Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/nasa-dlr-design-challenge-die-zubringerflugzeuge-der-zukunft-sind-flexibel-und-oeko-1908-143289.html    Veröffentlicht: 22.08.2019 09:02    Kurz-URL: https://glm.io/143289

Nasa/DLR Design Challenge

Die Zubringerflugzeuge der Zukunft sind flexibel und öko

Kaum Spielraum für Verbesserungen, aber viele Herausforderungen: Beim Bau von Flugzeugen machen Elektrifizierung und Automatisierung das Design noch wichtiger.

Heutzutage sind zwar so viele Menschen wie nie zuvor mit dem Flugzeug unterwegs, aber viele abgelegene Regionen sind nur ungenügend ans globale Luftverkehrsnetz angeschlossen. Hier muss der Luftverkehr oft subventioniert werden, damit er überhaupt stattfindet. Für Fluggesellschaften ist dieser Markt wegen seines geringen Passagieraufkommens nicht besonders rentabel. Und die eingesetzten Flugzeugtypen sind überwiegend veraltet. Die diesjährige Nasa/DLR Design Challenge sollte Lösungen für dieses Problem liefern. Die Gewinnerentwürfe sind alle elektrisch - und haben auch sonst viele Gemeinsamkeiten.

Der Wettbewerb prämiert die besten Luftfahrtentwürfe von studentischen Teams aus Deutschland und den USA. Er wird seit drei Jahren von der US-Luft- und Raumfahrtbehörde Nasa und ihrem deutschen Gegenstück DLR, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, ausgelobt. Dieses Jahr suchte die Jury umweltfreundliche, aber leistungsfähige Zubringerflugzeuge für neun Passagiere oder eine Frachtladung gleichen Gewichts. Das DLR prämierte Anfang August die fünf besten Konzepte aus Deutschland.

Gefordert war ein Zubringerflugzeug (Commuter Aircraft) für neun Passagiere und einen Piloten. Eines der möglichen Nutzungsmodelle sollte der Passagierverkehr bei Tag mit Pilot und der unbemannte Frachtflugbetrieb als autonomes Flugzeug bei Nacht sein. Außerdem sollten im Entwurf Technologien genutzt werden, die um 2025 zur Verfügung stehen werden.

Für den Juryvorsitzenden und DLR-Luftfahrtvorstand Rolf Henke spielte das Flugzeugdesign wieder eine größere Rolle: "Neue Elemente wie die Elektrifizierung und Automation sind höchst anspruchsvoll und benötigen nie dagewesene Konzepte", sagte er. Die gängigen Flugzeugentwürfe böten kaum noch Spielraum für Verbesserungen.

Die fünf prämierten Entwürfe weisen denn auch viele Gemeinsamkeiten auf. Alle verwenden ein elektrisches Antriebssystem. Die Hauptfahrwerke verfügen über elektrische Nabenantriebe, mit denen die Flugzeuge ohne Flugmotorkraft rollen können. In kurzer Zeit sind Umrüstungen von der Passagier- zur Frachtversion und wieder zurück möglich. Durch kurze Start- und Landestrecken können sie auch kleine, kaum ausgebaute Flugfelder nutzen. Alle sind zudem für autonomen Flugbetrieb ausgerüstet.

Auf Platz eins: Der Hybird

Der Hybird ist das Ergebnis einer Arbeitsgruppe der Universität Stuttgart. Er wurde als Gewinner ausgewählt, weil er nicht nur sämtliche Anforderungen erfüllt, sondern einige sogar übertrifft. Das Flugzeug ist ein Hochdecker mit Schmetterlings- oder V-Leitwerk und besteht komplett aus Karbonverbundwerkstoffen. Den Antrieb liefern vier elektrisch betriebene Propeller, die an den Enden von Tragflächen und Leitwerksflossen sitzen. Das Antriebssystem ist hybridelektrisch. Zwei Gasturbinen im Bug sorgen für zusätzliche Kraft beim Start und Steigflug. Außerdem laden sie die Batterien im Reiseflug auf.

Der Hybird nutzt sein separat angetriebenes Fahrwerk auch als Starthilfe. Seine Kurzstart- und Landefähigkeit erreicht er durch ein ausgefeiltes Klappensystem und elektrische Wirbelgeneratoren. Beide sorgen immer für den optimalen Luftstrom um die Tragflächen und bewirken beim Start zusätzlichen Auftrieb.

Die Startstrecke ist kurz: Der Hybird hebt nach 204 Metern ab. Zum Vergleich: Die Pilatus PC-12, ein modernes Commuter-Flugzeug vergleichbarer Größe, braucht 480 Meter. Auch die Landestrecke des Hybird ist mit etwa 200 Metern relativ kurz. Dabei bremst das Flugzeug mit Umkehrschub von Turbinen und Propellern.

Zudem kann das Flugzeug unabhängig von externen Navigationshilfen starten und landen. "Man braucht nur Karten und die GPS-Daten der Startbahn", sagte Jonas Mangold, einer der Entwickler. Neben dem GPS-Empfänger verfügt das Flugzeug über ein Kamerasystem sowie eine Radar-Lasersensor-Kombination zur Höhenmessung.

Die Umrüstung von der Passagier- zur Frachtflugkonfiguration ist denkbar einfach. Die Sitze lassen sich zusammenklappen und werden dann hinten in der Kabine verstaut.

Der Adept aus Aachen und drei dritte Plätze

Der Adept-Entwurf (PDF) von Studenten der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen nutzt wie der Hybird ein V-Leitwerk und einen hybridelektrischen Antrieb. Ansonsten sind seine Entwickler einen anderen Weg gegangen. Den Antrieb liefern zwei große elektrische Propellermotoren an den Enden der Tragflächen und acht kleine, die an deren Vorderkante verteilt sitzen. Die beiden großen Propellertriebwerke liefern primär Leistung für Start und Steigflug und laufen während des Reiseflugs im Leerlauf. Die Kurzstart- und Landefähigkeit erreicht der Entwurf durch einen sogenannten "morphing wing", der mit einem komplexen Klappensystem die für jeden Flugzustand optimale Form annimmt.

Allerdings haben die Entwickler festgestellt, dass die Leistungsdichte von Batteriesystemen auch 2025 noch nicht ausreichen würde, um ein kurzstart- und -landefähiges Elektroflugzeug zu betreiben. Adept würde die geforderte Reichweite nicht schaffen. Mit reiner Batteriekraft fliegt das Flugzeug 125 nautische Meilen weit. Also hat das Designteam zusätzlich eine PT-6A-Gasturbine vorgesehen, die rund 600 kW leistet. Sie schließt die Leistungslücke, lädt die Batterien auf und sorgt dafür, dass Adept die geforderte Reichweite von 350 nautischen Meilen erreicht. Zudem kann die Gasturbine durch weitere Batterien ersetzt werden, sobald solche mit dem nötigen Output verfügbar sind.

Für den Frachtbetrieb lassen sich die Sitze zur Seite wegklappen. Unter den hochklappbaren Bodenplatten installierte Halterungen dienen zur Befestigung von Frachtpaletten. Die Betriebskosten von Adept sind deutlich niedriger als bei heute genutzten Typen. Sie liegen 33,3 Prozent unter denen einer Cessna 402 und 53,3 Prozent unter den Kosten einer Pilatus PC-12.

Drei dritte Plätze: Mirus, Xargo, Rapid

Die Jury vergab an die drei anderen Teams einen gemeinsamen dritten Platz. Am Auffälligsten war das Design von Studenten der TU Hamburg-Harburg. Mit Rapid entwarfen sie einen sogenannten Box Wing. Im Prinzip ist das ein Doppeldecker. Dabei beginnt der untere Flügel vorne im unteren Rumpfbereich und ist nach hinten gepfeilt. Der obere Flügel ist vorwärts gepfeilt und sitzt im oberen Heckbereich am Rumpf. Beide treffen sich an den Flächenenden und bilden so eine Box. Das Design zeichnet sich durch geringen Luftwiderstand aus. Angetrieben wird das Flugzeug durch einen großen Heckpropeller und acht ummantelte Fans, von denen jeweils vier an den Flächenenden installiert sind. Die Fans übernehmen auch die Kontrolle um die Hochachse und ersetzen so die Seitenruder.

Der Rapid-Entwurf verfügt über einen hybridelektrischen Antrieb. Die Gasturbine läuft nur im Reiseflug und lädt dann die Batterien nach. Eine weitere Besonderheit ist das völlige Fehlen von Fenstern, was die Hüllenkonstruktion leichter und einfacher macht. Kameras und OLEDs geben den Insassen Außensicht. Für den Piloten haben die Entwickler ein Augmented-Reality-System vorgesehen. Außerdem sorgt ein Fallschirmsystem für eine sichere Notlandung. Die Betriebskosten sollen etwa 30 Prozent unter denen einer Cessna 402 liegen. Deren Betrieb kostet 1,61 US-Dollar pro geflogener nautischer Meile.

Xargo: Flugzeug mit modularen Wechselkabinen

Xargo, der Entwurf eines Teams der TU Dresden (PDF), zeichnet sich durch eine aufklappbare Nase aus. Für den Fracht- und den Passagierbetrieb haben die Entwickler spezielle Module entworfen. Sie können durch die Klappnase ausgetauscht werden. Ebenso kann das Einmanncockpit gegen ein Modul für den autonomen Flugbetrieb ausgetauscht werden. Auch dieser Entwurf kommt ohne Fenster für die Passagiere aus. Die Passagiere bekommen Außensicht durch große OLED-Bildschirme. Lediglich der Cockpitbereich verfügt über Fenster, die auch als Notausstieg dienen sollen.

Xargo ist ein Hochdecker mit T-Leitwerk und vier elektrisch betriebenen Propellertriebwerken. Die beiden äußeren Triebwerke sind in schwenkbaren Gondeln untergebracht. Sie werden bei Start und Landung aufwärts geschwenkt und sorgen so für die geforderte Kurzstart- und Landefähigkeit. Im Reiseflug werden die äußeren Propeller eingeklappt. Die elektrische Energie liefert ein Brennstoffzellensystem, für das Tanks mit rund drei Kubikmetern Wasserstoff an Bord sind.

Mirus: Das futuristische Buschflugzeug aus Berlin

Mirus wurde von Studenten der TU Berlin konzipiert. Das Flugzeug ist ein sogenannter dreigliedriger Canard oder Entenflügler. Es verfügt über kleine Steuerflossen am Bug, einen Hochdeckerflügel und ein T-Leitwerk. Ein Klappensystem mit groß dimensionierten Klappen an beiden Flächenkanten stellt die Kurzstart- und -landefähigkeit sicher. Mirus bezieht seine Energie aus einem hybridelektrischen Antriebssystem, bestehend aus Batterien und einer Gasturbine im Heck. Am Heck verfügt Mirus über einen faltbaren Propeller, wie ihn auch Motorsegler nutzen. Je ein Zugpropeller dreht sich an den Tragflächenspitzen. Der Heckpropeller wird für den Reiseflug zusammengeklappt. Das modulare Kabinendesign erlaubt einen Frachter, eine Passagierversion sowie eine Geschäftsreisevariante. Auch Ein- oder Zweimanncockpits sind möglich. Die Studenten konzipierten Mirus speziell für den Luftfahrtmarkt im US-Bundesstaat Alaska, in dem viele Orte nur aus der Luft versorgt werden können.

Die Stuttgarter Studenten mit ihrem Hybird werden an der Endausscheidung bei der Nasa teilnehmen. Dass sich ein Hersteller findet, der den Hybird oder einen der anderen Entwürfe produziert, ist jedoch eher unwahrscheinlich. Es wäre aber zu hoffen, dass von dem Siegerentwurf wie auch von den anderen Designs Impulse für zukünftige Flugzeugentwicklungen ausgehen. Denn eigentlich erscheinen alle geeignet, Probleme wie die hohen CO2-Emissionen oder die Überalterung der unzähligen Zubringerflugzeuge anzugehen.

Viele Typen, die heute produziert werden, gehen auf Entwürfe zurück, die fünfzig oder sogar sechzig Jahre alt sind. Bestes Beispiel ist die Cessna 208 Caravan, die im Prinzip eine hochskalierte Cessna 172 Skyhawk ist. Dieser Klassiker flog 1955 zum ersten Mal. Die ebenfalls von allen Teilnehmern als Referenz genutzte Cessna 402 wird zwar nicht mehr hergestellt, aber deren allgemeine Auslegung ist recht typisch für gängige Zubringerflugzeuge.

Hier wären Flugzeuge wie der Hybird, der Aachener Adept oder Mirus echte Innovationen. Ob sie sie dann auch genauso langlebig und robust wären wie eine Cessna 172, müsste sich jedoch erst noch zeigen.

Auch zu diesem Thema:  (frl)


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