge Quantification

K. O. Plötner, P. Wesseler, P. Phleps

Air Transport Development in a Volatile Market Environment – A scenario-based approach

O. Schwetje, A. Becker, P. Phleps

09.2011 Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress / Bremen

Outsourcing Decisions and Product Characteristics Regarding Commercial Aircraft Integrators

A. Kuhlmann, A. Reinhold, A. T. Isikveren, C. Stoeckle

Structured Approach towards Designing Passenger Friendly Airport Terminals

A. Reinhold, A. Hillebrand

Towards Efficient Development Methods for Aircraft System Models

S. Prochnow

Alternative Fuels for Aviation: Progress, Prioritization & Perspectives

S. Naundorf, A. Roth, C. Endres, A. Sizmann

10.2011 3rd International Conference of the European Aerospace Societies / Venice

Ethical Aspects in Airport Security

M. Cole, A. Kuhlmann

Bioenergy in Aviation: The Question of Land Availability, Yields and True Sustainability

F. Riegel, J. Steinsdörfer

Renewable energy perspectives for aviation

H. Kuhn, C. Falter, A. Sizmann

10.2011 41. Jahrestagung der Gesellschaft für Informatik / Berlin

Do They Really Mean It? Assessing Decision Markets Outcomes

F. Bry, S. Leutenmayr, T. Schiebler, F. Brodbeck

10.2011 SAE 2011 AeroTech Congress & Exhibition / Toulouse

Holistic Granular Programming: A Novel Approach for Modeling Aircraft

A. T. Isikveren, S. Ziemer, G. Stenz, M. Hornung

10.2011 Avionics, Fiber-Optics and Photonics Technology Conference 2011 / San Diego

Feasibility of Airborne Large Baseline Antennas

K.-D. F. Büchter, A. Sizmann

10.2011 22nd International Conference on Adaptive Structures and Technologies / Corfu

Performance and Control Optimization using the Adaptive Torsion Wing

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

Dynamic Modelling of an Adaptive Torsion Wing

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

12.2011 13th International Conference on Information Integration and

Web-based Applications & Services / Ho-Chi-Minh City

Liquid Decision Making: An Exploratory Study

F. Bry, S. Leutenmayr

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 93


Wissenschaftliche Veröffentlichungen / Patente

Scientific publications / Patents

Studienarbeiten / Diploma or bachelor theses and term papers

Visionäre

Flugzeugkonzepte /

Visionary Aircraft

Concepts

> Diplomarbeit / Diploma thesis

Comprehensive Assessment of Aerodynamic Technologies at the Aircraft System Level

W. Salhi / 04.2011

> Semesterarbeit / Term paper

Anwendung und Bewertung des Softwaretools CEASIOM

G. Herdt / 04.2011

> Diplomarbeit / Diploma thesis

Comprehensive Assessment of Structure Technologies at the Aircraft System Level

B. Lalanne / 05.2011

> Diplomarbeit / Diploma thesis

Conceptual Design of an All-Electric Regional Aircraft powered by Battery

P. Vratny / 09.2011

> Diplomarbeit / Diploma thesis

Conceptual Design of a Fuel Cell Powered All-Electric Regional Aircraft

G. Gradwohl / 09.2011

> Diplomarbeit / Diploma thesis

Determination of aircraft life-cycle cost during conceptual design phase

P. Wesseler / 10.2011

> Bachelorarbeit / Bachelor thesis

Entwicklung einer standardisierten Schnittstelle zur parametrischen Visualisierung neuer

Flugantriebskonzepte

N. Busch / 12.2011

94

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 A1

> Deutsches Patent- und Markenamt, München

> „Flugzeugantriebssystem“

> Erfinder / Inventor: A. Seitz

Status: Erteilungsbeschluss vom 5. Oktober 2010

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 95


Medien / Vorträge

Media / Lectures

Medienberichterstattung / Media coverage

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Pressemitteilungen des Bauhaus Luftfahrt

Press releases issued by Bauhaus Luftfahrt

Medienberichte über das Bauhaus Luftfahrt

Media reports on Bauhaus Luftfahrt

2009

2010

2011

Printmedien

Print media

0 5 10 15 20 25 30

Online-Medien

Online media

Audiovisuelle Medien

Audiovisual media

2009

2010

2011

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

National

0 3 6 9 12 14

International

2009

2010

2011

96

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 97


98

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Impressum

Imprint

Bauhaus Luftfahrt

Jahrbuch 2011

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

EADS Innovation Works

ediundsepp Gestaltungsgesellschaft, München

Andreas Heddergott, München

Martina Kaindl & Hanna Ruck & Peter Frank, München

Kubinska & Hofmann, München

Christiane Trabert, Berlin

Seite 23: Brasil2; Seite 71: lappes, iStockphoto.com

Seite 29: steffne, photocase.de

Seite 60: Alison Bowden, fotolia.de

Gestaltung / Layout

ediundsepp Gestaltungsgesellschaft, München

Lektorat / Lectorate

Beate Warcholik (MCIL) (BDÜ)

BW Translations

Druck / Print

Druckerei Johannes Walch GmbH

Auflage / Circulation

500 Exemplare / 500 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. 99

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