Die Elektrifizierung von und für Mobilitätskonzepte ist weder eine Neuerfindung noch eine spontane Entwicklung. Während Automobilhersteller schon in den vergangenen zehn Jahren stetig in die Entwicklung von Elektroantrieben investierten, sind Unternehmen der Luft- und Raumfahrt diesem Beispiel weniger schnell und intensiv gefolgt. Graham Mackrell, Managing Director von Harmonic Drive UK, erläutert nachfolgend die konstruktiven Herausforderungen für die Elektrifizierung der Luftfahrt.
Die Elektrifizierung findet ihre Befürworter und Unterstützer insbesondere in Unternehmen, die die Art und Weise, wie der Mensch mit seiner Umwelt umgeht, grundlegend verändern wollen. Dabei revolutioniert sie die Art und Weise, wie wir Sachen entwickeln und per heute verstehen, und reicht von Autobahnen bis hin zu öffentlichen Verkehrsmitteln und bietet eine vergleichsweise nachhaltige Möglichkeit, Systeme zu betreiben.
Vor über 130 Jahren gelang es dem französischen Chemiker und Piloten Gaston Tissandier, den ersten elektrisch angetriebenen Prototypen eines Flugzeugs zu realisieren. Heute haben einige Unternehmen der Luft- und Raumfahrt Schwierigkeiten damit, sich die Elektrifizierung ihrer hochmodernen und komplexen Systeme vorzustellen. Dabei sagen Prognosen für das Jahr 2034 ein annuales Passagieraufkommen von mehr als 7 Milliarden Menschen voraus. Zum Vergleich: Nach Angaben der IATA (International Air Transport Association) war im Jahr 2016 lediglich die halbe Menge an Reisenden zu verzeichnen. Neben den ohnehin bestehenden Forderungen nach einer Reduzierung der CO2-Emissionen üben diese Zahlen bei der Entwicklung zukünftiger Flugzeuggenerationen zusätzlichen Druck auf Unternehmen der Luftfahrtindustrie aus. Initiativen wie Flightpath 2050 unterstreichen die Bedeutung der Elektrifizierung der Luft- und Raumfahrtindustrie zur Erreichung der von der Europäischen Union (EU) festgelegten Umweltziele. In diesem Kontext wird eine Reduzierung von CO2-Emissionen und Stickoxiden von etwa 75 beziehungsweise 90 Prozent pro Passagier angestrebt.
Luft- und Raumfahrtingenieure können bei der Elektrifizierung ihrer Flugzeuge grundlegend zwischen zwei Ansätzen wählen. Der erste Schwerpunkt liegt auf der Entlastung des Flugzeugs durch den Ersatz schwerer mechanischer Systeme durch elektrische Komponenten. Die Herausforderung dabei ist, dass ein Großteil der weltweit vorhandenen Elektrotechnik derzeit noch nicht mit der Spannung und den Leistungsdichten, die zur Erfüllung der für die Zertifizierung erforderlichen Sicherheitsstandards benötigt werden, kompatibel ist. Alternativ könnten traditionelle Antriebssysteme durch elektrische oder hybride Varianten ersetzt werden. Beide bieten große Vorteile für die Umwelt, wobei der elektrische Antrieb Flugzeuge nicht nur leiser, sondern auch effizienter macht. Eine vollelektrische Zukunft der Luftfahrt hat verschiedene konstruktive Herausforderungen und designtechnische Überlegungen zur Folge, die von Ingenieuren berücksichtigt werden müssen. So müssen beispielsweise zuverlässige vollelektrische Stellglieder für Steuerungssysteme in Flugzeugen integriert werden.
Aktuell beruhen die meisten großen Stellsysteme auf hydraulischen und linearen Stellgliedern beziehungsweise Getrieben. Um Linearantriebe entsprechend unterbringen zu können, hatte sich der Konstruktionsraum innerhalb von Flugzeugen in den vergangenen Jahrzehnten stetig angepasst. Den begrenzten Bauraum effektiv verwalten und optimieren zu müssen, stellt eine weitere Herausforderung für Ingenieure bei der Konstruktion von Komponenten für Luft- und Raumfahrtanwendungen dar. Auch wenn diese bestehenden Systeme möglicherweise nicht die Ideallösung darstellen und oftmals als ineffizient und anfällig für das Austreten schädlicher Flüssigkeiten eingestuft werden, sind sie doch weit verbreitet und werden von Ingenieuren genutzt, um beim Konstruktionsprozess Komplikationen zu vermeiden.
Werden Antriebselemente in sicherheitskritischen Anwendungen der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, müssen sie hohen Belastungen standhalten. Gerade bei der Integration elektrischer Antriebe sollten Ingenieure daher Harmonic Drive® Getriebe in Betracht ziehen. Diese zeichnen sich durch ihre hohen einstufigen Untersetzungsverhältnisse ohne Spiel aus. Beispielhaft für den Einsatz von Harmonic Drive® Produkten steht ein vollelektronischer Drehantrieb, der in Kooperation mit der britischen AMETEK Airtechnology Group entwickelt wurde. Dieser bietet ein Abtriebsdrehmoment von 650 Nm, wiegt aufgrund seiner kompakten Konstruktion nur knapp über 5 kg und wurde darüber hinaus von Luftfahrtbehörden zertifiziert. In Anbetracht der rauen Umgebungsbedingungen und Wetterverhältnisse, denen Flugzeuge ausgesetzt sind, ist die Konstruktion des Antriebs auf Temperaturen zwischen -55 und +70 ºC ausgelegt. Der Drehantrieb ist unter anderem für den Einsatz in Hubschrauberfahrwerken geeignet.
In den kommenden Jahren werden wir zweifellos die nächste Generation von saubereren und leiseren Flugzeugen hoch über unseren Köpfen fliegen sehen. Um die von der Europäischen Union festgelegten Zielvorgaben zu erreichen, müssen Unternehmen der Luft- und Raumfahrtindustrie baldmöglichst damit beginnen, ihre Anwendungen zu elektrifizieren. Dabei sind in der Konstruktionsphase für jede einzelne Komponente neben Lastgrenzen und Ausfallszenarien auch temperaturbedingte Wirkungsgradänderungen einzubeziehen. Durch die Zusammenarbeit mit der Harmonic Drive® Gruppe können Ingenieure entlastet, der Entwicklungsprozess neuer Anwendungen verkürzt und umweltfreundliche Alternativen wie die Elektrifizierung unterstützt werden.
