HAP 4

 

Flugzeugkonfigurationen für effiziente Bodenoperat.

Übersicht

Übersicht

Flugzeugkonfigurationen für Szenario 2015

Flugzeugkonfigurationen für Szenario 2030

Bodeninfrastruktur für fahrwerklose Flugzeug-konfigurationen für Szenario 2030

Das Leuchtturmprojekt "Airport 2030" besteht aus insgesamt fünf Hauptarbeitspaketen. Die für die zukünftige Gestaltung von Lufttransportsystemen als entscheidend identifizierten Auslegungskriterien Ökologie, Ökonomie, Zuverlässigkeit, Komfort und Flexibilität sollen innerhalb des vierten Hauptarbeitspaketes (HAP 4) unter der Leitung von mb+Partner im Hinblick auf die Schnittstelle zwischen Flughafen und Flugzeug für die Szenarien 2015 und 2030 untersucht werden. HAP 4 umfasst drei Arbeitspakete, die von den Partnern Airbus, HAW Hamburg, DLR und mb+Partner bearbeitet werden.

Innerhalb der Betrachtungen im Szenario 2015 in AP 4.1 wird von eher konventionellen Modifikationsmöglichkeiten an der Flugzeugkonfiguration und der Flughafeninfrastruktur ausgegangen. Aufbauend auf den Erfahrungen eines vorhergehenden Projektes, sollen verschiedene Maßnahmen hinsichtlich ihres Einflusses auf die direkten Betriebskosten und die Umweltverträglichkeit des Flugzeugs hin analysiert und die resultierenden Entwürfe optimiert werden.

Für das Szenario 2030 wird von der Kombination revolutionärer Konzepte für die Flugzeugkonfigurationen und die Flughafeninfrastruktur ausgegangen, die einen maßgeblichen Einfluss auf die oben genannten Auslegungskriterien sowie auf die globalen Zielsetzungen des Gesamtvorhabens und die ACARE*-Ziele haben.

In AP 4.2 werden der Entwurf, die Analyse und Bewertung von neuartigen Flugzeugkonfigurationen durchgeführt. Dabei werden auch radikalere Konfigurationen, wie z. B. eine Blended-Wing-Body-Konfiguration und eine fahrwerklose Konfiguration in Betracht gezogen.

Auf Seiten der Flughafeninfrastruktur erfolgen in AP 4.3 die Untersuchung, die Konzeption und die technologische Auslegung eines bodenbasierten Fahrwerksystems, mit dem der Betrieb fahrwerkloser Flugzeuge ermöglicht werden soll.

*Advisory Council for Aeronautics Research in Europe (www.acare4europe.com)

HAP 4 gliedert sich in drei Arbeitspakete:

  Flugzeugkonfigurationen für das Szenario 2015
 

Im AP 4.1 werden zunächst die Bodenprozesse zur Abfertigung der Flugzeuge am Flughafen untersucht. Erst wenn die Bodenprozesse verstanden sind, können sinnvolle Verbesserungen am Fluggerät vorgeschlagen werden. Deshalb sind Betriebsabläufe und Kostenstrukturen des Ground Handlings Untersuchungsgegenstand. Bereits durchgeführte Studien aus anderen Forschungsprojekten werden analysiert und zusammengefasst. Die HAW baut eigene Fähigkeiten zur Aufzeichnung und Analyse von Bodenprozessen auf und wertet die Abläufe am Flughafen Hamburg entsprechend aus. Die Aufzeichnungen enthalten:

a) Videoaufzeichnungen,

b) Befragung von Flugzeugbetreibern und -abfertigern,

c) Darstellung der Abfertigungssituation.

Die aufgezeichneten Daten werden ausgewertet und analysiert. Es wird dadurch die Fähigkeit geschaffen, die Wechselwirkung zwischen dem Flugzeug mit seinen Entwurfsparametern einerseits und dem Ground Handling Equipment und dessen Einsatz andererseits hinsichtlich Zeitbedarf und Kosten für den Turn-Around-Prozess zu analysieren.

In AP 4.1 werden weiterhin vergleichsweise konventionelle Flugzeugkonfigurationen entworfen, analysiert und bewertet. Untersucht werden Narrow Body Aircraft wie sie heute als A320 oder B737 häufig am Flughafen Hamburg anzutreffen sind. Diese Flugzeugmuster werden heute verstärkt auch von Billigfluggesellschaften (Low Cost Airlines, LCA) genutzt, die teilweise auch den Flughafen Hamburg anfliegen. Die derzeitigen Flugzeuge sind jedoch nicht auf die Erfordernisse der LCA hin optimiert, weil die LCA noch nicht existierten als die heutigen Narrow Body Aircraft entwickelt wurden. Ziel ist also – im Hinblick auf das Jahr 2015 – neue optimierte Flugzeugkonfigurationen zu finden, die sowohl im Betrieb einer LCA als auch im Betrieb einer herkömmlichen Fluggesellschaft optimal betrieben werden können. Für die LCA spielen geringe Bodenkosten eine große Rolle und damit geringe Kosten und eine geringe Dauer des Turn-Arounds. Damit betrachtet das AP 4.1 eine Optimierung der Flugzeugkonfiguration ausgehend von den gegebenen oder verbesserten Bedingungen am Flughafen.

Ansätze für eine evolutionäre, konventionelle sowie eine evolutionäre, unkonventionelle Konfiguration

Im Endeffekt muss es darum gehen, eine Flugzeugkonfiguration zu finden, die die geringsten transportleistungsbezogenen Direct Operating Costs (DOC) liefert. Im Unterschied zum vorangegangenen Projekt ALOHA wird nicht von herkömmlichen DOC-Berechnungsmethoden ausgegangen. Notwendig ist hier die Definition einer neuen DOC-Berechnungsmethode, die alle relevanten Kostenelemente enthält – auch die, die erst in Zukunft von Bedeutung sein werden.

Hierzu gehören emissions- / lärmabhängige Gebühren und die detaillierte Abbildung der Abfertigungskosten. Die optimierte Konfiguration als Ergebnis der Untersuchungen ist abhängig von der vorgegebenen Zielfunktion (hier der DOC-Methode). Die optimierte Konfiguration muss den richtigen Entwurfskompromiss finden, der den Betrieb des Flugzeugs sowohl am Boden als auch im Flug bei geringen Kosten erlaubt. Dabei muss die optimierte Konfiguration einen Entwurfskompromiss finden, der sowohl für einen Betrieb einer Low Cost Airline als auch einer herkömmlichen Fluggesellschaft gerecht wird. Diese Arbeiten haben das primäre Ziel die Forschung in dem Bereich "Effizienter Flughafen" zu unterstützen sowie durch die gegebene enge Zusammenarbeit der europäischen Luftfahrtindustrie mit Universitäten und Forschungseinrichtungen das Forschungsnetzwerk auch in der Metropolregion Hamburg zu stärken.

  Flugzeugkonfigurationen für das Szenario 2030
 

Das Ziel dieses Arbeitspaket ist es, Herausforderungen des Flughafenbetriebs zu identifizieren, die aus dem Einsatz zukünftiger Konfigurationen erwachsen: Mit dem Zeithorizont 2030 sind Konfigurationen möglich, die sich deutlich von heutigen Mustern unterscheiden. In erster Linie werden eine konventionelle und unkonventionelle Konfiguration für das Jahr 2030 entworfen, Bodenprozesse werden für diese analysiert und in den gesamt Entwurf mit integriert um ein potential hinsichtlich der Bodenprozessoptimierung zu quantifizieren. Dabei ist eine Optimierung einer Konfiguration mit reinem Focus auf die Bodenprozesse nicht möglich sondern eine Betrachtung der Gesamtoptimierung mit weiteren Aspekten der Flugleistungen, Emissionen und Effizienz unumgänglich.

Die Erforschung neue Luftfahrzeugkonfigurationen ist im Allgemeinen durch die Reduzierung von Kosten oder der Umweltwirkung bezogen auf die Transportmission motiviert. Schlüsselfaktoren sind hier die Effizienz des Antriebs, die Masse des Luftfahrzeugs, seine aerodynamische Effizienz sowie die Lärmcharakteristik.

Der erfolgversprechendste Ansatz zur Steigerung der Effizienz des Antriebes mit Auswirkung auf die Konfiguration besteht in der Vergrößerung des Nebenstromverhältnisses. Das kann bei ummantelten Triebwerken in Kombination mit Getriebefans und ggf. gegenläufigen Fans oder ohne Ummantelung mit sog. Open Rotor Konzepten realisiert werden. In beiden Fällen vergrößert sich der Triebwerksdurchmesser, so dass konventionelle Anordnungen der Triebwerke unter dem Flügel aufgrund der großen notwendigen Fahrwerkslängen unwirtschaftlich werden. Open Rotor Konzepte bieten i.A. gute Flugleistungen im Start, emittieren jedoch erheblich mehr Lärm als ummantelte Antriebe. Aus diesem Grund entsprechen ummantelte Triebwerke besser den Anforderungen insbesondere aus Sicht des Flughafens.

Zur Steigerung der aerodynamischen Effizienz sind seit längerer Zeit sog. Drei Flächen Flugzeuge in der Diskussion. Diese entsprechen konventionellen Drachenkonfigurationen, die mittels eines Canard Flügels in der Lage sind, den Widerstand des getrimmten Flugzeugs zu reduzieren. Der Canard Flügel im Bereich des Cockpits würde ggf. eine Modifikation der Boarding-Brücke erfordern, hätte jedoch keine weiteren signifikanten Einflüsse auf das Bodenhandling. Eine erheblich stärkere Verbesserung der aerodynamischen Effizienz kann durch sog. Joint Wing oder Box Wing Konfigurationen erreicht werden. Hierbei handelt es sich um Konfigurationen mit konventionellem Rumpf und zwei Paaren Tragflügel, die Pfeilungen unterschiedlichen Vorzeichens aufweisen und mittels einer vertikalen Fläche an ihren Enden verbunden sind. Diese schon von Prandtl vorgeschlagene Konfiguration besitzt das Potential, den induzierten Widerstand erheblich zu verringern. Der konfigurative Vorteil wird jedoch relativiert, da die Kopplung der beiden Flügelpaare eine Massenzunahme der Flügel initiiert. Mit Hinblick auf eine effiziente Handhabung ab Boden können auch Konfigurationen entworfen werden, welche dieselbe aerodynamische Effizienz heutiger Flugzeuge bei verringerter Spannweite und damit geringerem Platzbedarf auf dem Flughafen aufweisen. Die Bodenabläufe sind unter Berücksichtigung der eingeschränkten Zugänglichkeit des Rumpfes zu optimieren. Da die heute etablierten grundlegenden Prozesse und Techniken wie z.B. das Frachtladekonzept weiterhin als Basis dienen können, wird diese Konfiguration im Schwerpunkt in AP 4.1 bearbeitet.

Dreiflächen und Box Wing Konfiguration [HAW Hamburg]

Tiefgreifendere Eingriffe in die Bodenprozesse erfordern Blended-Wing-Body Konfigurationen. In ihnen sind Rumpf und Flügel fließend ineinander integriert. Da die Nutzlast mehr in Spannweitenrichtung verteilt ist, können die strukturmechanisch dimensionierenden Biegemomente reduziert werden. Eine Reduzierung der Gesamtmasse konnte bisher trotzdem nicht nachgewiesen werden, da die flache Bauform sehr ungünstig ist hinsichtlich der Auslegung der Kabine als Druckkörper. Die Konfiguration bietet dafür eine signifikante Reduktion der umströmten Oberfläche, so dass der Reibungswiderstand deutlich vermindert wird. Die Bauform begünstigt die Montage auch Triebwerke großen Durchmessers auf der Oberseite des Rumpfes, wodurch sich Lärm-reduzierende Abschattungseffekte einstellen. BWB Konfigurationen gelten als sehr aussichtsreich für die Verwendung als militärische Tanker und Transporter. Insbesondere das Ableiten ziviler Transport- und Passagierkonfigurationen aus potentiellen militärischen Mustern lassen das Auftreten solch unkonventioneller Konfigurationen auf zivilen Flughäfen auch in einer nicht sehr fernen Zukunft möglich erscheinen.

Blended-Wing-Body Konfiguration

Aufgrund des großen Potentials im betrachteten Zeithorizont und des auch aus Flughafensicht hohen technischen Anspruchs ist AP4.2 auf BWB Konfigurationen fokussiert.

Die Konfiguration kann mit einer Vielzahl neuer Technologien ausgestattet werden. Von besonderer Bedeutung ist die strukturelle Bauweise, da diese wie oben beschrieben aufgrund der Bauform generell kritisch ist bei dieser Konfiguration. Weiterhin beeinflusst sie wesentlich durch Anordnung der Türen und Ladeluken die Schnittstellen zum Flughafen und die Bodenprozesse. Neben der geometrischen Gestaltung, die durch z.T. widersprüchliche Anforderungen der Flugleistungen und Bodenprozesse getrieben ist, soll die Verwendung neuer Werkstoffe sowie unterschiedliche Frachtladekonzepte untersucht werden.

Die Auslegung von BWB Konfigurationen ist anspruchsvoll, da die konventionellen Vorentwurfssysteme auf Statistiken oder elementaren physikalischen Modellen beruhen, die der integrierten Bauweise nicht gerecht werden. Aus diesem Grund ist ein Gesamtentwurfssystem nach dem Prinzip der multidisziplinären Optimierung zu erstellen, in dem angemessen detailliert abbildende Analysewerkzeuge miteinander verkoppelt werden. Diese Arbeiten stützen sich auf das Entwurfssystem des DLR, welches Werkzeuge mittels des kommerziellen Netzwerkprogramms PHX ModelCenter sowie der einheitlichen DLR Datenschnittstelle CPACS (Common Parametric Aircraft Configuration Scheme) miteinander verkoppelt. Im Rahmen des Spitzenclusters ist insbesondere die Schnittstelle hinsichtlich BWB Konfigurationen zu erweitern, Werkzeuge für die strukturelle Modellierung zu erstellen sowie Werkzeuge für Flughafen-spezifische Analysen in das System zu integrieren. Diese Arbeiten erfolgen in enger Zusammenarbeit aller HAP4 Arbeitspakete und Partner mb+Partner, HAW Hamburg, Airbus und DLR.

  Bodeninfrastruktur für fahrwerklose Flugzeugkonfigurationen Szenario 2030
 

Die Leermasse eines Flugzeuges hat einen großen Einfluss auf dessen Wirtschaftlichkeit. Eine kleinere Leermasse sorgt bei gleich bleibendem maximalen Abfluggewicht oder bei konstanter Nutzlast für eine bessere Wirtschaftlichkeit, da entweder mehr Nutzlast transportiert werden kann beziehungsweise sich durch die Reduktion der Masse ein geringerer Luftwiderstand und damit ein reduzierter Treibstoffverbrauch einstellt.

Das Fahrwerksystem nimmt bei konventionellen Verkehrsflugzeugen, abhängig vom Flugzeugtyp, einen relativen Massenanteil von etwa 6% bis 10% der Leermasse ein, und es wird während des Reisefluges als ungenutzte Masse mitgeführt. Das Fahrwerk wird am Boden für Start, Landung und Rollen verwendet. Weiterhin ist das Fahrwerk sowohl in der Anschaffung als auch im Betrieb aufgrund aufwändiger Wartung sehr kostenintensiv.

Ein Weglassen des Fahrwerksystems hätte unter Berücksichtigung von so genannten Schneeballeffekten (verkettete Auswirkungen auf andere Systeme sowie den gesamten Flugzeugentwurf) eine Reduktion der Leermasse um bis zu 15% zur Folge. Für den Flugzeugbetreiber ergeben sich ökonomische (z.B. bis 12% geringere Betriebskosten), ökologische (z.B. bis 20% weniger CO2- und bis 35% weniger Lärmemissionen) und operationelle Vorteile (z.B. Rollen ohne Haupttriebwerk, Verzicht auf Push-back Fahrzeuge), die zudem einen Sicherheitsgewinn mit sich führen könnten (z.B. Seitenwindlandungen inkl. Windvorhaltewinkel, Notbremssysteme).

Um diese Vorzüge nutzbar zu machen, muss an Flughäfen ein bodenbasiertes Fahrwerksystem installiert werden, das den Start-, Lande- und Rollvorgang fahrwerkloser Verkehrsflugzeuge ermöglicht.

Im Rahmen des Arbeitspaketes 4.3 wird ein solches bodenbasiertes Fahrwerksystem mit dem Projektnamen "GroLaS" (Ground-based Landing gear System) für den Betrieb fahrwerkloser Verkehrsflugzeuge konzipiert und untersucht. Der Vorentwurf des Systems sieht vor, dass die Struktur der herkömmlichen Landebahn erhalten bleibt und ein dualer Betrieb fahrwerkloser und fahrwerksgebundener Flugzeuge möglich ist. GroLaS hat zwei translatorische Freiheitsgrade (entlang der Bahn und quer zur Bahn) sowie einen rotatorischen Freiheitsgrad um die Hochachse. Bei einem Start unterstützt das System die Triebwerke bis zum Abheben. Somit kann der Startschub auf den minimal zulässigen Wert reduziert werden (Derated T/O). Für eine Landung positioniert sich GroLaS vor Erreichen der Bahnschwelle selbstständig unter dem anfliegenden Flugzeug und hält diesen synchronisierten Zustand auch unter Störeinflüssen, wie z.B. Windböen, bis zum Aufsetzen aufrecht. Zudem ist es denkbar die beim Abbremsvorgang nach dem Aufsetzen frei werdende Bremsenergie nutzbar zu machen. Das System könnte so einen regulären Start- und Landevorgang von Flugzeugen ohne Fahrwerk ermöglichen.

Fotomontage und Visualisierung eines Vorentwurfs des Bodenfahrwerkes "GroLaS"

Aus den bisherigen Expertenbefragungen innerhalb des Projektes "Airport 2030" sowie aus den Rückmeldungen aus der Öffentlichkeit wird deutlich, dass es einige, sich häufig wiederholende, grundsätzliche Fragen gibt, die für ein Verständnis des bodengebundenen Fahrwerksystems von Bedeutung sind. Als Resultat darauf sind im Bereich Ergebnisse HAP4 am häufigsten gestellten Fragen aufgeführt.