More Electric Aircraft – Elektrische Grundsysteme

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Military Air Systems
More Electric Aircraft –
Elektrische Grundsysteme
Vortrag EAA-Kolloquium am 13.11.2008
Stefan Römelt, EADS Military Air Systems, Manching
Page 1
More Electric Aircraft - EAA-Kolloquium, 13.11.2008 - S. Römelt, EADS MAS
Historie Militärflugzeuge MBB / DASA / EADS MAS
VJ101
1964
• Analoge Flugsteuerung (FCS)
• Erster Überschall-Senkrechtstarter
MRCA Tornado
1974
• Variable Schwenkflügel
• Analoges FCS (fly by wire), Digitaler Autopilot
CCV-F104 G
1977
• Erstes Militärflugzeug mit künstlich instabiler Konfiguration
• Digitales FCS
• „Fly by Wire“ Control-System (quadruplex)
X-31
1990
• Digitales FCS (instabile Konfiguration)
• Schubvektor-Steuerung
Eurofighter EF2000 Typhoon
1994
Page 2
• Digitales FCS (instabile Konfiguration)
• „Fly by Wire“ Control-System (quadruplex)
Luftfahrzeugbaugruppen
Luftfahrzeug
Luftfahrzeug
Zelle
Zelle
Systeme
Systeme
Triebwerk
Triebwerk
Flugsteuerung
Flugsteuerung
Grundsysteme
Grundsysteme
Avionik
Avionik
Page 3
Forderungen an die Grundsysteme
• Bereitstellung der zur Versorgung und zum autonomen
Betrieb eines Luftfahrzeugs erforderlichen sicherheitskritischen Funktionen
• Betätigung der zum Flugbetrieb notwendigen mechanischen
Stellglieder
• Aufrechterhaltung der notwendigen Umgebungsbedingungen
für Mensch und Maschine
• Steuerung und Überwachung aller Grundsystemfunktionen
und Bereitstellung von Informationen für die Besatzung und
das Bodenpersonal
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Unterteilung der Grundsysteme
SekundärSekundärantriebe
antriebe
Kraftstoff
Kraftstoff
Elektrik/
Elektrik/
Beleuchtung
Beleuchtung
Hydraulik
Hydraulik
Fahrwerk/
Fahrwerk/
Bremse
Bremse
Klima
Klima
LebensLebenserhaltung
erhaltung
Page 5
Diagnose/
Diagnose/
Prognose
Prognose
Grundsysteme
Grundsysteme
Rettung
Rettung
Grundsysteme – Stand der Technik
• Grundsysteme sind die flugsicherheitskritischen
Systeme eines Flugzeugs (ausgenommen
Flugsteuerungsrechner und Triebwerk)
• Grundsysteme konventioneller Flugzeuge erzeugen,
wandeln, verteilen und verbrauchen mechanische,
thermische, hydraulische, pneumatische und elektrische
Energie
• Grundsysteme konventioneller Flugzeuge arbeiten in
wichtigen Teilen des Flugbereichs mit kleinen Wirkungsgraden und setzen dabei hohe Leistungen um; das führt
zu sehr aufwändigen und wartungsintensiven Systemen
Page 6
Ausfallstatistik konventioneller Systeme
A Beanstandungen
Struktur
9%
Avionik
31%
Triebwerk
10%
Grundsysteme
50%
Quelle :
Page 7
B Wartungszeiten
Avionik
19%
Struktur
10%
Triebwerk
14%
Grundsysteme
57%
J. Nairus (WL / POOC), Vortrag „More Electric Initiative Overview“, SAE-AE7 Tagung, Phoenix AZ, 23.10.1996
Grundsysteme – Technische Übersicht
Stand der Technik
Sekundärantriebe
Triebwerk
Hydraulik
Elektrik
Klimaanlage
Welle
Geräte
Avionik /
Systeme
Getriebe
FCS
Stellantriebe
Getriebe
Fahrwerk /
Bremsen
Elektrik
ATS
Hydraulik
Zapfluft
More Electric Aircraft (MEA)
Triebwerk
Elektrik
Avionik /
Systeme
Klimaanlage
S
G
Geräte
FCS
Stellantriebe
Getriebe
Fahrwerk /
Bremsen
ATS
FCS Flight Control System
S /G
Elektrik
Page 8
Air Turbine Starter
Starter / Generator
More Electric Aircraft (MEA)
• Auslegung fast aller Grundsysteme für den Betrieb mit
elektrischer Energie hoher Gleichspannung (270 V)
• Hohe Wirkungsgrade elektrisch betriebener Systeme
ermöglichen einen geringeren Leistungsumsatz und
damit weniger aufwändige Systemlösungen
• Bessere Wirkungsgrade führen zu einer verringerten IR-
Signatur
• Jeweils verfügbare elektrische Gesamtleistung lässt sich
nach aktuellen Prioritäten verteilen (Last-Management)
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Aufgaben des Hydrauliksystems
• Erzeugung, Verteilung, Steuerung und Überwachung
von hydraulischer Energie (Konstantdrucksystem:
4000 psi bei MRCA Tornado/EF2000; 5000 psi bei
Airbus A380)
• Betrieb der primären und sekundären Flugsteuerungs-
stellantriebe
• Betrieb der Fahrwerksaktuatoren und der Bremse
• Betrieb des Kabinendaches und des Luftbetankungs-
stutzens
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Hydraulik – Systemarchitektur (Duplex)
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Hydraulische Flugsteuerung (EF2000)
Reservoirs
Engine Driven Hydraulic Pumps
Accumulators
Filter Package Units
Foreplane Actuators
I/B & O/B Flaperon Actuators
Rudder Actuator
Airbrake Actuator
Nose Wheel Steering Actuator
Leading Edge Actuation System
Air Intake Cowl Actuator
Landing Gear Selector Valve
Manifold
Flight Control
Computer
Page 12
Gegenüberstellung Stellantriebe
Hydraulischer Stellantrieb (Konventionell)
- Versorgung mit konstantem Druck
- Aktuell nicht benötigte Leistung wird vollständig in
Verlustwärme umgesetzt
Elektrischer Stellantrieb (MEA)
- Stromrichter + Elektromotor (+ Pumpe + Zylinder) +
mechanische Umsetzung (simplex oder duplex))
- Nur aktuell benötigte Leistung wird dem Bordnetz entnommen
- Hoher Wirkungsgrad
50 - 75% weniger Spitzenleistung vom Triebwerk
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Wirkungsgrad Hydraulischer Stellantrieb
Geregelter hydraulischer Stellantrieb (P = const.)
Point 1 : Air Speed :
Hinge Moment :
Pressure Drop :
=>
Efficiency :
low
low
high
low
Altitude
1
2
Point 2 : Air Speed :
Hinge Moment :
Pressure Drop :
=>
Efficiency :
Page 14
Surface Efficiency : low
Surface Rate:
high
Flow :
high
high
high
low
high
Mach No.
Surface Efficiency : high
Surface Rate:
low
Flow :
low
Elektrische Stellantriebe
Hydraulischer Stellantrieb (konventionell)
Ventil
Zylinder
Elektromechanischer Stellantrieb (EMA)
Regelung
Stromrichter
Motor
Getriebe
Umlaufspindel
Elektro-Hydrostatischer Stellantrieb (EHA)
Regelung
Stromrichter
Motor
Pumpe
Zylinder
Page 15
Linearer EMA (Simplex)
Page 16
Aufgaben des Klimasystems (ECS)
• Klimatisierung und Druckbelüftung des Cockpits
• Abdichtung und Kondensschutz für Kabinendach und
Frontscheibe
• Kontaminationsschutz
• Versorgung der Anti-g-Anlage mit Druckluft
• Kühlung der Avionikgeräte (Luft- und Flüssigkeits-
kühlung)
Page 17
Funktionsweise Konventionelle Zapfluftanlage
Stauluft
Zwischenkühler
Vorkühler
Turbinen
Kompressor
Einheit
Zapfluft
Altitude
Stauluft
1
Druckreduzierventil
sonstige
Systeme
Avionik
Cockpit
2
Mach No.
Luftstrom
zur Umgebung
Punkt
Druck der Zapfluft
Druckreduzierung
Wirkungsgrad
1
2
minimal
maximal
klein
groß
groß
klein
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wichtig für
Transportflugzeuge
Hochleistungsflugzeuge
Gegenüberstellung Klimaanlagen
Konventionelle Zapfluftanlage
- Benötigt konstanten Betriebsdruck und Stauluftkühlung
- Aktuell nicht benötigter Zapfluftdruck wird vollständig in
Verluste umgesetzt
Elektrische Klimaanlage (MEA)
- Elektrische Gebläse + Elektrischer Kältekompressionskreislauf mit Kraftstoffkühlung (nahezu geschlossenes System)
- Nur aktuell benötigte Leistung wird dem Bordnetz entnommen
- Hoher Wirkungsgrad
Bis zu 80% weniger Spitzenleistung vom Triebwerk
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Funktionsweise Elektrische Klimaanlage
Kraftstoff
Kondensator
Stromrichter
Motor
Behälter
Kältekompressionskreislauf
Zapfluft
sonstige
Systeme
StromMotor
richter
Avionik
Verdampfer
Cockpit
ENTFALL DER
STAULUFTEINLÄUFE!
(Signaturreduzierung)
Luftstrom
zur Umgebung
Page 20
Aufgaben des Kraftstoffsystems
• Versorgung der Haupt- und Hilfstriebwerke mit Kraftstoff
• Schwerpunktgerechte Verteilung des Kraftstoffs im Lfz
(bei Kampfflugzeugen ca. 30 - 40% der Abflugmasse)
• Kraftstofftransfer innerhalb des Tanksystems
• Be- und Enttankung des Lfz (inkl. Luftbetankung)
• Wärmesenke für die Abfuhr von Wärmelasten der
anderen Grundsysteme
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Tanksystem EF2000
RH Rear Internal Wing Tank
Rear Tank Group
RTG
RH Front Internal
Wing Tank
Front TanK Group
FTG
Front Transfer Tank
FTT
LH Rear
Internal Wing Tank
External Tanks
Page 22
LH Front Internal
Wing Tank
Aufgaben Bordnetz
• Erzeugung, Verteilung, Steuerung und Überwachung von
elektrischer Energie:
– 115 VAC, 400 Hz, Konstantfrequenz
– 28 VDC
• Versorgung nicht-sicherheitskritischer (115 VAC) und
sicherheitskritischer Lasten (28 VDC)
• Notfallversorgung beim Verlust der generatorisch
erzeugten Energie durch Batterien für begrenzte Zeit
• Start der Hilfsturbine (APU)
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Bordnetzgeräte MRCA Tornado
AC Generator (IDG) 40 kVA
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Generatorsteuergerät
(GCU)
Transformator/Gleichrichter
(TRU)
MEA – Änderungen im elektrischen Bordnetz
(Kampfflugzeug)
• Zunahme des elektrischen Leistungsbedarfs um den
Faktor 3 gegenüber konventionellen Systemen
• Primäres Bordnetz
– wird sicherheitskritisch (Versorgung der Stellantriebe)
– Ersatz 115 VAC, 400 Hz durch 270 VDC
· Möglichkeit zur Speicherung in Batterien/Kondensatoren
· Weniger Verluste durch kleinere Ströme
· Problem: Löschung der Schaltfunken in großer Flughöhe
• Nutzung bestehender Bodeninfrastruktur (115 VAC Boden-
wagen mit nachgeschalteter Gleichrichtung ⇒ 270 VDC)
Page 25
Änderungen im elektrischen Bordnetz
(Transportflugzeug)
• Weiterhin größter Verbraucher: Bordküche
• Primäres Bordnetz
– Ersatz 115 VAC, 400 Hz durch 115 VAC, Variable Frequenz
(A380/A400M)
· Entfall der Drehzahlwandler an der Generatoren (besserer
Wirkungsgrad + weniger Gewicht)
· Verlagerung der Frequenzwandlung auf die Lastseite
· Sichere Löschung der Schaltfunken in großer Flughöhe
Zukünftig unterschiedliche Bordnetze für Transport- (115 VAC,
variable Frequenz) und Kampfflugzeuge (270 VDC)
Page 26
Aufgaben der Sekundärantriebe (SPS)
• Versorgung des Lfz im autonomen Bodenbetrieb mit der
Hilfsturbine (APU) ⇒ Pneumatik, Elektrik
• Pneumatischer Antrieb der flugzeugsseitigen Geräte-
getriebe (AMAD) am Boden (APU oder externe Versorgung) ⇒ Pneumatik, Elektrik, Hydraulik
• Pneumatischer Triebwerkstart (APU oder externe Ver-
sorgung)
• Antrieb der AMAD über die PTO-Welle vom Triebwerk im
Flug (Möglichkeit zum X-Bleed bei zweimotorigen Lfz)
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MEA – Triebwerkstart
G
Stand der Technik
HP
ATS
More Electric Aircraft
(Starter/Generator an der EMAD)
More Electric Engine
(Integrierter Starter/Generator
z.Zt. noch logistische Katastrophe!!!)
Page 28
A
M
A
D
E
M
A
D
PTO shaft
S/G
E
M
A
D
S
/
G
engine
access.
engine
access.
engine
access.
MEA – Auswirkungen auf die Sekundärantriebe
• Entfall der Pneumatik (Elektrische Klimaanlage)
• Elektrischer Triebwerkstart mit einem Starter/Generator
• Entfall der AMAD (Starter/Generator am triebwerkseitigen
Getriebe (EMAD))
• Möglicher Ersatz der APU durch eine kraftstoffrefor-
mierende Brennstoffzelle
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MEA – Operationeller Nutzen
Primäreffekte
Auswirkungen
Nutzen
weniger Bodengerät
weniger Betriebstoffe
einfachere Verlegung
keine Sekundärantriebe
dezentrales Hydrauliksystem
weniger Ersatzteile
weniger Wartungspersonal
weniger Beanstandungen,
kürzere Wartungszeiten
höhere Verfügbarkeit
bessere Flugleistungen
mehr Schub oder
weniger Verbrauch
eine primäre Leistungsart,
höhere Wirkungsgrade
weniger Leistungsumsatz
höhere Überlebensfähigkeit
kleinere Radar & IR Signaturen
höhere Wirksamkeit
mehr freie Leistung für
Sensoren und Energiewaffen
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MEA – Flugzeugprogramme in den USA
Bemannte Programme
Primäres
Bordnetz
F-22 Raptor
270 VDC
F-16 Advanced Fighter Technology Integration (AFTI) / Power by Wire
270 VDC
EHA
2000 / Demo
F-35 Lightning II (Joint Strike Fighter)
270 VDC
EHA
2009 / Serie
Unbemannte Programme
Primäres
Bordnetz
Prim. FCS
Antriebe
Erstflug / Typ
RQ-4A Global Hawk / High Altitude Long Endurance (HALE)
115 VAC
EMA
1998 / Demo
RQ-4B Global Hawk / High Altitude Long Endurance (HALE)
270 VDC
EMA
2009? / Serie
X-37
145 VDC
EMA
2003 / Demo
145 VDC
EMA
2002 / Demo
Robotic Space Plane (for orbit and reentry)
X-45A Unmanned Combat Air Vehicle (UCAV)
Page 31
Prim. FCS
Antriebe
Erstflug / Typ
hydraulisch 1997 / Serie
BARRACUDA – Elektrische Grundsysteme
•
Elektrisches Bordnetz:
– Redundante 28 VDC Erzeugung und Verteilung
– Elektrischer Triebwerkstart (Starter/Generator)
•
Flugsteuerung:
– Primäre elektromechanische Flugsteuerung (Duplex-EMA)
– Sekundäre elektromechanische Flugsteuerung (Flapdrive)
•
Fahrwerk:
– Elektrisches, dezentrales Hydrauliksystem
für Fahrwerk und Bugradlenkung
– Elektromechanische Bremse
Page 32
MEA – Projekte mit EAA
• Studien zu Antriebs- und Redundanzkonzepten
• Überprüfung von bestehenden Motorendesigns
• Auslegung von 270 VDC Maschinen in Switched-
Reluctance-Technologie
• Beratung von Unterauftragnehmern
• Aufbau eines 270 VDC Systemprüfstands und
Durchführung von Systemtests
Page 33
MEA – Zeitlicher Ablauf Technologieprojekt
2003
System
I
II
III
2004
IV
I
II
III
2005
IV
I
II
III
2006
IV
I
II
III
Systementwicklung Bordnetz
Spezifikation EMA
System Klima-/Kraftstoff
2007
IV
I
I
I
2008
III
IV
I
II
III
Aufbau
Systemrig
2009
IV
I
II
III
IV
Systemtests
Rig verfügbar
Geräte
Umformer
Kraftstoffpumpe
Generator
Elektromechanischer Aktuator (EMA)
Adaptionsentwicklungen für
fliegende Plattform
Plattform
Starter / Generator
Integration
auf fliegender
Plattform
Page 34
MEA – Systemprüfstand bei EAA (1/2)
GP 270VDC
SP 270VDC
Page 35
MEA – Systemprüfstand bei EAA (2/2)
Page 36
Aufgaben Fahrwerk/Bremse
•
Bereitstellung Haupt- und Bugfahrwerk mit entsprechender Kinematik
•
Aufnahme der hohen dynamischen Lasten des Landestoßes
•
Bereitstellung der Bugradlenkung
•
Bereitstellung Bremsschirm und Fanghaken
•
Verzögerung des Lfz innerhalb einer minimalen Bremsstrecke (Temperaturen > 1800°C; Anti-Skid System)
Page 37
Fahrwerksystem EF2000
Page 38
Hauptfahrwerkskinematik EF2000
Page 39
Mk16 Raketenschleudersitz (EF2000)
PARACHUTE HEADBOX
BOOSTER
ASSEMBLY
COMMAND
SYSTEM
TROMBONE
CONNECTOR
SHOULDER STRAPS
QUICK RELEASE BOX
BACKREST
SEAT FIRING HANDLE
LEG RESTRAINT
LINE
HARNESS
GO-FORWARD
LEVER
NBC FILTER
AIRCREW
SERVICES
PACKAGE
LIQUID SUIT
CONNECTOR
ASSEMBLY
LOWER
AEROSURFACE
EJECTION GUN
CARTRIDGE
Page 40
HEAD EQUIPMENT
ASSEMBLY SERVICES
MODULE
SAFE / ARMED
HANDLE
ARM RESTRAINT
OXYGEN
CONTROL LEVER
Erprobung Rettungssystem (1/2)
Page 41
Erprobung Rettungssystem (2/2)
Page 42
FRAGEN ?
Page 43
DANKE FÜR
IHRE
AUFMERKSAMKEIT
Page 44

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