Influence of Future Airframe and Propulsion Technologies on Energy-efficient Aircraft
The competitive nature of the aviation sector and new environmental challenges have put difficult requirements for the next generation of aircraft. To significantly improve the energy efficiency of future aircraft, the maximization of current technologies may not be sufficient. Therefore, more radical solutions with respect to the airframe and propulsion technologies are required to satisfy the given recommendation for future aircraft. The introduction of future technologies also requires the design of novel aircraft that could fully utilize the benefits of those technologies and maximize overall energy efficiency.
The present thesis investigates the influence of several promising future airframe and propulsion technologies on the design of future sustainable and energy-efficient aircraft. Laminar flow control, load alleviation, advanced materials and manufacturing processes, boundary layer ingestion, ultra-high bypass ratio turbofan engines, and various sustainable energy sources are considered for the present work. The goal of the study is to investigate potential configurations that could maximize the benefits of future technologies, determine the influence of technologies at the overall aircraft level, and assess their implementation from both performance and cost perspectives. Aviation sectors from short-range regional to long-range transatlantic and the business jet market are considered for potential implementations of selected technologies.
To answer the given design questions, a multi-fidelity design environment is developed, which includes a wide range of conceptual design methods and energy system models to design various aircraft. Moreover, the initial sizing methodology is developed that obtained a robust sizing of both conventional and unconventional configurations and performed their multi-stage analysis and refinements using optimization algorithms.
For each aviation sector, multiple configurations are studied to determine the best possible candidates to satisfy given mission requirements. Overall, advanced airframe technologies are capable of not only significantly improving the performance of aircraft but also introducing configurations that are not currently feasible due to technological limitations. Moreover, for commercial aircraft, results demonstrate strong relationships between emission reduction and operating costs that remain conflicting aspects and require a trade study to establish a balance between them. If a proper combination of energy sources, technologies, and aircraft configuration is used, both emission reduction and a market success opportunity can be achieved with future technologies. Moreover, the performance of future technologies may also affect the choice of future energy sources to satisfy both emissions and costs. However, future technologies shall be carefully considered with respect to their costs and complexities to ensure their commercially successful implementation. Moreover, apart from the airframe and propulsion technologies improvements, operating aspects of future aircraft shall also be reconsidered depending on future goals to maximize the efficiency of next-generation aircraft.
Der Wettbewerbscharakter des Luftfahrtsektors und neue Umweltherausforderungen stellen schwierige Anforderungen an die nächste Generation von Flugzeugen. Um die Energieeffizienz zukünftiger Flugzeuge deutlich zu verbessern, reicht die Optimierung aktueller Technologien möglicherweise nicht aus. Daher sind radikalere Lösungen in Bezug auf Flugzeugzelle und Antriebstechnologien erforderlich, um die gegebene Empfehlung für zukünftige Flugzeuge zu erfüllen. Die Einführung zukünftiger Technologien erfordert auch die Konstruktion neuartiger Flugzeuge, die die Vorteile dieser Technologien voll nutzen und die Gesamtenergieeffizienz maximieren können.
Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss mehrerer vielversprechender zukünftiger Technologien auf das Design zukünftiger nachhaltiger und energieeffizienter Flugzeuge. In der vorliegenden Arbeit werden Laminarhaltung, Lastabminderung, fortschrittliche Materialien und Herstellungsverfahren, Grenzschichteinsaugung, Turbofan-Triebwerke mit sehr hohem Nebenstromverhältnis und verschiedene nachhaltige Energiequellen berücksichtigt. Ziel der Studie ist es, mögliche Konfigurationen zu untersuchen, die den Nutzen zukünftiger Technologien maximieren könnten, den Einfluss von Technologien auf der Ebene des Gesamtflugzeugs zu bestimmen und ihre Implementierung sowohl aus Leistungs- als auch aus Kostenperspektive zu bewerten. Für die mögliche Implementierung ausgewählter Technologien werden Luftfahrtsektoren vom regionalen Kurzstrecken- bis zum transatlantischen Langstrecken- und der Business-Jet-
Markt berücksichtigt.
Zur Beantwortung der gestellten Entwurfsfragen wird eine Multi-Fidelity-Entwurfsumgebung entwickelt, die ein breites Spektrum an konzeptionellen Entwurfsmethoden und Energiesystemmodellen zum Entwurf verschiedener Flugzeuge umfasst. Darüber hinaus wird die anfängliche Dimensionierungsmethodik entwickelt, die eine robuste Dimensionierung von konventionellen und unkonventionellen Konfigurationen erzielt und deren mehrstufige Analyse und Verfeinerung unter Verwendung von Optimierungsalgorithmen durchführt.
Für jeden Luftfahrtsektor werden mehrere Konfigurationen untersucht, um die bestmöglichen Kandidaten zu ermitteln, die die gegebenen Missionsanforderungen erfüllen. Insgesamt sind fortschrittliche Flugzeugzellentechnologien nicht nur in der Lage, die Leistung von Flugzeugen erheblich zu verbessern, sondern auch Konfigurationen einzuführen, die derzeit aufgrund technologischer Einschränkungen nicht realisierbar sind. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse für Verkehrsflugzeuge starke Zusammenhänge zwischen Emissionsreduzierung und Betriebskosten, die gegensätzliche Aspekte bleiben und eine Kosten-Nutzen-Analyse erfordern, um ein Gleichgewicht zwischen ihnen herzustellen. Wenn eine geeignete Kombination aus Energiequellen, Technologien und Flugzeugkonfiguration verwendet wird, können mit zukünftigen Technologien sowohl Emissionsminderungen als auch Markterfolgspotenzial erreicht werden. Darüber hinaus kann die Leistung zukünftiger Technologien auch die Wahl zukünftiger Energiequellen beeinflussen, um sowohl Anforderungen an Emissionen als auch Kosten zu erfüllen. Zukünftige Technologien sind jedoch hinsichtlich ihrer Kosten und Komplexität sorgfältig abzuwägen, um ihre wirtschaftlich erfolgreiche Umsetzung sicherzustellen. Abgesehen von Verbesserungen der Flugzeugzellen- und Antriebstechnologien müssen außerdem Betriebsaspekte zukünftiger Flugzeuge in Abhängigkeit von zukünftigen Zielen zur Maximierung der Effizienz von Flugzeugen der nächsten Generation neu überdacht werden.
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