Jahrbuch Bauhaus Luftfahrt 2015

BauhausLuftfahrt

20

JahrbuchYearbook


04

foreword chairman of the board

-

-

Dr. Rainer Martens

Beiratsvorsitzender

Chairman of the Board

Sehr geehrte Damen und Herren

Mein ganz persönlicher Rückblick auf Bauhaus Luftfahrt

im Jahr 2015 ist geprägt vom Abend des 8. Oktober.

An diesem Abend feierten wir das 10-jährige Bestehen

dieser in Europa einzigartigen interdisziplinären Luftfahrt-

Forschungseinrichtung. Die Feierlichkeiten fanden auf

dem Ludwig Bölkow Campus in Ottobrunn bei München

auf dem Gelände der IABG Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft

in Anwesenheit zahlreicher hochrangiger

Vertreter aus Wissenschaft, Politik und Industrie statt.

Ebenfalls unter den Gästen waren die aktiven und ehemaligen

Mitarbeiter von Bauhaus Luftfahrt, denen der

Festredner Dr. Thomas Enders, CEO der Airbus Group und

Mitbegründer von Bauhaus Luftfahrt, nicht nur seinen

besonderen Dank für das Erreichte aussprach, sondern

auch den Gründungsgedanken „die Art zu fliegen neu zu

denken“ noch einmal in Erinnerung rief.

Ganz in diesem Sinne soll Bauhaus Luftfahrt auch

in Zukunft das komplexe System des Luftverkehrs aus

verschiedenen Perspektiven betrachten und als Impulsgeber

für wesentliche Trends und Entwicklungen fungieren.

Ich bin überzeugt, dass sein interdisziplinärer


05

Ansatz und seine hochqualifizierten Mitarbeiter der

Garant für diese aus Sicht von Wissenschaft, Politik und

Industrie so wichtige, visionäre Aufgabe sind.

Der Ludwig Bölkow Campus, auf dem Bauhaus Luftfahrt

seit 2015 ansässig ist und der für die Vernetzung

von Kompetenzträgern aus Industrie, universitärer Wissenschaft

und außeruniversitärer Forschung steht, bietet

eine hervorragende Plattform für ebendiese Aufgabe.

Uns allen bleibt, uns auf die zu erwartenden weiteren

hochklassigen wissenschaftlichen Beiträge, die der

breiten Öffentlichkeit nicht zuletzt auf der ILA Berlin Air

Show 2016 vorgestellt werden, zu freuen.

Im Namen des Beirats danke ich den Mitarbeitern

von Bauhaus Luftfahrt für 10 Jahre aktives Forschen zur

Mobilität der Zukunft und Entwicklung des Luftverkehrs.

Beim Ausgestalten dieses wichtigen Themas wünsche

ich den beiden Vorständen und allen Mitarbeitern auch

in Zukunft viel Erfolg!

Ihr

Dr. Rainer Martens

Dear Ladies and Gentlemen

Looking back at Bauhaus Luftfahrt in the year 2015, the

strongest impression I personally had was influenced by

the evening of October 8th. That night, we celebrated

the 10th anniversary of this unique interdisciplinary

research institution for aviation. The celebrations took

place on Ludwig Boelkow Campus in Ottobrunn near

Munich in the premises of IABG Industrieanlagen-

Betriebsgesellschaft in the attendance of numerous

high-ranking representatives from academia, politics and

industry. Keynote speaker Dr Thomas Enders, CEO of

Airbus Group and co-founder of Bauhaus Luftfahrt,

expressed his sincere thanks for the achievements of the

present and former staff members in attendance, but

reminded them again of the founding spirit “to re-think

the way we fly”.

With this in mind, Bauhaus Luftfahrt will continue to

consider the complex air transport system from multiple

perspectives and to serve as an impulse generator for

fundamental trends and developments. I am totally

convinced that its interdisciplinary approach and highly

qualified staff will guarantee for this, from the viewpoint

of academia, politics and industry so important, visionary

task.

Since 2015, Bauhaus Luftfahrt has been located on

Ludwig Boelkow Campus, which stands for a network of

key players from industry, academia and extra-universitary

research institutions and, thereby, serves as an

excellent platform to fulfil this task. This leaves it to us

to look forward to upcoming further high-class scientific

contributions, which will be presented to broad public,

among others, at ILA Berlin Air Show 2016.

On behalf of the advisory board, I would like to thank

the team of Bauhaus Luftfahrt for 10 years of research

work covering the mobility of the future as much as the

development of air transport. I wish both executive directors

and the staff all the best and success in shaping this

important topic!

Your

Dr Rainer Martens


08 06 mission foreword directors statement

Insa Ottensmann

Vorstand Finanzen und Organisation

Executive Director Finance

and Organisation

Prof. Dr. Mirko Hornung

Vorstand Wissenschaft und Technik

Max Mustermann Executive Director Research

and Technology

Fachbereich

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07

Sehr geehrte Damen und Herren

Dear Ladies and Gentlemen

Kerosin aus Sonnenlicht, Wasser und Kohlenstoffdioxid – was

sich wie Science-Fiction anhört, ist tatsächlich Realität: Unter

dem Namen SOLAR-JET hat ein internationales Konsortium

unter der Leitung von Bauhaus Luftfahrt das erste „solare“

Kerosin, das als Kraftstoff für die Luftfahrt genutzt werden

kann, produziert. Auf der diesjährigen Konferenz der „Aviation

Initiative for Renewable Energy in Germany“ (aireg e. V.) am

Flughafen München wurde Bauhaus Luftfahrt in seiner Funktion

als Projektkoordinator stellvertretend für das SOLAR-JET-

Konsortium für diese Pionierarbeit mit dem 1. aireg-Award

für innovative Technologien im Luftfahrtsektor ausgezeichnet.

In seiner Laudatio hob Staatsminister Dr. Markus Söder die

Bedeutung des Projekts für die bayerische Wirtschaft und die

technologische Entwicklung in der Luftfahrtindustrie besonders

hervor.

Internationale Anerkennung errang Bauhaus Luftfahrt in

2015 auf den Aerodays in London, der europäischen Flaggschiff-

Veranstaltung für Luftfahrtforschung und -innovation. Bauhaus

Luftfahrt konnte sich dort einem weltweiten Fachpublikum

mit seiner Beteiligung an drei europäischen Projektkonsortien

erfolgreich präsentieren.

Großen Nachhall fand im vergangenen Jahr aber vor allem

das im Oktober von Bauhaus Luftfahrt veranstaltete zweite

internationale Symposium zur langfristigen Zukunft der zivilen

Luftfahrt. Am Tagungsort auf dem Ludwig Bölkow Campus in

Ottobrunn bei München trafen mehr als 200 Gäste aus über

15 Nationen zusammen und tauschten sich an anderthalb Tagen

zu Herausforderungen, Entwicklungen und möglichen Lösungen

für den Luftverkehr in den kommenden Jahrzehnten aus. Durch

zahlreiche hochkarätige Fachvorträge und Diskussionsbeiträge

entstand ein lebhafter und intensiver Dialog zwischen Wissenschaft,

Industrie und Politik. Dabei wurde über die Möglichkeiten

disruptiver und radikaler Änderungen im weltweiten

Luftverkehrssystem genauso diskutiert wie über Geschäftsmodelle

der Zukunft, neue technologische Ansätze und Materialien

oder sozioökonomische Herausforderungen.

Das Ihnen vorliegende Jahrbuch beschäftigt sich mit all

den oben genannten und mit weiteren interessanten Themen,

die uns in 2015 bewegt haben. Bei der Lektüre wünschen wir

Ihnen, liebe Leserin, lieber Leser, viel Freude und eine spannende

Zeit.

Ihre/Ihr

Insa Ottensmann/Prof. Dr. Mirko Hornung

Fuel from sunlight, water and carbon dioxide – what

sounds like science fiction is actually reality: Under the

name SOLAR-JET, an international consortium led by

Bauhaus Luftfahrt has produced the first “solar” kerosene

that can easily be used as fuel for aviation. For

this pioneering work, Bauhaus Luftfahrt as project

co-ordinator received, in place of the SOLAR-JET consortium,

the 1st aireg Award for innovative energy technologies

in the aviation sector at this years’ conference

of the “Aviation Initiative for Renewable Energy in

Germany” (aireg e. V.) held at Munich Airport. In his

laudatory speech, Minister of State Dr Markus Soeder

particularly emphasised the importance of the project

for the Bavarian economy as much as for the technological

development of the aerospace industry.

International recognition Bauhaus Luftfahrt gained

at the Aerodays conference in London, being the European

flagship event in aviation research and innovation.

With no less than three European research consortia,

Bauhaus Luftfahrt was able to present itself successfully

to an audience of international experts.

Positive feedback was created by the second international

symposium on the long-term future of civil

aviation Bauhaus Luftfahrt hosted in October 2015. Held

on Ludwig Boelkow Campus in Ottobrunn near Munich,

more than 200 aviation experts from over 15 nations

met and discussed during one and a half days challenges,

developments and possible solutions for the

aviation sector in the coming decades. Stimulated by a

multitude of high-class presentations and contributions,

a lively and intensive dialogue between academia,

industry and politics arose. The experts discussed the

opportunities of disruptive and radical changes in the

global air traffic system as much as future business

models, new technological approaches and materials or

socio-economic challenges.

The yearbook deals with all the above-mentioned

and even more interesting topics we were engaged

in in the year 2015. When reading through it, we

wish you, dear reader, a pleasant and fascinating time.

Your

Insa Ottensmann/Prof Dr Mirko Hornung


08

contents

energy

technologies &

power systems

alternative

fuels

technology

radar

systems

& aircraft

technologies

operations

editorial

Vorwort Beiratsvorsitzender

Vorwort Vorstände

Highlights 2015

Mission

04

06

10

12

Foreword Chairman of the Board

Foreword Directors

Highlights 2015

Mission

Statistiken

60 Facts and figures

Impressum 70 Imprint

Strategien zur Entwicklung

erneuerbarer Hochleistungscarbonfasern

Topologieoptimierung fliegender

Kommunikationsnetzwerke

technology radar

16

18

Strategies for developing renewable

high-performance carbon fibres

Topology optimisation of airborne

communication networks


09

Entwicklung der Passagiernachfrage

und von Airline-Geschäftsmodellen

Operationelle Schlüsselfaktoren, die

zum „Flightpath 2050“ beitragen

Passagierflusssimulation

PAXelerate in OpenCDT

Szenarioanalysen zur Cyberabwehr

im Luftverkehrssystem

operations

22

24

26

28

Evolving passenger demand and

changing airline business models

Key operational enablers

of Flightpath 2050

Passenger flow simulation

PAXelerate in OpenCDT

Cyber resilience scenario analyses

for the air transport system

Mikroalgen: Standortspezifische Temperatur-

Modellierung in Photobioreaktoren

Ökonomie und Emissionsbilanz

solarthermischer Kraftstoffe

CORE-JetFuel: Europäische F&E-Landschaft

zu erneuerbaren Flugkraftstoffen

aireg e. V.: Analyse der Nachhaltigkeitsstandards

für Biokraftstoffe

alternative fuels

32

34

36

38

Microalgae: Site-specific temperature

modelling of photobioreactors

Economics and greenhouse gas emissions

of solar-thermochemical fuels

CORE-JetFuel: European R&D landscape

of renewable aviation fuels

aireg e. V.: Analysis of sustainability

standards for biofuels

energy technologies & power systems

Das „Composite Cycle

Engine“-Konzept

Die Grenzen der

Batterietechnologie

Elektrische Systemarchitekturen

für hybrid-elektrische Flugzeuge

Zyklus-integriertes

Parallel-Hybrid-Triebwerk

42

44

46

48

The composite cycle

engine concept

Exploring the frontiers of

battery technology

Electric power architectures

for hybrid-electric aircraft

Cycle-integrated

parallel-hybrid power plant

systems & aircraft technologies

Bewertung von CO 2 -Emissionsreduktionspotenzialen

für Regionalflugzeuge

Konzeptionelle Studie für ein

hybrid-elektrisches Regionalflugzeug

Fortschritte in der Optimierung

des „Propulsive Fuselage“-Konzepts

Nachwachsende Rohstoffe

als Option für Flügelstrukturen

52

54

56

58

Assessing CO 2 reduction potential

for regional aircraft

Conceptual studies of a future

hybrid-electric regional aircraft

Progress in optimising the

propulsive fuselage aircraft concept

Renewable materials options

for aircraft wing structures


10

mission highlights 2015 statement

Im Oktober 2015 feierte Bauhaus Luftfahrt

auf dem Ludwig Bölkow Campus in

Ottobrunn bei München sein 10-jähriges

Bestehen als interdisziplinäre Luftfahrt-

Forschungseinrichtung. Unter den

200 Festgästen waren auch zahlreiche

Spitzenvertreter aus Wissenschaft, Politik

und Industrie. Die 10-jährige Jubiläumsveranstaltung

fand im Rahmen des

2. Bauhaus-Luftfahrt-Symposiums in den

Räumen der IABG Industrieanlagen-

Betriebsgesellschaft statt. Unter dem

Titel der Konferenz „Luftfahrt 2050:

Die Zukunft gestalten“ erörterten 200

Wissenschaftler und Luftfahrtexperten

aus über 15 Nationen anderthalb Tage

lang die zentralen Herausforderungen,

wesentlichen Entwicklungen und mögliche

Lösungskonzepte für den Luftverkehr in

den kommenden Jahrzehnten.

In October 2015, Bauhaus Luftfahrt

celebrated its 10th anniversary as an

interdisciplinary research institution for

aviation on Ludwig Boelkow Campus

in Ottobrunn near Munich. Among the

200 ceremony guests were also

numerous top representatives from

the worlds of academia, politics and

industry. The 10th anniversary

ceremony was held during the 2nd

Bauhaus Luftfahrt Symposium in the

premises of IABG Industrieanlagen-

Betriebsgesellschaft. With its title

“Aviation 2050: Shaping the Future”,

the conference convened 200 scientists

and aviation experts from over

15 nations to discuss the key challenges,

key developments and possible

solutions for the aviation sector in the

coming decades for a day and a half.

10 YEARS BAUHAUS LUFTFAHRT


*

*

*

* * *

* *

* *

11

*

* *

* *


12 mission

Über

Bauhaus Luftfahrt

Was treibt die Mobilität von morgen? Welche alternativen

Energieoptionen werden langfristig für die Luftfahrt zur

Verfügung stehen? Welche Antriebs- und Systemtechnologien

werden die Effizienz zukünftiger Flugzeugentwürfe

weiter verbessern, und werden diese zu vollständig

neuen Designs führen? Welchen Einfluss werden

Informationstechnologien auf zukünftige Produkte und

deren Entwicklungsprozesse haben? Entlang dieser und

weiterer Fragestellungen analysiert Bauhaus Luftfahrt

als Forschungseinrichtung wesentliche Treiber, neue

technologische Ansätze sowie innovative Ideen

und integriert diese in ganzheitliche Lösungen für die

Luftfahrt.

Seit mehr als zehn Jahren betrachtet Bauhaus

Luftfahrt im Sinne eines Thinktanks Themen aus sehr

unterschiedlichen Blickwinkeln: Die 35 Wissenschaftler

mit fachlicher Expertise aus Sozialwissenschaft und

Ökonomie, Natur- und Ingenieurwissenschaft sowie Informatik

identifizieren und bewerten erfolgversprechende

Ansätze und entwickeln diese, häufig in Zusammenarbeit

mit nationalen und internationalen Partnern, als Grundlage

für neue Produktideen und -konzepte weiter. Damit

nimmt Bauhaus Luftfahrt eine wichtige Vorreiterrolle

ein – als Ideenschmiede, Forschungseinrichtung und

Impulsgenerator für Fachwelt, Öffentlichkeit und Politik.

Die Luftverkehrsflotte wird sich allen Prognosen nach

bis 2050 verdreifachen. Die Ziele 75 % weniger CO 2 -

Ausstoß, deutlich geringere NO X - und Lärmemissionen

gegenüber dem Jahr 2000 sind im „Flightpath 2050“

formuliert. Aus dem Luftverkehrswachstum, den

„Flightpath 2050“-Zielen und den langen Produktlebenszyklen

von Flugzeugen von bis zu 60 Jahren leitet

Bauhaus Luftfahrt seinen Auftrag ab, über die Grenzen

herkömmlicher Technologien und Materialien weit

hinauszublicken und neue Aspekte zu betrachten. Dabei

sollen und können keine Voraussagen getroffen werden,

welches das nächste Produkt sein wird. Die Wissenschaftler

erforschen vielmehr neue Technologien und

Materialien, zeigen deren Relevanz für zukünftige Entwicklungen

und schaffen ein Bewusstsein, worin die

Potenziale für die Luftfahrt liegen. Die so gewonnenen

Erkenntnisse liefern zahlreiche Denk- und Diskussionsanstöße

– und das außerhalb der vorhandenen konventionellen

Forschungs- und Entwicklungslandschaft.

Die Herangehensweise, zunächst eine Idee in einem

interdisziplinären kreativen Prozess entstehen zu lassen

und diese anschließend auf ihre Anwendbarkeit wissenschaftlich

zu überprüfen, macht Bauhaus Luftfahrt

als Forschungseinrichtung einzigartig in Deutschland

und Europa.

Gegründet wurde Bauhaus Luftfahrt e. V. im

November 2005 von den drei Luft- und Raumfahrtunternehmen

Airbus Group, Liebherr-Aerospace und MTU

Aero Engines sowie dem Bayerischen Staatsministerium

für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie.

Namensgebend war das „Staatliche Bauhaus“, die

fachübergreifende Kunst-, Design- und Architekturschule

von Walter Gropius im Weimar und Dessau der 1920er-

Jahre. Seit 2012 ergänzt die IABG Industrieanlagen-

Betriebsgesellschaft den Kreis namhafter Industriepartner.

Bauhaus Luftfahrt ist seit 2015 auf dem Ludwig

Bölkow Campus in Taufkirchen bei München angesiedelt,

dessen Gründungspartner es ist.


13

energy

technologies &

power systems

alternative

fuels

technology

radar

systems

& aircraft

technologies

About

Bauhaus Luftfahrt

operations

What drives the mobility of tomorrow? What alternative

energy options will be available for aviation in the long

term? Which power and system technologies will further

improve the efficiency of future aircraft concepts, and

will these lead to completely new designs? What impact

will information technologies have on future products

and their development processes? In light of these and

other questions, as a research institution, Bauhaus

Luftfahrt analyses major driving forces, new technological

approaches and innovative ideas and integrates them

into holistic solutions for aviation.

For more than a decade, Bauhaus Luftfahrt is

studying topics from very different perspectives in the

sense of a think tank: The 35 scientists with professional

expertise in their field areas of social sciences and

economics, nature and engineering sciences as well as

informatics identify and assess promising approaches

and develop them, frequently in collaboration with

national and international partners, as a basis for new

product ideas and concepts. Bauhaus Luftfahrt is thereby

playing a key pioneering role – as a think tank, a research

institution and an impulse generator for experts, the

public and politicians.

According to all forecasts, the civil aviation fleet will

triple by 2050. The goals of 75 % less CO 2 emissions,

considerably reduced NO x emissions and noise compared

to 2000 are expressed in Flightpath 2050. From the

growth in air traffic, the Flightpath 2050 goals and the

long product lifecycles of aircraft of up to 60 years,

Bauhaus Luftfahrt derives its task of going far beyond

the boundaries of conventional technologies and

materials and studying new aspects. Here no predictions

can or should be made on what the next product will be.

Instead, scientists are searching for new technologies

and materials, showing their relevance for future

developments and raising awareness of wherein the

potential for aviation lies. The knowledge gained in this

way offers numerous incentives to think differently and

participate in discussions – and all of that is outside

the existing conventional research and development

landscape. The approach, to first let an idea arise in an

interdisciplinary creative process and then check it in

a scientifically sound manner for its applicability, makes

Bauhaus Luftfahrt unique as a research institution in

Germany and Europe.

Bauhaus Luftfahrt e. V. was founded in November

2005 by the three aerospace companies Airbus Group,

Liebherr-Aerospace and MTU Aero Engines as well

as the Bavarian State Ministry for Economic Affairs and

Media, Energy and Technology. The source of the name

was “Staatliches Bauhaus”, the interdisciplinary art,

design and architecture school by Walter Gropius

in Weimar and Dessau of the 1920s. Since 2012, IABG

Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft has rounded

out the circle of renowned industrial partners. Since

2015, Bauhaus Luftfahrt has been based on Ludwig

Boelkow Campus in Taufkirchen near Munich, whose

founding partner it is.


14 technology radar

echnology

radar


15

Zukunftstechnologien sind essenziell für

die Luftfahrt, um die Herausforderungen

durch zunehmenden Mobilitätsbedarf,

begrenzte Ressourcen und Umwelteinflüsse

zu meistern. Eine frühzeitige

Identifikation von designtreibenden

oder disruptiven Entwicklungen ist die

Aufgabe des „Technologieradars“,

das die Technologiedomänen Energie,

Materialien, Photonik und Sensorik

sowie Information beinhaltet. Wissenschaftliche

Durchbrüche und technologische

Entwicklungen aus allen

Disziplinen werden hinsichtlich ihres

Innovationspotenzials für die

Luftfahrt untersucht. Auf dieser Basis

können in weiterführenden Studien

schlüssige Gesamtkonzepte entwickelt

sowie Forschungs-und Entwicklungsstrategien

aufgezeigt werden.

Future technologies are essential for

aviation to meet the challenges of

anticipated growth of mobility needs,

limited resources, and environmental

impact. The task of the “technology

radar” is the early identification of

driving forces for design or disruptive

developments in the technology

domains of energy, materials, photonics,

and sensor technology as well

as information. Scientific breakthroughs

and technological developments from

all disciplines are evaluated regarding

their innovation potential for aviation.

On this basis, conclusive overall

concepts are developed in follow-up

projects and their research and development

strategies are emphasised.


16

technology radar

Strategies for

developing renewable

high-performance

carbon fibres

In der Luftfahrtindustrie wird mit einem deutlich

zunehmenden Bedarf an Carbonfasern für den

Flugzeugbau gerechnet. Die Herstellung dieses

innovativen Materials über die Schlüsselverbindung

Acrylnitril erfolgt derzeit jedoch aus fossilen Rohstoffen.

Die Produktion von Carbonfasern über

Acrylnitril aus nachwachsenden Rohstoffen eröffnet

hier eine vielversprechende Möglichkeit, indem

neue Verfahren zur Acrylnitril-Synthese mit der etablierten

Faserproduktion kombiniert werden. Dieser

Ansatz bietet den Vorteil, dass die eigentliche Herstellung

des Endprodukts unverändert bleibt. Ziel

der Untersuchungen hierzu bei Bauhaus Luftfahrt ist

es, Entwicklungsstrategien im Bereich erneuerbarer

Faserchemie zu erarbeiten.

Nachdem eine Anzahl technisch gangbarer

Verfahren zur Produktion erneuerbaren Acrylnitrils

identifiziert werden konnte, wurden drei Optionen

zur näheren Analyse ausgewählt:

Glycerol ist ein Nebenprodukt der Biodieselherstellung

aus Pflanzenölen und daher ein in

großen Mengen verfügbarer Rohstoff, der chemisch

zu Acrylnitril umsetzbar ist.

Ethanol ist ein erneuerbares Massenprodukt,

das sich in wenigen Schritten zu Propen umsetzen

lässt, einem Ausgangsstoff in der Acrylnitril-

Synthese. Eine erste Analyse zeigt jedoch, dass die

Konversion von Ethanol zu Propen einen relativ

hohen Energieaufwand erfordert.

Eine Variante des Ethanol-Pfads ergibt sich aus

der Umsetzung von Synthesegas (einer Mischung

aus Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid) zu Propen.

Synthesegas kann aus einer Vielzahl erneuerbarer

Materialien gewonnen werden. Dieser Prozesspfad

bietet somit eine hohe Rohstoff-Flexibilität.

Im weiteren Verlauf des Vorhabens wird das

technologische Potenzial dieser Verfahren im Hinblick

auf Energiebedarf, Emissionen und Kosten

evaluiert.

10 um

Strategien zur

Entwicklung erneuerbarer

Hochleistungscarbonfasern

Hochleistungscarbonfasern

sind

dünner als ein

menschliches Haar

(Bild) oder typische

Pflanzenfasern.

High-performance

carbon fibres

are thinner than

human hair (image)

or typical plant

fibres.

The demand for carbon fibres in aircraft development

is expected to grow. However, state-of-the-art production

of this innovative material via the key compound

acrylonitrile is still based on fossil resources.

In this context, synthesis via acrylonitrile from

renewable resources represents a promising perspective:

It combines novel synthetic routes

towards acrylonitrile with the established production

of carbon fibres, thereby leaving the actual

production of the final product unchanged. Assessment

of this approach at Bauhaus Luftfahrt aims

at the identification of environmentally and

economically viable strategies for the renewable

production of carbon fibres.

After identification of several technically feasible

processes yielding renewable acrylonitrile,

three most promising options were selected for

detailed analysis:

Glycerol is a by-product of biodiesel production

from vegetable oil and, hence, available

in large quantities. It can be chemically converted

into acrylonitrile.

Ethanol is a renewable mass commodity and

convertible into propene in a few synthesis steps.

Propene, in turn, represents the key educt in

conventional synthesis of acrylonitrile. However,

initial analyses indicated that propene production

from ethanol is relatively energy-intensive.

An interesting variation of the ethanol pathway

results from converting synthesis gas

(a mixture of hydrogen and carbon monoxide) into

propene. Synthesis gas can be produced from a

broad variety of renewable sources, including

many types of biomass. Therefore, this process

path offers high feedstock flexibility.

Future work will focus on the in-depth assessment

of the performance potentials of these pathways

in terms of energy demand, associated

emissions and costs.


17

(1) Total 43,500 t

Pressure vessel 5 %

Automotive 5 %

Civil engineering 6 %

Wind turbines 23 %

Aerospace and

defence 18 %

Marktanalyse

Der globale Markt für Carbonfasern im Jahr 2012

mit Marktanteilen der jeweiligen Industriesektoren,

bezogen auf (1) Masse und (2) Kosten.

Quelle: CCeV Composites Market Report 2013

Oil and gas 2 %

Other 12 %

Molding and

compound 12 %

Sport/leisure 17 %

Market analysis

Global market for carbon fibres in 2012, illustrating

market shares of industrial sectors with respect to

(1) mass and (2) cost.

Source: CCeV Composites Market Report 2013

(2) Total 2,034 bn$

Automotive 3 %

Pressure vessel 4 %

Civil engineering 3 %

Wind turbines 13 %

Molding and

compound 9 %

Sport/leisure 11 %

Aerospace and

defence 40 %

Other 15 %

Oil and gas 2 %

Drei ausgewählte

Verfahren zur Produktion

von Carbonfasern aus

erneuerbaren Rohstoffen

Path I:

OH

Three selected processes

for the production of

carbon fibres from

renewable resources

HO

OH

Glycerol

Path II:

Ethanol

OH

Ethene

-H 2 O

Heat

-H2O -CO 2

OH

NH

+HCOOH +NH 3

Path III:

CO + 2H 2

Syngas

Propene

-H2O

H 3 C-OH

Methanol

+NH 3 +O 2

-H 2 O

Acrylonitrile

N

N N N

Poly-acrylonitrile

Inert gas

-H 2 O -N 2

Heat +O 2

Carbon

fibre


18 technology radar

Topologieoptimierung

fliegender

Kommunikationsnetzwerke

Topology optimisation

of airborne

communication

networks

Prognosen der Kommunikationsindustrie sagen

weiterhin eine jährliche Verdoppelung des Datenaufkommens

im Mobilfunk voraus. Damit Datendienste

für die Flugzeugkabine mit der technischen

Entwicklung Schritt halten können, werden künftig

Lösungen notwendig, die weitaus größere Kapazitäten

als heutige Datenverbindungen bieten. Aus

dieser Motivation heraus werden bei Bauhaus

Luftfahrt fliegende Kommunikationsnetzwerke mit

Laserverbindungen untersucht. Im Konzept sind

Flugzeuge nicht nur Datennutzer, die senden und

empfangen, sondern sie bilden ein großflächiges

Netzwerk, um Daten untereinander zu verteilen.

Während das Konzept revolutionäre Verbesserungen

bezüglich Konnektivität, Bandbreite und Kosten

verspricht, stellt die Optimierung der Topologie eine

wesentliche Herausforderung dar, insbesondere im

Hinblick auf Robustheit und die Anbindung an das

Internet.

Design und Optimierung dieser Netzwerke

setzen ein genaues Verständnis von Technologiepotenzialen

und Architekturen voraus. Innerhalb der

Rahmenbedingungen, die das Luftverkehrssystem

vorgibt, muss das Netzwerk unter Berücksichtigung

von Verbindungsdynamik und Datenvolumina auf

Konnektivität und Durchsatz optimiert werden.

Da sich die räumliche Verteilung der Teilnehmer

ständig verändert und Verbindungen aufgrund von

Reichweite-Limitierungen und Wettereinflüssen

dynamisch wechseln, ist Robustheit eine wesentliche

Voraussetzung, die durch die geschickte Platzierung

von Internetgateways unterstützt werden

kann. Die Auswertung von Bitrate-Entfernungsstatistiken

(„Flugzeug-zu-X“) zeigt, dass die Umverteilung

von Gateways entlang einer Luftstraße

sowohl die Konnektivität als auch Technologieanforderungen

optimieren kann. Das Ergebnis ebnet

den Weg zu optimierten Technologie- und Architekturentscheidungen

für zukünftige Implementierungen.

Lay

Flugzeuge verteilen

Daten in

einem Kommunika-

tionsnetzwerk-

Cluster, sodass

jedes Internetzugang

hat.

Data is routed

between aircraft

forming a communication

network

cluster, so that

all have internet

access.

Global mobile data traffic continues to double

every year according to communication industry’s

forecasts. For data services to be available in the

aircraft cabin at the future scale of demand,

high-bandwidth internet connectivity far beyond

today’s capabilities is needed. Therefore, Bauhaus

Luftfahrt analyses airborne communication

networks based on laser communication. Here,

aircraft not just send and receive, but also combine,

relay and route data traffic, with various

modes of ground connection of aggregated data

streams. While this concept promises stepchange

improvements in connectivity, bandwidth

and cost, the network topology optimisation

remains a major challenge, especially with

respect to resilience and terrestrial internet

access.

Design and optimisation of such networks

require a profound understanding of the performance

potentials of technologies and architectures.

Within the boundaries set by the air traffic

system, the network must be optimised with

regard to connectivity and throughput, considering

link dynamics and data volumes. As the node

distribution changes continuously and links may

break due to range limitations and weather influence,

network resilience is a crucial requisite for

the concept, and by careful arrangement of network

access stations, this requirement can be

achieved. The evaluation of bitrate-distance statistics

(i. e. air-to-X links) shows that the relocation

of access stations along a flight corridor optimises

connectivity and requirements on individual

links. This result provides guidance towards

optimised technology and architecture decisions

for future implementations.


19

Reduktion des Bandbreitenbedarfs bei Umverteilung von Gateways

Häufigkeitsverteilung der Bitrate-Entfernungsanforderung an Links für zwei Topologien mit Gateways an den Rändern eines Korridors (links)

und in der Mitte (rechts). Umverteilung zum Zentrum verringert den Bandbreitenbedarf und verbessert die Konnektivität (s. u.).

Reduction of bandwidth requirement with gateway redistribution

Probability distribution of bitrate-distance requirement on links for two topologies with gateways at the boundaries of a corridor (left)

and at the centre (right). Access point relocation to the centre lowers bitrate demand and improves connectivity (see below).

Accumulated bitrate per link [Gbps]

20

0.01 Fraction of links per cell [%]

15

0.03

0.06

0.1

0.3

10

0.6

5

1

3

10

6

0

0 50 100 150 200

Transmission distance [km]

Accumulated bitrate per link [Gbps]

20

Fraction of links per cell [%]

15

0.01

10

0.03

0.1

0.06

0.3

0.6

5

1

3

10

6

0

0 50 100 150 200

Transmission distance [km]

Frequency [%]

50

25

Scenario 1

Scenario 2

Cumulative probability [%]

100

75

50

25

Scenario 1

Scenario 2

0

0 20 40 60 80 100

0

0 20 40 60 80 100

Participating aircraft [%]

Participating aircraft [%]

(Netzwerk-)Konnektivitätsstatistiken

aller Flugzeuge

(Network) Connecticity

statistics for all aircraft

In Szenario 1 sind nur 25 % aller Flugzeuge zu jeder Zeit verbunden, während 100 % nie erreicht

werden. In Szenario 2 sind 50 % aller Flugzeuge stets verbunden, also doppelt so viele im Vergleich.

In scenario 1, only 25 % of aircraft connect at all times, and 100 % connectivity is never achieved.

In scenario 2, 50 % of aircraft connect at all times, doubling the number, compared to the first scenario.

Dr. Andreas Sizmann Head of competence area “Future Technologies and Ecology of Aviation, Knowledge Management”

Der Trend zu allgegenwärtigem Internetzugang und wachsendem Datenaufkommen stellt die Luftfahrt vor eine große

Herausforderung: Wie werden Fluglinien IT-Ressourcen bereitstellen, die mit dem zukünftigen Bedarf an die Bandbreite

der mobilen Datendienste wachsen? Bauhaus Luftfahrt integriert das Daten- wie auch das Luftfahrt-Verkehrsaufkommen in

eine dynamische Simulation, um zum Beispiel die Netzwerktopologie zu optimieren und Technologie-Anforderungen abzuleiten.

Das interdisziplinäre Team hat spezielle Fähigkeiten der Zukunftstechnologie-Analyse entwickelt, die es uns ermöglichen, für

derartige Herausforderungen die notwendigen Handlungsempfehlungen zu geben.

The trend towards ubiquitous internet access and increasing data traffic presents a major challenge to aviation:

How will air transport services be able to integrate communication capabilities that grow with the future demand

in mobile data services in the aircraft cabin? The tools developed at Bauhaus Luftfahrt are able to merge both air traffic and

data traffic into one dynamic network simulation, for example, for optimising network topologies and deriving technology

requirements. The interdisciplinary team has acquired skills of future technology analysis that provide the necessary guidance

in the solution of this challenge.


20 operations


Based on a solid understanding of the air

transport system, the interdisciplinary

research focus area “Operations” investigates

future mobility conditions and

analyses implications for air transport.

Applying methods such as scenario

studies, future fleet modelling and airline

business model cluster analyses, topics

that were addressed in the past year

include future trends and resulting

passenger needs, interdependencies

of transport stakeholders as well as

requirements for future aircraft concepts

and their respective operations. The

competencies of the research focus area

“Operations” were enhanced by the

Munich Aerospace research network

“Aviation Management”.

21

RESEARCH FOCUS AREA

perations

Auf der Basis eines fundierten Verständnisses des Lufttransportsystems befasst sich der Forschungsschwerpunkt

„Operations“ mit Rahmenbedingungen der Mobilität der Zukunft und entsprechenden

Implikationen für den Luftverkehr. Entsprechend dieser Zielsetzung wurden im vergangenen Jahr durch

die Anwendung von Methoden wie Szenariostudien, Flottenmodellierung und Clusteranalysen unter

anderem die folgenden Themen adressiert: zukünftige Trends und resultierende Passagierbedürfnisse,

Abhängigkeiten zwischen Akteuren des Transportsystems sowie Anforderungen für zukünftige Flugzeugkonzepte

und ihren Betrieb. Die Kompetenzen des Forschungsschwerpunkts „Operations“ wurden

dabei durch das Munich-Aerospace-Forschungsnetzwerk zum Leitthema „Aviation Management“

ergänzt.


22 operations

Entwicklung der

Passagiernachfrage

und von Airline-

Geschäftsmodellen

Evolving passenger

demand and changing

airline business models

Seit Beginn der kommerziellen Luftfahrt wurden

Passagiere in Geschäfts- und Privatreisende unterteilt.

Eine solche Klassifizierung ist jedoch nicht

mehr ausreichend, da das Spektrum an Passagierbedürfnissen

stetig wächst. Dieses wird unter

anderem getrieben von aufstrebenden Schwellenländern,

einer alternden Gesellschaft und einer

zunehmenden Digitalisierung des Privat- und

Arbeitslebens. Heutzutage werden Passagiere in

„urban hoppers“, „culture seekers“ oder „screenagers“

gruppiert. Die Einteilung basiert nicht länger

auf dem Reisegrund, sondern auf unterschiedlichen

Bedürfnissen entlang der Reisekette. Eine Studie

bei Bauhaus Luftfahrt untersucht diesen Bedürfniswandel,

definiert neue Passagiergruppen und

analysiert daraus resultierende Anforderungen für

die verschiedenen Stakeholder in der Luftfahrt.

Fluglinien verändern ihre Geschäftsmodelle

kontinuierlich, um diesen Ansprüchen gerecht zu

werden und neue Einnahmequellen zu erschließen.

Beispielsweise erfordert die erfolgreiche Anwendung

des Low-Cost-Modells auf die Langstrecke

eine Fokussierung auf Verbindungen mit hoher

Nachfrage, den Einsatz eines einzelnen Flugzeugtyps

und eine Kapazitätsoptimierung. Veränderte

Passagieranforderungen tragen unter anderem

zu einer stärkeren Differenzierung von Geschäftsmodellen

im Hinblick auf Angebote, die geografische

Abdeckung oder Netzwerkstruktur bei.

Eine Bauhaus-Luftfahrt-Studie verwendet vielfältige

Parameter, um neue Geschäftsmodelle wie

das des „global niche network carrier“ zu identifizieren:

Verglichen mit traditionellen Fluggesellschaften

wie Lufthansa oder United Airlines wird es von

kleineren Fluglinien mit einer auf einen bestimmten

Markt ausgerichteten Hub-and-Spoke-Netzwerkstruktur

verwirklicht.

Zukünftige Reisen

sind stärker auf

individuelle Passagierbedürfnisse

zugeschnitten.

Future passenger

journeys are more

tailored to individual

expectations.

From the early days of commercial air transport,

passengers were mainly classified into business

and leisure travellers. However, these traditional

distinctions started to blur over the past years

and will continue to do so in the future. This is

driven, for example, by newly emerging markets,

an ageing society and an increasing digitalisation

in private and business life. Today, passenger

groups are called “urban hoppers”, “culture seekers”

or “screenagers” and are no longer characterised

by the purpose of travel but by the varying

requirements along their journey. Bauhaus Luftfahrt

investigates these developing future needs

and expectations, defines new passenger groups

and analyses the resulting requirements for

stakeholders in the aviation sector.

Airlines continuously evolve their business

models to meet these needs and establish new

revenue sources. Applying the low-cost model to

long-haul routes, for example, requires focusing

on routes with high demand, operating a single

aircraft type with only one seating class and maximising

capacity utilisation as critical success

factors. Furthermore, changing passenger requirements

and external conditions lead to an increasing

differentiation of business models in terms of

offered service level, geographical focus or network

structure.

A study at Bauhaus Luftfahrt uses a range of

parameters to identify new business model clusters

such as the “global niche network carrier”:

Compared to traditional network carriers like

Lufthansa or United Airlines, the cluster comprises

smaller airlines operating a hub and spoke network

and focusing on a particular geographical

market.


23

Airline-Geschäftsmodelle

Um gegenüber starker Konkurrenz zu

bestehen, differenzieren Fluglinien

ihr Geschäftsmodell zum Beispiel im

Hinblick auf angebotene Leistungen

oder die geografische Abdeckung.

Airline

business models

To persist in the highly competitive airline market,

carriers strive to differentiate their business model,

for example in terms of offered services or

geographical focus.

Low-cost carrier

Point-topoint

lowcost

carrier

Huband-spoke

low-cost

carrier

Hybrid carrier

Global

hybrid

carrier

Mediumsize

network

carrier

Network carrier

High

quality

network

carrier

Global

niche

network

carrier

Large-size

network

carrier

Airline

business model

Point-to-point

low-cost carrier

Hub-and-spoke

low-cost carrier

Global hybrid

carrier

Medium-size

network carrier

Global niche

network carrier

High quality

network carrier

Large-size

network carrier

Characteristics

- Homogenous fleet

- Low service

orientation

- Low operating

costs

- Point-to-point

- Good market

position

- Homogenous fleet

- Low service

orientation

- Low operating

costs

- Hub-and-spoke

- Some long-haul

flights

- Hub-and-spoke

and point-topoint

- Strong

competition

- High operating

costs

- Solid financial

market position

- Long-haul flights

- Hub-and-spoke

- Smaller size

than traditional

network carrier

- Good market

position

- Hub-and-spoke

- Serving niche

market

- Good geographical

position

- Low regional

competition

- High service level

- Large aircraft

- 24 hours hub

operations

- High operating

costs

- Heterogeneous

fleet

- Large route

network

- Hub-and-spoke

and multi-hub

- High operating

costs

- High competition

Source: Own depiction based on Klemm, M. (2015), Development of a new airline business model classification using cluster analysis methodology, Diplomarbeit, November 2015,

Lehrstuhl für Betriebswirtschaftslehre – Unternehmensführung, Logistik und Produktion der Technischen Universität München

Niche

experience

Aspired travel

experience

Cultural

insight

Urban

life

Simplicity

searcher

Silver

traveller

Mediterran.

best ager

Cultural

purist

Culture and

knowledge

seeker

Reward

hunter

Leisure and

family

tourist

Bleisure

Obligation

meeter

Young

urban hopper

Millennial

Social

capital

seeker

Screenager

Definition von Passagiergruppen

anhand

unterschiedlicher Parameter

Die Grafik stellt verschiedene Passagiergruppen

anhand ihrer Reiseerwartungen und Technologieaffinität

dar.

Definition of passenger

groups based on various

parameters

The figure shows a range of passenger groups that

are classified according to the aspired travel

experience and their use of technology throughout

their journey.

Hardly any use

Obtaining information

and trip booking

Ubiquitous use

Technological use/

affinity

Sources: Own depiction based on SITA (2015), Air Transport Industry Insights: The Future is Personal, SITA – A 360 Degree Report; Skift (2015), Megatrends defining travel in 2015,

Yearbook/Issue: 01, Skift Travel IQ; OAG (2014), OAG Trends Report: What is shaping air travel in 2015?, OAG Aviation Worldwide Limited; Amadeus (2015), Future Traveller Tribes

2030 – Understanding Tomorrow’s Traveller, http://www.amadeus.com/web/amadeus/en_1A-corporate/Amadeus-Home/Travel-trends/Travel-community-trends/Future-Traveller-

Tribes-2030/1319623906608-Page-AMAD_SolutionDetailPpal; Initiative Airport Media (2011), Airport Private Traveller Study – Reiseverhalten, Einstellungen und Werte der

Privatreisenden am Airport, GfK Mobilitätsmonitor – GfK Roper Consumer Styles, http://www.flughafenwerbung.de/studien/airport-private-traveller-study.html


24 operations

Operationelle Schlüsselfaktoren,

die zum

„Flightpath 2050“ beitragen

Key operational

enablers

of Flightpath 2050

Das prognostizierte Wachstum des weltweiten

Passagierverkehrs fordert die beteiligten Akteure,

Lösungen für das heutige Luftverkehrssystem zu

finden, um die angestrebten langfristigen Ziele zu

erfüllen. „Flightpath 2050“- oder ACARE-Ziele sind

unter anderem, dass 90 % aller Reisenden innerhalb

von vier Stunden ihr Reiseziel erreichen und

die Bodenstandzeiten von Flugzeugen um 40 %

bis 2050 reduziert werden sollen. Des Weiteren

sollen alle Flüge innerhalb einer Minute der geplanten

Zeit landen bzw. abheben. Besonders große

Flughäfen, die sich weit entfernt vom Stadtzentrum

befinden, haben lange Anreisezeiten von

Passagieren zur Folge. In Kombination mit eingeplanten

Pufferzeiten für ungewisse Prozessdauern

bei der Sicherheitsüberprüfung erhöht sich die

Gesamtreisezeit für den Passagier. Daher ist es

notwendig, die Flughafen-Anreisezeit zu reduzieren

und eine bessere Vorhersagbarkeit der Prozessdauern

im Terminal zu erreichen.

Besonders große internationale Flughäfen

operieren während der Stoßzeiten nicht nur an der

maximalen Kapazität der Lande- und Startbahn,

sondern auch das Vorfeld und die Terminals gelangen

an die Grenzen ihrer Auslastung. Jede Verzögerung

durch Störungen in den Bodenprozessen kann

zu einer erheblichen Beeinträchtigung des gesamten

Flughafenbetriebs führen.

Rund 45 % der Verspätungen in Europa im Jahr

2013 sind Folgeverspätungen von vorangegangenen

Flügen, z. B. durch die verzögerte Ankunft des Flugzeugs

oder der Besatzung. Ein mit 17 % erheblicher

Teil der Verspätungen hat seine Ursache im Bodenbetrieb,

etwa durch Störungen in der Flugzeugabfertigung,

der Passagier- und Gepäckabfertigung,

durch Schäden an Flugzeugen oder Verzögerungen

im Flugbetrieb. Eine verbesserte Effizienz der

Bodenprozesse liefert daher das größte Potenzial,

Verspätungen im Flugverkehr auszugleichen.

Langfristige Luftfahrt-Forschungsziele:

kurze

Anreisezeiten

zum Flughafen,

Pünktlichkeit und

Zuverlässigkeit

Long-term

research goals

for aviation: short

airport access

times, punctuality

and reliability

The projected uptick in world passenger traffic

challenges the stakeholders involved to optimise

the current aviation system and find new solutions

being able to cope with the promoted goals of

international regulators such as Flightpath 2050

and ACARE. Targets are four hours door-to-door for

90 % of travellers, a 40 % reduction of turn-around

times by 2050, and the arrival and departure of

each aircraft should be accomplished within one

minute of the scheduled time. Especially large airports

are located far from the city centre, resulting

in long airport access times for passengers combined

with buffer times for uncertainties of durations

for airport processes like security checks or

even unpredictability of airport access times.

Therefore, key enablers to reduce overall travel

times are a reduction in airport access times, a

higher predictability of times accessing the airport

and process times inside the terminal.

Larger airports, especially hub airports, are not

only operating at their maximum runway capacity,

also taxiway and gate utilisation reaches its limits,

especially during peak hours. Each schedule disruption

due to late arrival of aircraft or unreliable and

inefficient ground operation processes causes a

significant impairment of airport operations.

Around 45 % of European delays in 2013 are

cascading delays caused by late arrival of aircraft

or crew from another flight. With 17 %, a considerable

amount of delays is caused by ground

operation disruptions including aircraft and ramp

handling, passenger and baggage handling,

resulting damage to aircraft and flight operations.

Delays can be most effectively compensated

by means of improved ground process efficiency.


25

Gründe für Verspätungen

in Europa im Jahr 2013

(basierend auf Daten der Eurocontrol

CODA-Datenbank)

Causes of delays

at European airports

in 2013

(based on Eurocontrol CODA data)

Reactionary 45 %

Others 1 %

Cargo and mail 1 %

Miscellaneous 2 %

Passenger and baggage 6 %

Airport and governmental

authorities 11 %

Aircraft and ramp handling 5 %

Damage to aircraft 2 %

Flight operations

and crewing 4 %

Technical and aircraft

equipment 11 %

Weather 5 %

Air traffic flow management

restrictions 7 %

Elemente der Reisezeit von Tür zu Tür

Typische Gesamtreisezeiten von Flügen für Direkt- und

Umsteigeverbindungen mit Turbofan- und Turboprop-Flugzeugen

bei unterschiedlichen Flugdistanzen von 500 nm und 1000 nm

Elements of door-to-door travel time

Door-to-door travel times for non-stop and connecting

flights with a typical turbofan and turboprop aircraft

on a 500 nm and 1,000 nm distance

Flightpath 2050 threshold

Non-stop turbofan

(1,000 nm)

1-stop turbofan

(2 x 500 nm)

Non-stop turboprop

(500 nm)

Airport access time/

time airport to final destination

(incl. buffer times)

Time at airport

(check-in, security, buffer times,

baggage claim)

Flight time

(taxi-in and -out, flight time)

Minimum connection time

Non-stop turbofan

(500 nm)

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540

Door-to-door duration [min]

Dr. Kay Plötner Head of competence area “Economics and Transportation”/

Acting Head of competence area “Visionary Aircraft Concepts”/Co-Lead of research focus area “Operations”

Mit dem Beginn der kommerziellen Luftfahrt befanden sich die ersten Flugplätze sehr zentral in den Städten. In den

letzten fünfzig Jahren führten aber ein wachsender Luftverkehr und höhere Umweltauflagen zu einer Verlagerung

der Flughäfen außerhalb der Städte. Mit dem “

Flightpath 2050”-Ziel von vier Stunden Tür-zu-Tür ist der Geschwindigkeitsvorteil

der Luftfahrt nun von der Leistungsfähigkeit des bodengebundenen Transports abhängig. Daher sind eine gute Flughafenanbindung,

kurze Prozesszeiten im Terminal und eine Vorhersagbarkeit der Gesamtreisezeit die zentralen Elemente, um dieses

Ziel zu erreichen.

When commercial aviation started last century, first aircraft operated from airfields very close to a city. Over the

last five decades, increased air traffic and stringent environmental regulations led to airports being built far away

from cities. To fulfil the Flightpath 2050 goal of four hours door-to-door, aviation is now depended on the ground transportation

system, where airport access and process times combined with their predictability are seen as key operational enablers.


26 operations

Passagierflusssimulation

PAXelerate

in OpenCDT

Passenger flow

simulation PAXelerate

in OpenCDT

In den frühen Phasen des konzeptionellen Flugzeugvorentwurfsprozesses

ist es wichtig, eine ganzheitliche

Sichtweise auf die treibenden Designparameter

zu ermöglichen. Die Open-Source-Entwurfsplattform

OpenCDT ermöglicht die Zusammenführung

von Flugzeugdaten und der Funktionalität

bestehender Softwaretools. Dies erleichtert die

Zusammenarbeit zwischen Teams und bietet große

Flexibilität, um auch unkonventionelle Flugzeugkonzepte

entwickeln zu können. Ziel ist die Unterstützung

eines kompletten Vorentwurfsprozesses mit

variablem Detailgrad durch den flexiblen Einsatz von

internen und externen Berechnungsmethoden. Darüber

hinaus sollen weitere Werkzeuge für Analysen

direkt am und um das entworfene Flugzeug nahtlos

eingebunden werden können.

Die in OpenCDT eingebettete Open-Source-

Passagierflusssimulation PAXelerate erlaubt die

Bewertung von Flugzeugkabinen als wesentlichem

Designfaktor bei der Rumpf- und Flugzeugentwicklung.

Die Simulation basiert auf einem mikroskopischen

Ansatz und nutzt agentenbasierte Modellierungstechniken.

Insbesondere fortschrittliche

Flugzeugkonzepte und Kabinenlayouts wurden

bislang nicht quantitativ auf ihre operativen Eigenschaften

bewertet, auch wenn diese große Verbesserungspotenziale

in Bezug auf die Gesamtprozesszeit

versprechen. Vergleichsstudien von

Passagiergruppen und deren anthropometrischen

Eigenschaften, von verschiedenen Boardingstrategien

und konzeptionellen Flugzeugänderungen,

wie der Optimierung der Türdimension und

-position, können mit PAXelerate durchgeführt werden.

Die Simulationsergebnisse erlauben erste

Identifikationen von optimalen Kabinenarchitekturen

in Bezug auf Ein- und Ausstiegszeiten von Passagieren

schon während der frühen Phase des konzeptionellen

Flugzeugvorentwurfs.

OpenCDT ist eine

Open-Source-

Software für

den Flugzeugvorentwurf.

OpenCDT is an

open-source

framework

for conceptual

aircraft design.

During the early stages of conceptual aircraft

design processes, it is essential to enable a holistic

view on driving design parameters. OpenCDT, as an

open-source framework, allows the integration of

design data and functionality from existing software

tools, supporting the collaboration between

discipline teams and being flexible enough to be

adapted for designing unconventional aircraft

concepts. As an ultimate goal, a complete design

process with a variable grade of detail due to the

flexible embedding of internal and external methods

is supported. In addition, seamless integration of

additional tools is provided to enable analyses in

direct communication with the aircraft design task.

Fully embedded into the OpenCDT framework,

the open-source passenger flow simulation

PAXelerate assesses cabin layouts as one of the

major aircraft design drivers. The simulation bases

on a microscopic approach applying agent-based

modelling techniques. Especially advanced aircraft

concepts and cabin layouts have not been put

under a quantified assessment regarding their

operational performance, even if they offer huge

potentials for improvement with respect to overall

process time. Trade studies regarding passenger

composition, anthropometric diversity, airline

boarding strategies and aircraft conceptual modifications,

such as the optimisation of door dimensions

and positions, becomes feasible. The simulation

results permit insights into different cabin

design approaches in terms of passenger ingress

and egress performance during the early stage of

a conceptual aircraft design process.


27

Einbindung von PAXelerate

in OpenCDT

Embedding of PAXelerate

in OpenCDT

ShowView


View


CabinView

Generated

from ECore

Model


OpenCDT


CabinGenerator


Model


CabinModel

GenerateModel


GeneratePassenger


Passengers

BoardingModel


Simulation

SimulateModel


BoardingSimulation

Die Verbindung zwischen OpenCDT und PAXelerate wird durch die

Dienste GenerateModel, ShowView und SimulateModel ermöglicht.

The connection between OpenCDT and corresponding modules

of PAXelerate is enabled using the services GenerateModel,

ShowView and SimulateModel.

Darstellung einer Flugzeugkabine mit Standardrumpf

Die Anordnung zeigt ein

Einklassen-Layout mit Toiletten

und Küchen in den Eingangsbereichen;

Kreise repräsentieren

von Agenten besetzte Sitze.

Rendering of a narrow-body cabin

The layout features a single

class with lavatories and galleys

next to the front and aft doors;

circles represent occupied

seats by agents.


28 operations

Szenarioanalysen

zur Cyberabwehr im

Luftverkehrssystem

Cyber resilience

scenario analyses for

the air transport system

Die Nutzung von digitalen Daten und Vernetzung

von Computersystemen nimmt auch in der zivilen

Luftfahrt kontinuierlich zu. Damit sind Luftverkehrsakteure

wie Fluggesellschaften, Flughäfen und die

Flugsicherung über Datenschnittstellen vermehrt

miteinander vernetzt und vom sicheren Austausch

ihrer Daten zunehmend abhängig. Bauhaus Luftfahrt

entwickelt im Rahmen des bayerischen Luftfahrtforschungsprojekts

„Air Traffic Resilience“ (ARIEL)

verschiedene Bedrohungsszenarien, um mögliche

Auswirkungen auf die operationellen Prozesse des

Luftverkehrssystems zu untersuchen.

Vier umfassende Szenarien betrachten jeweils

unterschiedliche Teilbereiche des Luftverkehrssystems

und dienen als Grundlage zur Analyse spezifischer

Angriffsvektoren und Einfallswinkel, sowohl

von internen als auch externen Aggressoren. Beispielsweise

befasst sich ein Szenario mit der inkorrekten

Repräsentation des Luftraums bei Transatlantiküberquerungen

und an Flughäfen. Dies kann

zu einer Beeinträchtigung der Positionsbestimmung

eines oder mehrerer Flugzeuge führen, womit die

Integrität des betroffenen Luftraums nicht mehr

gegeben wäre. Ein zweites Szenario adressiert die

potenzielle Verfälschung von im operationellen

Kontext relevanten Informationen beim Austausch

zwischen zwei Akteuren und den resultierenden

Einflüssen auf das gesamte Luftverkehrsnetzwerk.

Im Projektkonsortium werden detailliert beschriebene

Subszenarien anhand ihres Bedrohungs- und

Risikopotenzials bewertet. Diese werden zudem in

einen Demonstrator überführt, um zu analysieren,

wie die Widerstandsfähigkeit des Luftverkehrs

in Bezug auf die untersuchten Bedrohungen erhöht

werden kann.

Die zunehmende

Nutzung digitaler

Daten führt zu

einem hohen

Vernetzungsgrad

des Luftverkehrssystems.

The increasing

use of digital data

leads to a high

level of interconnection

within

the air transport

system.

The use of digital data and the level of interconnection

of IT systems are strongly increasing in

civil aviation. Consequently, stakeholders of the air

transport system like airlines, airports and air

traffic control are more and more interlinked and,

thus, depend on secure means of data exchange.

Within the Bavarian aviation research project “Air

Traffic Resilience” (ARIEL), Bauhaus Luftfahrt is

developing different cyber-threat scenarios to analyse

potential impacts on operational air transport

processes.

Four comprehensive scenarios address different

segments of the air transport system and serve

as a basis for the analysis of specific attack vectors

from internal or external aggressors. One scenario,

for example, considers an incorrect representation

of the airspace during transatlantic flights or near

airports. In such a case, the determination of the

position of one or more aircraft could be impaired,

which would lead to a loss of integrity of the

respective airspace. Another scenario addresses

a spoofed data link between two air transport

stakeholders in an area relevant for safe operation.

Here, the entire air transport system could be

impacted due to contagion effects.

Based on these potential threat scenarios, the

project consortium is able to assess potential

threats and risks for the air transport system. In the

remaining duration of the project the developed

scenarios will be transferred to a demonstrator for

the purpose of analysing how air traffic resilience

could be improved with respect to potential cyber

threats.


29

Vernetzungen im

Luftverkehrssystem

www

Interconnection

of the air transport

system

Internet

SatCom

Aircraft

ATM

Ticket

Airline

Ground

services

Airport

Manufacturer

MRO

Die Pfeile repräsentieren

Schnittstellen, über die Daten

ausgetauscht werden und die somit

Risiken für Ansteckungseffekte bei fehlerhaften

oder fehlenden Informationen bergen.

OEM/Suppliers

Arrows indicate the

interfaces for information exchange

and, thus, represent risks for contagion effects

in the case of false or missing information.

Horizontale Betrachtungsebene der ARIEL-Szenarien

Es sind wesentliche Prozessschritte des Lebenszyklus eines Flugzeugs und die jeweiligen Bereiche der betrachteten Szenarien abgebildet.

Eigene Darstellung, basierend auf der EATMA (European Air Traffic Management Architecture, https://www.atmmasterplan.eu/architecture/signin)

Horizontal scenario space illustration

Both key process steps in the lifetime of an aircraft and each of the scenario spaces are depicted.

Own illustration, based on EATMA (European Air Traffic Management Architecture, https://www.atmmasterplan.eu/architecture/signin)

Produce parts

Assemble

Plan flight

aircraft

Execute flight Analyse MRO

OEM/Suppliers

Manufacturer

Long-term

planning

Medium-/shortterm

planning

Pre-departure

Taxi-out and take-off

Climb

Cruise

Arrival

Approach

Final approach

Landing and taxi-in

Post-flight phase

MRO

Scenario 4 (a) Scenario 3 Scenario 2 (a)

Scenario 1 Scenario 2 (b) Scenario 4 (b)

Dr. Mara Cole Co-lead of research focus area “Operations”

Automatisierung führt zu einem verstärkten Bedarf an der Sammlung von Daten und ihrem Austausch zwischen

Akteuren des Luftverkehrssystems. Sie kann Betreiber dabei unterstützen, sich in einem komplexer werdenden

Umfeld zu orientieren, es entstehen aber auch neue, bisher unbekannte Schwachstellen. Als Konsequenz rückt der Schutz vor

Cyber-Bedrohungen zunehmend in den Fokus. Daher ist es nicht nur wichtig zu verstehen, welche Effekte Automatisierung auf

den sicheren Betrieb von Flugzeugen hat, sondern auch, wie möglichen Bedrohungen wirksam begegnet werden kann.

The trend towards increased automation is creating a demand for more data collection and exchange between

aviation stakeholders. Automation helps operators to orient themselves in an increasingly complex operational

environment but also creates new vulnerabilities. Whereas the protection from physical threats was mainly focused on in the

past, the future will likely be oriented towards cyber threats. A major challenge is to understand what kind of effects automation

can have on the safe and secure operation of aircraft and how these threats can be effectively mitigated.


30 alternative fuels


31

Erneuerbare Alternativen zu konventionellem Kerosin rücken aus ökologischen

und ökonomischen Gründen zunehmend in den Fokus der Luftfahrt. Der Forschungsschwerpunkt

„Alternative Fuels“ von Bauhaus Luftfahrt sucht Antworten auf die

Frage, wie in Zukunft eine nachhaltige Kraftstoffversorgung der Luftfahrt realisiert

werden kann. Im Jahr 2015 lag der Schwerpunkt der Arbeiten auf der thermischen

Modellierung von Photobioreaktoren zur Kultivierung von Algen, der Lebenszyklusanalyse

solarthermischer Kraftstoffe und der ganzheitlichen Bewertung der

europäischen F&E-Landschaft zu alternativen Kraftstoffen. Weiterhin wurden

Potenziale zur Harmonisierung existierender Nachhaltigkeitsstandards untersucht.

For environmental and economic reasons, renewable alternatives to conventional

jet fuel have moved into the focus of interest of the aviation industry. The interdisciplinary

research focus area “Alternative Fuels” at Bauhaus Luftfahrt analyses

possible solutions for the challenge of facilitating a sustainable fuel supply for the

aviation of the future. In 2015, the work concentrated on thermal modelling of

photobioreactors for the cultivation of algae, life-cycle analysis of solar-thermochemical

fuels and holistic assessment of the European R&D landscape of alternative fuels.

Furthermore, potentials for harmonising existing sustainability standards were examined.

RESEARCH FOCUS AREA

lternative fuels


32 alternative fuels

Mikroalgen:

Standortspezifische

Temperatur-Modellierung

in Photobioreaktoren

Microalgae:

Site-specific temperature

modelling of

photobioreactors

Die energetische Nutzung von Mikroalgen ist

Gegenstand intensiver Forschungsarbeiten. Neben

der Licht- und Nährstoffverfügbarkeit ist die Kultivierungstemperatur

für das Algenwachstum maßgeblich.

Insbesondere das Über- oder Unterschreiten

der Schwellenwerte 40 °C und 0 °C kann zu

signifikanten Produktionseinbußen führen. Die

Kenntnis des zeitlichen Verlaufs der Kultivierungstemperatur

ist daher von großer Bedeutung.

Wissenschaftler bei Bauhaus Luftfahrt haben

ein detailliertes Temperaturmodell für ein Feld vertikaler

Flachplatten-Photobioreaktoren entwickelt.

Die Anwendung des Modells auf Standorte in den

USA über den Verlauf eines ganzen Jahres und

unter Verwendung lokaler Wetterdaten zeigte, dass

die Algen starken Temperaturschwankungen ausgesetzt

sind. Standorte mit mediterranem Klima (zum

Beispiel Santa Barbara, CA) bieten gute Wachstumsbedingungen.

Im Gegensatz dazu stellen häufig

auftretende Temperaturspitzen von über 40 °C in

sehr sonnigen und heißen Gegenden eine Herausforderung

dar (zum Beispiel Phoenix, AZ). Weiterhin

zeigte sich als zentrales Ergebnis der Simulation,

dass die gegenseitige Abschattung der Reaktoren

einen großen Einfluss auf die Reaktortemperatur

hat: Temperaturspitzen werden abgeschwächt, was

zu einem gleichmäßigeren Temperaturprofil führt.

Gleichzeitig bewirkt die Abschattung jedoch eine

Verringerung der Lichtintensität im photosynthetisch

nutzbaren Spektralbereich.

Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Koppelung

des entwickelten Temperaturmodells mit einem

spezifischen Wachstumsmodell für Mikroalgen

konzentrieren, um eine Abschätzung der potenziellen

Erträge in Abhängigkeit von Standort, Reaktordesign

und Anlagenkonfiguration zu ermöglichen.

Flachplatten-

Photobioreaktoren

im

Algentechnikum

auf dem Ludwig

Bölkow Campus,

Taufkirchen

(Foto: Mit freundlicher

Genehmigung der Technischen

Universität München)

Flat panel

photobioreactors

in the Algentechnikum

(algae

research facility)

on Ludwig

Boelkow Campus,

Taufkirchen

(Photo: Courtesy of

Technische Universität München)

Cultivation of microalgae as biofuel feedstock is

subject to international R&D efforts. In addition

to light intensity and nutrient concentration, algal

cell growth crucially depends on the temperature

of the cultivation medium, and values exceeding

40 °C or below 0 °C can result in heavy yield

losses. Detailed knowledge of the cultivation

temperature as function of reactor dimensions

and geographic location is therefore required.

Researchers at Bauhaus Luftfahrt have developed

a temperature simulation model for an array

of vertical flat panel photobioreactors (PBRs). This

model is based on a balance of all relevant heat

fluxes, including first-order reflections and mutual

shading of reactor panels.

Application of the model for potential cultivation

sites in the U.S., using local weather data

covering an entire year, showed that algae cultivated

in outdoor PBRs are exposed to strong temperature

variations. Locations with Mediterranean

climates (for example, Santa Barbara, CA)

offer favourable growth conditions. In contrast,

frequent occurrence of temperature peaks above

40 °C during summer times renders cultivation at

very sunny and hot locations challenging (for

example, Phoenix, AZ). It is important to note that

mutual shading of reactor panels was found to

have a great impact on the reactor temperature:

High-temperature peaks are mitigated, resulting

in a more homogeneous temperature profile.

However, at the same time, shading reduces the

intensity of photosynthetically relevant light in

the reactor.

Future work will focus on coupling the developed

temperature model with a specific growth

model for microalgae in order to assess potential

biomass yields as function of location, reactor

design and plant configuration.


33

Bilanz der Wärmeströme

Darstellung der Wärmeströme, die bei der Temperatursimulation in vertikalen Flachplatten-

Photobioreaktoren berücksichtigt werden. Der Ausschnitt zeigt eine typische Intensitätsverteilung

von diffusem Sonnenlicht innerhalb eines Reaktors.

Diffuse sunlight

Atmospheric radiation

Balance of

heat fluxes

Heat fluxes taken into account

for the temperature simulation

in vertical flat panel photobioreactors.

The cut-out displays

the typical light distribution of

diffuse sunlight within a single

reactor panel.

Direct sunlight

Convection

Aeration

Reactor/ground

heat radiation

Reflections at

panels/ground

Temperaturprofile für verschiedene

Klimazonen innerhalb der USA

Annahmen: Orientierung der Reaktoren in Nord-Süd-Richtung,

Reaktorabstand 0,5 m, Reaktordicke 0,05 m, Höhe der Reaktoren 1 m,

Länge der Reaktoren 2 m

Temperature profiles for various

climate zones in the U.S.

Assumptions: North-South-orientation of panels, panel

distance 0.5 m, panel thickness 0.05 m, panel height 1 m,

panel length 2 m

Temperature [°C]

Drivers Reactor of Aviation temperature

50

40

30

20

10

Air temperature

Santa Barbara, CA

0

0 100 200 300

Day of the year [d]

Temperature [°C]

50

40

30

20

10

Temperature [°C]

50

40

30

20

10

0

0 100 200 300

Day of the year [d]

0

0 100 200 300

Day of the year [d]

Phoenix, AZ

Russell, KS

Temperature [°C]

50

40

30

20

10

Temperature [°C]

50

40

30

20

10

Portland, ME

0

0 100 200 300

Day of the year [d]

Jacksonville, FL

0

0 100 200 300

Day of the year [d]

Source: d-maps.com


34 alternative fuels

Ökonomie und

Emissionsbilanz

solarthermischer

Kraftstoffe

Economics and

greenhouse gas

emissions of solarthermochemical

fuels

Im Rahmen des EU-Forschungsprojekts SOLAR-JET 1

ist es gelungen, das weltweit erste „solare“ Kerosin

zu produzieren. Unter der Leitung von Bauhaus

Luftfahrt, das auch das gesamte Projekt koordiniert

hat, wurde das ökonomische und ökologische

Potenzial des Kraftstoffpfads untersucht. 2

Als wichtigste Einflussgrößen auf die Ökonomie

und Ökologie der solarthermischen Kerosinherstellung

wurden ein geeigneter Standort mit hoher

Sonneneinstrahlung und die Steigerung des thermochemischen

Wirkungsgrads identifiziert. Weiterhin

haben die Aufwendungen für Konstruktion und

Betrieb der Anlage einen großen Einfluss auf die

Produktionskosten.

Für eine Anlage zur Herstellung von 1000 bbl.

solaren Kerosins pro Tag, die ausschließlich Solarenergie

nutzt und CO 2 aus der Luft gewinnt, werden

Produktionskosten von 2,2 € pro Liter Kerosin

bei einem Ausstoß von 0,5 kg CO 2 -Äquivalenten

abgeschätzt, was einer Treibhausgasreduktion von

80 % gegenüber konventionellem Kerosin entspricht.

Dient ein modernes Gaskraftwerk als CO 2 -

Quelle, können die Kosten zwar leicht gesenkt werden,

die Emissionsbilanz des Kraftstoffs ist dann

jedoch schlechter als die der konventionellen Referenz.

Bei weiteren Effizienzsteigerungen der Technologien

und optimalen Standortbedingungen erscheinen

Produktionskosten von 1,3 € pro Liter für einen

nahezu CO 2 -neutralen Kraftstoff erreichbar.

Es konnte somit gezeigt werden, dass solare

Kraftstoffe ein hohes ökonomisches und ökologisches

Potenzial besitzen. Die Weiterentwicklung

des Prozesses erfolgt im Rahmen des EU-geförderten

Folgeprojekts SUN-to-LIQUID. 1

Das SOLAR-JET-

Konsortium

wurde als

Preisträger des

1. aireg-Awards

ausgewählt.

The SOLAR-JET

consortium has

been selected as

laureate of the

1st aireg Award.

Within the EU-funded research project SOLAR-

JET, 1 the worldwide first “solar” kerosene has

been produced. Under the leadership of Bauhaus

Luftfahrt, which also acted as project co-ordinator,

the economic and ecological potential of the

fuel production pathway was investigated. 2

A suitable location with a high solar irradiation

and the enhancement of the thermochemical

energy conversion efficiency were identified to

have the largest influence on both economics and

environmental footprint of solar-thermochemical

kerosene production. Furthermore, expenditures

for the construction of the production facility and

its operation have a large effect on production

costs.

For a facility with a daily production of 1,000

bbl. of solar kerosene, and solely using solar

energy and CO 2 captured from the atmosphere,

production costs of 2.2 € per litre kerosene at

specific greenhouse gas emissions of 0.5 kg CO 2

equivalents are estimated, corresponding to a

reduction of 80 % in emissions, compared to conventional

kerosene.

If CO 2 is captured from a modern natural gas

power plant, production costs may be slightly

reduced, however, emissions rise to values higher

than that of conventional fuel. If the process efficiency

can be further enhanced, and at optimal

conditions at the chosen location, production

costs of 1.3 € per litre at specific emissions near

zero seem achievable.

It could, thus, be shown that solar fuels have

a large economic and ecological potential. Further

development of the process is performed in

the EU-funded follow-up project SUN-to-LIQUID. 1

1

Das Projekt SOLAR-JET (Solar chemical reactor demonstration and

Optimization for Long-term Availability of Renewable JET fuel) wird von

der Europäischen Union im 7. Forschungsrahmenprogramm (FP7/2007-

2013) unter der Fördernummer 285098 gefördert und das Projekt SUN-to-

LIQUID (Integrated solar-thermochemical synthesis of liquid hydrocarbon

fuels) im Horizon-2020-Rahmenprogramm für Forschung und Innovation

unter der Fördernummer 654408.

2

C. Falter, V. Batteiger, A. Sizmann, „Climate Impact and Economic Feasibility

of Solar Thermochemical Jet Fuel Production“, Environmental Science

and Technology, 50(1), pp 470-477, 2016

1

The project SOLAR-JET (Solar chemical reactor demonstration and

Optimization for Long-term Availability of Renewable JET fuel) receives

funding from the European Union’s 7th Framework Programme

(FP7/2007–2013) under grant agreement no. 285098 and the project

SUN-to-LIQUID (Integrated solar-thermochemical synthesis of liquid

hydrocarbon fuels) from the European Union’s Horizon 2020 research

and innovation programme under grant agreement no. 654408.

2

C. Falter, V. Batteiger, A. Sizmann, “Climate Impact and Economic

Feasibility of Solar Thermochemical Jet Fuel Production”, Environmental

Science and Technology, 50(1), pp 470-477, 2016


35

Energiebilanz der solaren Kraftstoffherstellung

Die Energiebilanz zeigt den Bedarf an Wärme und Strom der einzelnen Prozessschritte.

Der weitaus größte Teil der Energie ist für die Konzentration der Solarenergie und den thermochemischen Prozess nötig.

Electricity

12.1 %

Concentration

41.0 %

CO 2 capture 2.8 %

H 2 O desalination 0.1 %

Thermochemistry

34.7 %

Solar energy

100.0 %

FT 4.3 %

Fuel

5.0 %

Energy balance

of solar fuel production

The energy balance shows the demand

for heat and electricity of the single

process steps. The major part of the energy

is required for concentration of solar energy

and thermochemical conversion.

Verteilung der Investitionskosten und CO 2 -Emissionen

a) Der Großteil der Investitionskosten geht zurück auf die Konzentration des Sonnenlichts.

b) CO 2 aus der Atmosphäre kompensiert 80 % der Treibhausgas-Emissionen, die überwiegend bei der Verbrennung

des solaren Kraftstoffs entstehen.

Distribution of investment costs and CO 2 emissions

a) Construction of the solar concentration facility accounts for the largest share of investment costs.

b) Atmospheric CO 2 compensates for 80 % of the greenhouse gas emissions that originate mainly from combustion of the solar fuel.

a)

0 % 10 % 20 % 30 % 40 % 50 % 60 % 70 % 80 % 90 % 100 %

Heliostats

Solar tower

Thermochemical

reactors

FT

Syngas

compressors

CHP

Buildings

b)

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

kg CO 2 equivalents per litre jet fuel

CO 2 capture

(from air)

Electricity

Concentration

Thermochemical

conversion

FT

Fuel transport

Combustion


36

alternative fuels

CORE-JetFuel:

Europäische

F&E-Landschaft zu

erneuerbaren

Flugkraftstoffen

CORE-JetFuel:

European R&D

landscape of renewable

aviation fuels

Im Zuge einer sich rasch entwickelnden F&E-Landschaft

zu erneuerbaren Flugkraftstoffen ergeben

sich wichtige Fragen: Sind die techno-ökonomischen

und ökologischen Potenziale einerseits und

die ehrgeizigen politischen Ziele andererseits konsistent?

Und wie verhalten sich der aktuelle Entwicklungsstand

und der betriebene F&E-Aufwand

zu diesen Potenzialen?

Das EU-Projekt CORE-JetFuel 1 verbindet die

Expertisen von Partnern aus Spanien, Frankreich

und Deutschland, um diesen Fragen nachzugehen.

Der Fokus der Arbeiten von Bauhaus Luftfahrt liegt

dabei auf

- der Analyse der europäischen F&E-Landschaft zu

erneuerbaren Flugkraftstoffen und

- der Bewertung der technologiespezifischen

techno-ökonomischen und ökologischen Potenziale.

Zur Analyse der komplexen F&E-Landschaft werden

die identifizierten Aktivitäten entsprechend ihrer

Ausrichtung (zum Beispiel Generierung von Wissen,

Produktentwicklung oder beides) in einem Quadrantenschema

„kartografiert“. So wird verdeutlicht, ob

ein F&E-Portfolio zu einer bestimmten Technologie

im Sinne von grundlegender und angewandter

Forschung ausgewogen ist.

Die techno-ökonomischen und ökologischen

Potenziale von Produktionspfaden werden anhand

spezifischer Metriken, wie etwa Treibhausgas-Emissionen,

Produktionskosten oder Rohstoff-Verfügbarkeit,

ganzheitlich bewertet. In einer Risk-/Reward-Analyse

wird untersucht, ob Risiken und Aufwand der Entwicklung

in einem akzeptablen Verhältnis zum spezifischen

Potenzial eines Produktionspfads stehen.

Das Projekt CORE-JetFuel wird in 2016 abgeschlossen.

Die Ergebnisse werden die Europäische

Kommission bei der Implementierung einer kohärenten

F&E-Strategie unterstützen.

www.core-jetfuel.eu

CORE-JetFuel

analysiert

Forschung von

mikroskopischer

bis makroskopischer

Skalierung.

CORE-JetFuel

evaluates

research on

microscopic to

macroscopic

scales.

In view of the rapidly developing R&D landscape

focused on renewable aviation fuels, important

questions arise: How do the technical, economic

and environmental potentials of different pathways

compare in the light of ambitious targets? And

how do the current state of development and the

associated R&D efforts relate to these potentials?

The EU-funded project CORE-JetFuel 1 combines

the strengths of partners from Spain, France

and Germany in the pursuit of these questions.

Specifically, the tasks of Bauhaus Luftfahrt are

- analysis of the European R&D landscape related

to renewable aviation fuels, and

- assessment of the technical, economic and

environmental performance potentials.

The complex landscape of R&D activities is best

understood through the mapping of identified

activities according to their general scope, such

as knowledge creation, product development or a

combination of both. The quadrant scheme shows

if a portfolio of projects connected to a certain

technology is well-balanced in terms of “basic”

and “applied” efforts.

The technical, economic and environmental

performance potentials of fuel production pathways

are evaluated based on criteria such as

life-cycle greenhouse gas emissions, production

costs and the European production potential

within a holistic multiple-criteria framework. A

risk-reward analysis shows whether the overall

risk is well-balanced and the expected R&D effort

matches the potential benefit of the technology

under consideration.

The project CORE-JetFuel will be completed

in 2016. The results will support the European

Commission in its dynamic and informed implementation

of a coherent R&D strategy.

www.core-jetfuel.eu

1 Das Projekt CORE-JetFuel (COordinating REsearch and innovation of Jet

and other sustainable aviation Fuel) wird durch das 7. Forschungsrahmenprogramm

der Europäischen Union (FP7/2007-2013) gefördert (Fördernummer

605716).

1 The project CORE-JetFuel (COordinating REsearch and innovation of

Jet and other sustainable aviation Fuel) receives funding from the

European Union’s 7th Framework Programme (FP7/2007-2013) under

grant agreement no. 605716.


37

Stokes-Quadrantenmodell

”Basic“

Die zweidimensionale „Kartografierung“ von

F&E-Projekten anhand ihrer wissens- und/oder

produktorientierten Ausrichtung erweitert

das dichotome Verständnis von grundlegender

gegenüber angewandter Forschung.

Stokes’ quadrant model

Two-dimensional mapping of R&D activities

according to their knowledge- and/or productoriented

general scope overcomes the

dichotomous understanding of “basic” versus

“applied” research.

Research for

fundamental understanding

Yes

No

Pure basic research

(Bohr‘s quadrant)

No

Use-inspired basic research

(Pasteur‘s quadrant)

Pure applied research

(Edison‘s quadrant)

Yes

3 Mio. €

10 Mio. €

30 Mio. €

100 Mio. €

300 Mio. €

”Applied“

Research for

product/service development

Risk-/Reward-Analyse

Das Potenzial (hier in Bezug auf die

Reduktion von Treibhausgas-Emissionen)

verschiedener Technologien im Verhältnis

zum derzeitigen technologischen

Reifegrad als näherungsweise Metrik

für Entwicklungsrisiken

Risk-reward analysis

The potential reward (here in terms of total

greenhouse gas emissions reduction) of various

technologies in relation to the current level of

technical maturity, which is related to anticipated

development risks

Potential impact on

GHG emissions reduction [%]

70

60

50

40

30

20

10

0

High

Risk in technology development

Alt. fuel 1

Moderate

Alt. fuel 2

Alt. fuel 3

Alt. fuel 4

Low

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Technology readiness level (TRL)

Jet A-1

High

Moderate

Low

Potential reward

Dr. Arne Roth Lead of research focus area “Alternative Fuels”

Erneuerbare Kraftstoffe bilden eine tragende Säule in den langfristigen Bemühungen der Luftfahrtindustrie zur

Reduktion der Treibhausgas-Emissionen ihres Sektors. Eine F&E-Strategie, die auf die Unterstützung erneuerbarer

Kraftstoffoptionen mit einem hohen ökologischen Potenzial bei gleichzeitig ökonomisch vertretbaren Produktionskosten abzielt,

ist daher von entscheidender Bedeutung, insbesondere im Hinblick auf eine langfristige kommerzielle Implementierung. Eine

detaillierte ganzheitliche und transparente Bewertung aller Optionen ist unabdingbar, um das zur Etablierung einer solchen

Strategie erforderliche Wissen zu generieren.

Renewable fuels form an essential pillar of the aviation industry’s long-term efforts to substantially reduce the

greenhouse gas emissions of the sector. Therefore, it is crucial to have a R&D strategy in place that supports

renewable fuel options that offer highly beneficial environmental impacts and, at the same time, potential economic competitiveness

in view of a future commercial implementation. A detailed holistic and transparent assessment of all options

is essential to provide the knowledge required for the establishment of such a strategy.


38

alternative fuels

aireg e. V.: Analyse der

Nachhaltigkeitsstandards

für Biokraftstoffe

aireg e. V.: Analysis of

sustainability standards

for biofuels

Seit der Gründung der „Aviation Initiative for

Renewable Energy in Germany“ (aireg e. V.) im Jahr

2011 stehen die Analyse von alternativen Kraftstoffpfaden

und die Entwicklung von Strategien zur

Überwindung existierender Hürden für die Implementierung

nachhaltiger Kraftstoffe im Zentrum des

Interesses aller Mitglieder. Die Heterogenität der

national und international existierenden Nachhaltigkeitsstandards

stellt eine solche Hürde dar.

Als Basis einer Harmonisierung dieser Standards

wurde unter der Leitung von Bauhaus Luftfahrt

im aireg-Arbeitskreis „Nachhaltigkeit“ ein

Katalog der aus Luftfahrtsicht relevanten ökologischen,

ökonomischen und sozialen Nachhaltigkeitskriterien

entwickelt. Anschließend wurde eine

umfassende Gap-Analyse durchgeführt, in der die

Kriterien der Nachhaltigkeitsstandards mit dem

aireg-Kriterienkatalog abgeglichen wurden. Die

Analyse ergab, dass die Nachhaltigkeitsstandards

zumeist nur die in der europäischen Erneuerbare-

Energien-Richtlinie (EU RED) verankerten Mindestanforderungen

in Form von ökologischen Nachhaltigkeitskriterien

erfüllen. Von den insgesamt zehn

untersuchten und von der Europäischen Kommission

anerkannten Standards erfüllen derzeit nur fünf

mindestens 50 % der Kriterien des anspruchsvolleren

aireg-Kriterienkatalogs.

Um auch die aus Sicht von aireg wichtige ökonomische

und soziale Nachhaltigkeit der Produktion

von Biokraftstoffen zu gewährleisten, ist eine

Erweiterung der bestehenden Standards erforderlich.

In 2016 soll auf Basis dieser Ergebnisse mit

anderen europäischen und weltweiten Initiativen zu

Flugkraftstoffen die Harmonisierung von Nachhaltigkeitsstandards

auf internationaler Ebene vorangetrieben

werden.

Weitere Hintergrundinformationen zum Bewertungsschema und den

einzelnen Nachhaltigkeitsstandards sind auf der aireg-Webseite zu finden:

http://www.aireg.de/de/pressemeldungen/397-biokraftstoffe-sind-besserals-ihr-ruf.html

http://www.aireg.de/images/downloads/aireg/150601_1218%20HintergrundBenchmarkingZertifizierungssysteme.pdf

Die weltweit zunehmende

Nutzung

von Biokraftstoffen

in der Luftfahrt

erfordert hohe

Nachhaltigkeitsstandards.

As utilisation of

aviation biofuels

is globally

increasing, high

sustainability

standards are

essential.

Since its foundation in 2011, the efforts of the

“Aviation Initiative for Renewable Energy in Germany”

(aireg e. V.) have been focused on the

analysis of production pathways towards sustainable

fuels and the development of strategies to

overcome existing obstacles for their commercial

implementation. A prominent example of such

obstacles is the heterogeneity of existing national

and international sustainability standards and

certification schemes.

In order to support the process of harmonising

sustainability standards, aireg Working Group

“Sustainability”, led by Bauhaus Luftfahrt, has

identified a set of criteria for ecological, economic

and societal sustainability, which are most

relevant from the aviation industry’s perspective.

A comprehensive gap analysis has been performed,

evaluating various sustainability standards

against the set of criteria selected by aireg.

The analysis showed that most of the examined

standards only fulfil the minimum requirements of

the European Renewable Energy Directive (EU

RED) in the form of ecological sustainability

criteria. However, only five out of a total of ten

examined standards, all being recognised by the

European Commission, currently fulfil at least

50 % of the ambitious set of “aireg criteria”.

In order to ensure a production of biofuels

that is also economically and socially sustainable,

existing certification schemes have to be

extended. Based on the described analysis and in

close collaboration with other European and global

initiatives, aireg will continue to support the process

of harmonising sustainability standards and

certification schemes at international level.

Additional information on the performed analysis, the selected “aireg

criteria” and the examined sustainability standards are available on

the aireg web page:

http://www.aireg.de/en/press-releases/400-biofuels-are-better-thantheir-reputation-sustainability-is-verifiable.html

http://www.aireg.de/images/downloads/aireg/150601_1218%20

HintergrundBenchmarkingZertifizierungssysteme.pdf


39

Der aireg-Katalog der Nachhaltigkeitskriterien

Set of sustainability criteria selected

by aireg (“aireg criteria”)

Ökologische Kriterien

Ecological criteria

Bewertungskriterien*

Assessment criteria*

Boden Soil

Wasser Water

Luft Air

Transformation Transformation

Biodiversität Biodiversity

*Der vollständige aireg-Katalog der

Nachhaltigkeitskriterien ist hier zu finden:

http://www.aireg.de/images/downloads/

aireg/150608_aireg_Benchmark_Kriterien.pdf

*The complete set of sustainability criteria

selected by aireg can be found here:

http://www.aireg.de/images/downloads/

aireg/150608_aireg_Benchmark_Kriterien.pdf

Ökonomische Kriterien Economic criteria

Soziale Kriterien

Societal criteria

Compliance

Soziale Aspekte Societal aspects

Arbeitsbedingungen Labour conditions

Die Ergebnisse der Gap-Analyse

Results of the gap analysis

Die Prozentangaben entsprechen dem Erfüllungsgrad der untersuchten

Nachhaltigkeitsstandards in Bezug auf den aireg-Kriterienkatalog.

Percentage values represent the match of each sustainability standard with

the “aireg criteria”.

100 %

to

95 %

95 %

to

75 %

NTA 8080 - SUSTAINABLY PRODUCED BIOMASS

75 %

to

50 %

50 %

to

0 %


40 energy technologies & power systems

50

40

relative specific power

15

Active electric motor dimensions:

30 mm

Stator thickness

Air Gap

Rotor thickness

10 mm

1 mm

0.7 mm

10

10

30

20

10

R2,1R2,2R3,1R3,2

R4 S2 R5 S3

S1

R1,1 R1,2

Counter Rotator

Axial Comp.

5

5

nergy

RESEARCH FORSCHUNGSSCHWERPUNKT

FOCUS AREA

techn

2

2

1

0.5

1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035

0.1

0.1


41

The interdisciplinary research focus

area “Energy Technologies & Power

Systems” at Bauhaus Luftfahrt focuses

its research activities on novel

combustion-based as well as alternative

(hybrid-)electric propulsion and

power systems for future aircraft. The

technological challenges, determined

in particular by novel thermodynamic

cycles as well as fully- or hybrid-electric

propulsion and power systems, are

addressed at Bauhaus Luftfahrt from

the basics upwards, in other words,

relevant key technologies are identified,

future potentials for energy converters

are assessed, and hybrid systems are

conceptually designed and analysed

at aircraft level.

ologies &

power systems

Im Forschungsschwerpunkt „Energy Technologies & Power Systems“ sind die von Bauhaus Luftfahrt

durchgeführten Untersuchungen zu neuartigen, auf Verbrennungskraft basierenden sowie alternativen

(hybrid-)elektrischen Antriebs- und Energiesystemen des Flugzeugs gebündelt. Die technologischen

Herausforderungen durch neue Kreisprozesse wie auch voll- oder hybrid-elektrische Antriebs- und

Energiesysteme werden von Bauhaus Luftfahrt von den Grundlagen her aufbauend adressiert, indem

relevante Schlüsseltechnologien identifiziert, zukünftige Potenziale von Energiewandlern bewertet

sowie hybride Systeme im Flugzeug konzipiert und analysiert werden.

relative specific exergy


42 energy technologies & power systems

Das „Composite

Cycle Engine“-Konzept

The composite cycle

engine concept

Kolbentriebwerke haben enorme Effizienzvorteile

gegenüber Turbomaschinen: Während der Verbrennung

im abgeschlossenen Kolbenraum erfolgt ein

Druckanstieg, und durch kurze Verweilzeiten werden

sehr hohe Spitzentemperaturen ermöglicht. Im

Gegensatz dazu bieten Turbomaschinen durch ihre

stationäre Operationsweise ein überragendes

Leistungsgewicht und Zuverlässigkeit. Ein neues

Konzept, das die Vorteile beider Architekturen

synergetisch kombiniert, wird bei Bauhaus Luftfahrt

untersucht: die „Composite Cycle Engine“.

Das Konzept erinnert auf den ersten Blick an

eine konventionelle Turbomaschine, ersetzt aber

den Hochdruckteil des Triebwerks durch ein Kolbensystem.

Auf diese Weise liefern die leichten

Turbokomponenten den Schub, die Vorverdichtung

für die Kolben und extrahieren die Energie aus dem

Kernstrom. Das Kolbensystem setzt auf dem Turbozyklus

auf und erlangt dabei Drücke und Temperaturen,

die von konventionellen Turbofans unerreicht

sind. Zwölf Kolbenmaschinen treiben 24 Kolbenverdichter

in einer autonomen Einheit an. In dieser

Konfiguration laufen die Kolben mechanisch entkoppelt

von den Turbowellen und können frei im Kern

platziert werden. Gleichzeitig treibt die Niederdruckturbine

nur noch den Fan an und kann so

kleiner ausgelegt werden.

Dieses neuartige Konzept ermöglicht Spitzendruckverhältnisse

von über 300 im Vergleich zu nur

etwa 60 bei modernsten Turbofan-Triebwerken.

Dadurch sinkt der Kraftstoffverbrauch um 15 %,

was die Erreichung der Effizienzziele für 2035

erlaubt, obwohl das Triebwerksgewicht moderat um

30 % steigt. Die Kerntriebwerksgröße kann beibehalten

werden. Ebenso können die NO x -Emissionen

um 10 % im Vergleich zu modernen Mager-Brennkammern

sinken.

Die Arbeit wurde

gefördert durch

das 7. Europäische

Forschungsrahmenprogramm

unter der Fördernummer

283216

(LEMCOTEC).

The work was

funded by the

European Union’s

7th Framework Programme

under the

grant agreement no.

283216 (LEMCOTEC).

Piston engines feature combustion in a closed

volume, leading to a pressure rise during heat

addition, and allow for very high maximum temperatures

due to short exposure times. This

results in tremendous efficiency advantages over

turbo engines. In contrast, the stationary mode of

operation of turbo engines leads to superior

power-to-weight ratio and reliability. A novel concept

that synergistically combines the benefits of

both is being investigated at Bauhaus Luftfahrt:

the composite cycle engine.

The concept resembles a conventional turbofan

architecture at first glance, but replaces the

high pressure section of the engine with a piston

system. In this way, the lightweight turbo components

provide engine thrust, pressurise the piston

system and extract the energy from the coreengine

flow. The piston system tops the turbo-engine

cycle at pressures and temperatures unseen

in turbofan engines. Twelve piston engines drive

24 piston compressors in a self-contained unit.

With this implementation the piston system runs

mechanically independently from the turbo shafts

and can be placed freely within the engine

core. At the same time, the low pressure turbine

provides power for the fan only and gets smaller.

This novel concept makes it possible to

achieve peak pressure ratios of over 300, compared

to about 60 of advanced turbofan engines.

This reduces fuel consumption of the aircraft

by 15 %, allowing to meet engine efficiency

targets for year 2035, although engine weight

increases by 30 %. The engine core size remains

constant compared to a turbofan. NO x emissions

can also be reduced by 10 %, compared to

advanced lean-burn combustion technology.


43

Das Prinzip

Das Kolbensystem arbeitet im Kern des Triebwerks,

wo es die größten Vorteile bringt: bei hohen Drücken

und Temperaturen.

The principle

The piston system operates in the centre of the

engine, where it delivers the highest benefits:

at high pressures and temperatures.

Pressure

Peak pressure ratio >100

Closed volume combustion

Conventional pressure ratio ≈60

Pre-compression

Intermittent combustion

temperature 2,500–3,000 K

Conventional

combustion chamber

High specific

turbine power

PG

B

Piston system

Die Umsetzung

Das Kolbensystem ist im Kerntriebwerk um die Turbokomponenten

herum angeordnet. In dieser Anordnung

bleibt das Kerntriebwerk nahezu gleich groß.

The implementation

The piston system is situated within the core engine around

the turbo components. The compact arrangement allows to keep

core engine size constant.

No increase in fan diameter

Charging PR = 24.4 (MCL)

Ultra-high BPR

= 15.2 (MCL)

Fan PR

= 1.5 (MCL)

Piston compressors driven by piston engines

Piston engine

peak PR = 324.0 (MCL)

No increase in

engine size

Engine weight

+31 % vs. RTF Buffering volume

Low T 4

= 1,600 K (T/O)

Dr. Arne Seitz Co-Lead of research focus area “Energy Technologies and Power Systems”

Zuverlässige und effiziente Antriebe sind das Rückgrat eines wettbewerbsfähigen und umweltfreundlichen Lufttransports,

heute und in der Zukunft. Die langfristigen Forschungs- und Innovationsziele der Luftfahrt setzen

Effizienzsteigerungen beim Antrieb voraus, die die Erforschung völlig neuer Technologiekonzepte erfordern. Solche Konzepte

müssen im Vergleich zu fortschrittlichen konventionellen Systemen von Beginn an deutliche Vorteile zeigen. Erfahrungsgemäß

ist dies, unter realistischen Bedingungen, nicht einfach zu erreichen. Deshalb sind die ersten Ergebnisse zur „Composite Cycle

Engine“ als sehr vielsprechend für mögliche zukünftige Anwendungen zu werten.

Reliable and energy-efficient propulsion forms the backbone of competitive and environmentally friendly air transport,

today and in the future. Aviation’s long-term research and innovation targets stipulate propulsion system efficiency

improvements that require the exploration of novel technology concepts. When initially assessed, such concepts need to show

significant benefits over advanced conventional systems. From experience, this is not easy to achieve under realistic benchmark

conditions. Therefore, the first results on the composite cycle engine are considered to be quite promising for potential future

application.


44 energy technologies & power systems

Die Grenzen der

Batterietechnologie

Exploring the frontiers

of battery technology

Batterien sind die Schlüsseltechnologie vollelektrischer

Antriebe und der wesentliche Bestandteil

hybrid-elektrischer Leistungs- und Antriebssysteme.

Zentrale Aspekte für Anwendungen an Bord eines

Flugzeugs sind jedoch neben der Sicherheit auch

ihre Leistungs- und Massencharakteristiken. Maßnahmen

zur Erhöhung der Sicherheit auf Zell- und

Batterieebene funktionieren, was sich im relativ

zuverlässigen Betrieb mobiler und stationärer

Anwendungen zeigt. Generell sind elektrische Fahrund

Flugzeuge effizienter und benötigen weniger

Energie pro zurückgelegter Strecke, bieten jedoch

nicht die Reichweite und Nutzlast-Möglichkeiten

von verbrennungsbasierten Antrieben. Folglich stellt

sich die alles beherrschende Frage nach den Entwicklungsgrenzen

der Batterietechnologie und den

realistischen Zielen, die für das zukünftige elektrische

Fliegen bezüglich Flugzeuggröße und Reichweite

gesetzt werden.

Prognostizierte mittelfristige theoretische spezifische

Energien liegen zwischen 200 und 250 Wh/kg

für ein Lithium-Batteriesystem einschließlich

Gehäuse und Batteriemanagement. Aktuelle Entwicklungen

der Lithium-Batterie zeigen realistische

spezifische Energien von 350 bis 500 Wh/kg auf

Zellebene, das 1,5- bis 2-Fache der heutigen Zelltechnologie.

Höhere spezifische Energien könnten

mit neuen Elektrolyten erzielt werden. Nichtsdestoweniger

wird sich die Zunahme der spezifischen

Energie nicht kontinuierlich fortsetzen, sondern

reduzieren, obwohl sie sich zwischen 1994 und

2010 um circa 7 % pro Jahr erhöht hat.

Zukünftige Machbarkeitsstudien von Batterien

in voll- oder hybrid-elektrischen Leistungssystemen

sollten sich auf die Identifizierung geeigneter Anwendungen

und Synergieeffekte fokussieren, unter

Berücksichtigung der zukünftig eingeschränkten

Technologie-Aussichten von Batterien.

Lithium-Batterien

bieten das

größte Potenzial

bezüglich spezifischer

Energien

und Leistungen.

Lithium batteries

have the potential

for highest

specific energies

and powers.

Batteries are the key technology for fully-electric

and a major component in hybrid-electric power

and propulsion systems. However, besides safety

aspects, their performance and mass characteristics

are crucial for on-board applications. Measures

to increase the safety of cells and battery

packs typically work very well, mirroring the relatively

reliable operation of mobile and stationary

applications. Electric vehicles generally outpace

comparable combustion-based vehicles in terms

of efficiency and energy consumption per distance,

but do not match their range or payload

capabilities. Hence, the all-dominant question

addresses the development limitations of battery

technology and realistic targets that may be set

for future electric flight with respect to aircraft

size and range capacity.

Projected medium-term theoretical specific

energies range from 200 to 250 Wh/kg for a

lithium battery system, including housing and

the battery management system. Current lithium

battery developments show reasonable specific

energies of up to 350 to 500 Wh/kg at cell level,

a factor of 1.5 to 2 larger, compared to today’s

cell technology. Latest electrolyte trends reveal

potentials for even higher specific energies.

Nevertheless, the increase of specific energies

for lithium batteries by an average rate of 7 %

year-over-year between 1994 and 2010 will not

be continued in years to come and is likely to be

reduced in the future.

Future battery feasibility studies in the field

of fully- or hybrid-electric power systems should

focus on the identification of reasonable applications

and synergy effects under the given constraints

of battery prospects.


45

Vergleich und Ausblick

Spezifische Energien heutiger Batterien

mit verschiedenen Elektrodenmaterialien

und realistisches mittelfristiges Entwicklungspotenzial

zukünftiger Batterien

auf Zellebene, skaliert auf den Stand der

Technik 2012

Comparison and outlook

Current state of different electrode

materials and reasonable mediumterm

future potentials for specific

energies at cell level, scaled to the

2012 technology level

Relative specific power

1,000

100

10

1

0.1

15

10

50

5

Short term

40 30

20

10 10

5

2

1

2

0.5

0.2 0.2 0.1

0.1

Future potentials

of lithium batteries

Mid term

Long term

0.5 1 2 3 4 10 20

Relative specific exergy

Kerosene-based turbo engine

at η total of 0.35

Graphite/Ni-Mn-Co-O

Graphite/Li-Fe-P-O (1)

Graphite/Li-Fe-P-O (2)

Sanyo U18650ZT

REF: Panasonic NCR-18650A

Vergangenheit

und Zukunft

Historische Entwicklung der spezifischen

Energie von 18650-Standardzellen und

ihr zukünftiges Entwicklungspotenzial,

bezogen auf heute untersuchte Elektrodenmaterialien,

skaliert auf den Stand der

Technik 2012

Past and future

Historical development of the specific

energy of 18650 lithium cells and

future potentials of current electrode

materials under investigation, scaled

to the 2012 benchmark

Relative specific energy

1.66

1.33

1.00

0.66

0.33

0.00

0.0

1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035

Year

Future potentials of

lithium battery technology

Year-over-year increase [%]

Present technology: carbon anode

New technology: Si-alloy anode

Average y-o-y increase of spec. energy

21.0

18.0

15.0

12.0

9.0

6.0

3.0

Year-over-year increase [%]

Dr. Holger Kuhn Co-Lead of research focus area “Energy Technologies and Power Systems”

Batterien sind die Schlüsseltechnologie des hybrid-elektrischen und das Herz des vollelektrischen Fliegens. Es gibt

zwei Ansätze, das zukünftige Potenzial von Batterien in der Luftfahrt abzuschätzen. Als Ergebnis des klassischen

Flugzeugentwurfs werden einerseits die Anforderungen an die Batterie spezifiziert. Andererseits sind die Entwicklungsgrenzen

der Batterie durch ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften vorgegeben, anhand derer das Flugzeug, die Mission oder

geeignete Anwendungen identifiziert werden können. Beide Wege werden von Bauhaus Luftfahrt beschritten, wobei der zweite

eine klare Antwort auf das zukünftige Potenzial des elektrischen Fliegens gibt.

Batteries are the key technology for hybrid-electric and the heart of fully-electric flying. Two major approaches

assess the future potentials of batteries in aviation. First, as a result of a classical aircraft design, we define battery

specifications in order to fulfil the defined mission requirements. Second, due to the inherent physical-chemical limitations set

by the materials, we assess the development potential of battery technologies and define aircraft and mission requirements

or suitable applications thereupon. Both paths are pursued, but the second path gives a definite answer to the future potentials

of electric flying.


46 energy technologies & power systems

Elektrische Systemarchitekturen

für hybridelektrische

Flugzeuge

Electric power

architectures for

hybrid-electric aircraft

Elektrische Energie- und Leistungssysteme für Antriebssysteme

zukünftiger Transportflugzeuge erfordern

ein optimiertes Design der elektrischen Systemarchitektur

(ESA) in Bezug auf Effizienz und Masse.

Eine typische ESA für einen Antriebsstrang besteht

aus Elektromotoren, Leistungsquellen in Form von

Batterien sowie Leistungselektronik einschließlich

Konverter oder Inverter, Übertragungskabel, Schutzvorrichtungen

und Kühlsystemen.

Erhöhte Systemspannungen haben das Potenzial,

die gesamte Systemmasse auf Flugzeugebene

zu reduzieren, fördern aber auch in typischen Reiseflughöhen

die Bildung von Lichtbögen. Erste Untersuchungen

zeigen, dass hohe Spannungen auch aus

Sicht der Übertragungseffizienz von Vorteil sind.

Die höchste Sensitivität gegenüber der gewählten

Systemspannung zeigt die Leistungselektronik, vor

allem hinsichtlich der Leitungs- und Schaltverluste,

die für eine bestimmte Auslegungsleistung optimiert

werden können. Einen weiteren Freiheitsgrad

bietet auch die Wahl der Systemarchitektur. Zwei

Auslegungsphilosophien der Architektur wurden

untersucht, die konstante Systemspannungs- (KSSA)

und die variable Systemspannungsarchitektur

(VSSA). Die KSSA hält eine konstante Systemspannung

über den Gesamtbetrieb aufrecht, während

die VSSA eine Fluktuation des Spannungsniveaus,

beispielsweise hervorgerufen durch eine Batterie,

erlaubt. Für beide Architekturen wurde eine optimale

Systemspannung in der Nähe der Betriebsspannung

des Elektromotors ermittelt, die in diesem

Szenario im niedrigen Kilovoltbereich lag. Bei diesem

Spannungsniveau und unter heutigen Technologie-Annahmen

konnten Gesamtsystem-Wirkungsgrade

von 90 % bis 95 % erreicht werden. Aus

Sicht der Effizienz ist es daher nicht notwendig, die

Spannung in noch höhere Bereiche zu treiben.

Hohe Spannungen

können das

Auftreten von

Lichtbögen in

Reiseflughöhen

verstärken.

Due to high

voltages, the

occurrence of

arcing is increased

in high altitudes.

Electric energy and power systems for future

transport aircraft propulsion systems require an

optimised electric power architecture (EPA)

design with regard to efficiency and mass. A

typical EPA for power trains consists of electric

motors, power sources, like batteries, and power

electronics, including converters or inverters,

transmission cables, protection devices and cooling

systems.

Increased system voltages may help to

reduce overall system mass on transport aircraft

level, but can cause arcing at typical cruise altitudes.

Investigations indicate that high voltages

are also preferable from a transmission efficiency

point of view. Especially power electronics show

the highest sensitivity in choosing the system

voltage with regard to conduction and switching

losses, leading to an optimisation between these

losses at a required design power. An additional

degree of freedom also offers the architectural

layout. Two architecture design philosophies, the

constant system voltage (CSVA) and the variable

system voltage (VSVA) architecture, have been

studied. The CSVA maintains a constant system

voltage over the entire operation, while the VSVA

allows for variations in the voltage level caused,

for example, by a battery. For both architectures

an optimum system voltage was identified near

the operating voltage of the electric motor, which

was, in this scenario, in the low kilovolt range.

At this voltage level and with state-of-the-art

technologies, overall system efficiencies of 90 %

to 95 % can be achieved. From this study, it can

be concluded that, from an efficiency point of

view, it is not necessary to increase the voltage

to higher levels.


47

Constant system voltage

Battery

OUT IN OUT IN OUT IN OUT IN OUT IN OUT IN

Converter

Switch

Cable &

bus

Switch Controller Electric

motor

P Design

RPM Motor

IN

IN

IN

OUT

IN

IN IN IN

OUT

Cooling

system

OUT

Power port

Variable system voltage

Voltage port

Cooling port

Battery

OUT IN OUT IN OUT IN OUT IN OUT IN

Switch

Cable &

bus

Switch Controller Electric

motor

P Design

RPM Motor

IN

IN

OUT

IN

IN IN IN

OUT

Architekturoptionen

Cooling

system

OUT

Zwei verschiedene Strategien wurden untersucht, um elektrische Komponenten miteinander

zu verbinden: die konstante Systemspannungs- und die variable Systemspannungsarchitektur.

Architecture options

Two different design strategies

connecting the components have been

investigated: the constant system

voltage and the variable

system voltage architecture.

Spannungseinfluss

600

Voltage impact

Verlustanteile der einzelnen

installierten Komponenten

in einer konstanten

Systemspannungsarchitektur

bei verschiedenen

Auslegungsspannungen

500

400

Cooling

Protection

Loss contribution of the single

components installed in the

constant system voltage architecture

at different design voltages

Losses [kW]

300

Converter

200

Loss distribution

for a 6 MW

system

100

Controller

0 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 9,000 10,000

Design system voltage [V]


48 energy technologies & power systems

Zyklus-integriertes

Parallel-Hybrid-

Triebwerk

Cycle-integrated

parallel-hybrid

power plant

Zur Realisierung hybrid-elektrischer Flugzeuge

stehen verschiedene Topologien wie seriell, parallel

oder seriell-parallel zur Verfügung, um unterschiedliche

Energieträger wie Kerosin und Batterien

miteinander zu kombinieren. Der klassische Parallel-

Hybrid, bei dem in der Regel ein Elektromotor

mechanische Energie an die Antriebswelle der Gasturbine

liefert, konnte bereits in den letzten Jahrbüchern

als vielversprechender Ansatz für Luftfahrtanwendungen

identifiziert werden. Auf dieser

Grundlage hat Bauhaus Luftfahrt eine besondere

Variante entwickelt, nämlich den Zyklus-integrierten

Parallel-Hybrid.

In dieser speziellen Konfiguration treiben von

Batterien gespeiste Elektromotoren eine Reihe von

Verdichterstufen an, die dadurch von der Turbinensektion

mechanisch entkoppelt werden können.

Erste Potenziale hinsichtlich Kraftstoffeinsparung

und Effizienzsteigerung wurden im Projekt E-BREAK

(7. Europäisches Forschungsrahmenprogramm)

untersucht. Hier hat Bauhaus Luftfahrt erste Konzeptstudien

an Wellenleistungstriebwerken für

Hubschrauberanwendungen durchgeführt. Dabei

wurde insbesondere ein Potenzial im Teillastbereich

für Hybridisierungsgrade – den Anteil der installierten

elektrischen Leistung an der Gesamtleistung –

von rund 20 % identifiziert. Erste Analysen zeigten,

dass dieser zusätzliche Freiheitsgrad nahezu eine

Effizienzverdoppelung im Vergleich zum konventionellen

Triebwerk ermöglicht, was zu einer Verringerung

des spezifischen Kraftstoffverbrauchs von rund

45 % führt. Zwar reduzierte sich die Reichweite

des hybriden Hubschraubers auf etwas weniger als

die Hälfte, bedingt durch die hohe Batteriemasse,

jedoch konnte bei dieser Missionsreichweite ein

verringerter Treibstoffverbrauch und damit auch

eine CO 2 -Reduktion von mehr als 40 % berechnet

werden.

Die Arbeit wurde

gefördert durch

das 7. Europäische

Forschungsrahmenprogramm

unter der Fördernummer

314366

(E-BREAK).

The work was

funded by the

European Union’s

7th Framework

Programme

under the grant

agreement no.

314366 (E-BREAK).

For the realisation of hybrid-electric aircraft,

there are different topologies, for example, serial,

parallel or serial-parallel available to combine

energy carriers like kerosene and batteries. The

classical parallel hybrid topology, where usually

an electric motor assists a gas turbine in supplying

mechanical power to the power shaft, could

be shown in the last Yearbooks as a most promising

solution for aircraft applications. Based on

this topology, Bauhaus Luftfahrt has investigated

a special variant, specifically the cycle-integrated

parallel hybrid.

In this special configuration, electric motors

supplied by batteries are powering an array of

compressor stages of a power plant that are

mechanically decoupled from the turbine section.

The potentials with regard to fuel reduction and

efficiency improvement were initially investigated

within the 7th European Framework Programme

project E-BREAK. In this project, Bauhaus Luftfahrt

performed conceptual studies on a turboshaft

platform for a helicopter application, where

the highest potential for this arrangement was

expected in part load for moderate degrees of

power hybridisation – the share between

installed electric power and total power – of

around 20 %. The first assessment has revealed

that this additional degree of freedom allows

to almost double the efficiency, compared to a

conventional power plant, and a reduction in

power-specific fuel consumption of roughly 45 %.

The range capability of a hybrid-powered helicopter

has been decreased by more than 50 %,

mainly driven by the battery mass. However, at

decreased mission range, a fuel burn and, thus,

CO 2 reduction of more than 40 % has been found.


49

Teillastverhalten

des hybriden

Wellenleistungstriebwerks

während

Startbedingungen

Part-load

characteristics

of a hybrid

turboshaft power

plant during take-off

conditions

PSFC improvement

compared to reference [%]

Efficiency improvement

compared to reference [%]

-20

-25

-30

-35

∆ 15.0 %

-40

-45

-50

40 50 60 70

Part load [%]

80 90 100

100

90

80

∆ 42.3 %

70

60

50

Electric power limit

Electric power limit

∆ 6.6 %

H P = 15.0 %

H P = 19.7 %

H P = 25.0 %

H P = 30.0 %

40

∆ 13.1 %

30

40 50 60 70 80 90 100

Part load [%]

Active electric motor dimensions:

30 mm

Stator thickness

Air gap

Rotor thickness

10 mm

1 mm

0.7 mm

S1

R1,1 R1,2

R2,1R2,2R3,1R3,2

R4 S2 R5 S3

Counter rotator

Finale Hybrid-Konfiguration

Axial comp.

Vereinfachte Darstellung des Gaspfads des hybrid-elektrischen Wellenleistungstriebwerks

mit den axial gegenläufigen Verdichterstufen, angetrieben durch Linearelektromotoren

Final hybrid

configuration

Simplified flow path sketch of the

hybrid-electric turboshaft with

counter-rotating axial compressor

featuring linear-electric motor drive


50 systems & aircraft technologies

RESEARCH FOCUS AREA

ystems

power

1

A


A and B


Research in aircraft systems and their

technological potentials is the focus of

the interdisciplinary “Systems &

Aircraft Technologies” research focus

area at Bauhaus Luftfahrt. Experts from

different disciplines collaborate to

target aircraft efficiency improvements,

reduce emissions and develop new

aircraft design approaches. Important

results for optimised propulsionairframe

integration, integrational

concepts for hybrid propulsion systems

and new approaches in real-time

collaboration could be shown.

51

& aircraft

technologies

Die Systeme und ihre technologischen Potenziale im Flugzeug stehen im Fokus der Arbeiten im

Forschungsschwerpunkt „Systems & Aircraft Technologies“. Mit dem Ziel, die Flugzeugeffizienz weiter

zu verbessern, Emissionen weiter zu reduzieren und neue Ansätze für die Entwicklungsprozesse zu

erarbeiten, wirken Experten aus den verschiedenen Disziplinen hier zusammen. So sind in dieser

Forschergruppe wichtige Ergebnisse erzielt worden, zum Beispiel zur besseren Antriebsaerodynamik-

Wechselwirkung, zur grundlegenden Integration hybrider Antriebe und zu neuen Ansätzen in der

Echtzeitkollaboration.

B

1

time


52 systems & aircraft technologies

Bewertung von

CO 2 -Emissionsreduktionspotenzialen

für Regionalflugzeuge

Assessing

CO 2 reduction potential

for regional aircraft

Der vorläufige Flugzeugentwurf ist ein komplexer

interdisziplinärer Prozess, der viele verschiedene

Technologien berücksichtigt. Daher sind aussagekräftige

und schnelle Methoden nötig, um den Einfluss

neuer oder alternativer Technologien zu untersuchen.

Eine bereits entwickelte Methode zur Bewertung von

Masse und Emissionen hybrid-elektrischer Antriebe

wurde verfeinert und mit aktuellen high-end Flugzeugdesign-Programmen

(APD) verglichen.

Bauhaus Luftfahrt gibt eine explizite Form zur

Beurteilung von zum Beispiel Emissionsreduktionspotenzialen

an, basierend auf dem Zusammenhang

zwischen vereinfachtem Missionsprofil, Komponentenspezifikationen

und Charakterisierung der Flugzeugmasse.

Das Missionsprofil wird durch ein mehrstufiges

Leistungsprofil, das die Spitzenleistung,

eine mittlere Steigflugleistung und die Reiseflugleistung

berücksichtigt, angenähert und mithilfe von

dimensionslosen Parametern beschrieben. Die

Methode erlaubt die Charakterisierung von hybridelektrischen

Antrieben und unterstützt, vorteilhafte

Anwendungen zu identifizieren.

Unter Verwendung dieser Methode konnte der

benötigte Kraftstoff eines typischen Kurzstreckenflugzeugs,

verglichen mit dem APD-Flugzeugentwurfsprogramm,

auf circa 2 % Genauigkeit berechnet

werden, was die hohe Validität des Vorgehens

zeigt. Eine gute Übereinstimmung mit der Referenz

ist die Voraussetzung für eine gründliche und

schnelle Bewertung verschiedener hybrid-elektrischer

Antriebe.

Daher hilft die hier beschriebene Methode, die

am besten geeigneten hybriden Antriebssysteme

zu identifizieren, und sorgt für eine transparente

analytische Nachvollziehbarkeit des Einflusses von

Technologien, um zukünftige Emissionsreduktionsziele

mit verschiedenen Energieträgern und -umwandlern

in Abhängigkeit der Leistung und Missionszeiten

skaliert auf ein Bezugssystem zu erfüllen.

Bewertung

potenzieller Emissionsreduktionen

hybrid-elektrischer

Antriebe

Assessment of

potential emissions

reductions of

hybrid-electric

propulsion systems

Preliminary aircraft design is a complex interdisciplinary

process combining technologies from a

very diverse portfolio. Thus, reasonable and fast

methods to evaluate the implications of new or

alternative technologies are required. A previously

developed method to assess the mass and

emissions impacts of various hybrid-electric

propulsion systems has been refined and compared

to state-of-the-art high-end aircraft design

tools (APD).

Bauhaus Luftfahrt therefore presents an

explicit form for the evaluation of emission

reduction potentials, for example, based upon

a correlation between a simplified mission power

demand profile, component specifications and

aircraft mass characteristics. The mission profile

is approximated by a multi-step power profile

with the help of dimensionless parameters

accounting for peak power, mean climb-out

power and cruise power. The method characterises

hybrid-electric propulsion systems allowing

for the identification of beneficial applications.

Based on this method, the calculated trip fuel

for typical state-of-the-art short-range aircraft

is within 2 %, compared to the APD aircraft

design tool, indicating a high fidelity of the assessment

method. Ensuring a good agreement to

the reference allows for a thorough and fast

evaluation of different hybrid-electric propulsion

systems.

Therefore, the method described herein helps

to identify the best-suitable hybrid power system

and provides transparent analytical traceability

for technology impact analysis in order to fulfil

future emissions reduction goals with combinations

of energy carriers and conversion devices

depending on power levels and mission times

scaled to a benchmark.


53

Näherung des Missionsleistungsprofils

und ausgewählte

Hybridisierungsstrategien

Approximation of mission

power profiles and selected

applications of hybridisation

strategies

1

2

Power

1


Power

A

∆ = 1 –

Single power source propulsion system

2

1

1

1


Time


1

Time

1


Power Power Power

1 1

A

A

Optimal power level?

A



B

A and B B

B

1 Time 1 Time

1 Time

Parameterstudie

von Hybridsystemen

1.0

0.9

Fully electric

Parameterraum der Energie- und

Leistungs hybridisierung. ø ist ein Maß

für die zeitliche Gewichtung des Beitrags

der Energiespeicher.

Parameter study

of hybrid systems

Parameter space of the energy and power

hybridisation. ø is a time-weighted

factor of the energy storage contribution.

Degree of hybridisation of energy H E

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

Ø = 0.9

Ø = 0.8

Battery

discharge

Ø = 0.7

Ø = 0.6

Ø = 0.5

Ø = 0.4

Ø = 0.3

Ø = 0.2

Ø = 0.1

0.1

0.0

Turbo-engine 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

only

Degree of hybridisation of power H P

Prof. Dr. Mirko Hornung Acting Lead of research focus area “Systems and Aircraft Technologies”

Die Zukunft der Luftfahrt wird in den nächsten Jahrzehnten zunehmend von der Notwendigkeit zum Schutz des

Klimas bestimmt werden. Hier bieten insbesondere vollelektrische, aber auch hybrid-elektrische Antriebssysteme

das Potenzial, Emissionen signifikant zu reduzieren. Jedoch erschweren die kombinatorischen Möglichkeiten und Freiheiten

beim Hybridisierungsgrad eine allgemeine Bewertung der Vor- und Nachteile von hybrid-elektrischen Antrieben. Eine grundsätzliche

Suche nach den Treibern und Potenzialen von hybriden Systemen sollte daher vorrangig im Fokus wissenschaftlicher

Arbeiten stehen, um die Luftfahrt zukunftsfähig und nachhaltig zu gestalten.

The future of aviation will be shaped in the coming decades by the need for environmental protection. In particular,

fully- or hybrid-electric propulsion systems may allow for significant emissions reductions. The large range of

combinations and the degrees of flexibility in terms of hybridisation complicate the general assessment of assets and drawbacks

of hybrid-electric systems. A key research to explore the benefits and potentials of full or partial hybrid-electric propulsion

systems should be the primary focus of scientific work in order to shape a sustainable aviation for tomorrow.


54 systems & aircraft technologies

Konzeptionelle Studie für

ein hybrid-elektrisches

Regionalflugzeug

Conceptual studies of

a future hybrid-electric

regional aircraft

Die Forschung der letzten Jahre im Bereich hybridelektrischer

Antriebskonzepte hat Bauhaus Luftfahrt

auch 2015 fortgeführt und an konkreten Anwendungsfällen

deren Potenzial auf Flugzeugebene

untersucht. Für Kurzstreckenflugzeuge mit 70 und

180 Passagieren wurden in Studien die Umsetzbarkeit

und die resultierenden technischen Anforderungen

ermittelt. Die Untersuchung verschiedener

Morphologien führte zu einem optimal aufeinander

abgestimmten Leistungsverhältnis von elektrischen

Motoren und konventionellen Triebwerken, wobei

sowohl herkömmliche als auch supraleitende Motoren

in Betracht gezogen wurden. Die elektrische

Energie wird dabei aus mitgeführten Batterien bezogen,

wodurch auf Generatoren zur Bereitstellung

elektrischer Energie durch die Gasturbinen verzichtet

werden könnte. Die resultierende Konfiguration

war ein Tri-Fan, ähnlich der Boeing 727. Unter

dem Flügel befinden sich zwei konventionelle Triebwerke,

die durch einen elektrischen Motor am Heck

unterstützt werden.

Für die 180-Passagiere-Version konnte mit einer

elektrischen Leistung von 8,5 MW und einer spezifischen

Energiedichte der Batterien von 940 Wh/kg

eine Treibstoffreduktion (block fuel) von 15 % gegenüber

einer konventionellen Referenzkonfiguration

mit gleichem Technologiestandard erreicht

werden. Die Reichweite liegt mit 1100 nm (2037 km)

im Bereich heutiger Regionalflugzeuge. Eine weitere

Verringerung der Auslegungsreichweite auf 900 nm

(1667 km) würde den Treibstoffverbrauch um 20 %

reduzieren. Alle Untersuchungen zeigten aber auch

ein höheres maximales Abfluggewicht verglichen

mit der konventionellen Referenzkonfiguration.

GT

M

AC DC

SSPC

Motor bus

BCU

SSPC

Bis zu 20 %

weniger Treibstoffverbrauch

durch hybridelektrische

Systeme möglich

Up to 20 % less

block fuel due

to hybrid-electric

architecture

possible

The research Bauhaus Luftfahrt conducted in

recent years was continued and performed for

several use cases on aircraft level. For a shortrange

aircraft seating 70 and 180 passengers,

studies were performed to evaluate the feasibility

and technical requirements for realisation of

hybrid propulsion. The analysis of different morphologies

led to an optimised power distribution

between electric motors and conventional

engines. In case of electric motors, high-temperature

superconducting (HTS) motors were also

considered. The required electric energy is provided

by batteries placed within the aircraft.

Thus, generators at the gas turbines for power

generation could be spared. Following these considerations,

a tri-fan was the consequent configuration,

similar to the Boeing 727. The configuration

consists of two conventional under-wing

engines supported by an electric motor mounted

in the aft tail.

The 180 passenger version operated with an

electric power of 8.5 MW and a battery cell-level

gravimetric specific energy of 940 Wh/kg. This

resulted in a block fuel reduction of 15 %, compared

to a conventional reference aircraft with

the same technology standard. The design range

of 1,100 nm (2,037 km) is close to that of modern

regional aircraft. A further reduction of the design

range to 900 nm (1,667 km) could further increase

the fuel reduction potential to 20 %. However,

the increased efficiency would come with a

penalty of higher maximum take-off weight,

compared to the conventional reference aircraft.


55

Vergleich zwischen den

Flugzeugtypen A320,

2035 konventionell und 2035 hybrid

Comparison between the A320,

a year 2035 conventional

and a year 2035 hybrid aircraft

Einfluss der spezifischen Energiedichte auf die Reichweite

und die Treibstoffersparnis für ein hybrid-elektrisches Flugzeug

Darstellung der Zusammenhänge zwischen Einsparpotenzial, Reichweite und spezifischer Energiedichte der verwendeten Batterien

für ein Hybrid-Flugzeug mit 180 Passagieren unter Einsatz von supraleitenden Motoren. Eine Erhöhung der akzeptierten betrieblichen

Kosten um 10 % liegt dem Diagramm zugrunde.

1,300

Battery cell-level gravimetric specific energy [Wh/kg]

1,200

1,100

1,000

900

800

700

Hybrid-electric

system trade study:

180 PAX HTS motors

battery-kerosene

1,300 mm

1,200 mm

1,100 mm

1,000 mm

900 mm

600

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Block fuel reduction [-%]

Impact of battery cell-level gravimetric specific energy

on range and block fuel reduction for a hybrid-electric aircraft

Representation of the dependencies between block fuel reduction, range and battery cell-level gravimetric specific energy of the

batteries for a hybrid-electric aircraft with 180 passengers using HTS motors. The diagram is based on an increase of accepted cash

and additional operating costs of 10 %.


56 systems & aircraft technologies

Fortschritte in der

Optimierung des „Propulsive

Fuselage“-Konzepts

Progress in optimising

the propulsive fuselage

aircraft concept

Bauhaus Luftfahrt hat die Untersuchungen des

vielversprechenden „Propulsive Fuselage“-Konzepts

(PFC) zur Antriebsintegration fortgeführt. Das Konzept

beruht auf der Einsaugung der Rumpf-Grenzschicht

zur Auffüllung des Impulsdefizits im Nachlauf

des Flugzeugs, was eine signifikante Reduktion

der zu installierenden Antriebsleistung ermöglicht.

Zu diesem Zweck ist in der untersuchten Konfiguration

ein spezieller „fuselage fan“ im Rumpfheck

integriert, für den eine potenzielle Markteinführung

im Jahr 2035 angestrebt ist. Zwei konventionell

unter dem Flügel installierte Turbofan-Triebwerke

mit Technologiestand 2035 decken den restlichen

Schubbedarf ab.

Auf der methodischen Grundlage des DisPURSAL-

Projekts 1 (vgl. Jahrbuch 2014) wurden flugzeugintegrierte

Auslegungsstudien durchgeführt. Abbildung

1 zeigt zum Beispiel die Implikationen, die sich

aus einer Variation der Einlaufhöhe des „fuselage

fan“ ergeben. Das Leergewicht (OEW) steigt aufgrund

der Installation des Rumpf-Antriebssystems

an. Der Missionskraftstoffverbrauch ergibt sich aus

den kombinierten Effekten der Antriebsintegration

und der Flugzeugaerodynamik. Im gewählten Auslegungspunkt

weist das Konzept eine Kraftstoffeinsparung

von 9,2 % im Vergleich zu einem ähnlich

fortschrittlichen, konventionellen Referenzflugzeug

auf. Das maximale Abfluggewicht (MTOW) unterscheidet

sich kaum von der konventionellen Referenz.

Als Alternative zum primär untersuchten

mechanischen Antriebsstrang wurden auch erste

Untersuchungen zu einer turbo-elektrischen Topologie

angestellt, bei der die nötige „fuselage fan“-

Leistung aus den konventionell installierten Triebwerken

stammt (Abb. 2). Solch eine Lösung könnte

die Antriebsintegration im Rumpfheck deutlich vereinfachen

und zu einem noch größeren Vorteil in

der Gesamteffizienz des Flugzeugs führen.

1 Das Projekt DisPURSAL wurde durch das 7. Forschungsrahmenprogramm

der Europäischen Union gefördert (Fördernummer 323013).

Das Konzept

weist neben

konventionell

installierten

Turbofans

einen im Heck

installierten

Fan auf.

(Bild: Mit freundlicher

Genehmigung des

DisPURSAL-Konsortiums)

The concept

features a

boundarylayer-ingesting

fuselage fan

in conjunction

with underwing

podded

turbofans.

(Image: Courtesy of

DisPURSAL Consortium)

As a promising approach towards synergistic propulsion-airframe

integration, Bauhaus Luftfahrt

has continued its analysis of the propulsive fuselage

concept (PFC). The PFC utilises boundarylayer

ingestion realised by an aft-installed fan in

order to facilitate wake filling, thereby significantly

reducing the required propulsive power

demand. In the studied configuration, the PFC,

targeting an entry-into-service year of 2035,

features a fuselage fan primarily serving the purpose

of wake filling, while two advanced wingpodded

turbofans deliver any residual thrust.

Building upon methods developed as part of

the DisPURSAL project 1 (see 2014 Yearbook), aircraft-integrated

design studies were conducted.

Figure 1 shows, for example, the implications of

varying fuselage fan intake duct heights. The

operating empty weight (OEW) increases monotonically

due to the installation of the additional

fuselage power plant, while the block fuel characteristic

results from the combined impact of

propulsion system integration and aircraft aerodynamics.

Having selected a best-and-balanced

design, fuel savings of 9.2 %, compared to an

equally advanced conventional reference aircraft,

are obtained. The maximum take-off weight

(MTOW) characteristic is not significantly increased

over the conventional reference. As an

alternative to the mechanical fuselage fan drive

train, initial investigations on a turbo-electric

layout with power off-takes from the under-wing

podded engines were conducted (Fig. 2). Such a

solution could simplify the aero-structural integration

of the fuselage fan, while potentially

allowing for an even higher benefit in vehicular

efficiency.

1 The project DisPURSAL received funding from the European Union’s

7th Framework Programme under grant agreement no. 323013.


57

Abbildung 1:

Flugzeug-integrierte

Designstudien

Integrierte Eigenschaften des

„Propulsive Fuselage“-Konzepts,

jeweils im Vergleich zu einem

auf das Jahr 2035 ausgelegten

konventionellen Flugzeug

Rel. change in MTOW [%]

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

Rel. change in OEW [%]

9.0

8.0

7.0

6.0

5.0

Rel. change in block fuel [%]

-6.5

-7.0

-7.5

-8.0

-8.5

Block fuel

OEW

MTOW

Selected

design

point

1.0

4.0

Figure 1:

Aircraft-integrated

design studies

0.5

3.0

-9.0

Integrated characteristics of the

propulsive fuselage concept, compared

to a year 2035 advanced conventional

aircraft

0.0

2.0

-9.5

0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70

Fuselage fan intake duct height (h AIP ) [m]

Abbildung 2: Schematische Darstellung aero-struktureller

Integrationsoptionen des Fuselage-Fan-Antriebs

Aft-fuselage

contour

Intake

strut

Fan

rotor

Fan

stator

Gas turbine

core intake

Vertical fin

Gas turbine

engine

Core

exhaust

z

x

Paradigm shift

Aft-fuselage

contour

Vertical fin

Fan

rotor

Fan

stator

Electric drive

motor

z

x

Figure 2: Schematics of aero-structural

integration options for fuselage fan wake filling device


58 systems & aircraft technologies

Nachwachsende

Rohstoffe als Option

für Flügelstrukturen

Renewable materials

options for aircraft

wing structures

Mit den Zielen einer Reduzierung von CO 2 -Emissionen,

der Unabhängigkeit von fossilen Ressourcen

und einer größeren Autonomie gegenüber Preisschwankungen

werden Rohstoffe aus erneuerbaren

Quellen für Luftfahrtanwendungen gesucht. Im

Allgemeinen bieten mit Endlosfasern verstärkte

Polymer-Verbundwerkstoffe gute mechanische

Eigenschaften, die sie zu idealen Leichtbau-Kandidaten

machen, insbesondere im Vergleich zu „traditionellen“

Materialien wie Aluminium. Innovative

Faserverbundwerkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen,

die ähnliche mechanische Eigenschaften

aufweisen wie herkömmlich hergestellte faserverstärkte

Polymere, könnten daher dazu beitragen,

nicht nur den Treibstoffverbrauch, sondern auch den

ökologischen Fußabdruck von Flugzeugen zu senken.

Bauhaus Luftfahrt war imstande, Ramiefasern als

ein geeignetes Material, das den Anforderungen

der Luft- und Raumfahrt in Bezug auf die Materialfestigkeit

entspricht, zu identifizieren.

Auf Flugzeugebene dürfen Flügel aus nachwachsenden

Rohstoffen höchstens das gleiche Gewicht

besitzen wie Flügel aus etablierten Luftfahrt-Materialien.

Durch die Erhöhung der Flügelstreckung

kann die aerodynamische Effizienz im zweistelligen

Prozentbereich verbessert werden, was aber zu

einem erhöhten Flügelstruktur-Gewicht führt. Erste

Abschätzungen ergaben, dass Flügel mit hoher

Streckung und aus nachwachsenden Rohstoffen zu

einem vergleichbaren Ergebnis in Bezug auf die

Flügelgewichtsreduktion führen wie herkömmliche

faserverstärkte Polymere. In weiteren Schritten

sollen die Materialeigenschaften von nachwachsenden

Rohstoffen untersucht und mit den Anforderungen

der Luftfahrt abgeglichen werden.

C

C 2

Di =

pe AR

Die Formel

beschreibt die

Abhängigkeit des

wirbelinduzierten

Widerstands

von der Flügelstreckung.

The formula

describes the

dependency of

the vortexinduced

drag

from the aspect

ratio of a wing.

Ambitious targets for the reduction of CO 2 , the

pursuit of independence from fossil resources

and the demand for cost control have driven efforts

to search for raw materials from renewable

resources for aeronautical applications. In general,

polymer composites reinforced with endless

fibres offer good mechanical properties, making

them ideal candidates for lightweight design,

compared to conventional materials such as aluminium.

Advanced fibre composites made from

renewable resources, which have similar mechanical

properties to “traditionally” produced

carbon fibres reinforced polymers, would therefore

contribute to lower fuel burn in operation

due to lower structural weights than aluminium.

Additionally, these composites have the potential

to decrease an aircraft’s carbon footprint. Bauhaus

Luftfahrt was able to identify ramie fibres as

a suitable raw material meeting the requirements

in aerospace in terms of material’s stiffness and

strength.

With an increase of wing’s aspect ratio, a

double-digit improvement of the aerodynamic

performance can be expected, but, consequently,

at a higher structural wing weight. To maintain

a benefit on overall aircraft level, high aspect

ratio wings out of renewable materials have to

be the same weight or lower, compared to established

aerospace materials. A first assessment

performed by Bauhaus Luftfahrt showed that, for

high aspect ratio wings, renewable materials

lead to a similar outcome in terms of wing weight

reduction, compared to conventional carbon fibres

reinforced polymers. As a next step, besides

mechanical properties, further characteristics of

renewable raw materials to sustain operational

conditions must be studied.


59

Einordnung von erneuerbaren

Alternativen (grün) in Bezug auf konventionelle

kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe

Renewable alternatives

(green) to conventional carbon

fibres reinforced polymers

Polymer composites

Matrix

Fibres

Thermosets

Thermoplastics Inorganic fibres Natural fibres Organic fibres

Epoxy resin

Nanocellulose

reinforced PLA

Glass

Hemp

Aramide

Phenol-furfural resin

Carbon

Ramie

Einfluss verschieden hoher Streckungen

auf die Flügelgeometrie

Change in wing geometry

due to different aspect ratios (AR)


60 facts and figures

acts


finances

5,000,000

4,500,000

4,000,000

3,500,000

3,000,000

2,500,000

2,000,000

1,500,000

30

29

28

27

26

25

24

23

22

21

20

19

18

17

16

15

personnel

and figures

61

journal articles

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

conference contributions


62

facts and figures

Finanzen

Finances

Die auf neue Projekte innerhalb Horizont 2020 sowie

neue nationale Forschungsvorhaben begründete

Zunahme der Drittmitteleinnahmen um +72 TEUR

auf 843 TEUR konnte im Geschäftsjahr 2015 die

negativen Effekte aufgrund eines Strategiewechsels

der Industriepartner nicht kompensieren: Die Erträge

aus Forschungsaufträgen und Kooperationen mit

der Industrie halbierten sich auf 864 TEUR. Der Umsatzrückgang

konnte durch die Entscheidung, fremdbezogene

Forschungsleistungen durch eigene zu

ersetzen, teilweise aufgefangen werden.

Wie erwartet sind in Summe die Umsatzerlöse

im Vergleich zum Vorjahr um -722 TEUR (-15 %)

gefallen.

Für das Jahr 2016 erwartet Bauhaus Luftfahrt

einen moderaten Anstieg der Erträge aus Industrieprojekten.

Aufgrund neuer nationaler und internationaler

Forschungsvorhaben werden die Drittmitteleinnahmen

aus Förderprojekten voraussichtlich

deutlich über dem Vorjahresniveau liegen.

New projects within Horizon 2020 as well as new

national research projects increased third-party

income by +72,000 € to 843,000 €, but could not

compensate for the negative impacts of an

industrial partners’ change in strategy: income

generated from research contracts and co-operation

with industrial partners decreased by almost

-50 % to 864,000 €. The decrease in sales has

partially been compensated for by the decision to

substitute third-party research services with

in-house research work.

As expected, the total turnover decreased by

-722,000 € (-15 %), compared to the previous year.

Bauhaus Luftfahrt expects a moderate increase

in income generated from industrial projects for the

fiscal year 2016. As a result of new national and

international research projects, third-party income

will be significantly above the previous year’s level.

[€]

5,000,000

4,500,000

4,000,000

3,500,000

3,000,000

2,500,000

2,000,000

1,500,000

1,000,000

500,000

0

2013 2014 2015

Forschungsaufträge Industrie

Industry research contracts

Drittmittel-Förderprojekte (national/EU)

Third-party-funded projects (national/EU)

Mitgliedsbeiträge

Membership fees

Zuwendung Freistaat Bayern/Spenden

Grants from the Free State of Bavaria/ donations


63

Personal

Personnel

Der Personalbestand des Jahres 2015 stellt sich

im Vergleich zu den Vorjahren mit 43 Mitarbeitern

konstant dar. Auf der wissenschaftlichen Seite

konnte eine frei gewordene Stelle kurzfristig nicht

nachbesetzt werden, weshalb sich die Anzahl

der Wissenschaftler leicht rückläufig zeigt. Von

27 wissenschaftlichen Mitarbeitern bei Bauhaus

Luftfahrt weisen 14 eine abgeschlossene Promotion

auf. Der Anteil der Wissenschaftlerinnen konnte

sich erneut leicht auf nun 22 % verbessern.

Von drei bei Bauhaus Luftfahrt eingesetzten

Stipendiaten des Promotionsstipendienprogramms

von Munich Aerospace konnte einer nach erfolgreichem

Promotionsabschluss seinen Einsatz planmäßig

beenden. Im Jahresverlauf waren 22 Studenten

aus sieben Nationen bei Bauhaus Luftfahrt

beschäftigt.

Preise und Anerkennungen bestätigen auch in

2015 den Ruf von Bauhaus Luftfahrt als international

ausgerichtete Ideenschmiede mit einem hochqualifizierten,

interdisziplinär aufgestellten Team.

Für das Jahr 2016 plant Bauhaus Luftfahrt eine

moderate Erhöhung der Anzahl an wissenschaftlichen

Mitarbeitern und Studenten.

With 43 employees, the staffing levels remained

constant in 2015, compared to previous years. On

the scientific side, a vacant position could not be

filled in the short term, which is why the number

of scientists shows a slight decline. 14 out of

27 scientific staff members at Bauhaus Luftfahrt

hold a PhD. The proportion of female scientists has

improved again slightly to now be 22 %.

From three Munich Aerospace scholarship

recipients employed by Bauhaus Luftfahrt, one was

able to complete his scholarship on schedule, after

successful completion of his PhD. During the year,

22 students from seven nations worked at Bauhaus

Luftfahrt.

In 2015, prizes and awards have once again

solidified the reputation of Bauhaus Luftfahrt as an

internationally-oriented think tank with a highly

qualified, interdisciplinary research team. For the

year 2016, Bauhaus Luftfahrt is planning to

moderately increase the number of scientific staff

and students.

Executives

Scientists

Administration

Students

Munich Aerospace

scholarship holders

1

29

13

14

1

2

28

14

10

3

2

27

14

6

2

Mitarbeiter

(am Jahresende)

Employees

(end of the year)

2013

2014

2015


64

facts and figures

Zeitschriftenaufsätze

Journal articles

01.12.2015 The Aeronautical Journal | Vol. 119, No. 1221, S. 1327–1376

Distributed propulsion and ultra-high by-pass rotor study at aircraft level

Autoren/authors: A. T. Isikveren, A. Seitz, J. Bijewitz, A. Mirzoyan, A. Isyanov, R. Grenon, O. Atinault,

J.-L. Godard, S. Stückl

20.11.2015 Progress in Aerospace Sciences | Vol. 79, S. 114 –135

Conceptual design of hybrid-electric transport aircraft

Autoren/authors: C. Pornet, A. T. Isikveren

19.11.2015 Solar Energy | Vol. 122, S. 1296 –1308

Modular reactor model for the solar thermochemical production of syngas incorporating counter-flow

solid heat exchange

Autoren/authors: C. Falter, A. Sizmann, R. Pitz-Paal

11.10.2015 International Journal of Aviation Management | Vol. 2, Nos. 3/4

Scenario-based life-cycle cost assessment of future air transport concepts

Autoren/authors: M. Schmidt, K. O. Plötner, G. Öttl, A. T. Isikveren, M. Hornung

05.10.2015 International Journal of Aviation Management | Vol. 2, Nos. 3/4

Air traffic growth, energy, and the environment 2040: drivers, challenges, and opportunities for aviation

Autoren/authors: N. Randt, C. Jeßberger, K. O. Plötner, A. Becker

25.09.2015 CEAS Aeronautical Journal | Vol. 6, No. 4, S. 599 – 611

Impact of short- to medium-haul aircraft block time changes on airline yields

Autoren/authors: K. O. Plötner, M. Schmidt, T. Röhm, M. Hornung

01.06.2015 Zeitschrift für Verkehrswissenschaft | Vol. 86, No. 1, S. 47 – 64

Theoretical foundations relevant for the analysis of hub airport competition

Autor/author: A. Paul

15.04.2015 Energy & Fuels | Vol. 29, No. 5

Demonstration of the entire production chain to renewable kerosene via solar thermochemical splitting

of H 2 O and CO 2

Autoren/authors: D. Marxer, P. Furler, J. Scheffe, H. Geerlings, C. Falter, V. Batteiger, A. Sizmann, A. Steinfeld


65

Konferenzbeiträge

Conference contributions

30.11.2015 aireg-Konferenz „Die Zukunft beginnt – Innovationen für eine klimafreundliche Luftfahrt“ | München

SOLAR-JET – Solar chemical reactor demonstration and optimization for long-term availability of renewable

JET fuel

Autoren/authors: A. Sizmann, C. Falter, V. Batteiger

25.10.2015 ISABE 2015, 22nd International Symposium on Air Breathing Engines | Phoenix

Conceptual studies of future hybrid-electric regional aircraft

Autoren/authors: A. T. Isikveren, C. Pornet, P. C. Vratny, M. Schmidt

22.10.2015 ACI‘s 5th Carbon Dioxide Utilisation Summit | Dresden

CO 2 utilization for solar thermochemical aviation fuels – project results from SOLAR-JET

Autoren/authors: V. Batteiger, C. Falter, A. Sizmann

20.10.2015 Aerodays2015 | London

DisPURSAL – distributed propulsion and ultra-high by-pass rotor study at aircraft level

Autor/author: A. Seitz

20.10.2015 Aerodays2015 | London

Progress and perspectives of solar fuels

Autoren/authors: A. Sizmann, C. Falter, V. Batteiger

12.10.2015 13th Broadsky Workshop: Primetime in the Air | Bologna

Future broadband aeronautical communication: Opportunities and challenges for SatCom

Autoren/authors: O. Lücke, K.-D. Büchter, A. Sizmann, F. Moll

30.09.2015 4th Conference on Carbon Dioxide as Feedstock for Fuels, Chemistry and Polymers | Essen

Sunlight-to-liquid based on solar thermochemical reduction of CO 2 : Progress and perspectives

Autoren/authors: A. Sizmann, C. Falter, V. Batteiger

22.09.2015 64. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2015 | Rostock

Air traffic resilience scenarios

Autoren/authors: P. Heinemann, C. Jeßberger, M. Cole, A. Knoll

22.09.2015 64. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2015 | Rostock

Future aircraft wing structures using renewable materials

Autoren/authors: U. Kling, D. Empl, O. Boegler, A. T. Isikveren

22.09.2015 64. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2015 | Rostock

Influences of voltage variations on electric power architectures for hybrid energy aircraft

Autoren/authors: P. C. Vratny, H. Kuhn, M. Hornung


66

facts and figures

Konferenzbeiträge

Conference contributions

22.09.2015 64. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2015 | Rostock

TERA – energy recuperation for aviation project overview and potentials

Autoren/authors: C. Bode, J. Friedrichs, R. Somdalen, J. Köhler, K.-D. Büchter, C. Falter, U. Kling, P. Ziolkowski,

K. Zabrocki, E. Müller, D. Kozulovic

22.09.2015 SAE 2015 AeroTech Congress & Exhibition | Seattle

Novel aircraft ground operation concepts based on clustering of interfaces

Autoren/authors: M. Schmidt, P. Nguyen, M. Hornung

10.09.2015 COST Action IC1101 OPTICWISE MC Meeting | Istanbul

Free-space optical links in airborne communication networks

Autor/author: K.-D. Büchter

07.09.2015 4th International Workshop on Optical Wireless Communication (IWOW) | Istanbul

Modeling of high-capacity aeronautical communication networks with free-space optical links

Autor/author: K.-D. Büchter

27.07.2015 AIAA Propulsion & Energy Forum and Exposition 2015 | Orlando

A composite cycle engine concept with hecto-pressure ratio

Autoren/authors: S. Kaiser, S. Donnerhack, A. Lundbladh, A. Seitz

05.07.2015 Air Transport Research Society World Conference 2015 | Singapore

Towards seamless passenger transport: Performance of intermodal approaches

Autoren/authors: M. Urban, A. Paul, M. Cole

22.06.2015 AIAA AVIATION 2015 | Dallas

Determining airport airside capacity utilization: A demand-driven approach

Autoren/authors: C. Schinwald, M. Schmidt, M. Hornung

22.06.2015 AIAA AVIATION 2015 | Dallas

Estimating the fuel saving potential of commercial aircraft in future fleet-development scenarios

Autoren/authors: N. Randt, C. Jeßberger, K. O. Plötner

22.06.2015 AIAA AVIATION 2015 | Dallas

Potential technical pathways in realising low emissions aircraft

Autor/author: A. T. Isikveren

22.06.2015 AIAA AVIATION 2015 | Dallas

Selected array of technology and systems options for ecologically responsible aviation

Autoren/authors: A. T. Isikveren, D. Empl, U. Kling, K. O. Plötner, C. Pornet


67

Konferenzbeiträge

Conference contributions

20.04.2015 AVT-230 Specialists Meeting on “Advanced Aircraft Propulsion Systems“ | Rzeszów

Alternative fuels for aviation: Technical potential of biofuels and beyond

Autoren/authors: A. Roth, V. Batteiger, F. Riegel, C. Falter, C. Endres

20.04.2015 AVT-230 Specialists Meeting on “Advanced Aircraft Propulsion Systems“ | Rzeszów

Pre-concept investigation of hybrid- and full-electric aero propulsion

Autoren/authors: A. Seitz, M. Hornung

26.03.2015 EU-Japan Symposium – Electrical Technologies for the Aviation of the Future | Tokyo

Advanced batteries for future aviation: Problems, progress and perspectives

Autoren/authors: A. Sizmann, H. Kuhn

24.02.2015 5th International Workshop on Aircraft System Technologies (AST 2015) | Hamburg

Technical challenges in realising the benefits of eAviation

Autor/author: A. T. Isikveren

23.02.2015 16th Australian International Aerospace Conference (AIAC) | Melbourne

Design of a light, four-seat, zero-emissions aircraft

Autoren/authors: J. Page, J. Olsen, A. T. Isikveren

26.01.2015 Next Generation Aircraft Concepts and Related Breakthrough and Emerging Technologies

in Aeronautics and Aviation Workshop | Amsterdam

The DisPURSAL project: Investigation of propulsive fuselage and distributed propulsion aircraft concepts

Autor/author: J. Bijewitz


68 facts and figures

Studienarbeiten

Theses and term papers

30.11.2015 Master-/Diplomarbeit an der Technischen Universität | München

Operationelle Implikationen und Kosten von standardisierten Batterien für eine elektrifizierte Luftfahrt

Autor/author: P. Duffner

24.11.2015 Master-/Diplomarbeit am Instituto Superior Técnico | Lisbon

Enhanced methods development for high-end low-fidelity numerical wing weight and flutter prediction

Autor/author: A. Carvalho de Paulo

20.11.2015 Master-/Diplomarbeit an der Technischen Universität | München

Ökonomische Modellierung von Ein- und Ausflottverhalten von neuartigen Verkehrsflugzeugen

Autor/author: K. Strohrmann

11.11.2015 Dissertation, University of Bamberg Press | Bamberg

Knowledge-based decision making in complex environments – methodological aspects of proactive

airport security management

Autor/author: M. Cole

30.09.2015 Semesterarbeit an der Technischen Universität | München

Bewertung von neuartigen Kabinenarchitekturen mithilfe von Agenten-basierter Simulation

Autor/author: M. Engelmann

18.09.2015 Bachelorarbeit an der Ludwig-Maximilians-Universität | München

An economic analysis of global air traffic

Autor/author: G. Menacher

01.09.2015 Master-/Diplomarbeit an der Technischen Universität | München

Konzeptionelle Auslegung eines hybridelektrischen Hubschraubers

Autor/author: M. Shamiyeh

30.04.2015 Semesterarbeit an der Technischen Universität | München

Bewertung von neuartigen Kabinenlayouts im Flugzeugentwurfsprozess

Autor/author: S. Weber

27.04.2015 Master-/Diplomarbeit an der Technischen Hochschule | Wildau

Analyse und Vergleich zukünftiger Low-cost-Langstreckengeschäftsmodelle von Fluggesellschaften

und Auswirkungen auf europäische Flughäfen

Autor/author: L. Hamann

31.03.2015 Master-/Diplomarbeit an der Technischen Universität | München

Anforderungen an neuartige Flugzeugkonzepte auf Basis einer statistischen Analyse von Flugzeugoperationen

Autor/author: S. Sommer


69

Studienarbeiten

Theses and term papers

Patente

Patents

31.03.2015 Semesterarbeit an der

Technischen Universität | München

Simulation eines axialen gegenläufigen

Verdichters für hybride Triebwerke

Autor/author: A. Heilmann

28.02.2015 Bachelorarbeit an der

Technischen Universität | München

Regel-basierte Simulation und Bewertung von

Bodenabfertigungsprozessen zur Definition von

zukünftigen Flugzeugkonzepten

Autor/author: D. Leitzbach

27.02.2015 Semesterarbeit an der

Technischen Universität | München

Entwurf und Auslegung eines multifunktionalen

Flugzeugabfertigungsfahrzeuges

Autor/author: M. Stegmiller

DE 102008022452 A1

Deutsches Patent- und Markenamt | München

Flugzeug mit aktiv steuerbaren Hilfsflügeln

Erfinder/inventor: J. Wittmann

DE 102008024463 B4

Deutsches Patent- und Markenamt | München

Flugzeugantriebssystem

Erfinder/inventor: A. Seitz

DE 102012015104.7

Deutsches Patent- und Markenamt | München

Fahrzeugtriebwerk, Fahrzeug mit diesem

Fahrzeugtriebwerk und Verfahren

zum Betrieb dieses Fahrzeugtriebwerkes

Erfinder/inventor: 0. Schmitz

24.02.2015 Dissertation,

Ludwig-Maximilians-Universität | München

Liquid decision making: Applying the market

metaphor to collective decision making

Autor/author: S. Leutenmayr


70

facts and figures

Medienberichterstattung

Media coverage

Expertenvorträge

(exkl. Konferenzen)

Expert talks

(excl. conferences)

Pressemitteilungen von

Bauhaus Luftfahrt

Press releases issued

by Bauhaus Luftfahrt

Nationale Expertenvorträge

(ohne Konferenzen)

National expert lectures

(w/o conferences)

Medienberichte über

Bauhaus Luftfahrt

Media reports on

Bauhaus Luftfahrt

Internationale Expertenvorträge

(ohne Konferenzen)

International expert lectures

(w/o conferences)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

0 2 4 6 8 10 12 14

Printmedien

Print media

2013

2013

Onlinemedien

Online media

2014

2015

2014

2015

Audiovisuelle Medien

Audio-visual media

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Impressum

Imprint

Bauhaus-Luftfahrt-Jahrbuch 2015

Herausgeber /Publisher

Bauhaus Luftfahrt e. V.

Willy-Messerschmitt-Str. 1, 82024 Taufkirchen

www.bauhaus-luftfahrt.net

Redaktion /Editor

Florian Riegel

Autoren /Authors

Julian Bijewitz

Dr. Kai-Daniel Büchter

Fabio Campisi

Dr. Mara Cole

Christoph Falter

Philipp Heinemann

Prof. Dr. Mirko Hornung

Dr. Christoph Jeßberger

Sascha Kaiser

Ulrich Kling

Dr. Lily Koops

Dr. Holger Kuhn

Insa Ottensmann

Annika Paul

Dr. Kay Plötner

Florian Riegel

Dr. Arne Roth

Michael Schmidt

Dr. Arne Seitz

Dr. Andreas Sizmann

Patrick Vratny

Bildnachweise /Picture credits

S. 4: MTU Aero Engines, S. 6: Jan Greune, S. 10 –11: Tobias Tschepe, S. 14: Jan Greune/Fotolia (Anton

Balazh)/German Wikipedia, original upload 29. Okt 2004 by Anton (selfmade), S. 16: German Wikipedia,

original upload 29. Okt 2004 by Anton (selfmade), S. 18 –19: Fotolia (Anton Balazh)/Jan Greune, S. 20:

Jan Greune/iStockphoto (encrier/Maxiphoto), S. 22: Fotolia (godfer), S. 24: iStockphoto (encrier),

S. 28 – 29: iStockphoto (Maxiphoto)/Jan Greune, S. 30: Jan Greune, S. 32 – 33: Technische Universität

München/d-maps.com, S. 34: Jan Greune, S. 36 – 37: Fotolia (Maksim Pasko/micro_photo)/Jan Greune,

S. 38: iStockphoto (rebius), S. 40: Jan Greune/iStockphoto (pearleye), S. 43: Jan Greune, S. 44 – 45: Fotolia

(Nyo009)/Jan Greune, S. 46: publicdomainvectors, S. 50: Jan Greune/Bauhaus Luftfahrt e. V., S. 52:

Bauhaus Luftfahrt e. V., S. 55: Bauhaus Luftfahrt e. V., S. 56: DisPURSAL-Konsortium, S. 60: iStockphoto

(Viktor Pryymachuk/nicoolay/acilo/adventtr/loveguli/NicoElNino)

Konzept, Layout, Grafiken /Concept, layout, graphics

Jutta Dyhr Gerd Grieshaber GbR, Neufahrn, www.dyhrgrieshaber.de

Druck /Print

Kessler Druck + Medien GmbH & Co. KG, Bobingen

Auflage /Circulation

500 Exemplare/500 copies

Aus Gründen der Lesefreundlichkeit

verzichten wir auf die

explizite Nennung der weiblichen

Form. Wenn zum Beispiel von

Mitarbeitern die Rede ist, sind

selbstverständlich auch die

Mitarbeiterinnen gemeint.


cid:1FA67AD3-CDBD-41FC-98F5-5681D97A7DA8@fritz.box


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10 Jahre Bauhaus Luftfahrt

10 years Bauhaus Luftfahrt

In 2015 feierte Bauhaus Luftfahrt sein 10-jähriges Bestehen

als interdisziplinäre Luftfahrt-Forschungseinrichtung.

In 2015, Bauhaus Luftfahrt celebrated its 10th anniversary

as an interdisciplinary research institution for aviation.

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