Moderne zivile Flugzeuge für kommerzielle Luftfahrtunternehmen müssen nicht nur hohe Leistungsmerkmale aufweisen, sondern sich auch durch niedrige Betriebskosten auszeichnen. Bei der Erstellung neuer Muster solcher Geräte wird die Notwendigkeit berücksichtigt, alle Grundkosten zu senken, und es entstehen ständig neue Möglichkeiten zur Reduzierung der Wartungs- und Flugkosten. Eine interessante Version des Liners, die besondere Effizienz zeigen kann, wurde in diesem Jahr von den Organisationen der NASA und des DLR vorgeschlagen. Ein vielversprechendes Konzeptprojekt heißt eRay.
Die US-amerikanische National Aeronautics and Space Administration (NASA) und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) leisten bedeutende Beiträge zur Entwicklung der Luftfahrt in allen wichtigen Kategorien, einschließlich der kommerziellen Luftfahrt, die für den Transport von Personen und Gütern zuständig ist. Die Spezialisten dieser Organisationen suchen ständig nach neuen Ideen, entwickeln neue Vorschläge und testen diese. Im Sommer dieses Jahres präsentierten die beiden Organisationen das Konzept eines vielversprechenden Flugzeugs, das hohe Leistungsmerkmale mit verbesserten wirtschaftlichen Indikatoren aufweisen kann.
Das neue Projekt mit dem vorläufigen Titel eRay wurde mit Vorbehalt für die Zukunft ausgearbeitet. Bei der Formulierung der Anforderungen wurden Prognosen zur Entwicklung der kommerziellen Luftfahrt bis 2045 berücksichtigt. Aktuelle Prognosen zeigen, dass zu diesem Zeitpunkt in Industrie- und Entwicklungsländern der Personen- und Güterverkehr deutlich zunehmen wird. In diesem Zusammenhang ist der Ausbau des Flugplatznetzes und die Lösung verschiedener organisatorischer Fragen erforderlich. Darüber hinaus werden neue Luftfahrttechnologien mit charakteristischen Fähigkeiten benötigt, um den Transport zu unterstützen. In seinen Eigenschaften soll es die bestehenden Muster übertreffen.
Die Verkehrsflugzeuge der Zukunft sollten laut NASA und DLR 60 % sparsamer sein als die heutigen. Es soll auf kleinen Flugplätzen arbeiten können sowie sich durch reduzierte Geräuschentwicklung und einfache Bedienung auszeichnen. Die Autoren des neuen Projekts haben in ihrer Recherche und ihrem Bericht dazu das bestehende Serienflugzeug Airbus A321-200 als eine Art Referenz verwendet. Ein vielversprechender eRay sollte ähnliche Parameter von Kapazität und Tragfähigkeit aufweisen, aber gleichzeitig Vorteile in allen anderen Bereichen zeigen.
Das eRay-Konzept ist noch nicht für eine vollwertige Gestaltung mit anschließender Produktions- und Betriebsaufnahme der Geräte vorgesehen. Dabei konnten sich die Spezialisten der Wissenschaftsorganisationen nicht einschränken und die kühnsten Ideen nutzen, die noch nicht praxisreif sind. Der Einsatz solcher Lösungen ermöglichte es, die gestellten Aufgaben zu lösen und eine neue Version des Flugzeugs der Zukunft zu "erschaffen".
Nach den optimistischsten Prognosen wird das eRay-Flugzeug 30 % leichter sein als die serienmäßige A321. Der Wirkungsgrad des Kraftwerks wird um 48 % gesteigert. Die Gesamtenergieeffizienz der Platine steigt um 64 %. Es sei darauf hingewiesen, dass Wissenschaftler und Designer, um solche Ergebnisse zu erzielen, nicht nur neue Ideen einbringen, sondern auch ihre üblichen Lösungen aufgeben mussten. Dadurch unterscheidet sich der vorgeschlagene Liner deutlich von modernen Vertretern seiner Klasse.
Das eRay-Projekt schlägt den Bau eines freitragenden Tiefdeckers mit Pfeilflügel vor. Ein Leitwerk wird mitgeliefert, darunter nur ein Stabilisator mit großem Quer-V. Es gibt keinen Kiel. Auf originelle Weise wurde aufgrund der Notwendigkeit, den Wirkungsgrad zu verbessern, das Problem der Anordnung der Elemente des Kraftwerks gelöst. Seine einzelnen Einheiten sind in verschiedenen Teilen des Flügels sowie im Heck des Rumpfes platziert.
Der Rumpf des Flugzeugs ähnelt im Allgemeinen den Einheiten bestehender Maschinen. Es wird die Konstruktion einer Ganzmetallstruktur hoher Dehnung mit aerodynamischer Form vorgeschlagen. Der Bugteil befindet sich unter dem Cockpit und den Technikräumen, hinter denen sich ein großer Salon mit Passagiersitzen befindet. Unter dem Fahrgastraum ist ein Ladevolumen vorgesehen – vor allem für Gepäck. Das Heckteil muss einen der Kraftwerksmotoren aufnehmen.
Es wird vorgeschlagen, gepfeilte Flugzeuge an den Rumpf anzudocken. Der Flügel erhält ein optimales Profil und auf dem größten Teil seiner Oberfläche gibt es keine Elemente, die die Strömung stören könnten. An der Vorder- und Hinterkante des Flügels ist eine Mechanisierung des traditionellen Typs vorgesehen. An den Enden platzierten die Konstrukteure ein Paar Bypass-Turbojet-Triebwerke mit der notwendigen Ausrüstung.
Anstelle des traditionellen Leitwerks verwendet das eRay-Projekt ein ungewöhnliches System. Am Heckende des Rumpfes ist ein konischer Ringkanal für den Schubpropeller des Triebwerks eingebaut. An den Seiten dieses Kanals platzierten die Konstrukteure zwei Stabilisatoren mit einem signifikanten Quer-V. Es gibt keinen Kiel. Die Giersteuerung sollte durch Veränderung der Schubkraft der Flügelmotoren oder mittels Flügelmechanisierung erfolgen.
Drei Viertel der Steigerung der Energieeffizienz sind nach Berechnungen der NASA und des DLR nur durch die Aerodynamik zu erreichen. 13 % der Gesamtwirkungsgradsteigerung werden beispielsweise durch die laminare Strömung um den Rumpf bereitgestellt. Bei einer Spannweite von 45 m ergibt sich eine Steigerung um weitere 6%. Der Verzicht auf den Kiel verkürzt die Oberfläche der Flugzeugzelle und verringert den Luftwiderstand.
Die Aufgabe, die „zusätzliche“Energieverschwendung zu reduzieren, wird jedoch nicht nur durch die Aerodynamik gelöst. So wurde die Möglichkeit in Betracht gezogen, die Seitenscheiben des Fahrgastraums zu entfernen. In diesem Fall wird die Konstruktion des Rumpfes deutlich vereinfacht, was zu einem geringeren Gewicht und einer entsprechenden Reduzierung der Anforderungen an die Triebwerke führt. Eine solche Innovation wird jedoch nicht als obligatorisch angesehen, da sie den Passagieren möglicherweise nicht gefällt. Es ist unwahrscheinlich, dass ein Spediteur Energieeffizienz erreichen möchte, aber ohne Kunden bleibt.
Das eRay-Projekt sieht vor, das Flugzeug mit einem Hybridkraftwerk auszustatten. Der Flügel sollte mit Turbojet-Triebwerken ausgestattet sein, die Schub aus Gasen erzeugen und ein Paar elektrische Generatoren antreiben. Die Batterien sowie der Heckmotor müssen über die notwendigen Wandler mit Strom versorgt werden. Der Hauptvorteil eines solchen Kraftwerks ist die Fähigkeit, die allgemeinen Schubparameter flexibel zu ändern, um den optimalen Kraftstoffverbrauch entsprechend dem aktuellen Flugregime zu erzielen.
Als Basis für das Kraftwerk für eRay sehen NASA und DLR zwei Bypass-Turbojets. Es wird vorgeschlagen, Produkte mit ausreichender Leistung und reduzierten Abmessungen in den Flügelspitzen zu platzieren. Im Rahmen des Projekts wurde die Anwendung von Motoren mit einem System von Wärmetauschern untersucht, die die einströmende atmosphärische Luft durch Gase hinter der Turbine aufheizen. In einigen Modi können Sie dadurch den Kraftstoffverbrauch um 20 % senken.
Experten der beiden Organisationen überprüften vorhandene elektrische Geräte der erforderlichen Typen und kamen zu bestimmten Schlussfolgerungen. Es stellte sich heraus, dass die vorhandenen Generatoren, Batterien und Motoren den Bau eines Kraftwerks für eRay ermöglichen, dessen Eigenschaften jedoch alles andere als wünschenswert sind. Um optimale Parameter zu erhalten, sind neue Technologien und Lösungen erforderlich. Insbesondere wird die Möglichkeit erwogen, den Effekt der Supraleitung zu nutzen, der die Parameter eines Elektromotors beeinflussen kann.
Die vorhandenen Akkumulatoren erlauben es auch nicht, ein Flugzeug mit den gewünschten Parametern zu erstellen. Technologien des Niveaus 2010 bieten eine Energiedichte in der Größenordnung von 335 W * h / kg. Bis 2040 soll dieser Parameter auf 2500 W * h / kg anwachsen. Kurzfristig ist man jedoch auf Akkus mit bescheideneren Eigenschaften von etwa 1500 W*h/kg angewiesen. Berechnungen zufolge soll das Kombikraftwerk mit Elektro- und Turbojet-Triebwerken eine Flugdauer von mindestens 6-7 Stunden und eine Reichweite von mehr als 6.000 km bieten.
Der Bericht zum Konzeptprojekt eRay liefert interessante Zahlen, die das Potenzial einer solchen Technik aufzeigen. Die Designer berechneten die wichtigsten Leistungsindikatoren verschiedener Geräte und lösten gleichzeitig das gleiche Problem. Das Flugzeug A321 soll bei einem „Referenzflug“mit einer Reichweite von 4.200 km insgesamt knapp 84,5 MW Energie verbrauchen. Dazu benötigt er 15881 kg Treibstoff. Das Flugzeug verbraucht 2,36 Liter Treibstoff, um einen Passagier auf 100 km zu transportieren. Für das vielversprechende eRay-Flugzeug erreicht der Gesamtenergieverbrauch laut Berechnungen 39,57 MW – das sind 5782 kg Treibstoff. Um einen Passagier auf 100 km zu befördern, benötigen Sie nur 0,82 Liter Kraftstoff. Damit erweist sich die vielversprechende Maschine unter den gegebenen Bedingungen als 65,3% effizienter als das Serienmodell.
Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Energieeffizienz besteht darin, den Platz im Fahrgastraum sinnvoll zu nutzen. NASA und DLR bieten drei Optionen für das Liner-Cockpit mit unterschiedlichen Kapazitäten an. Zunächst betrachten wir die Economy-Class-Kabine, die auf der Basis der A321-Kabine erstellt wurde. In diesem Fall werden die Sitze in Reihen von 3 + 3 mit einem Mittelgang installiert. In dieser Konfiguration befördert das Flugzeug 200 Personen. In der Premium-Economy-Konfiguration wird die Sitzplatzkapazität auf 222 Passagiere erhöht, für die unterschiedliche Sitzplätze genutzt und die Verteilung des verfügbaren Volumens optimiert wird. Auch eine Variante mit Salons von drei Klassen wurde ausgearbeitet. Die Business Class bietet Platz für 8 Sitze, während "Economy" und "Economy-Slim" 87 bzw. 105 Passagiere beherbergen.
In der vorgeschlagenen Form hat das eRay-Flugzeug eine Länge von 43,7 m, die Spannweite beträgt 38 m in der Grundkonfiguration oder 45 m in der fortgeschrittenen Konfiguration, was eine gewisse Steigerung der Energieeffizienz bedeutet. Das Gewicht des leeren Flugzeugs wird mit 36,5 Tonnen bestimmt, das maximale Abfluggewicht beträgt 67 Tonnen, die Nutzlast beträgt ca. 25 Tonnen, davon 21 Tonnen Passagiere und 4 Tonnen Gepäck. Die Flugleistung hängt von den Elementen des verwendeten Kraftwerks ab. Im Allgemeinen sollten sie auf dem Niveau bestehender Modelle der kommerziellen Luftfahrt liegen.
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Das eRay-Konzept, das in diesem Jahr von führenden Forschungsinstituten in den USA und Deutschland vorgestellt wurde, ist tatsächlich ein weiterer Versuch, Wege zur Weiterentwicklung der Passagierluftfahrt zu finden. Wie im Projektbericht zu Recht angemerkt, werden in Zukunft neue Anforderungen an die kommerzielle Luftfahrt gestellt und die Fluggesellschaften benötigen neue Ausrüstungsmodelle mit besonderen Fähigkeiten. Die Suche nach Lösungen für dieses Problem hört nicht auf und das eRay-Projekt bietet wieder einmal originelle Ideen der einen oder anderen Art.
Im Projekt von NASA und DLR ging es vor allem um die Steigerung der Energieeffizienz und die Verbesserung der Aerodynamik, was sich positiv auf die Gesamteffizienz des Flugzeugs auswirken soll. Um solche Eigenschaften zu erhalten, wird ein spezielles Flugzeugzellendesign vorgeschlagen, das bewährte und neue Lösungen kombiniert, sowie ein ungewöhnliches Hybridkraftwerk auf Basis unterschiedlicher Komponenten. Berechnungen zeigen, dass der optimale Verbrauch von Treibstoffenergie in Kombination mit einer verbesserten Aerodynamik sowohl die Flugleistung als auch die Wirtschaftlichkeit der Ausrüstung erhöhen sollte.
Alle diese Ergebnisse bleiben jedoch bisher „auf dem Papier“. Das eRay-Liner-Konzept hat wie andere Entwicklungen seiner Art einen gravierenden Mangel, dessen Autoren sich dessen bewusst sind. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt und in naher Zukunft werden Designer nicht alle Vorteile des vorgeschlagenen Konzepts realisieren können. Das Erreichen der gesetzten Ziele wird durch das Fehlen der notwendigen Technologien behindert. Somit bedarf die Idee eines Turbojet-Triebwerks mit Wärmetauschern und Leistungsabgabe an einen Generator weiterer Ausarbeitung und praktischer Erprobung. Batterien mit den gewünschten Eigenschaften sind noch nicht verfügbar, und das charakteristische aerodynamische Erscheinungsbild des Flugzeugs muss seine Fähigkeiten in verschiedenen Studien bestätigen.
Die Entwicklung der für den Bau eines echten eRay-Flugzeugs erforderlichen Technologie ist kostspielig und zeitaufwändig. Die Autoren des Projekts sind sich dessen bewusst und betrachten daher ein vielversprechendes Flugzeug im Rahmen der Luftfahrtentwicklung der nächsten Jahrzehnte - bis 2040-45. Sie glauben, dass die Wissenschaft zu diesem Zeitpunkt die notwendigen Komponenten schaffen und alle erforderlichen Forschungen durchführen wird, die die Umsetzung neuer Konzepte ermöglichen: entweder eRay oder andere Projekte.
Das Konzeptprojekt NASA / DLR eRay kann aufgrund seiner spezifischen Zielsetzung weder als Erfolg noch als Misserfolg gewertet werden. Ziel war es, die Wege für die Entwicklung der zivilen Verkehrsluftfahrt zu bestimmen und das optimale Design zu finden, das den Anforderungen der Zukunft gerecht wird. Wissenschaftler und Ingenieure beider Länder haben die aktuelle Frage sorgfältig untersucht und ihre eigene Version der Antwort präsentiert. Gut möglich, dass Ende der dreißiger Jahre tatsächlich Flugzeuge ähnlich dem aktuellen eRay abheben. Die Entwicklung der Luftfahrt kann jedoch auch in andere Richtungen gehen, und daher werden zukünftige Verkehrsflugzeuge Ähnlichkeiten mit anderen Konzepten unserer Zeit haben.
