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© Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
Zukünftige Technologien der Flugzeuge
Michel GuillaumeLeiter Zentrum für Aviatik
© Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume) ZAV-KOR2017-013
© Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
Themen
• Einführung
• Verbesserungen von der Boeing 767 zur 787Heutige moderne Technologien
• Vorgaben in Bezug auf Luftverkehr der Zukunft- Vision der EU: Flight Path 2050- NASA New Horizons Initiative
• EU Clean Sky 2: Entwicklungen, neue Technologien
• NASA X-Plane: Entwicklungen, neue Demonstratoren
• Technologische Herausforderungen
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Themen
• Einführung
• Verbesserungen von der Boeing 767 zur 787Heutige moderne Technologien
• Vorgaben in Bezug auf Luftverkehr der Zukunft- Vision der EU: Flight Path 2050- NASA New Horizons Initiative
• EU Clean Sky 2: Entwicklungen, neue Technologien
• NASA X-Plane: Entwicklungen, neue Demonstratoren
• Technologische Herausforderungen
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Motivation - Wright Flyer
Auftrieb
Widerstand
Steuerbarkeit
Antrieb
Stabilität
Gewicht
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Wachstum des Flugverkehrs 2014-2034
Prognose: Innert 20 Jahren wird sich der Luftverkehr verdoppeln.
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Lärmentwicklung von 1950 bis 2020
707‐120
Comet 4CV880‐22
Caravelle III 727‐200
MD‐ 83
777‐200
A380‐842 A350‐900
787‐8
A320neo P&W
A320neo LEAP
737 MAX 8747‐100
VFW 614
767‐304
A320‐214 A321‐112
A330‐243
737‐800
A340‐600
E170
80
85
90
95
100
105
110
115
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
Seite
nlinienp
egel
Jahr der Zulassung
Lärmentwicklung bis 2020
Strahltriebwerke
Mantelstromtriebwerke ‐ Nebenstromverhältnis unter 2
Mantelstromtriebwerke ‐ Nebenstromverhältnis 8‐12
Mantelstromtriebwerke ‐ Nebenstromverhältnis 2‐8
norm
iert auf 500
kN (E
PNdB
)
In den vergangenen 60 Jahren konnten Triebwerkhersteller den effektiv empfundenen Schallpegel (Effective Perceived Noise Level, EPN) um 30 Dezibel (dB) senken.
© Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
Source: www.bdl.aeroSource: www.lufthansagroup.comSource: www.lufthansagroup.comSource: www.lufthansagroup.com
• Fortschritte durch erste Generation Turbofans • Heutige Lärmquellen sind auch Klappensystemen und Fahrwerke• Neue An- und Abflugverfahren (Steep Approach)
Reduktion des Lärmteppichs
Boeing Airbus A320 vs. A320 NEO
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Themen
• Einführung
• Verbesserungen von der Boeing 767 zur 787Heutige moderne Technologien
• Vorgaben in Bezug auf Luftverkehr der Zukunft- Vision der EU: Flight Path 2050- NASA New Horizons Initiative
• EU Clean Sky 2: Entwicklungen, neue Technologien
• NASA X-Plane: Entwicklungen, neue Demonstratoren
• Technologische Herausforderungen
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Der grosse Schritt von Boeing zum Dreamliner
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Ziel für Boeing 787: 20% weniger Treibstoffverbrauch gegenüber der Boeing 767-300:
• Reduktion des Strukturgewichtes (-20%) durch Einsatz von Composite(50% weniger Nieten am Rumpf)
• Verbessertes Flügeldesign durch optimierte Aerodynamik (-3%)
• Beitrag moderner Triebwerktechnologie -8% und zusätzlich durch den Einsatz von neuen elektrischen Systemen -3% (keine Zapfluft mehr)
• Emissionen: 20% weniger CO2, Lärmteppich um Flughafen um 60% reduziert
Design-Vorgaben für die Boeing 787
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Source: AeroMat 2016, Bellevue/WA - Material Development Tendencies at Airbus / Christian Rückert
Efficiency
20302015 2020
Incremental Innovation
Disruptive Concepts
Focus on incremental and prepare new concepts
2025
iD+NEO
improved
Or Be ambitious –disruptive beyond
continuous improvements
Early Technology readiness driven
Depending on Market needs
Page 11
Airbus kontinuierliche Verbesserungen
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Potentiale für Verbesserungen
AntriebeAerodynamikMaterialienSysteme
Antriebe:Geared Turbo FanOpen RotorElectric PropulsionHybrid Propulsion
Aerodynamik:Laminare Flügel (NLF, HLF)Neue Konfigurationen:BWB, BoxWing, D8, TBW
Materialien:Advanced Composites3D PrintingKeramische Werkstoffe
Systeme:More Eectrical SystemsBrennstoffzellen (APU, Bugrad, …)
30%
25%20%
25%Relative Anteile der Technologien zur Verbesserung der Effizienz
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Themen
• Einführung
• Verbesserungen von der Boeing 767 zur 787Heutige moderne Technologien
• Vorgaben in Bezug auf Luftverkehr der Zukunft- Vision der EU: Flight Path 2050- NASA New Horizons Initiative
• EU Clean Sky 2: Entwicklungen, neue Technologien
• NASA X-Plane: Entwicklungen, neue Demonstratoren
• Technologische Herausforderungen
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Umweltvorgaben:
Per 2050 sollen folgende Reduktionen realisiert werden, basierend auf einemneuen Flugzeug aus dem Jahr 2000.
75% weniger CO2 Emission proPassagierkilometer.
90% Reduktion der NOx Emissionenpro Passagierkilometer.
Die Lärmemission soll um 65% reduziertwerden.
Europa: Flightpath 2050
Die Ziele wurden durch ACARE (Advisory Council forAviation Research and Innovation in Europe) erarbeitet.
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Umweltvorgaben:
Überschallflüge mit reduziertem Lärmpegel über Land bis 2030 (QUEST).
Der Lärmpegel soll um 50% reduziert werden.
Einsatz von Bio-Treibstoffen um Emission zu reduzieren (-50%).
Entwicklung von neuer Flugzeuggeneration, welche 50% weniger Treibstoff verbraucht.
USA: NASA Initiative (10 Jahresplan)
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Themen
• Einführung
• Verbesserungen von der Boeing 767 zur 787Heutige moderne Technologien
• Vorgaben in Bezug auf Luftverkehr der Zukunft- Vision der EU: Flight Path 2050- NASA New Horizons Initiative
• EU Clean Sky 2: Entwicklungen, neue Technologien
• NASA X-Plane: Entwicklungen, neue Demonstratoren
• Technologische Herausforderungen
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Clean Sky 2 zielt darauf ab, die insgesamt hochrangigen Ziele in Bezug auf Energieeffizienz und Umweltleistung zu erfüllen.
Clean Sky 2: Ziele
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Clean Sky 2: Ablauf
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AerodynamikLaminare Flügelentwicklung
© A
IRB
US
S.A
.S. A
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tial a
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ropr
ieta
ry
Robust aero design
Specific wind tunnel
test
NLF wing
BLADE Flight Test
Large NLF wing LE ground demonstrator
Joint concepts
Manufacturing trials
Saab
DLR
A340-300
Representation of laminar wing on A340 flying test bed
Ziel: Reduktion des Flügelwiderstands um 25% und Reduktion des Lärms um 10 dB.
Clean Sky 2: Large Passenger Aircraft
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Antriebe
Open RotorMittelstrecken Flz
Nebenstromverhältnis 60:1
Geared Turbo FanMittelstrecken Flz
Nebenstromverhältnis 12:1
Ultra High Bypass RatioLangstrecken Flz
Nebenstromverhältnis 15:1
Entwicklungen im Rahmen Clean Sky:
• 20-30% Reduktion in CO2• Reduktion in NOx um 80%• Bis zu -11 EPNdB per Operation in Lärmausbreitung
Zielwerte gegenüber Basis im Jahr 2000
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Der Clean Air Engine Liner Konzept vom Verein Bauhaus Luftfahrt e. V.
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Systeme Neue System-Architektur
Entwicklung zum More Electrical Aircraft:
bis Heute ZukunftDie Entwicklung zum More Electrical Aircraft begann mit dem Airbus 380 aber der Trend-setter ist die Boeing 787.
Elektrische Leistung im Vergleich:Boeing 767 150 kWBoeing 787 1400 kW
Beispiel für neue Elektrische Systeme 787:• Electric Engine Start• Electric Wing Ice Protection• Electric Driven Hydraulic Pumps• Electric Air Conditioning and Cabin System• Hydraulics replaced by Electrical Systems
Elektrik
Hydraulik
Pneumatik
Mechanik
Elektrik
HydraulikPneumatikMechanik
25%
25%
25%
25%
10%
70%
10%
10%
Fazit: Einsatz von Leistungs-Elektronik, Batterien, Herausforderung der elektromagneti-schen Verträglichkeit in Systemen, Blitzschutz; mehr Tests in Entwicklung notwendig!
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Themen
• Einführung
• Verbesserungen von der Boeing 767 zur 787Heutige moderne Technologien
• Vorgaben in Bezug auf Luftverkehr der Zukunft- Vision der EU: Flight Path 2050- NASA New Horizons Initiative
• EU Clean Sky 2: Entwicklungen, neue Technologien
• NASA X-Plane: Entwicklungen, neue Demonstratoren
• Technologische Herausforderungen
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X-Plane Entwicklungen (NASA)
SCEPTOR (X-57)
Hybrid Wing Body
QUEST
D8 Double Bubble
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‘‘D8 Double-Bubble’’ Konzept
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Fliegen mit Elektromotoren
Herausforderung Batterie (Energiedichte)
Beispiel: Airbus A350-900
Reichweite 14350 kmPassagiersitze ca. 314Max Startmasse 275000 kgTreibstoffmasse 110400 kgReisegeschwindigkeit Mach 0.85
Fazit: 10 Tonnen Batterie pro Passagier oder Reichweite von 500 km !
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Themen
• Einführung
• Verbesserungen von der Boeing 767 zur 787Heutige moderne Technologien
• Vorgaben in Bezug auf Luftverkehr der Zukunft- Vision der EU: Flight Path 2050- NASA New Horizons Initiative
• EU Clean Sky 2: Entwicklungen, neue Technologien
• NASA X-Plane: Entwicklungen, neue Demonstratoren
• Technologische Herausforderungen
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Neue Technologien sind notwendig
Fazit: Um die ambitiösen Umweltziele zu erreichen, sind neue Technologien zwingendnotwendig: Flugzeugkonfiguration, Antriebe, Materialien, Treibstoffe, elektrische Systeme.
© Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
EU Project RECREATEResearch for a Cruiser Enabled Air Transport Environment
We spent over fifty years on the hardware, which is now pretty reliable. Now it is time to work with people.(Don Engen FAA Administrator, 1986)
© Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
Herzlichen Dank auch an:
• Zentrum für Aviatik: Kalaimagal Sivasothy
• Airbus: Dr. Claudio Dalle Donne, Klaus Muthreich
• Boeing: Michael Friend
• Dassault: Philippe Rostand
• MIT: Prof. Mark Drela, Prof. John Hansman, Gregg Shoults, Prof. Oli de Weck
Herzlichen Dank für Ihr Interesse