Wie modulare Antriebssysteme von Flugzeugen für weniger Gewicht und Treibstoffverbrauch sorgen
Moderne Flugzeuge nutzen schon jetzt Strom für zahlreiche Bordsysteme, künftige Konstruktionen werden jedoch noch in weitaus stärkerem Maße elektrisch betrieben sein. Dies bietet Möglichkeiten zur Senkung des Treibstoffverbrauchs und der Instandhaltungskosten, vorausgesetzt, dass das elektrische Antriebssystem ein leichtes, effizientes und sicheres Design beibehält, während es gleichzeitig weitere Funktionen erfüllt. Das EU-finanzierte Projekt ORCHESTRA(öffnet in neuem Fenster) entwickelte modulare technische Bauteile (TBBs) für in stärkeren Maße elektrisch betriebene Flugzeuge, also für Flugzeuge, die hydraulische, pneumatische und mechanische Systeme ganz oder teilweise durch elektrische Systeme ersetzen. Nach der Berücksichtigung von Energieumwandlung, Maschinen, Verkabelung, Batterien, Wärmemanagement und Überwachung wurde überprüft, wie sich das Zusammenspiel dieser Teile gestaltet, anstatt diese als isolierte Komponenten zu betrachten.
Modulare elektrische Antriebssysteme für leichtere Flugzeuge
ORCHESTRA wurde für die nächste Generation von Elektro- und Hybridelektroflugzeugen konzipiert, bei denen das elektrische Antriebssystem zu einem Hauptbestandteil wird, und nicht mehr nur ein Nebensystem darstellt. Für die Fluglinien kann das einen geringeren Treibstoffverbrauch, eine einfachere Instandhaltung und eine höhere Zuverlässigkeit bei der Abfertigung bedeuten. Serhiy Bozhko, Professor für elektrische Antriebssysteme von Flugzeugen an der Universität Nottingham und ORCHESTRA-Koordinator, meint dazu: „Den größten Beitrag stellte nicht eine einzelne Technologie dar, sondern die Kombination von modularen Teilsystemen und intelligentem Energiemanagement auf der Systemebene.“ In der Praxis näherte sich das Projekt dem angestrebten Wirkungsgrad von 10 % und der Gewichtsreduktion von 25 % an, indem leichtere Hardware mit einer besseren Nutzung der verfügbaren Energie kombiniert wurde, anstatt davon auszugehen, dass eine einzige bahnbrechende Komponente das Erreichen aller Ziele gewährleisten würde.
Eine vertrauenswürdige Integration von Umrichtern, Maschinen und Steuerungsgeräten erreichen
Alle technischen Bauteile wurden für die Lösung eines Teilproblems entwickelt: verlustarme Umrichter, leichtere elektrische Maschinen, verbesserte Kabelbäume, Festkörperbatterien, thermische Modelle und Überwachungssteuerung. Das erforderliche Zusammenspiel dieser Teile stellte den schwierigsten Schritt dar. Bozhko erklärt hierzu: „Die größte Herausforderung war die Integration auf Systemebene zwischen den unabhängig voneinander entwickelten TBBs.“ Im Rahmen des Projekts wurde dieses Anliegen durch eine gemeinsame elektrische Architektur und einen hierarchischen Überwachungsansatz angegangen, bei dem die lokale Gerätesteuerung von der Koordination auf Flugzeugebene getrennt wurde. ORCHESTRA untersuchte zudem, was passiert, wenn elektrische Systeme von Flugzeugen auf Gleichstromnetze mit höherer Spannung und Multimegawatt-Umrichter umgestellt werden. Auf diesen Ebenen sind Systemfehler, Isolaturbrüche, thermische Belastungen und elektromagnetische Schadwirkungen viel schwieriger einzudämmen. Das Projekt förderte eine klare Erkenntnis zutage: „Alles in allem erfordert die Umstellung eine Sicherheitsphilosophie auf Systemebene, nicht nur Verbesserungen auf Komponentenebene.“ Das bedeutete eine schnellere Fehlerisolierung, eine bessere Überwachung, ein sorgfältiges Isolatordesign und rekonfigurierbare Architekturen, die die Ausbreitung von Fehlern begrenzen.
Die Komponenten aus dem ORCHESTRA-Toolkit, die dem praktischen Einsatz am nächsten sind
Zu den ausgereiftesten Ergebnissen des Projekts zählen modulare leistungselektronische Umrichter, modulare elektrische Maschinen, Sensor- und Überwachungslösungen sowie ein verbessertes Wärmemanagement. Diese Komponenten entsprechen der gängigen Praxis in der Industrie und können leichter schrittweise eingeführt werden. Für ein autonomeres Energiemanagement, hybride Architekturen mit sehr hoher Leistung und einen weit verbreiteten Einsatz von Hochspannungs-Gleichstromsystemen ist weitere Entwicklungsarbeit erforderlich, bevor die Erwartungen hinsichtlich Zertifizierung und Sicherheit erfüllt werden können. Nach dem Abschluss des Projekts im November 2025 wurden die Modelle, Prüfstände und Demonstratoren von ORCHESTRA in anschließenden Maßnahmen bezüglich der Normung und Umsetzung weiterverwendet. Die Ergebnisse fungieren bereits als Informationsgrundlage für EUROCAE-Normungsarbeit im Bereich des intelligenten Energiemanagements an Bord, während Hardware-in-the-Loop-Plattformen und virtuelle Integrationsmodelle weiterhin für die künftige Integration von Elektroflugzeugsystemen genutzt werden. Das Ergebnis ist kein einzelnes fertiges Flugzeug, sondern ein praktisches Fundament, das einen Beitrag für den Schritt von Konzeptstudien zu zertifizierbaren Systemen in der elektrifizierten Luftfahrt leistet.