EPIFAN

Das DLR-Institut für Antriebstechnik untersucht gemeinsam mit der TU Braunschweig und Oswald Elektromotoren GmbH im LuFo-geförderten Vorhaben EPIFAN (Entwicklung eines hybrid-elektrischen Antriebsystems bestehend aus Elektromotor und grenzschichteinsaugendem Schuberzeuger mit experimenteller Erprobung im Off-Design) ein solches revolutionäres Antriebssystem. Der Fokus des DLRs liegt dabei speziell auf den Anforderungen der Fanstufe, die sich aus den charakteristischen Zuströmbedingungen bei Einlaufstörung ergeben.

Energieverluste ausgleichen und Geschwindigkeitsdefizit aufheben

Das Ziel des Antriebskonzeptes ist es, im Reiseflug die Energieverluste, die durch die Reibung zwischen dem Flugzeugrumpf und der umströmenden Luft entstehen, durch einen Schuberzeuger – in diesem Fall ein Elektromotor – auszugleichen und damit das Geschwindigkeitsdefizit aufzuheben. Durch die geringeren Eintrittsgeschwindigkeiten in den grenzschichteinsaugenden Schuberzeuger, ist der benötigte Treibstoffeintrag für die Schuberzeugung geringer. Da das Potential zur Treibstoffeinsparung durch den Widerstand des Flugzeugrumpfes begrenzt ist und damit auch die Leistungsklasse im Vergleich zu konventionellen Triebwerken geringer ausfällt, eignet sich für diese zusätzlichen Schuberzeuger eine hybrid-elektrische Leistungsbereitstellung. Ein weiterer Vorteil: Der Antrieb kann unter Nutzung von Wasserstoff auch zu einem hybrid-elektrischen Brennstoffzellen-Antrieb modifiziert werden.

Ein interdisziplinäres Konsortium arbeitet mit dem jeweiligen Fokus auf die elektrischen sowie aerodynamischen Komponenten zusammen. Die Expertinnen und Experten verknüpfen dabei ihr Fachwissen, mit dem Ziel einen hybrid-elektrischen Antriebsstrang zu spezifizieren, auszulegen und experimentell in bodennahen Betriebspunkten zu erproben. Verbundführer ist die Firma Oswald Elektromotoren GmbH, ein familiengeführtes Unternehmen spezialisiert auf individuelle Elektromotorenlösungen. Im Bereich der aerodynamischen Antriebskomponenten ist das Institut für Flugantriebe und Strömungsmaschinen (IFAS) der TU Braunschweig und das DLR-Institut für Antriebstechnik vertreten.

Jede der obengenannten Projektphasen birgt einige Herausforderungen:

Spezifikation: Der positive Effekt der Grenzschichteinsaugung und der damit verbundenen Brennstoffeinsparung ist vorrangig im Reiseflug nutzbar. Mit Hinblick auf das Systemgewicht des Antriebs sollte deswegen vorrangig der Reiseflug für die Dimensionierung herangezogen werden. Nichtsdestotrotz müssen die weiteren Betriebspunkte einer Flugmission sicher und effizient durchfolgen werden können. Da gerade das luftatmende System eine von den Umgebungsbedingungen abhängige Leistungsanforderung aufweist, sind grade Betriebspunkte bei niedrigen Flughöhen und -geschwindigkeiten herausfordernd, da unter Berücksichtigung der oben genannten Auslegungsziele die Leistungsbereitstellung des Elektromotors limitiert ist. Der daraus resultierende Betrieb des Fans ist sowohl mit Hinblick auf Stabilität als auch Effizienz herausfordernd. Eine Möglichkeit zur simultanen Verbesserung beider Themenfelder ist eine Fanschaufelverstellung.

In der Detailauslegung, muss der spezifizierte Antriebsstrang ausgelegt werden. Hierbei werden sowohl die unterschiedlichen Betriebsbedingungen im Reiseflug als auch das bodennahe Off-Design berücksichtigt und in einen zu fertigenden Versuchsträger überführt werden. Daran anschließend findet eine umfangreiche numerische Bewertung der Fanstufe statt, aus der eine Testmatrix für die experimentelle Erprobung abgeleitet wird.