Advances in Electric Aviation

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. Chapter 1. A Short Review on Electric Aircraft Development and Futures, Barriers to Reduce Emissions in Aviation

   Selcuk Ekici, Alper Dalkiran, T. Hikmet Karakoc

   Das Kapitel beginnt mit der Hervorhebung der erheblichen Umweltauswirkungen der Luftfahrtindustrie, insbesondere der Emission von Kohlendioxid. Anschließend vertieft sie sich in die Entwicklung von Elektroflugzeugen als potenzielle Lösung zur Verringerung dieser Emissionen. Der Text diskutiert verschiedene Antriebssysteme, einschließlich turboelektrischer, hybrider elektrischer und rein elektrischer Systeme, von denen jede ihre Vorteile und Herausforderungen hat. Das Kapitel befasst sich insbesondere mit den Hindernissen für eine breite Einführung, wie dem Gewicht von Batterien und den finanziellen Belastungen für Unternehmen, die auf Elektroflotten umsteigen. Außerdem werden alternative Kraftstoffe wie Wasserstoff und das Potenzial städtischer Luftmobilität erforscht. Die Schlussfolgerung unterstreicht die Notwendigkeit einer globalen Zusammenarbeit zur Verringerung der Umweltauswirkungen der Luftfahrt und skizziert die Zukunftsaussichten der Elektroflugzeugtechnologie.

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3. Chapter 2. Design Considerations for Hybrid-Electric Propulsion Systems for FW-VTOL Aircraft

   Daniele Obertino, Phillip Sharikov, Jay Matlock, Afzal Suleman

   Das Kapitel befasst sich mit der Konzeption und Bewertung hybrid-elektrischer Antriebssysteme für starrflügelige VTOL-Flugzeuge und betont die Vorteile von Brennstoffzellen für den Langstreckenbetrieb. Es vergleicht Serien und parallele HEPS-Konfigurationen und zeigt die potenziellen Energie- und Kosteneinsparungen auf. Die Studie umfasst auch eine detaillierte Analyse einer VTOL-Kipprotor-Canard-Flügel-Architektur und einer starren Drohne, die die überlegene Effizienz und das geringere Gewicht von Hybridsystemen demonstrieren. Das Kapitel wird durch experimentelle Validierungen und eine Diskussion über zukünftige Forschungsrichtungen zur Optimierung und Integration dieser Systeme erweitert, die zum Ziel einer umweltfreundlicheren Luftfahrt beitragen.

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4. Chapter 3. Influence of Battery Aging on Energy Management Strategy

   Teresa Donateo, Ludovica Spada Chiodo, Antonio Ficarella

   In diesem Kapitel wird die Leistungsfähigkeit eines parallelen hybriden elektrischen Antriebssystems (HEPS) anhand zweier unterschiedlicher Energiemanagementstrategien untersucht. Sie konzentriert sich auf den Einfluss der Batteriealterung auf das globale Verhalten des Hybridsystems, insbesondere was den Kraftstoffverbrauch und den Ladezustand der Batterie angeht. Die Studie nutzt eine durch einen genetischen Algorithmus optimierte Fuzzy-Logik-Strategie, um die Energieverteilung zwischen Elektromotor und Turboswelle zu steuern. Die Auswirkungen der Batteriealterung auf die Leistung des Systems werden durch einen Vergleich der Energiemanagementstrategien sowohl für neue als auch für alte Batterien bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Berücksichtigung der Batteriealterung in der Energiemanagementstrategie zu einer leichten Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs führt, aber die Verfügbarkeit von elektrischem Backup im Falle eines Motorschadens sicherstellt. Das Kapitel schließt mit der Hervorhebung der Zielkonflikte zwischen Kraftstoffeffizienz und Systemzuverlässigkeit bei der Berücksichtigung der Batteriealterung in Energiemanagementstrategien.

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5. Chapter 4. Sustainable Aviation of the Leather Industry: Life Cycle Assessment of Raw Materials, Energy Consumption and Discharge of Pollutants, and Recovery of Some Economical Merit Substances

   Delia Teresa Sponza, Nefise Erdinçmer

   Das Kapitel geht auf die erheblichen ökologischen Herausforderungen ein, die von der Lederindustrie ausgehen, insbesondere auf die hohen Mengen an flüssigem und festem Abfall, die anfallen. Es stellt eine detaillierte Ökobilanz von chromgegerbtem Leder vor und untersucht Rohstoffe, Energieverbrauch und die Freisetzung von Schadstoffen wie Chrom und sulfonierten anorganischen Stoffen. Die Studie identifiziert Schlüsselprozesse wie Gerben, Ausrüsten und Abwasserbehandlung und schlägt innovative Methoden zur Verringerung des Wasserverbrauchs, des Energiebedarfs und der Säureproduktion vor. Insbesondere wird der Einsatz grüner Chemikalien und Enzyme vorgeschlagen, um die Umweltauswirkungen zu minimieren und die Nachhaltigkeit in der Lederindustrie zu verbessern.

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6. Chapter 5. Resampling Based Particle Filter Estimation of a Quadrotor

   Aziz Kaba, Ahmet Ermeydan

   Dieses Kapitel vertieft sich in die Komplexität der Quadrotorsteuerung und -schätzung und beleuchtet die Grenzen linearer Regelungsmethoden im Umgang mit dynamischen Nichtlinearitäten. Es führt einen auf Partikelfiltern basierenden Einstellungsschätzer ein, der mit Resampling-Algorithmen erweitert wurde, um Probleme der Partikeldegeneration zu entschärfen. Durch umfangreiche Simulationen in MATLAB wird die Leistung des vorgeschlagenen Schätzers unter verschiedenen Partikelgrößen bewertet, was seine Effektivität bei der Reduzierung des Sensorrauschens und der genauen Schätzung der Einstellungswinkel zeigt. Das Kapitel bietet außerdem einen detaillierten Überblick über das Quadrotormodell und die Prinzipien der Partikelfilterschätzung, was es zu einer wertvollen Ressource für Fachleute macht, die fortschrittliche Lösungen für die Steuerung und Schätzung von Quadrotoren suchen.

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7. Chapter 6. Electric Aircraft: Motivations and Barriers to Fly

   Paul Parker, Chelsea-Anne Edwards

   In diesem Kapitel wird das Potenzial von Elektroflugzeugen untersucht, Treibhausgasemissionen und Betriebskosten zu reduzieren und gleichzeitig technologische Barrieren wie Batteriekapazität und Sicherheit zu beseitigen. Sie präsentiert Umfrageergebnisse von Flugschülern, Ausbildern, Managern und anderen Interessengruppen, die unterschiedliche Wahrnehmungen und Prioritäten aufzeigen. Die Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit der Wissensverbreitung und des gezielten Informationsaustauschs, um Barrieren zu überwinden und die Einführung von Elektroflugzeugen in Flugschulen zu fördern.

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8. Chapter 7. Determination of Environmental Impact Assessment Criteria in the Life Cycle of Transport Facilities

   Victoriia Khrutba, Inessa Rutkovska, Tatiana Morozova, Lesia Kriukovska, Natasha Kharitonova

   Das Kapitel untersucht die kritische Frage der Umweltverträglichkeitsprüfung im Lebenszyklus von Transporteinrichtungen und betont die einzigartigen räumlichen Verschmutzungsmerkmale in der Ukraine. Es führt einen neuen Sicherheitsansatz ein, der auf ökologischen Paradigmen beruht und die Nachhaltigkeit von Ökosystemen und die Umweltsicherheit gewährleistet. Die Autoren schlagen ein System von Kriterien und Indikatoren zur Bewertung von Umweltauswirkungen vor, darunter qualitative und quantitative Kriterien wie Intensität, spezifische Leistung, Dauer, Periodizität und räumliche Grenzen. Die Methodik umfasst Expertenbewertungen und ein Punktesystem zur Bewertung der Auswirkungen von Verkehrseinrichtungen auf verschiedene Umweltkomponenten. Das Kapitel enthält auch eine Fallstudie, die die Anwendung dieser Kriterien beim Bau einer Staatsstraße demonstriert und die praktische Relevanz des vorgeschlagenen Rahmens unterstreicht.

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9. Chapter 8. Two-Phase Heat Exchangers for Thermal Control of Electric Aircraft Equipment

   Leonard Vasiliev, Alexander Zhuravlyov

   Das Kapitel befasst sich mit der entscheidenden Rolle von Zweiphasen-Wärmetauschern bei der Steuerung der Temperaturregelung für elektrische Flugzeugausrüstung. Es beginnt damit, der wachsenden Nachfrage nach umweltfreundlichen Verkehrsmitteln nachzukommen und konzentriert sich auf die Entwicklung von Elektroflugzeugen, um die Kohlenstoffemissionen zu verringern. Anschließend untersucht der Text die einzigartigen Herausforderungen der Kühlung leistungsstarker elektronischer Komponenten in Elektrofahrzeugen und betont die Notwendigkeit einer effizienten Wärmeableitung. Zweiphasige Wärmeübertragungsgeräte wie Wärmerohre und Thermosyphone werden als autonome und energieeffiziente Lösungen zur Wärmeabfuhr eingeführt. Das Kapitel beleuchtet die Vorteile dampfdynamischer Thermosyphone und ihre Anwendungen in der Kühlungselektronik und in Elektromotoren. Außerdem werden innovative Konstruktionen diskutiert, darunter Zentrifugalhitzerohre und zylindrische Dampfkammern, die hohe Wärmeübertragungskapazitäten und Kompatibilität mit verschiedenen Kühlmitteln bieten. Das Kapitel schließt mit der Betonung der Zuverlässigkeit, Sicherheit und Effizienz von Zweiphasen-Wärmetauschern und ihrer Positionierung als bevorzugte Alternative zu herkömmlichen Einphasen-Kühlsystemen.

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10. Chapter 9. Subjective Decision-Making of Aviation Operators (Pilots, ATCOs)

    Utku Kale, Omar Alharasees, Joszef Rohács, Dániel Rohács

    Das Kapitel geht der entscheidenden Rolle subjektiver Entscheidungsfindung durch Luftfahrtunternehmen, einschließlich Piloten und Fluglotsen, bei der Steuerung von Flugzeugkontrollen und der Gewährleistung der Sicherheit nach. Es kategorisiert Entscheidungsressourcen in aktive (physische, intellektuelle, psychophysiologische) und passive (Wissen, Material, Finanzen) Ressourcen. Der Text diskutiert den subjektiven Entscheidungsmechanismus und seine Auswirkungen auf die globale Flugsicherheit und betont die Notwendigkeit verbesserter Entscheidungstechniken angesichts des wachsenden Luftverkehrs. Ein detailliertes subjektives Entscheidungsmodell wird präsentiert, das die Schritte von der Bewusstseinsbildung bis zur Umsetzung von Maßnahmen veranschaulicht. Das Kapitel führt auch ein Simulationsmodell ein, das den modifizierten Lorenz-Attraktor verwendet, um Entscheidungsprozesse bei Piloten unterschiedlicher Expertenniveaus zu untersuchen und die chaotische Beschaffenheit dieser Prozesse sowie die signifikanten Unterschiede bei den Entscheidungszeiten zwischen Anfängern und Experten aufzuzeigen.

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11. Chapter 10. Acoustic Operational Monitoring of Unmanned Aerial Vehicles Near Vertiports

    Vitalii Makarenko, Vadim Tokarev

    Dieses Kapitel geht der kritischen Frage nach, wie ein sicherer Betrieb von UAS in städtischen Umgebungen, insbesondere in der Nähe von Flughäfen, gewährleistet werden kann. Es führt ein akustisches Lokalisierungssystem als Schlüsselkomponente des UAS-Verkehrsmanagements (UTM) ein, das darauf abzielt, Kollisionsrisiken sowohl mit statischen als auch mit dynamischen Objekten zu verringern. Der vorgeschlagene Algorithmus für die UAS-Lokalisierung ist invariant zur UAS-Geschwindigkeit und der Anzahl der Schallwellenreflexionen und bietet eine robuste Lösung für die Echtzeitverfolgung. Die Methode nutzt die statistische Verarbeitung von Rauschen, das durch UAS-Komponenten erzeugt wird, und verwendet eine Kombination aus rauscharmen Verstärkern und digitaler Signalverarbeitung, um UAS-Koordinaten im 3D-Raum zu berechnen. Insbesondere berücksichtigt der Algorithmus den Doppler-Effekt, indem er Resampling-Techniken anwendet, die eine präzise Signalerkennung unabhängig von der UAS-Geschwindigkeit gewährleisten. Das Kapitel untersucht auch die optimale Platzierung von Mikrofonarrays zur Verbesserung der Lokalisierungsgenauigkeit, wobei experimentelle Verifikationen mit einem stationären UAS durchgeführt werden. Die Ergebnisse heben das Potenzial passiver akustischer Lokalisierungssysteme zur Verbesserung der UTM-Dienste und der städtischen Lärmüberwachung hervor und ebnen den Weg für einen sichereren und effizienteren UAS-Betrieb in städtischen Umgebungen.

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12. Chapter 11. Peculiarities of Pre-processing of ADS-B Data for Aircraft Noise Modeling and Measurement During Specific Stages of LTO Cycle

    Kateryna Kazhan, Oleksandr Zaporozhets, Sergii Karpenko

    Das Kapitel geht auf die Feinheiten der Vorverarbeitung von ADS-B-Daten für die Fluglärmmodellierung ein und konzentriert sich auf den LTO-Zyklus (Landing and Takeoff). Es wird die Bedeutung genauer Datenverarbeitung für die Rauschzonierung und Kontursimulation diskutiert und die Unterschiede zwischen maximalem (LAmax) und äquivalentem (LAeq) Geräuschpegel hervorgehoben. Die Studie analysiert die Auswirkungen realer Spurstreuung, Flughöhe und Einsatzszenarien auf Lärmschutzzonen. Außerdem wird die Verwendung von ADS-B-Daten zur Modellierung von Geräuschereignissen während der Roll-, Ankunfts- und Abflugphase untersucht, wobei die Notwendigkeit der Vorverarbeitung betont wird, um falsche Daten zu vermeiden. Das Kapitel stellt Fallstudien von verschiedenen Flughäfen in der Ukraine vor, vergleicht gemessene und modellierte Lärmdaten und schließt mit den signifikanten Unterschieden zwischen simulierten Schallkonturen entlang nominaler Flugrouten und tatsächlichen Flugverkehrsverläufen.

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13. Chapter 12. Test Bench for Electric Propellers and Distributed Propulsion

    Castroviejo Daniel, Patrick Hendrick

    Das Kapitel befasst sich mit den Fortschritten bei Drohnenantriebssystemen, insbesondere mit elektrischen Kanalventilatoren (EEF) und ihren Auswirkungen auf Ausdauer und Effizienz. Sie definiert dezentrale Antriebe (DPs) und ihre Vorteile und hebt das ONERA AMPERE-Projekt als vielversprechendes Beispiel hervor. Die Methodik umfasst einen sorgfältig konzipierten Prüfstand zur Messung verschiedener physikalischer Variablen, wobei validierte Ergebnisse zeigen, dass Kanäle die Schubproduktion signifikant steigern und den Stromverbrauch reduzieren. Die Studie unterstreicht das Potenzial der EEF bei der Verbesserung der Leistung von Drohnen und bereitet den Boden für weitere Untersuchungen zur Integration von EEF und EEF.

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14. Chapter 13. Aircraft Accidents and Their Causes

    Samer Al-Rabeei, Simona Pjurová, Utku Kale

    Das Kapitel "Flugzeugunfälle und ihre Ursachen" taucht in die komplexe Welt der Flugsicherheit ein und untersucht die Faktoren, die zu Flugzeugkatastrophen beitragen. Er beginnt mit der Diskussion der Nachfrage nach schnellem und zuverlässigem Luftverkehr, der für das weltweite Wirtschaftswachstum von entscheidender Bedeutung ist. Obwohl der Flugverkehr als das sicherste Transportmittel gilt, stehen potenzielle Reisende vor Herausforderungen wie Unfällen und ihren psychologischen Auswirkungen. Das Kapitel untersucht die Rolle von Billigfluggesellschaften bei der Verbesserung der Erschwinglichkeit, aber auch die Mythen rund um ihre Sicherheit. Bemerkenswerte Unfälle, wie jene mit Flugzeugen vom Typ Boeing 737 MAX, werden analysiert, um die technischen und menschlichen Faktoren zu verstehen, die im Spiel sind. Statistische Daten und Expertenerkenntnisse werden verwendet, um die Hauptursachen von Flugunfällen zu identifizieren, wobei der menschliche Faktor und der Kontrollverlust im Mittelpunkt stehen. Das Kapitel vergleicht auch vergangene und gegenwärtige Trends im Bereich der Flugsicherheit und hebt die erheblichen Verbesserungen hervor, die im Laufe der Jahre erzielt wurden. Er schließt mit der Betonung der Bedeutung technologischer Fortschritte für die Verbesserung der Flugsicherheit und der Notwendigkeit einer kontinuierlichen Verbesserung von Ausbildung und Verfahren.

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15. Chapter 14. Possibilities of Using Fuel Cells in Transport Aircraft

    Marian Hocko, Samer Al-Rabeei, Utku Kale

    Das Kapitel befasst sich mit den ökologischen Herausforderungen, vor denen die Luftfahrtindustrie steht, insbesondere mit den steigenden Emissionen, die zur globalen Erwärmung beitragen. Darin werden internationale Bemühungen und Strategien zur Verringerung der Umweltauswirkungen der Luftfahrt diskutiert und die Rolle der Brennstoffzellentechnologie hervorgehoben. Die historische Entwicklung der Brennstoffzellen von ihren Anfängen im 19. Jahrhundert bis zu ihren aktuellen Anwendungen wird untersucht. Das Kapitel konzentriert sich auch auf das Potenzial von Wasserstoff als nachhaltige Energiequelle für die Luftfahrt und beschreibt sowohl seine direkte Verbrennung als auch seinen Einsatz in Brennstoffzellen. Außerdem werden die laufende Erforschung und Erprobung von Brennstoffzellen in Flugzeugen untersucht, wie etwa die erfolgreichen Versuche mit einem Airbus A320, und die Zukunftsaussichten dieser Technologie bei der Erreichung der strengen Emissionsreduktionsziele der globalen Luftfahrtbehörden.

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16. Chapter 15. An Examination of the Usage Areas of Big Data Technology in Civil Aviation

    Betul Kacar, Emre Nalcacigil

    Das Kapitel untersucht die entscheidende Rolle der Big-Data-Technologie in der Luftfahrtindustrie und untersucht ihre Anwendungen in Bereichen wie intelligente Wartung, Risikomanagement und Optimierung des Luftverkehrs. Anhand von Beispielen führender Fluggesellschaften und Luftfahrtunternehmen wird diskutiert, wie Big-Data-Analysen betriebliche Effizienz, Sicherheit und Kundenzufriedenheit steigern können. Der Text untersucht auch die Herausforderungen und Zukunftsaussichten von Big Data in der Luftfahrt und betont die Notwendigkeit einer robusten Infrastruktur und kontinuierlicher Innovation. Indem er den praktischen Nutzen und das Potenzial von Big Data veranschaulicht, bietet das Kapitel eine überzeugende Perspektive auf die Zukunft der Luftfahrtindustrie.

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17. Chapter 16. Solar-Electric Long Endurance Reflector Craft for Meteorology and Climate Simulation

    Narayanan M. Komerath, Ravi Deepak, Adarsh Deepak

    Das Kapitel behandelt die Architektur des Glitzergürtels, eine vorgeschlagene Lösung zur Bekämpfung des Klimawandels durch Verringerung der Sonneneinstrahlung, die die untere Atmosphäre erreicht. Es stellt zwei Arten von Fahrzeugen vor, den Flying Leaflet und den Flying Leaf, die entworfen wurden, um über entlegene Gebiete zu schweben und meteorologische Daten zu sammeln. Diese Fahrzeuge werden mit Solarenergie betrieben und können Höhen von 30,5 km erreichen, was in entlegenen Regionen eine beispiellose Reichweite, Ausdauer und Auflösung bietet. Das Kapitel untersucht auch die Herausforderungen und Möglichkeiten von Langstreckenflugzeugen in großer Höhe, einschließlich Motorkühlung, Rendezvous und Schwarmbetrieb für hochpräzise verteilte Antennenanwendungen. Die einzigartige Konstruktion und Leistungsfähigkeit dieser Fahrzeuge machen sie in der Meteorologie und Klimasimulation einzigartig.

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18. Chapter 17. Examination of Different Systems Used for UAV Detection and Tracking

    Alpaslan Durmuş, Erol Duymaz

    Das Kapitel befasst sich mit dem raschen Wachstum und den vielfältigen Anwendungen von Drohnensystemen, von der kommerziellen Logistik bis hin zu Notfallmaßnahmen und landwirtschaftlicher Überwachung. Es identifiziert die Sicherheitsbedrohungen durch Drohnen, insbesondere solche unter 500 Gramm, und untersucht verschiedene Erkennungs- und Nachverfolgungssysteme. Die Studie vergleicht Radar-, Akustik-, HF- und elektrooptische Erkennungsmethoden und bewertet deren Wirksamkeit, Kosten und Grenzen. Insbesondere wird das ILTER-System in der Türkei als Fallstudie für die HF-basierte Erkennung diskutiert. Das Kapitel schließt mit einer Vergleichstabelle, die einen klaren Überblick über die Vor- und Nachteile jeder Nachweismethode bietet. Diese umfassende Analyse bietet wertvolle Erkenntnisse für Fachleute, die Drohnendetektionssysteme verstehen und umsetzen wollen.

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