Dr. Gregor Kappmeyer

Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG

Dr. Gregor Kappmeyer

Quo Vadis – Flugtriebwerk

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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 er-

reichbaren Fluggeschwindigkeit und Flughöhe.

Die Leistungsdaten erlaubten erstmals Überschallflüge sowie auch senk-

recht startende Flugzeuge, die in den 1960er Jahren Visionen von senk-

recht startenden Flugzeugen in den Städten sowie Überschallflügen für

jedermann realistisch erscheinen ließen. (Abb. 2)

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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

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Zwingende Folge davon sind Forderungen nach kontinuierlicher Weiter-

entwicklung und Optimierung von Flugzeugantrieben, um die Energie-

effizient und Umweltverträglichkeit im Rahmen des technisch Machbaren

kontinuierlich zu steigern. Höchste Ansprüche an Sicherheit, Komfort und

Service sind dabei heutzutage selbstverständliche Eigenschaften im Flug-

verkehr.

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 besonde-

rer Bedeutung ist, wird daher dazu führen, dass im Flugverkehr im

Gegensatz zu anderen Verbrauchern der fossile Brennstoff Kerosin noch

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für längere Zeit eingesetzt werden wird. Die Verwendung von Biotreib-

stoffen 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).

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Abb. 6: Langfristig durchgängige Technologiestrategie bei Flugtriebwerken

Hauptziele dieser Entwicklungen sind die Reduktion der Lautstärke sowie

des Treibstoffverbrauchs der Triebwerke, die in langfristigen Zielen fest-

geschrieben und verfolgt werden.

Abb. 7: Lautstärke- und Treibstoffverbrauchsverbesserungen

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Aktuelle Entwicklungen wie moderne Turbofantriebwerke und der Ge-

triebefan 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 ne-

ben bisher unbekannter Effizienz bei Triebwerken in dieser Leistungsklas-

se auch einen deutlich reduzierten Lärmpegel bei gleichzeitig geringst-

möglicher Masse. Das leichtgewichtige Fansystem und der Hochdruckver-

dichter 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, weiterent-

wickelte Triebwerkszyklen und Entwicklungen zur druckgewinnenden

Verbrennung.

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Abb. 9: Zukunftsoptionen im Triebwerksbau

Abb. 10: Erweiterte Zyklen – Höhere Effizienz

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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 Schub-

klassen 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, Installati-

on 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

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Abb. 12: Ideen für Antriebslösungen im 22. Jahrhundert

Die Zukunft der Flugantriebe wird deshalb durch Faktoren wie Verfüg-

barkeit von geeigneten Werkstoffen, Energieträgern und den Anforderun-

gen der Kunden, zuletzt der Flugpassagiere bestimmt werden.