Methods for the Design and Evaluation of Future Aircraft Concepts Utilizing Electric Propulsion ...

173 Pages·2016·3.43 MB·German

Technische Universität München

Lehrstuhl für Luftfahrtsysteme

Methods for the Design and Evaluation of Future Aircraft
Concepts Utilizing Electric Propulsion Systems

Stefan Stückl

Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Maschinenwesen der Technischen
Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
genehmigten Dissertation.

Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Manfred Hajek

Prüfer der Dissertation: 1. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Mirko Hornung

2. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Rudolf Voit-Nitschmann

Die Dissertation wurde am 24. Juni 2015 bei der Technischen Universität München
eingereicht und durch die Fakultät für Maschinenwesen am 18. April 2016
angenommen.

Für Emma

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Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit bei Airbus Group Innovations in
Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Luftfahrtsysteme der Technischen Universität München.
Ich möchte mich herzlich bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Mirko Hornung bedanken, der mir als
Doktorvater sowohl die notwendigen Freiräume in der Gestaltung dieser Arbeit gegeben hat als
auch stets mit wissenschaftlichem Rat zur Seite stand. Herrn Prof. Dr.-Ing. Rudolf Voit-
Nitschmann möchte ich herzlich danken, dass er seine Expertise für das Zweitgutachten zur
Verfügung gestellt hat sowie Herrn Prof. Dr.-Ing. Manfred Hajek für die freundliche Übernahme
des Prüfungsvorsitzes.

Das internationale und interdisziplinäre Arbeitsumfeld der zentralen Forschungseinrichtung der
Airbus Group haben wesentlich zum Erfolg dieser Arbeit beigetragen. Hier gilt mein besonderer
Dank Herrn Jan van Toor und Herrn Dr. Jürgen Steinwandel, die mit ihrer langjährigen
Unterstützung und fachlichen Begleitung vom ersten Tag an den Grundstein und das
Fundament für diese Arbeit und meinen bisherigen Werdegang gelegt haben. Weiterhin möchte
ich mich bei Herrn Dr. Hans Lobentanzer bedanken, der bei der Initiierung und Definition dieser
Arbeit mitgewirkt hat. Für die immer zielführenden und konstruktiven Diskussionen und den
fachlichen Rat möchte ich mich herzlich bei meinen Kollegen und Freunden Dr.-Ing. Corin
Gologan, Dr.-Ing. Alexander Ohnesorge, Dr.-Ing. Michael Hofmann, Herrn Michael Pilawa und
Herrn Ning Wang bedanken. Darüber hinaus gilt mein besonderer Dank Herrn Florian Stagliano
für die Inspiration aus unzähligen Gesprächen, für das wertvolle Feedback und die kreativen
Impulse die daraus entstanden sind.

Von ganzem Herzen möchte ich mich bei meinen Eltern bedanken, die mir für meinen Weg im
Leben immer die notwendigen Freiräume und Unterstützung gegeben haben. Und zu guter Letzt
gilt mein größter Dank meiner Lebensgefährtin Jasmin, die mir mit ihrem bedingungslosen
Rückhalt über die vielen Jahre zur Seite stand und mir immer die notwendige Kraft und
Sicherheit gegeben hat.

München, im Juli 2016 Stefan Stückl

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Abstract
Contributing to the recent research activities regarding electric propulsion for aeronautical
applications, the objective of this thesis is to develop methods for the design and evaluation of
future electric propulsion aircraft, to identify critical technologies and main design drivers of the
electric powertrain, and to identify the practical limits of electric propulsion aircraft based on the
foreseeable technological progress.
In this context, the components of a battery-based electric powertrain are specified, and viable
propulsion system architectures are assessed based on requirements equivalent to today’s
certification standards. Critical technologies and main design drivers for the propulsion system
are identified by means of sensitivity studies and a baseline setup for an electric propulsion
system is defined. Accounting for the different weight- and power characteristics of the electric
powertrain, the implications on the aircraft structure and operational aspects are discussed and
the sizing methodology is adapted accordingly.
The presented set of design methods is applied for the preliminary design of an electric baseline
aircraft. The implications of battery integration and adapted operations on aircraft weight and
performance are discussed and, taking these findings into account, the baseline is re-designed.
Finally, the sizing limits of the considered aircraft class are evaluated for different battery
technologies and typical payload-range requirements in a design space investigation.

Zusammenfassung
Elektrische Antriebssysteme für Luftfahrtanwendungen sind Gegenstand aktueller und zukünftig
absehbarer Forschungsaktivitäten. Als Beitrag hierzu ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung
von Methoden für den Entwurf und die Bewertung von zukünftigen Flugzeugkonzepten mit
elektrischem Antriebssystem. Darüber hinaus sollen kritische Technologien und Komponenten
des Antriebssystems identifiziert und die praktischen Grenzen elektrisch angetriebener
Regionalflugzeuge basierend auf aktuellen Prognosen zur Technologieentwicklung aufgezeigt
werden.
Hierzu werden zunächst die Komponenten eines batteriegestützten Antriebsstranges spezifiziert
und, unter Berücksichtigung heutiger Zertifizierungsvorgaben, mögliche Antriebssystem-
Architekturen diskutiert. Kritische Technologien werden anhand von Sensitivitätsstudien ermittelt
und eine Basis-Antriebsarchitektur wird definiert. Unter Berücksichtigung der spezifischen
Gewichts- und Leistungscharakteristika der elektrischen Komponenten werden das Luftfahrzeug
betreffende strukturelle und operationelle Besonderheiten diskutiert und entsprechende
Anpassungen des Entwurfsprozesses vorgeschlagen.
Die erarbeiteten Methoden werden daraufhin im Entwurf eines batteriegestützten
Regionalflugzeugkonzeptes angewandt. Im Vergleich mit einem konventionell angetriebenen
Referenzflugzeug werden die Auswirkungen des elektrischen Antriebssystems bezüglich
Gewichte und Betriebscharakteristik auf Gesamtflugzeugebene dargestellt und
Optimierungspotentiale hinsichtlich Flugzeugkonfiguration und Betriebsstrategie aufgezeigt. Zum
Abschluss wird der Entwurfsraum zukünftiger batteriegestützter Regionalflugzeuge evaluiert und
gewichtsbedingte Limitationen in Abhängigkeit der verfügbaren Batteriegüte aufgezeigt.

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Contents
Vorwort ............................................................................................................................................ iii 
Abstract ............................................................................................................................................ v 
List of Figures .................................................................................................................................. ix 
List of Tables ................................................................................................................................. xiii 
Nomenclature ................................................................................................................................. xv 
Subscripts ...................................................................................................................................... xvi 
Abbreviations ................................................................................................................................ xvii 
1.  Introduction ............................................................................................................................... 1 
1.1. Challenges in Design and Assessment of Battery Powered Electric Propulsion Aircraft .... 2 
1.2. Main Objectives ..................................................................................................................... 3 
1.3. Structure of Work .................................................................................................................. 3 
2.  Current State of Electric Propulsion Aircraft and Research Needs ......................................... 5 
2.1. Electric Flight in the Past ...................................................................................................... 5 
2.2. Current State of Design Methods for Electric Propulsion Aircraft ........................................ 8 
2.3. Research Needs and Specification of Work ....................................................................... 12 
3.  Methods for Electric Aircraft Propulsion System Design ....................................................... 15 
3.1. Specification of Components .............................................................................................. 15 
3.1.1.  Storage of Electric Energy ....................................................................................... 15 
3.1.2.  Electric Power Transmission .................................................................................... 28 
3.1.3.  Power Switches and Circuit Breakers ...................................................................... 36 
3.1.4.  Electric Motors .......................................................................................................... 39 
3.1.5.  Equipment Cooling ................................................................................................... 48 
3.1.6.  Motor Inverters & Controllers ................................................................................... 50 
3.1.7.  Propeller ................................................................................................................... 51 
3.1.8.  Aircraft Systems ....................................................................................................... 55 
3.2. Electric Propulsion System Architecture ............................................................................. 60 
3.2.1.  Battery System ......................................................................................................... 61 
3.2.2.  Distribution System .................................................................................................. 65 
3.2.3.  Cooling System ........................................................................................................ 76 
3.2.4.  Aircraft System Architecture .................................................................................... 77 
3.3. Weight Trends and Sensitivities of the Electric Powertrain ................................................ 80 
3.3.1.  Conventional vs. Superconducting Power Transmission ........................................ 81 
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3.3.2.  Direct vs. Bypass Switching ..................................................................................... 82 
3.3.3.  Sensitivity vs. Component Performance .................................................................. 84 
4.  Design Methodology for Electric Propulsion Aircraft ............................................................. 87 
4.1. Implications of Electric Propulsion Systems in Aircraft Design .......................................... 87 
4.2. Aircraft Sizing and Optimization .......................................................................................... 90 
4.3. Specification and Adaption of Implemented Methods ........................................................ 93 
4.3.1.  Fuselage Layout ....................................................................................................... 93 
4.3.2.  Weight Modeling ....................................................................................................... 94 
4.3.3.  Aerodynamic Modeling ............................................................................................. 96 
4.3.4.  Trim and Stability Modeling ...................................................................................... 98 
4.3.5.  Mission Modeling ...................................................................................................... 99 
4.3.6.  Flight- and Field Performance Modeling ................................................................ 100 
4.3.7.  Turbo-Shaft Engine Performance & Fuel Tank Volume Modeling ........................ 102 
4.4. Validation and Calibration of the Design Model ............................................................... 103 
5.  Conceptual Design and Assessment of Electric Propulsion Aircraft ................................... 107 
5.1. Sizing of a Baseline Configuration .................................................................................... 107 
5.2. Sensitivities and Operational Adaptions ........................................................................... 119 
5.3. Re-Design of the Baseline Configuration ......................................................................... 124 
5.4. The Design Space of Electric Propulsion Aircraft ............................................................ 127 
6.  Summary and Outlook ......................................................................................................... 135 
6.1. Summary of Results and Findings .................................................................................... 135 
6.2. Outlook .............................................................................................................................. 137 
Bibliography .................................................................................................................................. 139 
Annex ........................................................................................................................................... 149 
A.  Implemented Weight Modeling Methods ......................................................................... 149 
B.  Implemented Aerodynamic Modeling Methods ............................................................... 151 
C.  Implemented Trim and Stability Modeling Methods ......................................................... 153 

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