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Evaluation of electric propulsion systems in preliminary aircraft design = Bewertung von elektrischen Antriebssystemen im Flugzeugvorentwurf
2023 & 2024
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-10-12
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-09845
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/971858/files/971858.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
aircraft design (frei) ; electric propulsion (frei) ; multidisciplinary design optimization (frei) ; technology evaluation (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Elektrische Flugzeugantriebe gelten als eine der Schlüsseltechnologien, um den Anteil der kommerziellen Luftfahrt am globalen Klimawandel zu reduzieren. Während im Kleinflugzeugbereich bereits heute eine Reihe von Prototypen und teilweise sogar zertifizierte Flugzeuge existieren, befindet sich die Entwicklung im Bereich großer Transportflugzeuge größtenteils noch in der Vorentwurfsphase. Eine sinnvolle Integration elektrischer Antriebssysteme stellt eine komplexe Aufgabe dar, die nur mit Hilfe von Methoden gelingt, die das Flugzeug als Gesamtsystem betrachten. Die vorliegende Arbeit beschreibt eine Methodik zum Entwurf und zur Analyse elektrischer Antriebe für Transportflugzeuge. Dabei wird ein generischer Ansatz zur Definition des Antriebssystems verfolgt, der die Betrachtung beliebiger Systemarchitekturen erlaubt. Die modulare und objektorientierte Implementierung ermöglicht sowohl den flexiblen Austausch der Antriebskomponenten, als auch die Weiterentwicklung der implementierten Modelle. Die Methodik ist Teil der Flugzeugentwurfsumgebung MICADO (Multidisciplinary Integrated Conceptual Aircraft Design and Optimization) des Instituts für Luft- und Raumfahrtsysteme der RWTH Aachen und wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit anhand umfassender Entwurfsstudien angewendet. Dabei wird insbesondere der Unterschied zwischen turboelektrischen, batteriebetriebenen und Brennstoffzellensystemen herausgearbeitet. Während Erstere in den betrachteten Anwendungsfällen selbst bei Annahme optimistischer Technologieszenarien keine Reduktion der Missionsenergie aufweisen, können Brennstoffzellensysteme mittelfristig zu einer Minimierung der Klimawirkung beitragen. Für Regionalflugzeuge eignet sich dabei ein Austausch der konventionellen Antriebseinheit durch ein Brennstoffzellensystem. Bei Kurz-/Mittelstreckenkonfigurationen wird eine Hybridlösung aus Brennstoffzelle und direkter Verbrennung von Wasserstoff bevorzugt. Hier ist zudem die Nutzung aerodynamisch wirksamer Antriebskonzepte, wie die Integration eines Rumpftriebwerks (Propulsive Fuselage), von Vorteil. Um die Anwendung wasserstoffbetriebener Antriebskonzepte zu realisieren, sind jedoch umfassende technologische Weiterentwicklungen notwendig. Dabei leistet insbesondere die Minimierung des Gewichts von Brennstoffzelle und Wasserstofftank einen wichtigen Beitrag. Die beschriebene Methodik bietet eine Plattform zur Bewertung dieser Technologien und ermöglicht zudem eine Erweiterung im Hinblick auf zukünftige Antriebskonzepte und weitere Flugzeugtypen.Electric aircraft propulsion is considered one of the key technologies for reducing commercial aviation's exhaust gas emissions. While, in the field of general aviation, a number of prototypes and in some cases even certified aircraft already exist, for large transport aircraft, the development is largely still in the preliminary design phase. A meaningful integration and analysis of electric propulsion systems is a complex task that can only be achieved with methods that consider the aircraft as an integrated system of systems. This thesis presents a methodology for the design and analysis of electric propulsion systems for transport aircraft. A generic propulsion system definition allows for consideration of arbitrary system architectures. The modular and object-oriented implementation enables flexible replacement of the propulsion components as well as further development of the implemented models. The methodology is part of the aircraft design environment MICADO (Multidisciplinary Integrated Conceptual Aircraft Design and Optimization), which is developed at the Institute of Aerospace Systems of RWTH Aachen University. In the context of this work, the approach is applied on comprehensive aircraft design studies. In particular, the difference between turbo-electric, battery-powered, and fuel-cell-powered propulsion systems is elaborated. While the former provide no sufficient reduction of mission energy even assuming optimistic technology scenarios for the investigated applications, fuel cell systems can contribute to a minimization of the climate impact in the medium term. In this context, replacing the conventional propulsion unit with a fuel cell system is suitable for regional aircraft. For short/medium-range configurations, a hybrid solution of fuel cell and direct hydrogen combustion is preferred. Here, systems utilizing aero-propulsive coupling, such as the propulsive fuselage concept, are beneficial. In order to realize the application of hydrogen-powered propulsion concepts, however, substantial technological improvements are necessary. Two of the most important issues are, for instance, minimizing the mass of the fuel cell and hydrogen tank. The presented methodology provides a platform to evaluate these technologies and also allows for an extension regarding future propulsion concepts and other aircraft types.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030673330
Interne Identnummern
RWTH-2023-09845
Datensatz-ID: 971858
Beteiligte Länder
Germany
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