04.11.2014
Erschienen in: 08/ 2012 FLUG REVUE

More Electric Aircraft – Leicht und wartungsfreundlichFlugzeugbau: Mehr Elektrik statt Hydraulik

Elektrische Systeme erlangen in künftigen Luftfahrzeugen eine zunehmende Bedeutung, denn sie bieten gegenüber mechanischen, hydraulischen oder pneumatischen Systemen eine Menge Vorteile.

Das More Electric Aircraft (MEA) ist der Traum aller Konstrukteure und Betreiber von Verkehrsflugzeugen. Wenn elektrische Systeme die derzeit noch verwendeten hydraulischen und pneumatischen ablösen, dann werden die Flugzeuge vor allem leichter, aber auch effizienter und wartungsfreundlicher, letztendlich kostengünstiger im Betrieb. Allein das Gewicht aller hydraulischen Anlagen plus der im System enthaltenen Flüssigkeiten treibt den Konstrukteuren beim Entwurf neuer Modelle den Angstschweiß auf die Stirn. Diese Hydraulikanlage muss stets betriebsbereit sein und steht deshalb immer unter Druck, was einen höheren Kraftstoffverbrauch bedingt.

Grund genug für Forscher, sich intensiv mit dem Übergang zu elektrischen Verbrauchern zu beschäftigen. „Der Grundgedanke dabei liegt im Entwurf und der Auslegung der Architektur all jener Systeme, welche für die Energieerzeugung und -verteilung an Bord benötigt werden“, sagt Patrick Vratny, Mitarbeiter der Arbeitsgruppe Visionary Aircraft Concepts beim Bauhaus Luftfahrt in München.

Der Austausch der bislang verwendeten hydraulischen Stellorgane, beispielsweise für die Bewegung von Rudern, Klappen oder Fahrwerken, gegen elektrische ist dabei nicht das Hauptproblem. Entscheidend ist die ununterbrochene und sichere Energieversorgung all dieser Stellmotoren, auch im Falle des Ausfalls eines oder gar aller Triebwerke. In Europa erfolgt die entsprechende Forschung im Rahmen mehrerer von der EU finanzierter Projekte in Kooperation zahlreicher Systemhäuser und Forschungsinstitute. Dazu gehört zum Beispiel das Programm Power Optimised Aircraft (POA), eine Technologieplattform im Rahmen des fünften Rahmenprogramms Luftfahrt. Die auf vier Jahre angelegten Arbeiten werden mit rund 100 Millionen Euro von der EU und den im Konsortium vertretenen Unternehmen unter Führung von Liebherr Aerospace finanziert. Ziel der  Arbeiten ist es, Bordsysteme zu entwickeln, die möglichst wenig Energie verbrauchen.

Das MEA ist nämlich nur ein erster Schritt auf dem Weg zum AEA, dem All Electric Aircraft, aber bis dahin ist noch ein weiter Weg zurückzulegen. Zurzeit werden alle Verbraucher, von der Avionik auf dem Flight Deck über die Enteisungsanlage bis hin zur Kaffeemaschine in der Galley, mit verschiedenen Spannungen aus Generatoren versorgt, die mit den Triebwerken gekoppelt sind. Das sind vier Stück beispielsweise bei der Boeing 787, und das Blockschaltbild links zeigt stark vereinfacht die Verteilung der dort erzeugten Spannungen.

Im Prinzip stehen – je nach Flugregime – drei Energiequellen zur Verfügung: die bereits erwähnten Generatoren, die Auxiliary Power Unit (APU) für die Versorgung am Boden und die RAT (Ram Air Turbine) für den Totalausfall aller Systeme. Die RAT ist jener berühmte kleine Propeller, der im Notfall ausgeklappt und vom Fahrtwind angetrieben wird, wobei ein Dynamo gerade so viel Energie erzeugt, dass die wichtigsten Avionikinstrumente versorgt werden können.

Entsprechend sind an Bord auch diverse Verbrauchergruppen eingeteilt, die als unerlässlich, wesentlich oder unwesentlich gekennzeichnet sind. „So kann man beim Ausfall eines Generators ganz sicher auf die Kaffeemaschinen verzichten, ohne dass die Flugsicherheit beeinträchtigt wird“, sagt Patrick Vratney, während bei weiteren Ausfällen nach und nach immer mehr Bordsysteme abgeschaltet werden. Zu guter Letzt bleibt dann nur noch die RAT mit der lebensnotwendigen Avionik übrig.

„Die Boeing 787 ist nach der Definition kein echtes MEA, sondern verfügt noch über ein Hybridsystem“, erläutert Prof. Dr. Mirko Hornung, Vorstand Wissenschaft und Technik beim Bauhaus Luftfahrt. Hier werden die Verbraucher noch mit Gleich- oder Wechselspannung unterschiedlicher Stärken versorgt. Für ein MEA müsste die APU im Heck durch eine zuverlässig arbeitende Brennstoffzelle ersetzt werden, die selbst bei Ausfall der Generatoren genügend Energie für alle Verbraucher an Bord liefert, und zwar nur noch in Form von Gleichspannung. Entsprechend sind alle Verbrauchergruppen auch direkt an diese Energieversorgung angeschlossen, während die Generatoren nur als „Nebenspannungsquellen“ dienen und auf eine RAT ganz verzichtet werden kann.

Für ein More Electric Aircraft bedarf es also zuerst der Serienreife einer Brennstoffzelle, wie sie derzeit in der A320 ATRA des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt erprobt wird. Geklärt werden muss auch, ob die Generatoren während des Fluges wirklich benötigt werden, oder ob die Brennstoffzelle tatsächlich alle Verbraucher zuverlässig versorgen kann. Die dann abgegebenen 270 Volt sind allerdings gefährlich für die Menschen an Bord, müssen deshalb extra abgesichert werden. Viel Arbeit also noch für die Forscher.

FLUG REVUE Ausgabe 08/2012

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flugrevue.de/Matthias Gründer


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