Das energieeffiziente Flugzeug der Zukunft: eine Langzeitperspektive
Von Henning Butz, Jens Friedrichs, Rolf Henke, Mirko Hornung, Jürgen Klenner, Rolf Radespiel, Bernd Räckers, Daniel Reckzeh, Cord Rossow, Frank Thielecke und Martin Wiedemann
Das Ziel, die Klimabelastung durch die Luftfahrt drastisch zu reduzieren und bis 2050 Netto-Null-Emissionen zu erreichen, stellt die Akteure der Branche vor enorme Herausforderungen. Erreicht werden kann dies nur durch den Einsatz erneuerbarer und nachhaltiger Energiequellen wie nachhaltige Flugkraftstoffe (Sustainable Aviation Fuels, SAF) und grüner Wasserstoff. Doch deren Verfügbarkeit bleibt auch zukünftig begrenzt und die Kraftstoffkosten werden steigen. Daher sind gezielte Maßnahmen zur deutlichen Verbesserung der Energieeffizienz des Luftverkehrssystems unerlässlich, sowohl im Verkehrsbetrieb als auch bei den Flugzeugen.
Eine Arbeitsgruppe der Deutschen Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt (DGLR) hat das Paper „The Energy-Efficient Aircraft of the Future: A Long-Term Perspective“ veröffentlicht, das sich mit der zukünftigen Flugzeugentwicklung beschäftigt. Darin untersuchen die elf Autoren, inwieweit die Effizienz von Flugzeugen verbessert werden kann, um diese Ziele zu erreichen. Dazu werden verschiedene technologische Optionen unter Berücksichtigung ihrer Potenziale und Herausforderungen erörtert.
Auf dieser Grundlage skizzieren die Autoren einen Weg, mit dem der Energieverbrauch künftiger Flugzeuge um 50 Prozent oder mehr gesenkt werden kann. Die hier präsentierte Zusammenfassung des Papers zeigt die Schlüsseltechnologien für eine praktikable Integration in große Verkehrsflugzeuge bis 2050.
Verringerung des Luftwiderstands
Die aerodynamische Effizienz eines zukünftigen Flugzeugs muss durch einen ausgewogenen Ansatz verbessert werden, der die Verringerung des viskosen mit der des induzierten Widerstands kombiniert. Für den höchsten aerodynamischen Wirkungs-grad sollte der Anteil des induzierten Widerstands am Gesamtwiderstand etwa 40 Prozent betragen. Daraus ergibt sich ein Anteil von etwa 50 Prozent für den viskosen Widerstand. Bestimmte Maßnahmen können diesen direkt beeinflussen. Um den turbulenten Strömungswiderstand zu verringern, sind Oberflächen mit kleinen, in Strömungsrichtung ausgerichteten Rippen, sogenannten Riblets, vielversprechend. Das theoretische Potenzial, den Gesamtwiderstand mit Riblets zu verringern, wird auf drei Prozent geschätzt.
Weit mehr Potenzial als Riblets verspricht die Laminarisierung der wichtigsten Flugzeugkomponenten. Untersuchungen mittels Flugzeugvorentwürfen deuten darauf hin, dass damit der Gesamtwiderstand des Flugzeugs um etwa 40 bis 50 Prozent sinkt – sofern die Schneeballeffekte auf das Gesamtsystem Flugzeug berücksichtigt werden. Die Laminarisierung von Flugzeugen ist jedoch aufgrund der starken und vielfältigen Wechselwirkungen zwischen der Strömungsphysik, den geeigneten Flugzeugstrukturen und dem Design der Absaugsysteme sehr komplex. Der Mangel an grundlegenden Kenntnissen über geeignete angepasste Strukturen für die Hybridlaminarhaltung (HLFC), industrieller Erfahrung in der Auslegung resilienter Systeme und Wissen über eine kosteneffiziente Produktion führt zu erheblichen technologischen Risiken. Diese Lücken können nur durch strategische, langfristige Forschungsmaßnahmen verkleinert und geschlossen werden.
Um den induzierten Widerstand zu verringern, gibt es zwei grundlegende Möglichkeiten: die Entwicklung von Flügeln mit optimaler elliptischer Lastverteilung über die Spannweite sowie die größtmögliche Erhöhung der Spannweite. Die Spannweitenvergrößerung ist eine sehr effektive Option, die zu einem Flügel mit hoher Streckung (High Aspect-Ratio Wing, HARW) führt. Vergrößert man die Flügelstreckung für große Transportflugzeuge, bringt das große Herausforderungen mit sich, da die Flügel ausreichend steif und flatterfrei sein müssen. Auch die Integration von Hochauftriebssystemen kann aufgrund des beschränkten Volumens zum Problem werden. Bei Langstreckenflugzeugen ist zudem die speicherbare Treibstoffmenge begrenzt. Dies erfordert fortschrittliche Strukturkonzepte, die das Potenzial von Kohlefaserverbundwerkstoffen (CFK) voll ausschöpfen, sowie fortschrittliche Flugsteuerungen, die eine aktive Lastkontrolle ermöglichen.
Struktur der Flugzeugzelle
Die Struktur der Flugzeugzelle ist der Schlüssel zu weiteren erheblichen Gewichtsreduzierungen, aber auch zu funktionalen Fähigkeiten, die mit klassischen Konstruktionen nicht erreicht werden können. CFK wird hier eine wesentliche Rolle spielen. Trotz der erfolgreichen Einführung von CFK haben Aluminium-, Stahl- und Titanlegierungen immer noch einen Anteil von etwa 50 Prozent am Flugzeuggewicht. Dieser Materialmix begrenzt das Potenzial für zusätzliche Gewichtseinsparungen. Mit dem Einsatz von CFK sind Gewichtseinsparungen bei der Primärstruktur durch eine vollständig geklebte Zelle sowie durch überarbeitete Konstruktionsanforderungen möglich. Auch kann durch Funktionsintegration die Leistung der Zelle verbessert werden.
Im Gegensatz zu Aluminium sind reine CFK-Strukturen nicht anfällig für Ermüdungs- oder Korrosionseffekte. Sie reagieren nicht auf Risse und kleine Schäden wachsen nicht. Dieser entscheidende Vorteil kommt heute oft nicht zum Tragen, vor allem, weil tragende Elemente meist noch aus einer Mischung aus Aluminium und Verbundwerkstoffen bestehen. Mit einer vollständig aus CFK hergestellten Primärstruktur (Carbon Airframe Fully Bonded, CAFB), kann eine Gewichtseinsparung von 28 Prozent im Vergleich zum heutigen Stand der Technik eines Airbus A350 erzielt werden, bei einer HARW-Zelle sogar noch mehr.
Große Verkehrsflugzeuge müssen auf einem sehr hohen Sicherheitsniveau betrieben werden. Die Robustheit der Flugzeugzelle wird auf zweierlei Weise gewährleistet: zum einen durch die Konstruktionsspezifikationen und -anforderungen des Herstellers und zum anderen durch die Zulassungsvorschriften. Für CFK-Strukturen gelten bisherige Konstruktionsanforderungen nicht mehr, die eingeführt wurden, um ausfallsichere metallische Strukturen zu ermöglichen. Würden die Anforderungen und Zertifizierungsansätze an die Werkstoffe und die Strukturauslegung angepasst, könnten bis zu 17 Prozent Gewicht zusätzlich eingespart werden.
Die Gesamteffizienz der Flugzeugzelle kann zudem durch Funktionsintegration gesteigert werden. Komponenten, die bisher nicht tragend waren, könnten zukünftig Lasten übernehmen, Strukturen könnten so gestaltet werden, dass sie sich inhärent an Off-Design-Bedingungen anpassen und zusätzliche Funktionen könnten durch die tragende Struktur übernommen werden. Beispiele hierfür sind integrierte Funktionen in Sekundärstrukturen, die Umwandlung von Sekundärstrukturen in primäre (tragende) Strukturen sowie die Integration passiver und aktiver Funktionen in die Primärstruktur.
Flugzeugkontrolle
Die aktive Steuerung des Flugzeugs ermöglicht Funktionen wie die aktive Verringerung von Böenlasten, Manöverlasten und sogar Flatterkontrolle. So können das Gewicht des Flugzeugs reduziert und Flügel mit extrem hohen Flügelstreckungen realisiert werden. Um die einwirkenden Lasten und strukturellen Reaktionen steuern zu können, braucht es eine kontinuierliche und vollständige Überwachung, Bewertung und anschließende Kontrolle des aktuellen Flugzustands. Dieser Weg führt zum Konzept eines sensorgestützten Flugzeugs, das zwei große technologische Herausforderungen mit sich bringt: die Kontrolle aller auf die Flugzeugstruktur und -systeme wirkenden Lasten und die Kontrolle der Flugdynamik. Ersteres führt entweder zu einer erheblichen Gewichtsreduzierung oder zur Realisierung effizienterer Struktur- und Systemkonzepte. Letzteres begrenzt aktiv die Flugzustände, die für die Dimensionierung der Flugzeugkonfiguration und der für die Kontrolle der Flugdynamik erforderlichen Komponenten entscheidend sind.
Die vollständige Kontrolle der Flugdynamik kann dank fortschrittlicher Regelkreise die natürliche Flugstabilität zusätzlich verringern. Dadurch wird der Trimmwiderstand, der im Reiseflug etwa ein bis zwei Prozent des Gesamtwiderstands ausmacht, verringert oder sogar beseitigt. Darüber hinaus ermöglicht eine Kombination von Last- und Flugdynamikregelung die kontinuierliche Anpassung der Flugzeugkonfiguration für einen möglichst effizienten Flug während einer Mission. Hierbei wird nicht nur der Auslegungspunkt, sondern auch der Betrieb außerhalb dieses Punkts berücksichtigt. Diese Flexibilität kann bei neuartigen Flugrouten von Vorteil sein, beispielsweise bei umweltbedingten Einschränkungen der Reiseflughöhe, um atmosphärische Bereiche mit starker Kondensstreifenbildung zu meiden.
Flugzeugsysteme
Ist die Systementwicklung nicht vollständig auf die Flugzeugarchitektur abgestimmt, kann sie zum Haupthindernis für eine wirtschaftliche Realisierung der nächsten Flugzeuggeneration werden. Flügel mit hoher Streckung und neuen Flug- und Laststeuerungen bringen zahlreiche systemtechnische Herausforderungen mit sich, wie der begrenzte Bauraum und die sehr hohen Stellgeschwindigkeiten. Dies erfordert Aktuatoren mit hoher Leistungsdichte bei hohem Leistungsbedarf. Der Bedarf an zuverlässigen Technologiemodulen mit deutlich höheren Leistungsdichten kann die Realisierung neuer und optimierter Systemarchitekturen wie dem More-Electric Aircraft (MEA) erfordern.
Darüber hinaus können neue Systemarchitekturen neue oder verbesserte Synergien bei der Energienutzung an Bord des Flugzeugs ermöglichen. Insbesondere für Wasserstoff als nachhaltige Treibstoffoption wird eine Reihe von Änderungen auf der Systemseite erforderlich. Tanks müssen in den Rumpf integriert und isoliert werden und es braucht Wasserstoffhandhabungs- und Sicherheitssysteme sowie ein Wärme- und Wassermanagement. Das führt zu zusätzlichen Synergien, insbesondere im Wärmemanagement, bei denen Wasserstoff zum einen als Kühlmittel und zum anderen zusammen mit Wasser in Hybridarchitekturen aus Brennstoffzellen und Gasturbinen eingesetzt wird.
Integration des Antriebssystems
Mehr synergetische Ansätze ermöglichen auch eine höhere Effizienz in der Antriebsintegration. Zukünftige Triebwerkskonzepte werden deutlich erhöhte Bypassverhältnisse durch ummantelte (Ultra High Bypass Ratio, UHBR) oder offene (Open Rotor, OR; Contra Rotating Open Rotor, CROR) Antriebe aufweisen. Diese erfordern eine sorgfältige Integration, da die stärkere aerodynamische Kopplung der Zellenaerodynamik mit der Umströmung des Antriebs ausgenutzt werden muss. Darüber hinaus könnte die Grenzschichteinsaugung in den Triebwerkseinlauf (Boundary Layer Ingestion, BLI) dazu beitragen, die negativen Auswirkungen des viskosen Widerstands am Rumpf zu verringern, und so die Gesamteffizienz des Antriebs verbessern. Dazu müssen der Einlauf und der Propulsor allerdings eine zusätzliche Dimension der Ungleichförmigkeit der Strömung bewältigen.
Das Konzept verteilter Antriebe sieht vor, dass Propeller über die gesamte Spannweite des Flugzeugs verteilt sind, um den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen. Dies erfordert noch weitergehende Anstrengungen, um Antrieb und Flugzeugzelle effektiv zu kombinieren, ebenso wie ein effizientes Management der elektrischen Energie und Wärmeabfuhr, das weit über den aktuellen Stand der Technik hinausgeht.
Konfigurationen
Die Integration der verschiedenen Technologien in eine bestimmte Flugzeugkonfiguration wird letztendlich das volle Potenzial aufzeigen. Je nach Konfiguration können Synergien mehr oder weniger genutzt werden und Nachteile fallen bei einigen Konfigurationen stärker ins Gewicht als bei anderen. Folglich stellt die Flugzeugkonfiguration immer den besten Kompromiss einer Vielzahl von Technologiebausteinen dar, um das wettbewerbsfähigste Flugzeug zu erhalten. Die heutigen, klassischen Tube-and-Wing-Konfigurationen stützen sich auf die größte Erfahrung in Konstruktion, Produktion und Betrieb. Weitere Verbesserungen sind durch Flügel mit höherer Streckung, Triebwerke mit höherem Bypassverhältnis (BPR), höhere strukturelle Effizienz und Maßnahmen zur Verringerung des viskosen Widerstands möglich.
Der Blended Wing Body (BWB) ist für seine günstigen aerodynamischen Eigenschaften bekannt. Alle anderen Aspekte leiden jedoch unter dieser Konfiguration: Die Druckkabine in nicht-zylindrischer Form führt zu einer komplexen und schweren Struktur; die Triebwerksintegration ist hauptsächlich oberhalb des Rumpfs möglich, was zu einer geringeren Antriebseffizienz führt; und es kann zu Einschränkungen durch flugmechanische Randbedingungen kommen. Bei den heutigen, kerosinbasierten Flugzeugen bringen solche Konzepte gegenüber einer Tube-and-Wing-Konfiguration kaum Vorteile. Dies könnte sich aber mit Wasserstoff als Energieträger ändern, da sich in einer BWB-Konfiguration die großen Tankvolumina besser unterbringen ließen. Die grundlegenden Anforderungen an Flugzeuge ebenso wie unterschiedliche Betriebskonzepte mit veränderter Reisegeschwindigkeit und Reiseflughöhe sowie neuartige Streckenführungskonzepte könnten erhebliche Auswirkungen auf die Flugleistung von Verkehrsflugzeugen haben. Daher müssen die Entwürfe sorgfältig überprüft und für künftige Verkehrsnetze und -betriebe angepasst werden. Aufgrund der steigenden Anzahl an Flugreisen in den letzten Jahrzehnten wurden die Flugzeuge immer größer, um dieses Wachstum aufzunehmen. Die Zahl der am Boden und in der Luft zu bewältigenden Flüge ist jedoch begrenzt. Aus diesem Grund sind alle Flugzeugklassen nach den heutigen ICAO-Normen stark eingeschränkt. Eine Überarbeitung/Aufhebung dieser Beschränkungen könnte nötig werden, um Verbesserungen für künftige Flugzeugtypen zu ermöglichen.
Effizienz auf Flugzeugebene
Um die genannten Potenziale zu quantifizieren, wird im vollständigen Paper eine beispielhafte und vielversprechende Kombination von Technologien für eine künftige Kurz- und Mittelstreckenkonfiguration (Short- and Medium-Range, SMR) vorgestellt und mit einem Referenzflugzeug auf dem Stand der A350-Technologie verglichen. Dazu wurden die beschriebenen Technologien in einer idealisierten Weise angewandt, um die Energieeffizienzgewinne zu maximieren – also ohne Einschränkungen durch Betriebs- und/oder Marktbedingungen. Das entsprechende Flugzeugkonzept basiert auf dem Layout eines nach vorn gepfeilten Tragflügels mit am Rumpfheck angebrachten offenen Rotoren. Die hierbei kombinierten Technologien zeigen sogar bei den heutigen hohen Reisefluggeschwindigkeiten eine maximal erreichbare Effizienzsteigerung von mehr als 50 Prozent. Schneeballeffekte aus der Größenänderung des Flugzeugs sind dabei noch nicht berücksichtigt. Zudem sind gegen-seitige Wechselwirkungen für einige Technologien entscheidend, um Energieeinsparungen von über 50 Prozent zu ermöglichen. Berücksichtigt man zusätzlich Unsicherheitsmargen der Technologieintegration, belaufen sich die Einsparungen trotz allem auf mehr als 40 Prozent. Eine Verringerung der Reisefluggeschwindigkeit hat erhebliche zusätzliche Auswirkungen auf das Antriebssystem (zum Beispiel Propeller anstelle offener Rotoren) und die Flügelpfeilung. Dies kann zusätzliche Treibstoffeinsparungen von 10 bis 15 Prozent ermöglichen.
Das Paper wird durch weitere Themen ergänzt, die für energieeffiziente Flugzeuge wichtig sind, wie die multidisziplinäre Optimierung, Änderungen bei der Zulassung von Flugzeugen und überarbeitete betriebliche Auflagen. Auch das Luftverkehrsmanagement (Air Traffic Management, ATM) und der nachhaltige Flugbetrieb werden in weiteren Aspekten (Formationsflug, umweltoptimierte Flugrouten, direktere Flugverbindungen, Fluglärm) angesprochen.
Schlussfolgerungen
Die Umsetzung für die erforderliche technologische Reifung muss heute beginnen, wenn die nachhaltige Luftfahrt Realität werden soll! Da sich einige der beschriebenen Technologien auf einem Technology Readiness Level (TRL) von zwei bis drei befinden, wird es etwa 15 bis 20 Jahre dauern, eine Produktreife von TRL 9 zu erreichen. Folglich sind diese Technologien nur dann vor 2050 verfügbar, wenn heute mit ihrer Entwicklung begonnen wird. Zwischenergebnisse können früher erzielt werden und einzelne Technologien können schneller ausgereift sein. In Anbetracht der Herausforderungen in der kommerziellen Luftfahrt ist es daher zwingend notwendig und lohnenswert, die genannten Technologien zur Produktreife zu entwickeln, damit ein Flugzeug mit 50 Prozent weniger Kraftstoffverbrauch als heute möglich wird. Dafür sind nun gezielte Maßnahmen und Investitionen zur Förderung der genannten Technologien nötig.