Quo Vadis Flugtriebwerk

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Hertha Egger
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1 Dr. Gregor Kappmeyer Quo Vadis Flugtriebwerk Dr. Gregor Kappmeyer Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG

2 Vor einem Blick in die Zukunft von Flugtriebwerken sei ein Blick in die Historie der Flugzeugantrieb vorweggenommen. Die Entwicklung von Flugzeugantrieben ist geprägt vom Streben nach leichtgewichtigen und zugleich leistungsfähigen Antrieben, die es ermöglichen, neben dem Fluggerät selbst auch Passagiere und Fracht in immer größerem Umfang und über immer größere Entfernungen zu befördern. Abb. 1: Entwicklung von Flugmotoren Frühe Flugmotoren waren in ihrer Bauform sowie Anpassungsfähigkeit steigenden Leistungsanforderungen nicht gewachsen und wurden durch immer komplexere aber auch leistungsfähigere Flugmotoren ersetzt. Ein Quantensprung in Bezug auf das Leistungsgewicht und die erreichbaren Geschwindigkeiten wurde durch die Entwicklung und Einführung der Gasturbinen erreicht. Zunächst im militärischen, später auch im zivilen Luftverkehr führte die Gasturbine zu einem Quantensprung in der erreichbaren Fluggeschwindigkeit und Flughöhe. Die Leistungsdaten erlaubten erstmals Überschallflüge sowie auch senkrecht startende Flugzeuge, die in den 1960er Jahren Visionen von senkrecht startenden Flugzeugen in den Städten sowie Überschallflügen für jedermann realistisch erscheinen ließen. (Abb. 2) 30

Abb. 2: Vorstellungen zur Zukunft der Luftfahrt Heute steht der

wachsenden Weltbevölkerung vor neuen Herausforderungen.

Passagierzahlen im Zuge der Globalisierung der Weltwirtschaft und

3 Abb. 2: Vorstellungen zur Zukunft der Luftfahrt Heute steht der Luftverkehr vor dem Hintergrund des Klimawandels und der stetig wachsenden Weltbevölkerung vor neuen Herausforderungen. Das globale Bevölkerungswachstum führt zu kontinuierlich steigenden Passagierzahlen im Zuge der Globalisierung der Weltwirtschaft und damit zu höherer Flugdichte. (Abb. 3 und 4) Abb. 3: Prognose des Bevölkerungswachstums 31

Zwingende Folge davon sind Forderungen nach kontinuierlicher Weiterentwicklung und Optimierung von Flugzeugantrieben, um die Energieeffizient und Umweltverträglichkeit im Rahmen des technisch

4: Wachstum des Luftverkehrs setzt sich fort Die Prognosen der Vereinigten Nationen zum Wachstum des weltweiten Flugverkehrs gehen von einem Wachstum um das ca.

4 Zwingende Folge davon sind Forderungen nach kontinuierlicher Weiterentwicklung und Optimierung von Flugzeugantrieben, um die Energieeffizient und Umweltverträglichkeit im Rahmen des technisch Machbaren kontinuierlich zu steigern. Höchste Ansprüche an Sicherheit, Komfort und Service sind dabei heutzutage selbstverständliche Eigenschaften im Flugverkehr. Abb. 4: Wachstum des Luftverkehrs setzt sich fort Die Prognosen der Vereinigten Nationen zum Wachstum des weltweiten Flugverkehrs gehen von einem Wachstum um das ca. 4,5 fache gegenüber dem Stand von 2006 aus. Technisch kann man dieser Herausforderung durch größere Flugzeuge und gleichzeitig höhere Flughafenauslastungen begegnen. Sicherheitsaspekte sind dabei kontinuierlich an die steigenden Flugzahlen anzupassen. Die Energiequelle für den Antrieb von Flugtriebwerken, das Kerosin als fossiler Treibstoff, stellt dabei einen zentralen Faktor dar. Langfristig ist ein klarer Trend hin zu alternativen Energiequellen erkennbar (Abb. 5). Die hohe Energiedichte des Treibstoffs, die in der Luftfahrt von besonderer Bedeutung ist, wird daher dazu führen, dass im Flugverkehr im Gegensatz zu anderen Verbrauchern der fossile Brennstoff Kerosin noch 32

für längere Zeit eingesetzt werden wird. Die Verwendung von Biotreibstoffen ist auch hier möglich, findet jedoch in der Konkurrenz zum Anbau von Nahrungsmitteln seine Grenzen. Abb.

5 für längere Zeit eingesetzt werden wird. Die Verwendung von Biotreibstoffen ist auch hier möglich, findet jedoch in der Konkurrenz zum Anbau von Nahrungsmitteln seine Grenzen. Abb. 5: Flugverkehr nutzt Kerosin am längsten Die Entwicklung von Flugtriebwerken erfolgt mithilfe einer langfristigen und durchgängigen Technologiestrategie, die Impulse zur Entwicklung von kurz-, mittel- und langfristig umsetzbaren Technologien, deren Test in Demonstratoranwendungen und Einführung in Serientriebwerke setzt (Abb. 6). 33

Treibstoffverbrauchs der Triebwerke, die in langfristigen Zielen

6 Abb. 6: Langfristig durchgängige Technologiestrategie bei Flugtriebwerken Hauptziele dieser Entwicklungen sind die Reduktion der Lautstärke sowie des Treibstoffverbrauchs der Triebwerke, die in langfristigen Zielen festgeschrieben und verfolgt werden. Abb. 7: Lautstärke- und Treibstoffverbrauchsverbesserungen 34

Aktuelle Entwicklungen wie moderne Turbofantriebwerke und der Getriebefan sowie in einem weiteren Entwicklungsschritt das sogenannte Open Rotor Triebwerk sind hier Meilensteine auf dem Weg zu

7 Aktuelle Entwicklungen wie moderne Turbofantriebwerke und der Getriebefan sowie in einem weiteren Entwicklungsschritt das sogenannte Open Rotor Triebwerk sind hier Meilensteine auf dem Weg zu künftigen Flugtriebwerksgenerationen (Abb. 7). Ein Beispiel für modernste Triebwerkstechnologie ist das im neuen Airbus A350 eingesetzte Triebwerk Trent XWB (Abb. 8), das über eine Vielzahl innovativer Technologien und Komponenten verfügt. Diese erlauben neben bisher unbekannter Effizienz bei Triebwerken in dieser Leistungsklasse auch einen deutlich reduzierten Lärmpegel bei gleichzeitig geringstmöglicher Masse. Das leichtgewichtige Fansystem und der Hochdruckverdichter in Blisk-Bauweise (Schaufeln und Verdichterscheibe aus einem Stück gefertigt) tragen hierzu maßgeblich bei. Abb. 8: Trent XWB Modernste Technologie Zukünftige Optionen sind in Abbildung 9 dargestellt. Sie umfassen das Open Rotor Konzept, eine zunehmende Integration elektrischer Systeme, geänderte Anordnungen der Triebwerke in der Flugzeugzelle, weiterentwickelte Triebwerkszyklen und Entwicklungen zur druckgewinnenden Verbrennung. 35

8 Abb. 9: Zukunftsoptionen im Triebwerksbau Abb. 10: Erweiterte Zyklen Höhere Effizienz 36

Maßnahmen zur Kühlung der für die Turbine erforderlichen Kühlluft, Luftstrom- Intercooler Technologie oder Maßnahmen zur Drucksteigerung in der Brennkammer durch Puls-Drucksteigerung.

9 Unter erweiterten Triebwerkszyklen versteht man z.b. Maßnahmen zur Kühlung der für die Turbine erforderlichen Kühlluft, Luftstrom- Intercooler Technologie oder Maßnahmen zur Drucksteigerung in der Brennkammer durch Puls-Drucksteigerung. Das Open Rotor Konzept bietet vor allem für kleine bis mittlere Schubklassen eine Option zur weiteren Verbesserung. Gegenüber heutigen Triebwerken wird dabei eine Reduzierung des Treibstoffverbrauchs um 25 30% erwartet. Wesentliche Herausforderungen solch neuartiger Bauweisen stellen dabei jedoch Fragen der hohen Komplexität, Installation in der Flugzeugzelle sowie die Akzeptanz beim Kunden dar. Weitaus radikalere Ideen für Antriebslösungen liegen demgegenüber in weiter Zukunft und stammen vornehmlich aus der Weltraumfahrt (Abb. 12). Diese befinden sich allesamt noch im Stadium der Ideenfindung und Bewertung der grundlegenden Machbarkeit und sind noch weit entfernt von einer ernstzunehmenden technischen Realisierung. Abb. 11: Open Rotor Potential 37

Faktoren wie Verfügbarkeit von geeigneten Werkstoffen,

10 Abb. 12: Ideen für Antriebslösungen im 22. Jahrhundert Die Zukunft der Flugantriebe wird deshalb durch Faktoren wie Verfügbarkeit von geeigneten Werkstoffen, Energieträgern und den Anforderungen der Kunden, zuletzt der Flugpassagiere bestimmt werden. 38

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