ZHAW School of Engineering, Energie- und Umweltforum vom 17. Mai 2017 zum Thema Flugverkehr der Zukunft: Umweltauswirkungen, ökologischere Varianten und neue Antriebe. Zukünftige Technologien der Flugzeuge Michel Guillaume, Leiter Zentrum für Aviatik

1. © Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
Zukünftige Technologien der Flugzeuge
Michel Guillaume
Leiter Zentrum für Aviatik
© Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume) ZAV-KOR2017-013

2. © Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
Themen
• Einführung
• Verbesserungen von der Boeing 767 zur 787
Heutige moderne Technologien
• Vorgaben in Bezug auf Luftverkehr der Zukunft
- Vision der EU: Flight Path 2050
- NASA New Horizons Initiative
• EU Clean Sky 2: Entwicklungen, neue Technologien
• NASA X-Plane: Entwicklungen, neue Demonstratoren
• Technologische Herausforderungen

3. © Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
Themen
• Einführung
• Verbesserungen von der Boeing 767 zur 787
Heutige moderne Technologien
• Vorgaben in Bezug auf Luftverkehr der Zukunft
- Vision der EU: Flight Path 2050
- NASA New Horizons Initiative
• EU Clean Sky 2: Entwicklungen, neue Technologien
• NASA X-Plane: Entwicklungen, neue Demonstratoren
• Technologische Herausforderungen

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Motivation - Wright Flyer
Auftrieb
Widerstand
Steuerbarkeit
Antrieb
Stabilität
Gewicht

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Wachstum des Flugverkehrs 2014-2034
Prognose: Innert 20 Jahren wird sich der Luftverkehr verdoppeln.

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Lärmentwicklung von 1950 bis 2020
707‐120
Comet 4
CV880‐22
Caravelle III 727‐200
MD‐ 83
777‐200
A380‐842 A350‐900
787‐8
A320neo P&W
A320neo LEAP
737 MAX 8747‐100
VFW 614
767‐304
A320‐214 A321‐112
A330‐243
737‐800
A340‐600
E170
80
85
90
95
100
105
110
115
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
Seitenlinienpegel
Jahr der Zulassung
Lärmentwicklung bis 2020
Strahltriebwerke
Mantelstromtriebwerke ‐ Nebenstromverhältnis unter 2
Mantelstromtriebwerke ‐ Nebenstromverhältnis 8‐12
Mantelstromtriebwerke ‐ Nebenstromverhältnis 2‐8
normiert auf 500 kN (EPNdB)
In den vergangenen 60 Jahren konnten Triebwerkhersteller den effektiv empfundenen
Schallpegel (Effective Perceived Noise Level, EPN) um 30 Dezibel (dB) senken.

7. © Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
Source: www.bdl.aero
Source: www.lufthansagroup.comSource: www.lufthansagroup.comSource: www.lufthansagroup.com
• Fortschritte durch erste Generation Turbofans
• Heutige Lärmquellen sind auch Klappensystemen und Fahrwerke
• Neue An- und Abflugverfahren (Steep Approach)
Reduktion des Lärmteppichs
Boeing Airbus A320 vs. A320 NEO

8. © Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
Themen
• Einführung
• Verbesserungen von der Boeing 767 zur 787
Heutige moderne Technologien
• Vorgaben in Bezug auf Luftverkehr der Zukunft
- Vision der EU: Flight Path 2050
- NASA New Horizons Initiative
• EU Clean Sky 2: Entwicklungen, neue Technologien
• NASA X-Plane: Entwicklungen, neue Demonstratoren
• Technologische Herausforderungen

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Der grosse Schritt von Boeing zum Dreamliner

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Ziel für Boeing 787: 20% weniger Treibstoffverbrauch
gegenüber der Boeing 767-300:
• Reduktion des Strukturgewichtes (-20%) durch Einsatz von Composite
(50% weniger Nieten am Rumpf)
• Verbessertes Flügeldesign durch optimierte Aerodynamik (-3%)
• Beitrag moderner Triebwerktechnologie -8% und zusätzlich durch den Einsatz
von neuen elektrischen Systemen -3% (keine Zapfluft mehr)
• Emissionen: 20% weniger CO2, Lärmteppich um Flughafen um 60% reduziert
Design-Vorgaben für die Boeing 787

11. © Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
Source: AeroMat 2016, Bellevue/WA - Material Development Tendencies at Airbus / Christian Rückert
Efficiency
20302015 2020
Incremental
Innovation
Disruptive
Concepts
Focus on incremental and prepare new concepts
2025
iD
+
NEO
improved
Or
Be ambitious –
disruptive
beyond
continuous
improvements
Early Technology
readiness driven
Depending on
Market needs
Page 11
Airbus kontinuierliche Verbesserungen

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Potentiale für Verbesserungen
Antriebe
Aerodynamik
Materialien
Systeme
Antriebe:
Geared Turbo Fan
Open Rotor
Electric Propulsion
Hybrid Propulsion
Aerodynamik:
Laminare Flügel (NLF, HLF)
Neue Konfigurationen:
BWB, BoxWing, D8, TBW
Materialien:
Advanced Composites
3D Printing
Keramische Werkstoffe
Systeme:
More Eectrical Systems
Brennstoffzellen (APU, Bugrad, …)
30%
25%
20%
25%Relative Anteile der Technologien
zur Verbesserung der Effizienz

13. © Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
Themen
• Einführung
• Verbesserungen von der Boeing 767 zur 787
Heutige moderne Technologien
• Vorgaben in Bezug auf Luftverkehr der Zukunft
- Vision der EU: Flight Path 2050
- NASA New Horizons Initiative
• EU Clean Sky 2: Entwicklungen, neue Technologien
• NASA X-Plane: Entwicklungen, neue Demonstratoren
• Technologische Herausforderungen

14. © Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
Umweltvorgaben:
Per 2050 sollen folgende Reduktionen
realisiert werden, basierend auf einem
neuen Flugzeug aus dem Jahr 2000.
 75% weniger CO2 Emission pro
Passagierkilometer.
 90% Reduktion der NOx Emissionen
pro Passagierkilometer.
 Die Lärmemission soll um 65% reduziert
werden.
Europa: Flightpath 2050
Die Ziele wurden durch ACARE (Advisory Council for
Aviation Research and Innovation in Europe) erarbeitet.

15. © Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
Umweltvorgaben:
 Überschallflüge mit reduziertem
Lärmpegel über Land bis 2030
(QUEST).
 Der Lärmpegel soll um 50%
reduziert werden.
 Einsatz von Bio-Treibstoffen um
Emission zu reduzieren (-50%).
 Entwicklung von neuer
Flugzeuggeneration, welche 50%
weniger Treibstoff verbraucht.
USA: NASA Initiative (10 Jahresplan)

16. © Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
Themen
• Einführung
• Verbesserungen von der Boeing 767 zur 787
Heutige moderne Technologien
• Vorgaben in Bezug auf Luftverkehr der Zukunft
- Vision der EU: Flight Path 2050
- NASA New Horizons Initiative
• EU Clean Sky 2: Entwicklungen, neue Technologien
• NASA X-Plane: Entwicklungen, neue Demonstratoren
• Technologische Herausforderungen

17. © Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
Clean Sky 2 zielt darauf ab, die insgesamt hochrangigen Ziele in Bezug auf
Energieeffizienz und Umweltleistung zu erfüllen.
Clean Sky 2: Ziele

18. © Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
Clean Sky 2: Ablauf

19. © Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
Aerodynamik
Laminare Flügelentwicklung
©AIRBUSS.A.S.Allrightsreserved.Confidentialandproprietary
Robust
aero design
Specific
wind tunnel
test
NLF wing
BLADE Flight Test
Large NLF wing LE
ground demonstrator
Joint concepts
Manufacturing
trials
Saab
DLR
A340-300
Representation of laminar
wing on A340 flying test bed
Ziel: Reduktion des Flügelwiderstands um 25% und Reduktion des Lärms um 10 dB.
Clean Sky 2: Large Passenger Aircraft

20. © Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
Antriebe
Open Rotor
Mittelstrecken Flz
Nebenstromverhältnis 60:1
Geared Turbo Fan
Mittelstrecken Flz
Nebenstromverhältnis 12:1
Ultra High Bypass Ratio
Langstrecken Flz
Nebenstromverhältnis 15:1
Entwicklungen im Rahmen Clean Sky:
• 20-30% Reduktion in CO2
• Reduktion in NOx um 80%
• Bis zu -11 EPNdB per Operation in Lärmausbreitung
Zielwerte gegenüber Basis im Jahr 2000

21. © Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
Der Clean Air Engine Liner
Konzept vom Verein Bauhaus Luftfahrt e. V.

22. © Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
Systeme
Neue System-Architektur
Entwicklung zum More Electrical Aircraft:
bis Heute Zukunft
Die Entwicklung zum More Electrical Aircraft
begann mit dem Airbus 380 aber der Trend-
setter ist die Boeing 787.
Elektrische Leistung im Vergleich:
Boeing 767 150 kW
Boeing 787 1400 kW
Beispiel für neue Elektrische Systeme 787:
• Electric Engine Start
• Electric Wing Ice Protection
• Electric Driven Hydraulic Pumps
• Electric Air Conditioning and Cabin System
• Hydraulics replaced by Electrical Systems
Elektrik
Hydraulik
Pneumatik
Mechanik
Elektrik
Hydraulik
Pneumatik
Mechanik
25%
25%
25%
25%
10%
70%
10%
10%
Fazit: Einsatz von Leistungs-Elektronik, Batterien, Herausforderung der elektromagneti-
schen Verträglichkeit in Systemen, Blitzschutz; mehr Tests in Entwicklung notwendig!

23. © Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
Themen
• Einführung
• Verbesserungen von der Boeing 767 zur 787
Heutige moderne Technologien
• Vorgaben in Bezug auf Luftverkehr der Zukunft
- Vision der EU: Flight Path 2050
- NASA New Horizons Initiative
• EU Clean Sky 2: Entwicklungen, neue Technologien
• NASA X-Plane: Entwicklungen, neue Demonstratoren
• Technologische Herausforderungen

24. © Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
X-Plane Entwicklungen (NASA)
SCEPTOR (X-57)
Hybrid Wing Body
QUEST
D8 Double Bubble

25. © Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
‘‘D8 Double-Bubble’’ Konzept

26. © Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
Fliegen mit Elektromotoren
Herausforderung Batterie (Energiedichte)
Beispiel: Airbus A350-900
Reichweite 14350 km
Passagiersitze ca. 314
Max Startmasse 275000 kg
Treibstoffmasse 110400 kg
Reisegeschwindigkeit Mach 0.85
Fazit: 10 Tonnen Batterie pro Passagier oder Reichweite von 500 km !

27. © Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
Themen
• Einführung
• Verbesserungen von der Boeing 767 zur 787
Heutige moderne Technologien
• Vorgaben in Bezug auf Luftverkehr der Zukunft
- Vision der EU: Flight Path 2050
- NASA New Horizons Initiative
• EU Clean Sky 2: Entwicklungen, neue Technologien
• NASA X-Plane: Entwicklungen, neue Demonstratoren
• Technologische Herausforderungen

28. © Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
Neue Technologien sind notwendig
Fazit: Um die ambitiösen Umweltziele zu erreichen, sind neue Technologien zwingend
notwendig: Flugzeugkonfiguration, Antriebe, Materialien, Treibstoffe, elektrische Systeme.

29. © Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
EU Project RECREATE
Research for a Cruiser Enabled Air Transport Environment
We spent over fifty years on the hardware, which is now
pretty reliable. Now it is time to work with people.
(Don Engen FAA Administrator, 1986)

30. © Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Engineering, Zentrum für Aviatik (Michel Guillaume)
Herzlichen Dank auch an:
• Zentrum für Aviatik: Kalaimagal Sivasothy
• Airbus: Dr. Claudio Dalle Donne, Klaus Muthreich
• Boeing: Michael Friend
• Dassault: Philippe Rostand
• MIT: Prof. Mark Drela, Prof. John Hansman, Gregg Shoults, Prof. Oli de Weck
Herzlichen Dank für Ihr Interesse