Bauhaus Luftfahrt Jahrbuch 2019

56 energy technologies
& power systems
Erste Abschätzung
des theoretischen
Potenzials von
Flugzeugoberflächen
als Wärmesenke
Initial Evaluation
of Aircraft Surface
Heat Exchanger
Potential
Durch neue Antriebskonzepte, etwa mit (hybrid-)
elektrischer Leistungsübertragung, erhöht sich
die thermische Systembelastung des Flugzeuges
drastisch. Eine Hochskalierung eines konventionellen
Wärmemanagementsystems (WMS), das
mit externen Radiatoren arbeitet, würde neben
Zusatzgewichten zu großen Druckverlusten auf der
Kaltseite der Radiatoren und damit zu einem hohen
Luftwiderstand führen. Das Bauhaus Luftfahrt
untersucht das Potenzial vorhandener Flugzeugoberflächen
als Wärmesenke mit Reduzierung
des Luftwiderstandes des WMS. Die Nutzung
vorhandener Flugzeugoberflächen zur Wärmeabfuhr
könnte nicht nur zusätzlichen Widerstand vermeiden,
sondern – wenn geschickt angeordnet – sogar
zu aerodynamischen Verbesserungen führen.
In einer ersten Potenzialabschätzung wurde die
Wärmesenkenkapazität der Flugzeugoberflächen
für verschiedene Flugzeuge vom kleinen Regionalflugzeug
bis hin zum Großraumjet analysiert und
mit den zu erwartenden Wärmelasten von elektrischen
Hybridantrieben verglichen. Das Verhältnis
dieser beiden Größen (C Q ) muss größer als eins
sein, um einen stationären Betrieb zu ermöglichen.
Es zeigt sich, dass kleinere Flugzeuge für Oberflächenkühlungskonzepte
besser geeignet sind. Je
nach Startgewicht müssen für ein vollelektrisches
Flugzeug Oberflächentemperaturen zwischen 85 °C
und 125 °C während des Starts an heißen Tagen
erreicht werden, um C Q > 1 zu gewährleisten. Mit
abnehmendem Grad der Leistungshybridisierung
(H P ) sinkt die erforderliche Oberflächentemperatur
deutlich. Die Erwärmung der Oberflächen führt
zu einer Reduzierung des Reibungswiderstandes,
solange sie nur in Bereichen turbulenter Umströmung
stattfindet. Die Quantifizierung dieses Effektes
ist einer der nächsten Schritte, um den Vorteil
einer Oberflächenkühlung gegenüber einem konventionellen
WMS-Konzept aufzuzeigen.
Die Nutzung der Flugzeugoberfläche
als
Wärmesenke führt zu
einer aerodynamisch
effizienteren Wärmeabgabe.
Utilising the aircraft
surface as heat
sink results in more
efficient heat
rejection.
The introduction of new propulsion concepts such
as hybrid-electric propulsion is expected to increase
the aircraft’s thermal load drastically. Upscaling a
conventional Thermal Management System (TMS)
that utilises ducted radiators to reject heat to
ambient would result in large pressure losses on
the cold side of the radiators and therefore drag.
Bauhaus Luftfahrt investigates the potential of
utilising existing aircraft surfaces as heat sink to
reduce drag from the TMS. Using existing aircraft
surfaces such as fuselage, wings, and nacelles for
heat rejection could not only avoid a drag penalty,
but might even lead to aerodynamic improvements.
In a first potential assessment, the heat sink
capacity of the aircraft’s surfaces for different aircraft
ranging from small regional planes to large
wide-body jets was analysed and compared to
expected heat loads from hybrid-electric propulsion
systems. The ratio of the two (C Q ) has to be greater
than unity to allow steady-state operation. Clearly,
smaller aircraft are more eligible for surface cooling
concepts. Depending on the maximum take-off
weight, surface temperatures between 85 °C and
125 °C have to be achieved for a fully electric aircraft
to ensure C Q > 1 during hot day take-off
conditions, which are most critical due to the high
ambient temperatures. If the degree of power
hybridisation (H P ) is decreased, the necessary surface
temperature is lower. Heating of the surfaces
results in a reduction in friction drag as long as the
surface coolers are only located in turbulent flow
regimes. Quantifying this effect is one of the next
steps to show the advantage of a surface cooling
over a conventional TMS concept.