Ansys Simulation hilft bei der Elektrifizierung von Flugzeugen

Autor / Redakteur: Paolo Colombo / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Konstruktion In der Luft- und Raumfahrt gibt es derzeit zwei Trends: Einerseits werden bestehende mechanische und hydraulische Systeme durch elektrische ersetzt. Andererseits geraten vermehrt Elektromotoren als Antriebskomponenten in den Fokus der Konstrukteure von Flug- und Raumfahrzeugen. Um hier schneller zu Ergebnissen zu kommen, hilft der Einsatz von Simulationstechnik.

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Es entsteht eine neue Generation von stärker elektrifizierten Flugzeugen. Die Simulation hilft dabei, die Zusammenhänge schneller zu verstehen.
Es entsteht eine neue Generation von stärker elektrifizierten Flugzeugen. Die Simulation hilft dabei, die Zusammenhänge schneller zu verstehen.
(Bild: Ansys)

In der Luft- und Raumfahrtindustrie gibt es aktuell zwei Initiativen zur Elektrifizierung, die die Hauptakteure beeinträchtigen könnten.

Die erste Entwicklung zielt auf „more electric aircraft“ (MEA) ab. Diese MEA-Philosophie reduziert das Gewicht des Luftfahrzeugs, indem schwere mechanische und hydraulische Systeme durch elektrische Komponenten ersetzt werden.

Die zweite Luft- und Raumfahrt­initiative ersetzt traditionelle Antriebssysteme durch elektrische oder hybride Optionen. Ein elektrischer Antrieb sorgt schließlich dafür, dass Flugzeuge effizienter, leiser und umweltfreundlicher werden und neue Regulierungen einhalten.

Dieser Trend ist noch kein Mainstream – also erwarten Sie nicht, dass große Fluggesellschaften in naher Zukunft für elektrisch angetriebene Flüge werben. Trotzdem setzen Drohnen, Höhenplattformen (HAPS), Urban Air Mobility (UAM) und der subregionale kommerzielle Luftverkehr bereits auf die Elektrifizierung des Flugzeugantriebs.

Elektrifizierung beginnt in der Transportbranche

Die Elektrifizierung der Transportbranche ist keine Überraschung, weil Automobilingenieure die Entwicklung von elektrischen Antriebssystemen seit über einem Jahrzehnt vorantreiben. Die Luft- und Raumfahrtbranche ist bei diesem Trend jedoch spät dran. Das liegt daran, dass viele Bereiche der Elektrotechnik immer noch die notwendigen Leistungsdichten und -spannungen bewältigen müssen, um die für die Zertifizierung erforderlichen Leistungs- und Sicherheitsstandards zu erreichen.

Das schafft Chancen für neue und aufstrebende Akteure, die Branche zu verändern. Nicht überzeugt? Dann sollten Sie sich den Report „Flightpath 2050“ ansehen, der die europäische Vision für die Luft- und Raumfahrtindustrie beschreibt. Dieser besagt, dass zukünftige Branchenführer diejenigen sein werden, die bahnbrechende Technologien in Bezug auf Energie, Umweltverträglichkeit und das Komplexitätsmanagement entwickeln. Ähnliche Aussagen werden auch im Entwurf der FAA Destination 2025 der USA getroffen.

Mit anderen Worten: Wir müssen damit rechnen, dass ein paar Start-ups aus dem Nichts auf der Bildfläche erscheinen. Diese werden aus dem Stealth-Mode auftauchen, so wie viele andere im Raumfahrtsektor. Diese neuen Akteure werden vielleicht aufgekauft oder entwickeln sich selbst zu Branchenführern.

Simulation hilft beim Aufbau von Wissen

In diesem schnelllebigen Szenario ist Simulation der ökonomischste Weg, Wissen aufzubauen, um die Elektrifizierung der Luft- und Raumfahrtindustrie zu verstehen. Luft- und Raumfahrtunternehmen haben dabei Schwierigkeiten, sich vorzustellen, wie sie solche komplexen Systeme elektrifizieren können.

Es entsteht eine neue Generation von stärker elektrifizierten Flugzeugen. Die Simulation hilft dabei, die Zusammenhänge schneller zu verstehen.
Es entsteht eine neue Generation von stärker elektrifizierten Flugzeugen. Die Simulation hilft dabei, die Zusammenhänge schneller zu verstehen.
(Bild: Ansys)

Normalerweise bauen Unternehmen Copper Birds. Dabei handelt es sich um riesige Prüfanlagen, die dafür genutzt werden, Prototypen der Hardware zu entwickeln und zu testen. Dieser Ansatz ist sehr sicher und gut zu verstehen. Die Marktanforderungen ändern sich jedoch zu schnell, um physisches Prototyping rentabel zu machen.

Die Branche muss die Innovation beschleunigen, indem Risiken schneller und wirtschaftlicher gemanagt werden. Und hier hilft Simulation immens. Sie ermöglicht es Konstruktionsteams, Hypothesen und Szenarien zu erforschen, die sich nur schwer in einem physischen Test reproduzieren lassen. Diese Fail-­sooner-

and-cheaper-Mentalität hilft Ingenieuren dabei, etwas über Phänomene zu lernen und ihre Konstruktionen entsprechend zu optimieren.

Physische Tests sind weiterhin notwendig

Lassen sich alle physischen Tests durch Simulation ersetzen? Nein, physische Tests sind noch immer Vorschrift und sie sind eine gute Möglichkeit, um sicherzustellen, dass die finalen Konstruktionen funktionieren. Allerdings können Ingenieure in einer virtuellen Umgebung viel mehr entwickeln. Luft- und Raumfahrtunternehmen sind sich über die Wichtigkeit der Simulation zur Modellierung der Strömungsdynamik und Strukturmechanik im Klaren. Trotzdem ist bei der elektrischen Simulation noch eine Akzeptanzlücke vorhanden. Möglicherweise liegt es daran, dass die hochpräzise elektrische und elektromagnetische Simulation viel jünger ist als die Computational Fluid Dynamics (CFD) und Finite-Elemente-Methoden (FEM).

Mithilfe von multiphysikalischen Simulationen, wie sie auch das Unternehmen Ansys anbietet, können Ingenieurteams die elektromagnetische Leistung von Komponenten, Schaltungen und Systemen simulieren. Dies ermöglicht es, thermische, schwingungstechnische und andere kritische mechanische Effekte in einem breiten Anwendungsspektrum besser zu bewerten – zum Beispiel für Batterien und Brennstoffzellen, elektrische Maschinen, Leistungselektronik und die Gesamtsystemsimulation.

Es gibt Simulationssoftware für die Bereiche Fluidtechnik, Chassis, Elektrokomponenten, Halbleiter und eingebettete Software.
Es gibt Simulationssoftware für die Bereiche Fluidtechnik, Chassis, Elektrokomponenten, Halbleiter und eingebettete Software.
(Bild: Ansys)

Bleibt also noch eine Frage: Wenn Luft- und Raumfahrtunternehmen mithilfe von Simulation ihre Konstruktionen schneller vorantreiben können, warum ist das nicht längst Standard?

* Paolo Colombo ist Global Industry Director for Aerospace & Defense bei der Ansys Inc. in 83624 Otterfing, Tel. (0 80 24) 90 54-0, info-germany@ansys.com

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