Jahrbuch Bauhaus Luftfahrt 2016

52 energy technologies & power systems
Auswertung von
Flugzeugkonzepten
mit synergetischer
Antriebsintegration
A review of synergistic
propulsion-airframe
integration
Die stärkere Integration des Antriebssystems stellt
eine vielversprechende Möglichkeit dar, signifikante
Verbesserungen der Flugzeugeffizienz zu erzielen.
Die erwarteten Synergieeffekte umfassen verschiedene
Disziplinen wie Aerodynamik, Antrieb, Struktur
und Flugsteuerung. In dieser Hinsicht wurden die
Grenzschichteinsaugung und die Kompensation des
Impulsdefizits im Nachlauf als besonders interessant
identifiziert. In der Abbildung rechts oben ist
eine konzeptionelle Darstellung des vom Bauhaus
Luftfahrt untersuchten Propulsive-Fuselage-Konzepts
gezeigt, hier in der Ausführung mit turboelektrisch
betriebenem Antrieb im Rumpfheck.
Des Weiteren hat das Bauhaus Luftfahrt aktuell
veröffentlichte Konzepte analysiert, die auf eine
synergetische Antriebsintegration abzielen. Die
erfassten Konzepte reichten von unbemannten Flugzeugen
bis zu Langstreckenkonfigurationen in Blended-Wing-Body-Ausführung.
Die Abbildung rechts
unten veranschaulicht die wachsende Aufmerksamkeit,
die vor allem in der jüngsten Zeit auf die Realisierung
einer stärker integrierten Triebwerksanordnung
gerichtet ist. Es kann gefolgert werden, dass
für kleine Flugzeugtypen ein voll- oder hybridelektrischer
Antrieb im Fokus vieler Untersuchungen steht,
da Flugzeuge mit kürzeren Reichweiten im Vergleich
zu größeren Typen stärker davon profitieren können.
Auch für Langstreckenflugzeuge ist eine allmähliche
Abkehr vom mechanischen Antriebsstrang erkennbar.
Ebenfalls dargestellt ist das Produkt aus Nutzlast
und Reichweite pro Energieaufwand (PREE) der Konzepte.
Die Abbildung wird mit Konturen des Verhältnisses
von Nutzlast zu erforderlicher Energiemasse
ergänzt. Es ist erkennbar, dass die synergetische
Kombination aus aerodynamischen Verbesserungen,
Gewichtsreduktionsmaßnahmen und einem fortschrittlichen
Antriebssystem für die meisten Konzepte
wesentliche Vorteile in PREE sowie Verbesserungen
des Nutzlast-Energie-Massenanteils ermöglicht.
Vertical fi n
Electric drive
motor
Fan rotor
Fan stator
Im Rumpfheck
installierter turboelektrisch
betriebener
Antrieb des
Propulsive-Fuselage-Konzepts
Turbo-electrically
driven aft-fuselage
propulsor of the
Propulsive Fuselage
concept
More closely integrated propulsion systems may
be a promising avenue towards significant improvements
in aircraft energy efficiency. Expected
synergy effects cover various disciplines, such as
aerodynamics, propulsion, structures, and flight
controls. In this respect, the principles of boundary
layer ingestion and wake filling have been
identified as particularly interesting. An artist
view of Bauhaus Luftfahrt’s Propulsive Fuselage
concept featuring turbo-electric drive for the aftfuselage
propulsion system is shown in the figure
top right.
Bauhaus Luftfahrt has also analysed recently
published concepts targeting such synergistic
propulsion-airframe integration. The surveyed
concepts ranged from unmanned vehicles to
long-range blended wing body layouts. The figure
bottom right illustrates the growing attention
devoted to realising a more closely integrated propulsion-airframe
arrangement, especially in the
most recent timeframe. It can be concluded that,
for small aircraft types, fully or hybrid-electric propulsion
is in the focus of many investigations, as
aircraft with shorter design ranges may benefit
more compared to larger types. However, even for
long-range aircraft, a gradual departure from the
purely mechanical drive train is noticeable. Also
shown is the payload range energy efficiency
(PREE) of the concepts. The figure is supplemented
with contours of the payload-to-energy mass fraction.
It is visible that, for most screened concepts,
the synergistic combination of aerodynamic
advances, weight reduction technologies, and
power plant efficiency enhancements allows for
substantial benefits in PREE as well as increased
values in the payload-to-energy mass fraction.