Neuartige Ansätze für die Auslegung und Integration von Antriebssystemen sind erforderlich, um die Effizienz zukünftiger Flugzeuge weiter zu deutlich verbessern. Ein in Wissenschaft und Industrie immer wieder diskutierter, vielversprechender Freiheitsgrad hierzu ist, die erzeugte Antriebsleistung an Bord eines Flugzeugs strategisch auf mehrere Fans zu verteilen. Das Modell veranschaulicht eine frühe Ausführung eines „Propulsive Fuselage“-Konzeptes basierend auf einem mechanischen Antrieb des „Fuselage Fans“ durch eine dedizierte Gasturbine im Rumpfheck.
Eine vergrößerte Vortriebsfläche bei gegebenem Fandurchmesser und -gewicht würde die Vortriebseffizienz deutlich erhöhen. Ein solcher „verteilter“ Antrieb könnte darüber hinaus Synergien mit der Flugzeugzelle ermöglichen – etwa geminderte Strukturlasten, verbesserte Lärmabschirmung, erhöhte funktionale Redundanz. Eine besonders attraktive Möglichkeit ergibt sich aus dem sogenannten „Wake-Filling“-Effekt. Wie aus der Antriebsintegration in der Schifffahrt lange bekannt, lässt sich die notwendige Antriebsleistung durch Einsaugung und Beschleunigung der Rumpfgrenzschicht deutlich reduzieren. Gemeinsam mit internationalen Partnern im Projekt DisPURSAL (Distributed Propulsion and Ultra-high bypass Rotor Study at Aircraft Level) hat das Team des Bauhaus Luftfahrt bereits im Jahr 2013 an Modellen zur Quantifizierung des Potenzials einer solchen Antriebssystemintegration auf der Gesamtflugzeugebene gearbeitet.
Weniger nötige Antriebsleistung für gleichen Vortrieb
Eine der vielversprechendsten Optionen für ein „verteiltes“ Antriebssystem ist der Einsatz eines einzelnen Fans am hinteren Teil des Flugzeugrumpfes, den er vollständig umläuft. Der so entstehende „Propulsive Fuselage“ maximiert das Potential für die Grenzschichteinsaugung und die Auffüllung der Nachlaufdelle (Wake) des Flugzeugs. Der „Fuselage Fan“ sorgt dafür, dass das Flugzeug deutlich weniger ungenutzte Strömungsenergie in seinem Nachlauf hinterlässt. Im Ergebnis ist bei gleichem Vortrieb weniger Antriebsleistung nötig.
Zehn Prozent höhere Reichweite gegenüber Referenzflugzeug
Bereits die ersten Analysen des mechanisch angetriebenen „Propulsive Fuselage“-Konzeptes aus dem Jahr 2013 zeigten trotz des zusätzlichen Triebwerks eine knapp über zehn Prozent höhere Reichweite im Vergleich zu einem fortschrittlichen, aber konventionell angetriebenen zweistrahligen Referenzflugzeug. Bei der Bewertung wurden auch hierbei Effekte mit ungünstigen Auswirkungen auf die Effizienz einbezogen, zum Beispiel ein niedriger Einlauf-Druckrückgewinn und eine verminderte Leistungsumsetzung des Fans durch die am Lufteinlass auftretende ungleichmäßige Strömung beim Einsaugen der Rumpfgrenzschicht. Ein positiver Nebeneffekt war, dass die zwei für den Schub hauptverantwortlichen konventionellen Triebwerke kleiner, leichter und widerstandsärmer ausgelegt werden können. Die großen Herausforderungen bei der aero-strukturellen Integration durch einen mechanischen Antrieb des „Fuselage Fans“ könnten durch fortschrittliche elektrische Antriebsoptionen gelöst werden.
Grenzschichteinsaugung
Nur Option B ermöglicht die notwendige Antriebsredundanz.
Magnetschwebetechnik
Eine Elektrifizierung würde weitere Potenziale eröffnen.