DLR evaluiert beste Konfigurationen für Hybrid-Flugzeuge

Im Zuge eines Verbundprojekts namens SynergIE haben Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit Industriepartnern das Gesamtsystem eines hybrid-elektrischen Kurzstreckenflugzeugs für bis zu 100 Passagiere mit verteilten Antrieben am Flügel untersucht.

Als finalen Entwurf für ein solches Hybrid-Flugzeug filterten die Projektbeteiligten dabei aus unterschiedlichen Anordnungen ein Konzept mit Turbogeneratoren im Rumpf und zehn Elektromotoren entlang der Flügelvorderkante als beste Lösung heraus. Testpiloten haben das Konzept in einem Flugsimulator des DLR bereits bewertet. Das Projektteam setzte sich aus Forschern des DLR aus Hamburg, Braunschweig und Göttingen sowie Vertretern der Unternehmen Airbus, Rolls-Royce und Bauhaus Luftfahrt zusammen.

„Bei klassischen Regionalflugzeugen sind die Flügel oft überdimensioniert, um gute Start- und Landeleistungen zu erreichen. Diese Flugzeuge fliegen dann im Reiseflug mit zu hohem Energieverbrauch“, führt Dr. Martin Hepperle vom DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in die Thematik ein. In genauen Strömungssimulationen habe sich gezeigt, dass elektrische Antriebe eine Verteilung des Schubs auf viele kleinere Propeller ermöglichten. Überströmen diese dann den Tragflügel, sollen sie für einen erhöhten Auftrieb und eine effizientere Aerodynamik sorgen. Durch diesen Effekt sei man in der Lage, die Flügelfläche und die Flügelmasse zu reduzieren und den Widerstand durch die Interaktion der Propellerstrahlen mit den Randwirbeln des Flügels zu verringern, heißt es in einer begleitenden Mitteilung.

Als beste Lösung kristallisierte sich ein Flugzeugkonzept mit Turbogeneratoren im Rumpf und zehn Elektromotoren entlang der Flügelvorderkante heraus – wobei die Antriebe über die Spannweite des gesamten Flügels verteilt zu einer besonders effizienteren Umströmung sorgen sollen. „Durch die spezielle Anordnung der Propeller konnten wir die Gewichtsnachteile des hybrid-elektrischen Antriebssystems kompensieren“, sagt Hepperle. „Auch das Seitenleitwerk konnten wir bei unserem mehrmotorigen Konzept kleiner und damit leichter und widerstandsärmer auslegen.“ Das Konzept kompensiere sogar den Ausfall von zwei Elektromotoren und senke durch die „optimale Auslegung und Installation der Propeller“ den Energieverbrauch um etwa bis zu zehn Prozent, heißt es weiter.

Daneben haben die Beteiligten am SynergIE-Projekt eine durchgängige „Software-Simulations-Tool-Kette“ für zukünftige Flugzeugentwürfe mit verteilten hybrid-elektrischen Antrieben entwickelt, um solche Konzepte künftig besser bewerten zu können. Beim virtuellen Erstflug des oben genannten Konzepts im Flugsimulator zeigte sich laut DLR besonderes im Landeanflug, dass „die aerodynamische Interaktion von Propellernachlauf und Flügel die Flugeigenschaften des Flugzeugs stark beeinflussen“. Um die geringere Wirksamkeit des kleineren Seitenleitwerks und -ruders auszugleichen, habe man deshalb einen Flugsteuerungsregler entwickelt, der die Giersteuerung (die Steuerung um die Vertikalachse) mittels Seitenruder und differentiellem Schub ermöglicht.

SynergIE fand von Frühjahr 2018 bis Mitte 2021 statt und wurde vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert. Während im Projekt vor allem disziplinübergreifende Fragen zur Aerodynamik von Flügel und Propeller in enger Wechselwirkung mit flugmechanischen Fragestellungen zur Steuerung sowie Randbedingungen der Struktur und der Aeroelastik im Fokus standen, gibt es aus Sicht des Projektteams „noch offene Fragen zur Aeroakustik der verteilten Propeller und zu optimalen Klappensystemen im Landeanflug“, die in Zukunft geklärt werden sollten.
dlr.de, dlr.de (Laufzeit des Projekts)