Hybridelektrische und wasserstoffbasierte Antriebssysteme gelten als wichtige Bausteine für die Dekarbonisierung der Luftfahrt. Insbesondere kleinere Luftfahrzeuge sind aufgrund geringerer Leistungs- und Reichweite-Anforderungen aktuell Gegenstand von Forschung und Entwicklung: einerseits zu Demonstrations- und Erprobungszwecken, andererseits aber bereits mit konkreten Zielen für marktreife Produkte. Im Rahmen des nationalen Luftfahrtforschungsprogrammes wurden im Projekt „Integrierte Bewertung elektrohybrider Antriebssysteme für kleine Luftfahrzeuge“ (IVekLu) entsprechende Vorentwurfswerkzeuge für Antrieb und Luftfahrzeug entwickelt.
Die kommerzielle Software GasTurb™ wurde um Modelle für elektrische Antriebskomponenten, wasserstoffbetriebene Brennstoffzellensysteme und Flüssigwasserstofftanks erweitert. Außerdem wurden Methoden zur Auslegung von Thermalmanagementsystemen für Batterien entwickelt. Durch die großen abzuführenden Wärmemengen ist eine detaillierte Modellierung dieser Systeme bereits im Vorentwurf wichtig. Überdies wurden die bestehenden Flugzeugentwurfsprozesse um Methoden zur Abbildung von relevanten Antriebsintegrationsaspekten erweitert. So ist hier beispielsweise die Wasserstoffantriebsintegration oder die Abbildung der aerodynamischen Interaktion von Propellern und Flügel behandelt worden.
Zur Demonstration der neu entwickelten Methoden wurden zwei repräsentative Luftfahrzeug-Konfigurationen modelliert und untersucht: ein Zubringerflugzeug mit seriell-hybridem Antriebsstrang und Blown Wing für neun Passagier*innen sowie eine senkrechtstartfähige Kipprotor-Konfiguration mit Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb und Boost-Batterien mit vier Sitzen.
Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten
Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten im Bereich kleiner, konventionell startender und landender Luftfahrzeuge: In 45 % der ausgewerteten Projekte wird ein Flugzeug für die kommerzielle Nutzung als dediziertes Projektziel angegeben.
Senkrechtstartfähiges Kipprotorflugzeug mit Wasserstoff Brennstoffzellenantrieb
Mit flüssigem Wasserstoff als Hauptenergieträger sind bei Technologieannahmen für 2035 Reichweiten von 160 km und mehr möglich. Boost-Batterien stellen dabei die hohen Leistungen für Start und Landung zur Verfügung
Trotz einer um 42 % verbesserten aerodynamischen Effizienz im Reiseflug konnten keine signifikanten Treibstoffein- sparungen erzielt werden: Der seriell-hybride Antriebsstrang führt zu einem um 43 % erhöhten Leergewicht.
Das zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz unter dem Förderkennzeichen 20Q1942B gefördert.