Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4159
Main Title: Über das wirtschaftliche Potential und den komplexen Entwurfsraum von Luftfahrzeugen mit hybriden Auftriebskonzepten
Translated Title: About the economic potential and the complex design space of air vehicles with hybrid lift concepts
Author(s): Hartmann, Johannes
Advisor(s): Thorbeck, Jürgen
Referee(s): Thorbeck, Jürgen
Gollnick, Volker
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Bei Flugzeugen wird die Auftriebskraft mittels starrer Flügel aerodynamisch generiert. Bei Hubschraubern basiert die Kompensation der Gewichtskraft hingegen auf rotierenden Flügeln. Der Auftrieb wird auch hier aerodynamisch erzeugt. Die verfügbare Leistung wird direkt der Bewegung der Rotorblätter und somit der Schubkraft zur Verfügung gestellt. Dieses Auftriebsprinzip kann auch als Hubauftrieb oder Hubschub bezeichnet werden. Aerostaten hingegen verfolgen das Leichter-als-Luft-Prinzip und benötigen keine Energie zum Aufrechterhalten des Auftriebs. Setzt sich der Auftrieb während des Reisefluges aus mehr als einer der genannten Arten zusammen, kann von hybrider Auftriebserzeugung gesprochen werden. Dementsprechend ist dann von hybriden Luftfahrzeugen (kurz: Hybriden) die Rede. Die Fragestellung, der sich diese Arbeit widmet, ist, unter welchen Randbedingungen und bei welchen Missionen eines Nutzlasttransports eine derartige Mischung ökonomisch, ökologisch und operationell sinnvoll ist. Dazu wird zunächst ein Synthesemodell aufgestellt, das auf den bekannten Vorentwurfsmethoden für Flugzeuge, Hubschraubern und Aerostaten aufsetzt und um die spezifischen Charakteristika von Hybriden erweitert ist. Eine konsistente Methode zur Berechnung der direkten Betriebskosten wird für alle drei Luftfahrzeugtypen aus einem für Trendaussagen im Flugzeugentwurf gültigen Modell entwickelt. Die Spezifika von hybriden Luftfahrzeugen werden auch hierbei berücksichtigt beziehungsweise ergänzt. Um einen Beitrag zum Verständnis des komplexen Entwurfsraums von hybriden Luftfahrzeugen leisten zu können, werden eine Vielzahl von Parameteroptimierungen für verschiedene Transportaufgaben durchgeführt. Ein Hauptaugenmerk liegt dabei auf den Mischungsverhältnissen der Auftriebsanteile. Der aerodynamische Auftrieb kann sich dabei wiederum aus Anteilen vom Flügel, Leitwerk oder durch die geometrische Form vom auftriebserzeugenden Volumenkörper zusammensetzten. Abschließend wird das Potential der Hybride in Abhängigkeit von den wichtigsten Missionsparametern aufgezeigt und für einen vielversprechenden Bereich möglicher Transportaufgaben ein Hybrid entworfen, optimiert und dargestellt.
Airplanes and helicopters are using profiled wings to generate aerodynamic lift. With the intention of counteracting the weight, airplanes need to have a translational movement while helicopters producing vertical lift with rotary wings enabling them to hover at a fixed position. The aerostatic lift of airships is based on the lighter-than-air-principle. This kind of lifting force is not in need of a continuous energy source. If the lift is composed of more than one of these three principles permanently during the cruise one can call it hybrid lift generation. The respective aircraft can be referred as a hybrid air vehicle, a hybrid aircraft or simply a hybrid. The subject of the present thesis is dedicated to answer the following questions. Is it economically, ecologically and operationally worthwhile to combine different principles of lift generation within one vehicle? What is the best lift composition to answer the specification of a mission? What is a good configuration to achieve that? What are the most promising applications/missions for payload transportation using hybrid air vehicles? Under which boundary conditions hybrids are superior in comparison to all existing kinds of classical aircraft? Aiming at responding to these questions, the development of a synthesis model for hybrids is a key part of the present study. The proposed model is based on existing pre-design methodologies for airplanes, helicopters and airships. It is supplemented by the specific characteristics and methods of hybrid air vehicles forming a global synthesis model for all types of flying transport aircraft and their hybridisation. Furthermore, a consistent direct operating cost (DOC) method is developed that is covering all classical types of aircraft as well as hybrid air vehicles in order to enable comparative economical assessments. It is derived from a DOC model that is valid for airplane assessment and configuration trade studies. The solution space of hybrid air vehicles is very complex. In order to make a contribution to a better understanding of the solution driving parameters, a variety of parameter optimization studies are performed and analysed in the present thesis. Several mission specifications are taken into account for that. The main focus of attention is on the lift composition. The aerodynamic lift itself can be generated by wings, the tail plane and / or the shape of the lifting body that stores the lighter-than-air gas. In conclusion the economic and ecologic potential of hybrid air vehicles is shown against the most important mission parameters. As an example, one solution on a promising range of missions is designed, optimised and presented at the end.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-55976
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4456
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4159
Exam Date: 17-Jul-2014
Issue Date: 5-Sep-2014
Date Available: 5-Sep-2014
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Auftriebsanteil
Dynastat
Hybride Luftfahrzeuge
Rotodyn
Rotostat
Dynastat
Hybrid air vehicles
Lift composition
Rotodyn
Rotostat
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