Ein optimiertes, von der EU entwickeltes Designwerkzeug trägt zur Verbesserung der Antriebssysteme von Flugzeugen bei
Die EU hat von der Luftfahrtindustrie mehr Effizienz gefordert. Fachkräfte aus dem Ingenieurbereich haben diesbezüglich viele Ideen, einschließlich radikal neuer Architekturen und Antriebssysteme für Flugzeuge. Konstrukteurinnen und Konstrukteure müssen jedoch ihre vorgeschlagenen Änderungen zunächst mathematisch modellieren. Daher benötigt jedes Luftfahrtprojekt hochentwickelte Modellierungs- und Simulationsverfahren, die während der gesamten Laufzeit zur Verfügung stehen. So wurde in einem früheren EU-Projekt, VIVACE, bereits eine europäische Standardsimulationssoftware für diese Art der Modellierung namens PROOSIS entwickelt.
PROOSIS für das Flugzeugdesign
Das EU-finanzierte Projekt DEMOS nutzte PROOSIS für die Entwicklung und Optimierung verschiedener fortschrittlicher Antriebssysteme. DEMOS ist Teil des Technologiestroms Innovative Aircraft Architecture (zu Dt. „innovative Flugzeugarchitektur“) des EU-Programms Airframe im Rahmen der Initiative Clean Sky 2. Das Team untersuchte zwei neue Antriebssysteme. Das erste war ein gegenläufig rotierender offener Rotor. Dabei handelt es sich um einen Propeller mit zwei Reihen von Rotorblättern, die sich in entgegengesetzte Richtungen drehen. Die rückwärtsgepfeilten Rotorblätter ermöglichen dabei die Verwendung eines größeren Luftvolumens als bei vergleichbaren Rotoren. Der Rotor erzeugt dadurch mehr Schub, verbraucht aber gleichzeitig 25 bis 30 % weniger Treibstoff als vergleichbare Alternativen. Das zweite Antriebssystem ist ein Mantelstromtriebwerk. Ein Mantelstromtriebwerk ist mit einem herkömmlichen Triebwerk vergleichbar, hat aber ein Nebenstromverhältnis von mehr als 15. Das neue Design erhöht die in ein Triebwerk eingesaugte Luftmenge und verbessert so die Antriebseffizienz. Ein Ingenieurteam startet nun ein Projekt für neuartige Designs mit Annahmen über Leistungs- und Technologiegrenzen. Im Verlauf der Analyse müssen die Annahmen außerdem möglicherweise aktualisiert werden, was zu einer weiteren Designstufe führt. „Im Rahmen von DEMOS haben wir einen einstufigen Ansatz entwickelt, der die Designdisziplinen Thermodynamik und Aerodynamik miteinander verbindet“, sagt der technische Leiter des Projekts, Alexios Alexiou. „Wir haben auch den Integrationsgrad erhöht, um multidisziplinäre Bewertungen auf Flugzeugebene zu ermöglichen. Dies ermöglicht ein Umdenken und die konsequente Optimierung neuartiger Antriebssysteme.“
Optimierung des Designs
Mithilfe des Rahmens im neuen Design optimierte das Team ein Mantelstromtriebwerk dahingehend, dass die Menge des Treibstoffverbrauchs minimiert wird. Dadurch werden sowohl die CO2-Emissionen als auch die Treibstoffkosten gesenkt. Das daraus resultierende Design erreicht so ein höheres Nebenstromverhältnis als aktuelle Triebwerke. Im Vergleich zu herkömmlichen Mantelstromtriebwerken könnte das optimale DEMO-Design zu einem um 18 % besseren Treibstoffverbrauch und CO2-Ausstoß als bei Triebwerken von vor 20 Jahren führen. Unter DEMOS wurden zudem auch wichtige Teiltechnologien untersucht, mit denen gegenläufig rotierende offene Rotoren und Mantelstromtriebwerke während des Betriebs optimiert werden können. Dazu gehören unter anderem eine Gebläsedüse mit variablem Durchmesser, ein Mechanismus zur Verstellung der Rotorblätter und Kraftübertragungsgetriebe. Das Unternehmen, das Eigentümer von PROOSIS ist, Empresarios Agrupados Internacional, ist auch der Hauptpartner des DEMOS-Konsortiums. Das Unternehmen veröffentlicht jährlich Aktualisierungen, um das Werkzeug auf dem neuesten Stand der Technik zu halten. Die im Rahmen von DEMOS geleistete Arbeit führte dazu, dass der Software mehrere erweiterte Module hinzugefügt wurden, die neue Designfunktionen bereithalten. „Die Entwicklungen von DEMOS bieten eine neue Möglichkeit zur Erforschung von Designs für den ‚Lösungsraum‘ und zur Optimierung der Leistung für praktisch jedes zukünftige Antriebskonzept“, fügt Alexiou hinzu. Der neue Rahmen ist robust, flexibel, modular und erweiterbar, was eine langfristige Anwendbarkeit auf Anwendungen zur Designsimulation garantiert. „Somit ist das erarbeitete Werkzeug eine ideale Plattform für die Zusammenarbeit bei der Bewertung innovativer Triebwerkskonfigurationen.“ Nach dem Erfolg von DEMOS hat das Konsortium weitere Finanzmittel erhalten. Ein neues Projekt, UTOPEA, wird die Antriebssysteme mit ultrahohem Nebenstromverhältnis entwickeln und deren Potenzial bewerten.
Schlüsselbegriffe
DEMOS, Design, Antriebssystem, PROOSIS, Luftfahrt, Modellierung, Aerodynamik, Flugzeugdesign
