More Electric Aircraft Elektrische Grundsysteme

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1 Elektrische Grundsysteme Vortrag EAA-Kolloquium am Stefan Römelt Senior Manager Aircraft Systems

2 Historie Militärflugzeuge MBB / DASA / EADS 1964 VJ101 Analoge Flugsteuerung (FCS) Erster Überschall-Senkrechtstarter 1974 MRCA Tornado Variable Schwenkflügel Analoges FCS (fly by wire), Digitaler Autopilot 1977 CCV-F104 G Erstes Militärflugzeug mit künstlich instabiler Konfiguration Digitales FCS Fly by Wire Control-System (quadruplex) 1990 X-31 Digitales FCS (instabile Konfiguration) Schubvektor-Steuerung 1994 Eurofighter EF2000 Typhoon Digitales FCS (instabile Konfiguration) Fly by Wire Control-System (quadruplex) 2

3 Luftfahrzeugbaugruppen Luftfahrzeug Zelle Zelle Systeme Triebwerk Flugsteuerung Grundsysteme Avionik 3

4 Forderungen an die Grundsysteme Bereitstellung der zur Versorgung und zum autonomen Betrieb eines Luftfahrzeugs erforderlichen sicherheitskritischen Funktionen Betätigung der zum Flugbetrieb notwendigen mechanischen Stellglieder Aufrechterhaltung der notwendigen Umgebungsbedingungen für Mensch und Maschine Steuerung und Überwachung aller Grundsystemfunktionen und Bereitstellung von Informationen für die Besatzung und das Bodenpersonal 4

5 Unterteilung der Grundsysteme Sekundärantriebe Sekundärantriebe Hydraulik Hydraulik Elektrik/ Elektrik/ Beleuchtung Beleuchtung Kraftstoff Kraftstoff Grundsysteme Diagnose/ Diagnose/ Prognose Prognose Klima Klima Fahrwerk/ Fahrwerk/ Bremse Bremse Lebenserhaltung Lebenserhaltung Rettung Rettung 5

6 Grundsysteme Stand der Technik Grundsysteme sind die flugsicherheitskritischen Systeme eines Flugzeugs (ausgenommen Flugsteuerungsrechner und Triebwerk) Grundsysteme konventioneller Flugzeuge erzeugen, wandeln, verteilen und verbrauchen mechanische, thermische, hydraulische, pneumatische und elektrische Energie Grundsysteme konventioneller Flugzeuge arbeiten in wichtigen Teilen des Flugbereichs mit kleinen Wirkungsgraden und setzen dabei hohe Leistungen um; das führt zu sehr aufwändigen und wartungsintensiven Systemen 6

7 Ausfallstatistik konventioneller Systeme A Beanstandungen B Wartungszeiten Avionik 31% Struktur 9% Triebwerk 10% Avionik 19% Struktur 10% Triebwerk 14% Grundsysteme 50% Grundsysteme 57% Quelle : J. Nairus (WL / POOC), Vortrag More Electric Initiative Overview, SAE-AE7 Tagung, Phoenix AZ,

8 Grundsysteme Technische Übersicht Stand der Technik Hydraulik Elektrik Sekundärantriebe Triebwerk Fahrwerk / Bremsen FCS Stellantriebe Avionik / Systeme Klimaanlage Getriebe Welle Getriebe Geräte Hydraulik Elektrik ATS Zapfluft (MEA) Triebwerk Elektrik Elektrik Fahrwerk / Bremsen FCS Stellantriebe Avionik / Systeme Klimaanlage S G Getriebe Geräte ATS FCS S /G Air Turbine Starter Flight Control System Starter / Generator 8

9 (MEA) Auslegung fast aller Grundsysteme für den Betrieb mit elektrischer Energie hoher Gleichspannung (270 V) Hohe Wirkungsgrade elektrisch betriebener Systeme ermöglichen einen geringeren Leistungsumsatz und damit weniger aufwändige Systemlösungen Bessere Wirkungsgrade führen zu einer verringerten IR- Signatur Jeweils verfügbare elektrische Gesamtleistung lässt sich nach aktuellen Prioritäten verteilen (Last-Management) 9

10 Aufgaben des Hydrauliksystems Erzeugung, Verteilung, Steuerung und Überwachung von hydraulischer Energie (Konstantdrucksystem: 4000 psi bei MRCA Tornado/EF2000; 5000 psi bei Airbus A380) Betrieb der primären und sekundären Flugsteuerungsstellantriebe Betrieb der Fahrwerksaktuatoren und der Bremse Betrieb des Kabinendaches und des Luftbetankungsstutzens 10

11 Wirkungsgrad Hydraulischer Stellantrieb Geregelter hydraulischer Stellantrieb (P = const.) Point 1 : Air Speed : low Surface Efficiency : low Hinge Moment : low Surface Rate: high Pressure Drop : high Flow : high => Efficiency : low Altitude 1 2 Mach No. Point 2 : Air Speed : high Surface Efficiency : high Hinge Moment : high Surface Rate: low Pressure Drop : low Flow : low => Efficiency : high 11

12 Gegenüberstellung Stellantriebe Hydraulischer Stellantrieb (Konventionell) - Versorgung mit konstantem Druck - Aktuell nicht benötigte Leistung wird vollständig in Verlustwärme umgesetzt Elektrischer Stellantrieb (MEA) - Stromrichter + Elektromotor (+ Pumpe + Zylinder) + mechanische Umsetzung (simplex oder duplex)) - Nur aktuell benötigte Leistung wird dem Bordnetz entnommen - Hoher Wirkungsgrad 50-75% weniger Spitzenleistung vom Triebwerk 12

13 Elektrische Stellantriebe Hydraulischer Stellantrieb (konventionell) Ventil Zylinder Elektromechanischer Stellantrieb (EMA) Regelung Motor Getriebe Stromrichter Umlaufspindel Elektro-Hydrostatischer Stellantrieb (EHA) Regelung Stromrichter Motor Pumpe Zylinder 13

14 Linearer EMA (Simplex) 14

15 Aufgaben des Klimasystems (ECS) Klimatisierung und Druckbelüftung des Cockpits Abdichtung und Kondensschutz für Kabinendach und Frontscheibe Kontaminationsschutz Versorgung der Anti-g-Anlage mit Druckluft Kühlung der Avionikgeräte (Luft- und Flüssigkeitskühlung) 15

16 Funktionsweise Konventionelle Zapfluftanlage Stauluft Zwischenkühler Stauluft Zapfluft Vorkühler Turbinen Kompressor Einheit Altitude 1 Druckreduzierventil sonstige Systeme Avionik Cockpit 2 Mach No. Luftstrom zur Umgebung Punkt Druck der Zapfluft Druckreduzierung Wirkungsgrad wichtig für 1 minimal klein groß Transportflugzeuge 2 maximal groß klein Hochleistungsflugzeuge 16

17 Gegenüberstellung Klimaanlagen Konventionelle Zapfluftanlage - Benötigt konstanten Betriebsdruck und Stauluftkühlung - Aktuell nicht benötigter Zapfluftdruck wird vollständig in Verluste umgesetzt Elektrische Klimaanlage (MEA) - Elektrische Gebläse + Elektrischer Kältekompressionskreislauf mit Kraftstoffkühlung (nahezu geschlossenes System) - Nur aktuell benötigte Leistung wird dem Bordnetz entnommen - Hoher Wirkungsgrad -> Keine Kühleinläufe -> Kleinere Signatur Bis zu 80% weniger Spitzenleistung vom Triebwerk 17

18 Funktionsweise Elektrische Klimaanlage Kraftstoff Kondensator Zapfluft sonstige Systeme Motor Motor Avionik Behälter Verdampfer Cockpit Stromrichter Stromrichter Kältekompressionskreislauf ENTFALL DER STAULUFT- EINLÄUFE! (Signaturreduzierung) Luftstrom zur Umgebung 18

19 Aufgaben des Kraftstoffsystems Versorgung der Haupt- und Hilfstriebwerke mit Kraftstoff Schwerpunktgerechte Verteilung des Kraftstoffs im Lfz (bei Kampfflugzeugen ca % der Abflugmasse) Kraftstofftransfer innerhalb des Tanksystems Be- und Enttankung des Lfz (inkl. Luftbetankung) Wärmesenke für die Abfuhr von Wärmelasten der anderen Grundsysteme 19

20 Tanksystem EF2000 RH Rear Internal Wing Tank RH Front Internal Wing Tank Rear Tank Group RTG Front TanK Group FTG Front Transfer Tank FTT LH Rear Internal Wing Tank External Tanks LH Front Internal Wing Tank 20

21 Aufgaben Bordnetz Erzeugung, Verteilung, Steuerung und Überwachung von elektrischer Energie: 115 VAC, 400 Hz, Konstantfrequenz 28 VDC Versorgung nicht-sicherheitskritischer (115 VAC) und sicherheitskritischer Lasten (28 VDC) Notfallversorgung beim Verlust der generatorisch erzeugten Energie durch Batterien für begrenzte Zeit Start der Hilfsturbine (APU) 21

22 Bordnetzgeräte MRCA Tornado AC Generator (IDG) 40 kva Generatorsteuergerät (GCU) Transformator/Gleichrichter (TRU) 22

23 MEA Änderungen im elektrischen Bordnetz (Kampfflugzeug) Zunahme des elektrischen Leistungsbedarfs um den Faktor 3 gegenüber konventionellen Systemen Primäres Bordnetz wird sicherheitskritisch (Versorgung der Stellantriebe) Ersatz 115 VAC, 400 Hz durch 270 VDC Möglichkeit zur Speicherung in Batterien/Kondensatoren Weniger Verluste durch kleinere Ströme Nutzung bestehender Bodeninfrastruktur (115 VAC Bodenwagen mit nachgeschalteter Gleichrichtung 270 VDC) 23

24 MEA Herausforderung 270 VDC Löschung von 270 VDC Schaltfunken in großer Flughöhe (Paschen-Gesetz) Berührungsschutz für Besatzung und Ground Crew EMC (keine Nutzung der Flugzeugstruktur als Rückleiter mehr) Höhere Anforderungen an das A/C Wiring hinsichtlich Isolation, Durchschlagfestigkeit etc. (derzeit keine Military A/C Wiring Standards für 270 VDC in Europa) 24

25 Änderungen im elektrischen Bordnetz (Transportflugzeug) Weiterhin größter Verbraucher: Bordküche Primäres Bordnetz Ersatz 115 VAC, 400 Hz durch 115 VAC, Variable Frequenz (A380/A400M) Entfall der Drehzahlwandler an der Generatoren (besserer Wirkungsgrad + weniger Gewicht) Verlagerung der Frequenzwandlung auf die Lastseite Sichere Löschung der Schaltfunken in großer Flughöhe Zukünftig unterschiedliche Bordnetze für f r Transport- (115 VAC, variable Frequenz) und Kampfflugzeuge (270 VDC) 25

26 MEA Triebwerkstart Stand der Technik G H P ATS A M A D PTO shaft E M A D engine access. (Starter/Generator an der EMAD) S / G E M A D engine access. More Electric Engine (Integrierter Starter/Generator z.zt. noch logistische Katastrophe!!!) S / G engine access. 26

27 MEA Auswirkungen auf die Sekundärantriebe Entfall der Pneumatik (Elektrische Klimaanlage) Elektrischer Triebwerkstart mit einem Starter/Generator Entfall der AMAD (Starter/Generator am triebwerkseitigen Getriebe (EMAD)) Möglicher Ersatz der APU durch eine kraftstoffreformierende Brennstoffzelle 27

28 MEA Operationeller Nutzen Primäreffekte Auswirkungen Nutzen weniger Bodengerät keine Sekundärantriebe dezentrales Hydrauliksystem weniger Betriebstoffe weniger Ersatzteile weniger Wartungspersonal einfachere Verlegung weniger Beanstandungen, kürzere Wartungszeiten höhere Verfügbarkeit eine primäre Leistungsart, höhere Wirkungsgrade bessere Flugleistungen mehr Schub oder weniger Verbrauch weniger Leistungsumsatz höhere Überlebensfähigkeit kleinere Radar & IR Signaturen höhere Wirksamkeit mehr freie Leistung für Sensoren und Energiewaffen 28

29 MEA Flugzeugprogramme in den USA Bemannte Programme Primäres Bordnetz Prim. FCS Antriebe Erstflug / Typ F-22 Raptor 270 VDC hydraulisch 1997 / Serie F-16 Advanced Fighter Technology Integration (AFTI) / Power by Wire 270 VDC EHA 2000 / Demo F-35 Lightning II (Joint Strike Fighter) 270 VDC EHA 2009 / Serie Unbemannte Programme Primäres Bordnetz Prim. FCS Antriebe Erstflug / Typ RQ-4A Global Hawk / High Altitude Long Endurance (HALE) 115 VAC EMA 1998 / Demo RQ-4B Global Hawk / High Altitude Long Endurance (HALE) 270 VDC EMA 2009? / Serie X-37 Robotic Space Plane (for orbit and reentry) 145 VDC EMA X-45A Unmanned Combat Air Vehicle (UCAV) 145 VDC EMA 2003 / Demo 2002 / Demo 29

30 BARRACUDA Elektrische Grundsysteme Elektrisches Bordnetz: Redundante 28 VDC Erzeugung und Verteilung Elektrischer Triebwerkstart (Starter/Generator) Flugsteuerung: Primäre elektromechanische Flugsteuerung (Duplex-EMA) Sekundäre elektromechanische Flugsteuerung (Flapdrive) Fahrwerk: Elektrisches, dezentrales Hydrauliksystem für Fahrwerk und Bugradlenkung Elektromechanische Bremse 30

31 MEA Projekte mit EAA Studien zu Antriebs- und Redundanzkonzepten Überprüfung von bestehenden Motorendesigns Auslegung von 270 VDC Maschinen in Switched- Reluctance-Technologie Beratung von Unterauftragnehmern Aufbau eines 270 VDC Systemprüfstands und Durchführung von Systemtests More Electric Engine (MEE) 31

32 MEA Systemprüfstand bei EAA (1/2) GP 270V DC SP 270V DC 32

33 MEA Systemprüfstand bei EAA (2/2) 33

34 Aufgaben Fahrwerk/Bremse Bereitstellung Haupt- und Bugfahrwerk mit entsprechender Kinematik Aufnahme der hohen dynamischen Lasten des Landestoßes Bereitstellung der Bugradlenkung Bereitstellung Bremsschirm und Fanghaken Verzögerung des Lfz innerhalb einer minimalen Bremsstrecke (Temperaturen > 1800 C; Anti-Skid System) 34

35 Fahrwerksystem EF

36 Hauptfahrwerkskinematik EF

37 Mk16 Raketenschleudersitz (EF2000) PARACHUTE HEADBOX BOOSTER ASSEMBLY SHOULDER STRAPS QUICK RELEASE BOX COMMAND SYSTEM TROMBONE CONNECTOR BACKREST SEAT FIRING HANDLE HARNESS GO-FORWARD LEVER LIQUID SUIT CONNECTOR ASSEMBLY LEG RESTRAINT LINE NBC FILTER AIRCREW SERVICES PACKAGE LOWER AEROSURFACE EJECTION GUN CARTRIDGE HEAD EQUIPMENT ASSEMBLY SERVICES MODULE SAFE / ARMED HANDLE ARM RESTRAINT OXYGEN CONTROL LEVER 37

38 Erprobung Rettungssystem (1/2) 38

39 Erprobung Rettungssystem (2/2) 39

40 FRAGEN? 40

41 DANKE FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT 41