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Konzeptstudie „Propulsive Fuselage“: Geringere Emissionen durch ein Extra-Triebwerk

Im Angesicht der ambitionierten „Flightpath 2050“-Emissionsziele der Luftfahrtindustrie werden vollkommen neuartige Ansätze für die Aus­legung und Integration von Antriebssystemen erforderlich sein, wenn es gilt, die Effizienz zukünftiger Flugzeuge weiter zu verbessern. Eine in diesem Zusammenhang sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie immer wieder diskutierte, vielversprechende Idee ist die Ver­teilung der erzeugten Antriebsleistung eines einzelnen Kerntriebwerks auf mehrere Fans. Aufgrund der vergrößerten Vortriebsfläche bei einem moderaten Anstieg von Fandurchmesser und -gewicht würde ein solcher Ansatz die Antriebseffizienz deutlich erhöhen.

Ein solcher „verteilter“ Antrieb würde den Konstrukteuren zudem weitere Optimierungsmög­lichkeiten eröffnen, beispielsweise durch die Verwendung von Zwischen­kühlern und Energierückgewinnungssystemen zur Effizienzsteigerung im Kerntriebwerk. Gemeinsam mit internationalen Partnern im Projekt DisPURSAL (Distributed Propulsion and Ultra-high bypass Rotor Study at Aircraft Level) arbeiten Wissenschaftler aus dem Bauhaus Luftfahrt an Modellen zur Quantifizierung des Potenzials solcher Antriebssysteme auf der Gesamtflugzeugebene.

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Grafik: Technische Highlights des Propulsive Fuselage-Konzepts
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Eine der vielversprechendsten Optionen für ein „verteiltes“ An­triebssystem ist der Einsatz eines einfach oder gegenläufig rotierenden Fans am hinteren Teil des Flugzeugrumpfes, den er vollständig umläuft. Der so entstehende „Propulsive Fuselage“ nutzt ganz bewusst die soge­nannte „Grenzschicht“ in unmittelbarer Nähe zum Flugzeugrumpf und verlegt die Schubproduktion in den vom Rumpf erzeugten Strömungs­nachlauf. Installiert man den „Fuselage Fan“ dahingehend, dass er die Grenzschicht des Rumpfes „einsaugt“, so könnte er gleichzeitig den ef­fektiven Widerstand des Flugzeugs reduzieren und die Vortriebseffizienz des Antriebs erhöhen.

Darüber hinaus würde die enge Integration des Fans in die Flugzeugstruktur den Widerstand der Fangondel redu­zieren und könnte auch die externe Lärmentwicklung verringern. Das Bauhaus Luftfahrt arbeitet an der Bewertung des gesamten Vorteils des „Propulsive Fuselage“-Konzeptes und bezieht dabei auch Effekte mit ein, von denen eher ungünstige Auswirkungen auf die Effizienz erwartet werden.

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Grafik: Verortung des Fuselage Fans am Flugzeug (Klick zum Vergrößern)

Dazu zählen beispielsweise ein niedriger Einlauf-Druckrückge­winn und eine verminderte Leistungsumsetzung des Fans durch die am Lufteinlass auftretende ungleichmäßige Strömung beim Einsaugen der Rumpfgrenzschicht. Erste Analysen des „Propulsive Fuselage“-Konzeptes auf Basis ei­nes zweistrahligen Flugzeugs zeigten trotz des zusätzlichen Triebwerks bereits eine knapp über zehn Prozent höhere Reichweite im Vergleich zu einem konventionell angetriebenen Referenzflugzeug. Eine der wichtigs­ten Erkenntnisse dabei war, dass die Einsaugung der Grenzschicht die Effizienz eines Flugzeugs derart stark verbessern kann, dass die zwei für den Schub hauptverantwortlichen konventionellen Triebwerke kleiner, leichter und widerstandsärmer und somit effizienter ausgelegt werden können.

Das vom Bauhaus Luftfahrt ausgestellte Modell veranschaulicht eine mittelfristige Zukunftsperspektive eines „Propulsive Fuselage“-Konzeptes mit einem fortschrittlichen Gasturbinenantrieb. Im Falle eines möglichen Einzugs der Elektromobilität in die Luftfahrt in den kommen­den Jahrzehnten sehen die Wissenschaftler des Bauhaus Luftfahrt so­gar noch ein weitaus größeres Potenzial für „verteilte“ Antriebsarchitek­turen und den „Propulsive Fuselage“. Der Grund dafür ist die sehr gute Skalierbarkeit elektrischer Antriebe und ihre Ansteuerung durch flexible Kabelverbindungen anstelle starrer Antriebswellen, womit ihre intelligen­te Verteilung über die gesamte Flugzeugstruktur vereinfacht wird.

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Grafik: Zwei konstruktive Optionen für die Anwendung der Grenzschichteinsaugung im Vergleich zum Status Quo
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Grafik: Fuselage Fan mit Magnetschwebetechnik, eine mögliche Anwendung für den Fall des Einzugs der Elektromobilität in die kommerzielle Luftfahrt. (Klick zum Vergrößern)

 

 

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