Flugzeuge der Zukunft

Bestehende Flugzeuge sind technisch oder wirtschaftlich veraltet und ein neues Modell beziehungsweise ein neuer Typ mag die Arbeit besser machen. Neue Normen für Wartung, betriebliche Nutzung, Ausrüstung, Passagierkomfort etc. können Erneuerungen eines neuen Flugzeuges wünschenswert machen (Torenbeek 2013, S.10).

Zukünftige Flugzeuge müssen die Ziele verfolgen, welche die Lärm- und Treibstoffreduktion sowie die Emissionsverringerung betreffen, welche grundlegende Änderungen der Flugzeugkonstruktion und der Flugzeugtechnologie erfordern (Yildiz et al 2018, S.2).

Es ist kein Zufall, dass (Passagier-)Flugzeuge sich sehr ähnlich sind. Es handelt sich um bewährte Formen, welche die Sicherheit, die Kraftstoffeffizienz und die Alltagstauglichkeit verbindet. Da aber die Emission in der Zukunft weiterhin gesenkt werden soll, erforscht die Luftfahrtindustrie sowie universitäre Einrichtungen neue Designs für die Luftfahrt, um

Flugzeuge noch kraftstoffsparender und emissionsärmer zu machen. Forschungsansätze für neue Konzepte sind vielfältig, in der Umsetzung komplex und müssen den höchsten Sicherheitsstandards entsprechen. Deshalb wird es noch einige Zeit dauern, bis neue Methoden in den Regelbetrieb überführt werden können (Bishara et al 2018, S.2).

Neue Flugzeugdesigns wurden im Projekt „Energy System Transformation in Aviation“ erstellt (Liu et al 2018, S.14-15):

1) Großflugzeuge bestehen hauptsächlich aus einem Rumpf, um Passagiere und Fracht befördern zu können. Der sogenannte „Blended Wing Body“ (BWB), welcher auch

„Nurflügler“ genannt wird, ist so konstruiert, dass es einen fließenden Übergang zwischen dem Rumpf und den Tragflächen gibt, was bedeutet, dass dieser als ein einzigartiges schwanzloses Flugzeug konstruiert wurde (Leifsson et al 2013, S.11).

Vorteile liegen hier bei besseren aerodynamischen Werten und geringerem Gewicht, welche mit neuen Antriebskonzepten kombiniert werden (Lyu und Martins 2014, S.1604). Mit dem integrierten dezentralen Antriebskonzept wird die multidisziplinäre Designoptimierung (MDO) genutzt, um die Aerodynamik und den Antrieb zu identifizieren und deren Vorteile aufzuzeigen. Die MDO fand als ein wertvolles Werkzeug in der Flugzeugkonstruktion ein zunehmendes Interesse in Luft- und Raumfahrtindustrie (Leifsson et al 2013, S.11).

Der BWB bringt hervorragende Leistungsverbesserungen mit sich – einschließlich der Reduktion des Luftwiderstandes in Verbindung mit laminaren Strömungskontrollen an den Tragflächen, Rumpfreduzierung und Strukturmassenreduzierung. Dieses Modell kann Einstiegszeiten verkürzen und minimiert Verbindungszeiten. Während die Langstreckenflüge auf den synthetischen und hochdichten Flüssig-Energiespeichern basieren, können die regionalen Anforderungen und die Kurzstrecken-Transportanforderungen mit den Elektrosystemen oder den Elektro-Hybrid-Systemen realisiert werden (Yildiz et al 2018, S.2).

Abb. 5: Reference aircraft design Quelle: Yildiz et al 2018, S.2

Diese neue Form wird im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) erforscht.

Ob diese jedoch weniger Energie verbraucht und in der Praxis angewendet werden kann, wird an den Computern simuliert. Ingenieure gehen zum jetzigen Zeitpunkt davon aus, dass sich dadurch der Kraftstoffverbrauch um 20 Prozent reduzieren lässt, was durch den geringeren Luftwiderstand und durch reduziertes Gewicht effektivere Antriebe erzielt. Triebwerke müssen weniger groß dimensioniert werden und das Gewicht kann deshalb eingespart werden (Baig et al 2018, S.5).

Boeing forscht und arbeitet mit der NASA zusammen an einem Blended Wing Body Konzept. Es gibt dafür schon ein Modell, welches Tests in einem Windkanal durchläuft.

Boeing nimmt an, dass der erste Ansatz jedoch erst in ein paar Jahren möglich wäre, denn laut Boeing zeigt dieses Flugzeug ein großes Potenzial gegenüber einem traditionellen Flugzeug, welches die aerodynamischen Eigenschaften eines Flugzeuges weiter verbessern kann und die Fähigkeit besitzt, energiearmer und leiser zu fliegen (Klimaschutz Portal 2017). Boeing prognostiziert in den nächsten 20 Jahren die Nachfrage nach 41.000 neuen Verkehrsflugzeugen und etwa 617.000 Piloten. In naher Zukunft werden traditionelle kommerzielle Verkehrsflugzeuge und Flugzeuge den Himmel dominieren. Während der Pariser Luftfahrtmesse im Jahr 2017 haben Unternehmen wie Airbus oder Boeing neue Flugfliegerkonzepte enthüllt, welche neue Möglichkeiten für Arbeit und Transport erschließt (Bellamy 2017, URL).

2) Wenn ein Flugzeug nicht beladen ist, hat dies einen enormen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit. Eine kleinere Leermasse sorgt bei konstanter Nutzlast beziehungsweise bei gleichem maximalem Abfluggewicht für bessere Wirtschaftlichkeit. Dies bedeutet, dass mehr transportiert werden kann, sich ein geringerer Luftwiderstand oder sich ein verringerter Treibstoffverbrauch einstellt.

Flugzeuge haben ein Fahrwerksystem, welches jedoch nur zum Starten und zum Landen gebraucht wird, während des Fluges hat diese jedoch keine Funktion. Würde man das

Fahrwerksystem weglassen, würde diese einer Leermassenreduktion um 15 Prozent zur Folge haben. Die Fahrwerksysteme würden auf der Landebahn angebracht werden (Chowsen und Schlossstraße 2010, S.5f). Für Flugzeugbetreiber ergeben sich ökonomische, ökologische und operationelle Vorteile, welche somit einen Sicherheitsgewinn mit sich bringen könnten (zum Beispiel Seitenwindlandungen oder Notbremssysteme). Um fahrwerklose Verkehrsflugzeuge das Starten, Landen oder Rollen zu ermöglichen, muss ein bodenbasiertes Fahrwerksystem installiert werden, jedoch wurde ein solches Fahrwerksystem noch nicht realisiert. Ein Entwurf sieht es vor, dass ein Teil der herkömmlichen Landebahn erhalten bleibt und somit ein dualer Betrieb von fahrwerkslosen und -gebundenen Flugzeugen ermöglicht wird (Lütjens et al 2012, S.7-8).

3) Das Flugkonzept von Bauhaus Luftfahrt, genannt Claire Liner, verbindet eine alternative Antriebstechnik mit außergewöhnlicher Flügelform, um weniger Kohlendioxid bei einem Flug auszustoßen. Im Fokus dieses Konzeptes stehen zwei Triebwerke, welche ins Flugzeugheck integriert sind während die Fans der Triebwerke in einer Tragflächenanordnung montiert sind, welche man unter dem Namen Boxwing erklären kann. Externe Fans sind mittels eines Getriebes mit den Antrieben verbunden.

Solch eine Entkopplung dient dazu, dass der Wirkungsgrad von den Triebwerken gesteigert wird und dass im gleichen Moment der Treibstoffverbrauch gesenkt werden kann (Klimaschutzportal 2017, URL). Ein weiterer Vorteil ist es, dass der Lärm verringert und die Aerodynamik erhöht werden kann. Dies geschieht durch Schaufelräder, die an der Außenseite des Rumpfes und die Kerntriebwerke im Inneren eines Flugzeuges befestigt sind. Des Weiteren können die Triebwerke effizienter und sparsamer arbeiten, in dem zugleich die Abwärme genutzt werden kann. Dieses

„Boxwing-Design“ ist durch seine Stabilität und durch seine Flügelfläche gekennzeichnet. Die Boxwings haben bereits ihren Einsatz bei Ultraleicht- und Modellflugzeugen gezeigt. Die Idee ist schlussendlich ein Claire-Liner, welcher 300 Passagiere transportieren und bis zu 3.700 Kilometer weit fliegen kann (Klimaschutzportal 2017, URL).

4) Ein weiteres Konzept für Flugzeuge der Zukunft ist das Clip-Air-Flugzeug. Die Idee dahinter ist es, dass ein Flugzeug wie ein Zug austauschbare Anhänger beziehungsweise Container transportiert. Dieses Flugzeug besteht nur aus einer Stützstruktur mit Flügeln, Kraftstofftank, Motoren und einem Cockpit. Jeder Flug wird durch modulare Eigenschaften in seinen Transportkapazitäten maßgeschneidert zusammengestellt und

ist somit sehr kraftstoffeffizient, da nur Passagier- oder Ladekapseln transportiert werden, welche benötigt werden (Klimaschutzportal 2017, URL). Laut Experten soll der Kraftstoffverbrauch sinken, da das Clip-Air-Flugzeug mit der Hälfte an Motoren genauso viele Personen transportieren kann, wie zum Beispiel ein Airbus A320.

Forschungen ergeben, dass solch ein Fluggerät auf einer Flugstrecke von 4.000 Kilometern mit drei Containern, die unter einem einzigen Flügel befestigt sind, weniger Kraftstoff verbrauchen, als drei einzelne Flugzeuge. Dabei hätten diese Flugzeuge die gleiche Geschwindigkeit, das gleiche Fassungsvermögen und dieselbe Flughöhe. Ob dieses Projekt jedoch wirklich umgesetzt werden kann, liegt jedoch in weiter Zukunft (Klimaschutzportal 2017, URL).