Weltweit tüfteln Flugzeughersteller, Start-ups und Forschungsinstitute an den Flugzeugen der Zukunft. Sie sollen leiser und effizienter sein und mit möglichst wenig Treibstoff und Emissionen auskommen. Gerade erst hat der brasilianische Regionalflugzeugbauer Embraer Konzepte für vier alternative Flugzeuge vorgestellt, die ab 2030 Wirklichkeit werden könnten.
Nun präsentiert auch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR einen neuartigen Entwurf für ein Regionalflugzeug. Es handelt sich um einen hybrid-elektrischen Flieger mit zehn Propellern. Das Forschungszentrum hat das Konzept für das Flugzeug, in dem bis zu 100 Reisende Platz finden sollen, zusammen mit Airbus, Rolls-Royce und Bauhaus Luftfahrt in einem staatlich geförderten Projekt entwickelt.
Fläche und Masse der Flügel sinken
Die Propeller sind über die gesamte Länge der Flügel verteilt. Das führt zu einer effizientere Umströmung. «Bei klassischen Regionalflugzeugen sind die Flügel oft überdimensioniert, um gute Start- und Landeleistungen zu erreichen», erklärt Martin Hepperle vom DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik. «Diese Flugzeuge fliegen dann im Reiseflug mit zu hohem Energieverbrauch.»
In Simulationen zeigte sich, dass elektrische Antriebe eine Verteilung des Schubs auf viele kleinere Propeller ermöglichen. «Überströmen diese dann den Tragflügel, sorgen sie für einen erhöhten Auftrieb und eine effizientere Aerodynamik», schreibt das DLR. So konnten die Forschenden «die Flügelfläche und die Flügelmasse reduzieren und den Widerstand durch die Interaktion der Propellerstrahlen mit den Randwirbeln des Flügels verringern».
Auch Seitenleitwerk deutlich kleiner
Als finalen Entwurf für ein Flugzeug mit verteilten hybrid-elektrischen Antrieben haben die Forscherinnen und Forscher aus unterschiedlichen Anordnungen ein Konzept mit Turbogeneratoren im Rumpf und zehn Elektromotoren entlang der Flügelvorderkante als beste Lösung erachtet. So konnte die Flügeltiefe und die Seitenleitwerksgröße verringert werden, was laut DLR den Energieverbrauch um bis zu zehn Prozent senkt.
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Bild: DLR, CC BY-NC-ND 3.0
Aerodynamik-Experte Hepperle erklärt, durch die spezielle Anordnung der Propeller habe man die Gewichtsnachteile des hybrid-elektrischen Antriebssystems kompensieren können. «Auch das Seitenleitwerk konnten wir bei unserem mehrmotorigen Konzept kleiner und damit leichter und widerstandsärmer auslegen», so Hepperle. Das Konzept könne den Ausfall von zwei Elektromotoren kompensieren.
Noch offene Herausforderungen
Das führte aber auch zu neuen Herausforderungen, wie sich bei virtuellen Flügen im Flugsimulator besonders beim Landeanflug zeigte. Die geringere Wirksamkeit des kleineren Seitenleitwerks und -ruders musste ausgeglichen werden. Dazu entwickelte ein Forschungsteam einen Flugsteuerungsregler, der die Giersteuerung – die Steuerung um die Vertikalachse – mittels Seitenruder und differentiellem Schub ermöglicht.
Und es gibt auch noch offene Fragen, etwa zur Akustik der verteilten Propeller. Auch das optimale Klappensystem für den Landeanflug müssen die Forschenden noch finden.
