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Potential assessment of regional aircraft concepts with distributed hybrid-electric propulsion = Potentialabschätzung von Regionalflugzeug-Konzepten mit verteilten hybrid-elektrischen Antrieben
2025
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-01-20
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-03098
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1008701/files/1008701.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
conceptual aircraft design (frei) ; distributed propellers (frei) ; hybrid-electric propulsion (frei) ; regional aircraft (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Elektrisch angetriebene Flugzeuge könnten die Treibhausgasemissionen im Betrieb sofort auf Null reduzieren, aber ihre Realisierung scheitert in der Regel an dem erheblichen Massenzuwachs, der durch die elektrifizierten Antriebssträngen entsteht. Daher sollte sich die Forschung nicht nur auf den Antriebsstrang beschränken, sondern auch neue Technologien berücksichtigen, die durch die Elektrifizierung des Flugzeugs ermöglicht werden. Eine erste Bewertung von möglichen Technologieoptionen, welche im Rahmendes GNOSIS-Forschungsprojekts durchgeführt wurde, zeigt, dass die Verteilung der Propeller am Flugzeug die größten Auswirkungen auf Emissionen und Kosten hat. Daher wird in dieser Arbeit das Potenzial von verteilten Propellern anhand von 9-, 19- und 50-sitzigen elektrifizierten Regionalflugzeugen auf Gesamtflugzeugebene evaluiert. Um die elektrifizierten Regionalflugzeuge zu entwerfen, werden Ersatzmodelle für die Komponenten des Antriebsstrangs, die Massenabschätzung des Flügels und die elektrischen Systeme in der Flugzeugvorentwurfsumgebung MICADO implementiert. Die Blattelemente-Impulstheorie liefert die induzierten Geschwindigkeiten hinter der Propellerebene, die in ein Mehrfach-Traglinienverfahren zur Bestimmung der Flügelaerodynamik integriert werden. Die Integration von bis zu vier Propeller an der äußeren Vorderkante des Flügels führt zur höchsten Reduktion der benötigten Wellenleistung. Aufgrund der geringen gravimetrischen Energiedichte der Batterien wird in den Flugzeugentwürfen mit einer Indienststellung im Jahr 2025 ein partiell turboelektrischer Antriebsstrang integriert. Bei einer prognostizierten Energiedichte der Batterien von 500 Wh/kg im Jahr 2050 ergibt sich ein seriell hybrid-elektrischer Antriebsstrang, der Gasturbinen oder Brennstoffzellen in Kombination mit einer Batterie nutzt. Im Reiseflug erhöht sich durch die optimierte Anordnung der Propeller das Auftriebs-Widerstands-Verhältnis um bis zu 8,3%. Doch selbst bei vollelektrischen 9- und 19-sitzigen Flugzeugen führt die zusätzliche Masse der verteilten Antriebssysteme zu keiner Energieeinsparung im Vergleich zur konventionellen Variante. Außerdem erhöht die Integration der Brennstoffzellen mit ihrem erforderlichen Wärmetauscher in die Triebwerksgondeln an der Flügelvorderkante den viskosen Widerstand der Gondeln um den Faktor drei. Höhere direkte Betriebskosten ergeben sich aus dem zusätzlichen Wartungsaufwand für die elektrischen Antriebssysteme und den hohen Kosten für Wasserstoff. Trotzdem sind mit Brennstoffzellen und Batterien Flugzeugkonzepte möglich, die im Betrieb keine Treibhausgase ausstoßen.During operation, electrically powered aircraft could instantly reduce greenhouse gas emissions to zero. However, their realization usually fails due to the significant increase in mass of electrified powertrains. Thus, the scope of research should not be limited to the powertrain but consider new technologies that are enabled by the electrification of the aircraft. An initial ranking of possible technology options carried out as part of the GNOSIS research project shows that distributing the propellers on the aircraft has the greatest impact on emissions and costs. Therefore, this thesis evaluates the potential of distributed propellers by designing 9-, 19-, and 50-seat electrified regional aircraft at aircraft level. Substitute models for the powertrain components, the mass estimation of the wing and the electrical systems are implemented in the conceptual aircraft design environment MICADO to design the electrified regional aircraft. The blade element momentum theory provides the induced velocities behind the propeller plane. They are integrated into a multiple lifting line method to determine the wing aerodynamics. Up to four propellers are installed at the leading edge of the outboard wing, which leads to the highest shaft power reduction. Due to the low gravimetric energy density of the batteries, a partial turboelectric powertrain is integrated in the aircraft designs with an entry into service in 2025. Predicting an energy density of the batteries of 500 Wh/kg in2050 results in a serial hybrid-electric powertrain, which uses gas turbines or fuel cells in combination with a battery. In cruise flight, the optimized arrangement of the propellers increases the lift-to-drag ratio by up to 8.3%. However, even in all-electric 9- and 19-seataircraft, the additional mass of the distributed propulsion systems does not result in any energy savings compared to the conventional version. In addition, integrating the fuel cells with the required heat exchanger in the engine nacelles at the leading edge of the wing increases the viscous drag of the nacelles three times. Higher direct operating costs owe to the additional maintenance required for the electric propulsion systems and the high cost of hydrogen. Despite all this, aircraft designs that do not emit greenhouse gases during operation are possible using fuel cells and batteries.
OpenAccess: 
PDF
(zusätzliche Dateien)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030977962
Interne Identnummern
RWTH-2025-03098
Datensatz-ID: 1008701
Beteiligte Länder
Germany
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