Evaluation of on-demand air mobility concepts with utilization of electric powered small aircraft

Kreimeier, Michael; Reichmuth, Johannes; Stumpf, Eike

doi:10.18154/RWTH-2018-223676

Evaluation of on-demand air mobility concepts with utilization of electric powered small aircraft = Bewertung von On-Demand Luftverkehrskonzepten unter Einsatz elektrisch angetriebener Kleinflugzeuge

Kreimeier, Michael

2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Michael Kreimeier

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (XIX, 165 Seiten) : Illustrationen, Diagramme, Karten

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Stumpf, Eike (Thesis advisor) ; Reichmuth, Johannes (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-03-22

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-223676
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/722626/files/722626.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme (ILR) (415310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
on-demand air mobility (frei) ; hybrid electric flight (frei) ; small aircraft design (frei) ; distributed electric propulsion (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Innerhalb sog. Thin-Haul On-Demand Air Mobility (ODAM) Konzepte werden kleine, hochautomatisierte Flugzeuge ohne Pilot, vergleichbar mit Flugzeugen der CS-23 Klasse, als mögliche Transportoption für regionale Fahrstrecken verwendet, für die heutzutage meist bodengestützte Transportmöglichkeiten genutzt werden. Im Gegensatz zur innerstädtischen Mobilität, für die Flugzeuge mit einer vertikalen Start- und Landefähigkeit (VTOL) erforderlich sind, verwenden Thin-Haul geeignete ODAM-Flugzeuge lokale Flugfelder. Der Verzicht einer VTOL-Fähigkeit führt zur Effizienzsteigerung im Reiseflug, weil dadurch Gewichtseinsparungen möglich sind und kein Kompromiss zwischen Reise- und Schwebeleistung erforderlich ist. Ferner wird ein elektrischer oder hybrid-elektrischer Antriebsstrang aufgrund von Nachhaltigkeitszielen, wie bspw. Flightpath 2050 (-90 % Stickoxide und -75 % Kohlendioxid-Emissionen), angewandt. Die erfolgreiche Einführung und weitere Entwicklung dieser ODAM-Systeme hängen in hohem Maße von der wirtschaftlichen Machbarkeit ab. Daher werden in dieser Arbeit zwei Hauptziele verfolgt. Als erstes Hauptziel werden das potenzielle ODAM-Marktvolumen für Deutschland abgeschätzt und sinnvolle Top-Level-Aircraft Requirements (TLAR) abgeleitet. In dieser Analyse werden Zensus-2011-Daten verwendet, innerhalb welcher Deutschland in 1 x 1 km² kleine Gitterzellen diskretisiert wird. Als zweites Hauptziel werden geeignete Flugzeugvorentwürfe ermittelt, um Angebotskosten zuverlässig abzuschätzen. Zu diesem Zweck wird ein multidisziplinäres Flugzeugvorentwurfsprogramm entwickelt, welches ebenfalls die Möglichkeit zur Modellierung verteilter Antriebskonzepte bietet. Die Ergebnisse der Marktanalyse zeigen großes Potenzial für Deutschland, sodass von einem Engpass der Flugfeldkapazitäten auszugehen ist anstelle von einer fehlenden Nachfrage. Insgesamt sind 394 Flugfelder (ausgenommen die 20 verkehrsreichsten Flughäfen) für Thin-Haul ODAM geeignet, wovon 157 Flugfelder eine zur Meereshöhe äquivalente Bahnlänge von mehr als 800 m besitzen. Diese 157 Flugfelder umfassen 17 % der Bevölkerung innerhalb von 10 km Luftlinienentfernung und ca. 45 % innerhalb von 20 km. 96 % der ODAM-Reisen liegen innerhalb von 500 km, 85 % innerhalb von 400 km und 63 % innerhalb von 300 km Luftlinienentfernung. Ein Kleinflugzeug mit vier Passagiersitzen stellt eine sinnvolle Größe dar. Verteilte, elektrische Antriebskonzepte sind ab einer Reisegeschwindigkeit von 300 km/h auf einer Reisehöhe von 12.000 ft und einer Überziehgeschwindigkeit von 61 kts vorteilhaft. Basierend auf einer Passagierauslastung von 60 %, einer Deadhead-Ratio von 10 % zwecks Neupositionierung von Flugzeugen und einer spezifischen Batterieenergie von 400 Wh/kg ergeben sich, je nach TLAR, ODAM-Angebotskosten von 0,35-0,4 €/Passagierkilometer. Die Integration von Ergebnissen der Flugzeugentwurfsstudien mit dem Marktmodell ergibt, dass eine Reisegeschwindigkeit von 250-300 km/h am vorteilhaftesten ist, da eine höhere Reisegeschwindigkeit erhöhte Kosten nicht überkompensiert. Bei realistischen 0,30 €/km Autokosten ergeben sich rund 13.400 Flugfeldverbindungen mit einer Nachfrage von mehr als fünf Passagieren pro Tag und 6.600 davon mit mehr als 20 Passagieren pro Tag. Dies ergibt für die genannten 13.400 Verbindungen 269 Millionen Passagiere pro Jahr. Aufgrund dieser hohen Nachfrage ist ein Kapazitätsengpass der Flugfelder wahrscheinlich.

Within so called thin-haul On-Demand Air Mobility (ODAM) concepts, small, pilotless aircraft, comparable to CS-23 class aircraft, are envisioned to be used as a viable transportation option for regional travel distances for which nowadays mostly ground based transportation options are utilized. In contrast to intra-urban mobility, for which aircraft with a vertical take-off and landing (VTOL) ability are required, thin-haul suitable ODAM aircraft utilize local airfields. Omitting this VTOL ability increases flight performance because a VTOL ability leads to additional weight and requires a trade-off of cruise and hover performance. Additionally, an electric or at least hybrid-electric powertrain is applied for such ODAM aircraft due to sustainability goals, e.g. Flightpath 2050 (-90 % nitrogen oxides and -75 % carbon dioxide emissions).The successful introduction and the continuing development of ODAM systems highly depend on the economic feasibility. Therefore, two main objectives are pursued within this thesis. The first objective is to estimate potential ODAM market volume for Germany and to derive reasonable Top Level Aircraft Requirements (TLAR). Census 2011 data discretizing Germany into 1 x 1 km² grid cells are utilized in this context. The second objective is to determine a suitable preliminary ODAM aircraft design in order to reliably estimate ODAM service provision costs. For this purpose, a multidisciplinary preliminary aircraft design tool is developed. Because electric engines enable a wider design space, distributed electric propulsion is included in the design tool as well. Market analysis shows huge potential for Germany leading to a bottleneck of airfield infrastructure capacity rather than missing demand. A total of 394 airfields (excluding the busiest 20 airports) are generally feasible for thin-haul ODAM application, of which 157 airfields possess an equivalent sea level runway length above 800 m. These 157 airfields cover 17 % of the German population within 10 km linear distance and about 45 % within 20 km. Results indicate that 96 % of the ODAM trips occur within 500 km range, 85 % within 400 km and 63 % within 300 km linear distance. A small aircraft with four passenger seats is evaluated to be suitable. Application of distributed electric propulsion is beneficial at 300 km/h cruise speed at an altitude of 12,000 ft and a stall speed of 61 kts. ODAM service provision costs vary in between 0.35-0.4 €/revenue seat kilometer depending on specific TLAR. Service provision costs are based on a passenger utilization of 60 %, a deadhead ratio of 10 % to account for repositioning of aircraft and a battery specific energy of 400 Wh/kg. Integration of aircraft design results with the market model yields that 250-300 km/h cruise speed is most beneficial as lower travel time does not compensate increased costs due to higher cruise speed. At realistic car costs of 0.30 €/km, roughly 13,400 airfield to airfield connections are estimated with a demand of more than five passengers per day and 6,600 of them with more than 20 daily passengers. This results in 269 million passenger trips per year for the mentioned 13,400 connections. Considering that only 157 airfields are involved, airfield capacity becomes the restricting constraint.

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