Emerging Trends in Electric Aviation

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. Gas Turbine and Fuel Cell Hybrid Systems

   Enes Gunaltili, Selcuk Ekici, Mustafa Zeki Yilmazoglu, Tahir Hikmet Karakoc

   Das Kapitel befasst sich mit der Hybridisierung von Gasturbinen- und Brennstoffzellensystemen und betont deren Potenzial zur Emissionsreduzierung und Effizienzsteigerung in der Luftfahrt. Zunächst werden die Umweltauswirkungen konventioneller Gasturbinensysteme und die wachsende Bedeutung erneuerbarer Energiequellen diskutiert. Anschließend werden verschiedene Arten von Gasturbinenmotoren und Brennstoffzellen untersucht und ihre Vor- und Nachteile hervorgehoben. Es umfasst auch die Modellierungs- und Optimierungstechniken, die bei der Entwicklung von Hybridsystemen zum Einsatz kommen, wobei der Schwerpunkt auf deren Anwendungen als Hilfsmotoren in großen Flugzeugen und Primärmotoren in unbemannten Luftfahrzeugen liegt. Das Kapitel schließt mit der Diskussion der Schlüsselparameter, die die Leistungsfähigkeit hybrider Systeme beeinflussen, und der zukünftigen Forschungsmöglichkeiten in diesem Bereich.

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3. Implementation of a Two-Seat Hybrid Electric Aircraft Demonstrator for Reducing Carbon Emissions

   Jonas Lay, Andreas Strohmayer

   In diesem Kapitel wird die Umsetzung eines zweisitzigen Hybrid-Elektroflugzeugs vorgestellt, des e-Genius, das zur Verringerung der Kohlenstoffemissionen in der Luftfahrt entwickelt wurde. Er geht den Vorteilen hybrider elektrischer Antriebssysteme wie geringerem Kraftstoffverbrauch, geringeren Geräuschemissionen und verbesserter Sicherheit nach. Die technischen Daten des e-Genius werden skizziert, darunter sein einzigartiges serielles Hybrid-Layout und die Integration eines Dreizylinder-Turbomotors mit einem axialen Permanentmagnet-Synchronmotor. In diesem Kapitel werden auch die Herausforderungen diskutiert, die mit der Integration eines solchen Systems in ein kleines Flugzeug der allgemeinen Luftfahrt verbunden sind, darunter erhöhtes Gewicht, Komplexität und Kühlwiderstand. Der Regelalgorithmus PEACH wird durch seine Fähigkeit hervorgehoben, elektrische Energie zu steuern und sekundäre Funktionen bereitzustellen, ohne die Arbeitsbelastung der Piloten zu erhöhen. Das Kapitel endet mit der erfolgreichen Erprobung des Systems und dem Potenzial für eine deutliche Reduzierung der Kohlenstoff- und Geräuschemissionen, was den Weg für umweltfreundlichere Flugzeuge ebnet.

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4. Thermal Analysis of ASTINSAT-1

   Alper Şanlı

   Das Kapitel konzentriert sich auf die thermische Analyse von Astin Sat 1, einem 3HE CubeSat, der für verschiedene Missionen wie Telemetrie-Datenerfassung, Informationsübertragung, Orbitalmagnetosphärendatenerfassung und hochauflösende Bildgebung konzipiert wurde. Die Studie beschreibt die Struktur, Subsysteme und Orbitalparameter des Satelliten und hebt die kritischen thermischen Bedingungen hervor, denen er begegnen wird. Die thermische Analyse zeigt die höchsten und niedrigsten Temperaturen, denen der CubeSat ausgesetzt sein wird, wobei die Solarzellen die größten Temperaturschwankungen aufweisen. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass das Design des CubeSat und ausgewählte Subsysteme für die spezifizierten Missionen geeignet sind und einen zuverlässigen Betrieb in der rauen Raumfahrtumgebung gewährleisten.

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5. Numerical Examination of Different Flow Channel Fractions Effects in a Vanadium Redox Flow Battery with Serpentine Flow Field

   Ilker Kayali

   Dieses Kapitel vertieft sich in die numerische Untersuchung verschiedener Strömungskanalfraktionen in einer Vanadium-Redox-Strömungsbatterie mit einem Serpentinenflussfeld. Es untersucht die Auswirkungen von Ladungs- und Massentransporten auf Elektroden- und Elektrolytpotenziale sowie Geschwindigkeits- und Druckverteilungen. Durch den Einsatz von COMSOL Multiphysics 5.5 validiert die Studie ihr numerisches Modell mit experimentellen Daten und zeigt, dass Änderungen in den Kanalanteilen die Batterieleistung signifikant beeinflussen. Die Ergebnisse zeigen, dass zunehmende Kanalanteile das Elektroden- und Elektrolytpotenzial erhöhen und gleichzeitig Geschwindigkeits- und Druckverteilungen verändern. Diese Erkenntnisse sind von entscheidender Bedeutung für die Optimierung von Strömungsfelddesigns und die Verbesserung der Gesamteffizienz von Vanadium-Redox-Strömungsbatterien.

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6. Flutter Analysis of a 3-D Box Wing with Distributed Electric Propulsion

   S. Ahmad Fazelzadeh, Abbas Mazidi, Amirhossein Ghasemikaram

   Das Kapitel vertieft sich in die aeroelastische Analyse eines 3-D-Kastenflügels, der mit dezentralem Elektroantrieb ausgestattet ist, und beleuchtet die Herausforderungen und Bedeutung dieser Technologie für das zukünftige Flugzeugdesign. Es baut auf früheren Forschungsergebnissen zu Flatter- und Divergenzphänomenen auf und berücksichtigt die einzigartigen Aspekte von Elektromotoren entlang des Flügels. Die Studie verwendet eine neue Methodik, um die daraus resultierenden partiellen Integro-Differentialgleichungen zu lösen und untersucht die Auswirkungen der motorischen Anordnung auf die Flatterstabilität. Die Ergebnisse zeigen, dass die Arbeitsanordnung von Elektromotoren die Stabilitätsgrenze erheblich beeinflusst, wobei unterschiedliche Konfigurationen zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Diese Arbeit liefert wertvolle Erkenntnisse zur Optimierung der Designparameter für ein verbessertes aeroelastisches Verhalten in Elektroflugzeugen.

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7. Force Attenuation Properties of Multilayer Polyurethane and 3D Fabric Composites

   Mohammad Rauf Sheikhi, Selim Gürgen

   Das Kapitel untersucht die Kraftdämpfungseigenschaften von mehrschichtigen Polyurethan- und 3D-Gewebeverbundwerkstoffen und hebt deren entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Insassen- und Innenraumsicherheit in der Automobil- und Luftfahrtindustrie hervor. Es wird die Bedeutung der Aufrechterhaltung maximaler Reaktionskräfte auf niedrigerer Ebene diskutiert, um Schaden und Verletzungen zu minimieren. Die einzigartige Struktur und Leistungsfähigkeit von Polyurethan- und dreidimensionalen Abstandsgeweben wird untersucht, wobei ihre vielfältigen Einsatzmöglichkeiten und hervorragenden Anti-Schock-Eigenschaften hervorgehoben werden. Die Studie präsentiert experimentelle Details zur Prallprüfung von Mehrschichtverbundwerkstoffen und vergleicht die Kraftdämpfungswerte von vollständigem WKSF, vollständigem PU und einer Kombination aus beidem. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kombination aus WKSF und PU die Aufprallenergie effektiver absorbiert und im Vergleich zu anderen Proben eine signifikante Verringerung der hinteren Aufprallkraft zeigt. Das Kapitel schließt mit der Betonung des Potenzials dieser Materialien bei der Reduzierung von Reaktionskraftfaktoren in VTOL und Automobilstrukturen, wodurch irreparable Schäden verhindert werden.

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8. Transport Operators Total Load Comparison by Analytical Hierarchy Process (AHP)

   Omar Alharasees, Utku Kale

   Das Kapitel vertieft sich in die entscheidende Bewertung der Gesamtlasten von Transportunternehmen, indem es den Analytical Hierarchy Process (AHP) anwendet, um Schlüsselfaktoren, die ihre Leistung und Sicherheit beeinflussen, zu bewerten und zu klassifizieren. Durch den Vergleich der Präferenzen von qualifizierten und weniger qualifizierten Piloten und Fahrzeugführern zeigt die Studie erhebliche Diskrepanzen bei Kommunikationsbelastungen und Arbeitsbelastung. Insbesondere mit dem Aufkommen autonomer Systeme entwickelt sich die Informationslast zu einem entscheidenden Element für zukünftige Transportunternehmen. Die Forschung unterstreicht die Bedeutung des Verständnisses und der Steuerung dieser Lasten, um die Sicherheit und Effizienz in hochautomatisierten Transportumgebungen zu verbessern.

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9. Analysis of Safety Risks Related to Alternative Aviation Fuels

   Martina Koščáková, Samer Al-Rabeei, Peter Korba, Utku Kale

   Das Kapitel geht auf die entscheidenden Sicherheitsrisiken im Zusammenhang mit der Verwendung alternativer Flugkraftstoffe ein und betont die Notwendigkeit, dass diese Kraftstoffe strengen Sicherheits- und Leistungsstandards entsprechen. Er diskutiert die Kompatibilität dieser Kraftstoffe mit konventionellen Flugtreibstoffen und konzentriert sich dabei auf thermische Stabilität und Speicherstabilität, Verbrennungseigenschaften und Brennstoffenergiedichte. Die Studie untersucht auch die möglichen Auswirkungen alternativer Kraftstoffe auf Flugzeugkomponenten, wie etwa eine geringere Festigkeit von Gummidichtungen und eine erhöhte mikrobielle Kontamination. Es wird eine einzigartige Methode der Risikobewertung angewandt, die die Schwere der Gefahren bewertet, ohne deren Eintrittswahrscheinlichkeit zu berücksichtigen. Das Kapitel schließt mit der Hervorhebung der erheblichen Herausforderungen bei der weit verbreiteten Einführung alternativer Flugkraftstoffe, einschließlich finanzieller Beschränkungen und des Wettbewerbs durch andere Branchen.

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10. Adding Value to Aviation Through Additive Manufacturing

    Volodymyr Tymofiiv, Samer Al-Rabeei, Michal Hovanec, Peter Korba, Utku Kale

    Dieses Kapitel befasst sich mit den transformativen Auswirkungen der additiven Fertigung auf die Luftfahrtindustrie. Es beginnt mit der Einführung des Konzepts des 3D-Drucks und seiner Unterschiede zu traditionellen Fertigungsmethoden. Das Kapitel untersucht dann die verschiedenen Anwendungen der additiven Fertigung in der Luftfahrt, wie Rapid Prototyping, Reverse Engineering, topologische Optimierung und Teilekonsolidierung. Jede Anwendung wird detailliert diskutiert und die einzigartigen Vorteile, die sie gegenüber herkömmlichen Methoden bietet, hervorgehoben. Darüber hinaus untersucht das Kapitel die Rolle der Composite Engineering und das Potenzial der additiven Fertigung bei der Optimierung der Luftfahrtzulieferkette. Im gesamten Kapitel werden Beispiele und Fallstudien aus der realen Welt präsentiert, um den praktischen Nutzen und die zukünftigen Möglichkeiten dieser Technologie im Luftfahrtsektor zu veranschaulichen. Das Kapitel schließt mit der Betonung des erheblichen Potenzials für die weitere Entwicklung und Integration der additiven Fertigung in der Industrie, das den Weg für eine effizientere, kosteneffektivere und innovativere Flugzeugproduktion ebnet.

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11. Comparison of the Speed Change and Vector Maneuver Techniques for the Conflict Resolution Problem: Fuel and Flight Time Analysis

    Kadir Dönmez, Ramazan Kursat Cecen

    Das Kapitel untersucht den Vergleich von Speed Change (SC) und Vector Maneuver (VM) Techniken zur Lösung von Konfliktlösungsproblemen im Flugverkehrsmanagement. Sie konzentriert sich auf die Phase des Fluges unterwegs, in der es häufig zu Konflikten zwischen Flugzeugen auf sich überschneidenden oder gleichen Routen kommt. Die Studie erweitert bestehende Modelle, indem sie fortschrittliche Geschwindigkeitsbeschränkungen auf Grundlage von Flugzeugtypen und lineare Regressionsgleichungen in die Berechnung des Treibstoffverbrauchs einbezieht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die SC-Methode im Vergleich zu VM etwa 1,84% Treibstoff einspart und die Flugzeit leicht verlängert. Das Kapitel diskutiert auch das Potenzial für zukünftige Forschung, einschließlich der Integration der Windunsicherheit in das Modell und der Erforschung binärer Kombinationen von Konfliktlösungstechniken.

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12. Assessing Battery Characteristics During a Full Discharge in an Electric Aircraft

    Brooke E. Wheeler, Isaac M. Silver, Brian A. Kish, Markus Wilde, Gaspar Andre

    Das Kapitel vertieft sich in die kritische Bewertung der Batterieeigenschaften während einer vollständigen Entladung in einem Elektroflugzeug, die für das Verständnis von Leistung und Sicherheit unverzichtbar ist. Es werden die einzigartigen Herausforderungen des Batteriemanagements in Elektroflugzeugen diskutiert, wobei die nichtlinearen Entladungskurven und die verringerte Motorleistung bei niedrigem Ladezustand hervorgehoben werden. Die Studie präsentiert umfassende Daten zu Batterietemperatur, Ladezustand, verbleibender Flugzeit und Motorleistung und deckt Diskrepanzen auf, die die Entscheidungsfindung der Piloten beeinflussen könnten. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung klarer Informationsanzeigen und weiterer Forschung, um den Betrieb von Elektroflugzeugen zu optimieren und die Sicherheit zu gewährleisten.

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13. The Autonomous Air-Sea-Interface-Vehicle: Is It the Key to Abundant Green Energy?

    Max F. Platzer, Nesrin Sarigul-Klijn

    Das Kapitel geht dem drängenden Problem des Klimawandels und der Notwendigkeit emissionsfreier Flugzeugantriebssysteme nach. Es stellt das Konzept eines autonomen Luft-Meer-Schnittstellenfahrzeugs vor, das hydrokinetische Turbinen nutzt, um Strom aus Meereswinden zu erzeugen. Der Autor argumentiert, dass dieses Fahrzeug, das Fortschritte in Tragflügel- und Segeltechnologie kombiniert, Strom im Megawatt-Maßstab erzeugen kann. Das Kapitel beleuchtet das Potenzial dieser innovativen Lösung zur Demokratisierung der globalen Energieversorgung und zur Eindämmung des Klimawandels und appelliert an Luftfahrt- und Energietechniker, sich dieser Herausforderung zu stellen.

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14. Development of Viscous CFD Analysis Model Including Real Gas Effects for Nose Optimization at Hypersonic Speeds

    Ali Alperen Özkan, Atilla Bıyıkoğlu

    Das Kapitel behandelt die entscheidende Rolle von CFD beim Raketendesign, insbesondere bei der Optimierung der Nasengeometrie bei Überschallgeschwindigkeiten. Er geht der Entwicklung eines CFD-Analysemodells nach, das reale Gaseffekte berücksichtigt, eine Lücke, die in früheren Studien nicht umfassend abgedeckt wurde. Das Modell wird mit der Standard-Hypervelocity Ballistic-1 (HB-1) -Geometrie validiert, mit detaillierten Einstellungen für Netzgenerierung und Randbedingungen. Die Studie verwendet METACOMP CFD + +, um kompressible Navier-Stokes-Gleichungen für reales Gas unter Einbeziehung moderner Turbulenzmodellierungs- und Simulationstechniken zu lösen. Die Ergebnisse werden mit Testdaten aus Windkanälen verglichen, was die Genauigkeit und das Potenzial des Modells für zukünftige Studien zur Nasenoptimierung in Hyperschallanwendungen verdeutlicht.

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15. Real World Path Generation for Non-holonomic Systems with Obstacle Avoidance Using RRT* and Google Earth

    S. Sapthagirivasan, M. Seshath, S. Srivarshan, T. V. K. Sushil Kumar

    Dieses Kapitel vertieft den kritischen Aspekt der Pfadgenerierung für nicht-holonomische Systeme, insbesondere im Hinblick auf unbemannte Luftfahrzeuge (Unmanned Aerial Vehicles, UAVs). Er beginnt mit der Betonung der historischen und aktuellen Bedeutung von Drohnen bei militärischen Operationen und der Notwendigkeit autonomer Kontrollsysteme. Die Forschungslücke wird als mangelnde Integration zwischen RRT-Algorithmen und realen Kartierungstools wie Google Earth zur Vermeidung von Hindernissen identifiziert. Der Abschnitt über die Methodik beschreibt den RRT * -Algorithmus, seine Optimierung gegenüber der RRT und die Verwendung der Funktion "Flugzeug-Linie-Schnitt" zur Vermeidung von 3D-Hindernissen. Das Kapitel stellt dann ein Beispiel aus der realen Welt mit Google Earth dar, bei dem geodätische Koordinaten in das Nordost- (NED) -Frame und zurück konvertiert werden, um Pfade sowohl für die RRT als auch für die RRT * zu erzeugen und zu zeichnen. Die Ergebnisse zeigen, dass die RRT * einen kürzeren Weg im Vergleich zur RRT bietet, was ihre optimierte Beschaffenheit bestätigt. Das Kapitel schließt mit potenziellen zukünftigen Arbeiten, einschließlich der Erweiterung auf beliebige Objekte und Anwendungen in der realen Welt. Dieser umfassende Ansatz macht das Kapitel zu einer wertvollen Ressource für Fachleute, die auf dem Gebiet der autonomen Navigation und Wegeplanung vorankommen wollen.

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16. Structural Synthesis of Euclidean Parallel Robot Manipulators of Spacecraft Docking System

    Rasim Ismayil Alizade, Kanan Sabuhi Azimov, Javad Adalat Samadzade

    Das Kapitel befasst sich mit der Struktursynthese euklidischer paralleler Robotermanipulatoren für Andocksysteme von Raumfahrzeugen und stellt neuartige Designs für sechseckige und achteckige Interface-Manipulatoren vor. Diese Konstruktionen integrieren neue Gelenkkonfigurationen, wie die "Kugel in zylindrischer Schlitzfuge", um die Anzahl der Gelenke zu verringern und die Mobilität zu verbessern. Der sechseckige Manipulator mit seiner 6RRSc-Struktur kombiniert planare und räumliche Strukturen, um sechs Freiheitsgrade zu erreichen, während der achteckige Manipulator mit seiner 4RRSc-Struktur eine ähnliche Kombination anwendet, um Andock- und Orientierungsaufgaben effizient auszuführen. Das Kapitel behandelt auch die Bewegungsparameter und die Steuerungsarchitektur dieser Manipulatoren, wobei ihre Vorteile bei der Reduzierung von strukturellem Gewicht und Komplexität hervorgehoben werden. Darüber hinaus bietet es Einblicke in die Prozesse der weichen Erfassung und Ausrichtung während des Andockens von Raumfahrzeugen, was es zu einer wertvollen Ressource für Fachleute macht, die fortschrittliche Lösungen für Andocksysteme von Raumfahrzeugen suchen.

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17. Future Prospects for Fuel-Cell Aircraft: Challenges and Opportunities

    Anita Prapotnik Brdnik, Maršenka Marksel

    Das Kapitel untersucht die Zukunftsaussichten von Brennstoffzellenflugzeugen und geht auf die wachsende Sorge über die Umweltauswirkungen traditioneller Verbrennungsmotoren ein. Er diskutiert die technischen Herausforderungen, wie die Notwendigkeit, Brennstoffzellenkomponenten für den Einsatz in Flugzeugen anzupassen und die Entwicklung leichter Wasserstofftanks. Darüber hinaus werden die wirtschaftlichen Aspekte untersucht, die Betriebskosten von Brennstoffzellenflugzeugen mit denen konventioneller Flugzeuge verglichen und künftige Preissenkungen bei Brennstoffzellensystemen und der Wasserstoffproduktion prognostiziert. Das Kapitel berührt auch Sicherheitsüberlegungen, regulatorische Fragen und die Rolle der öffentlichen und politischen Unterstützung bei der Akzeptanz von Brennstoffzellenflugzeugen. Insgesamt bietet es überzeugende Argumente für die Lebensfähigkeit und den ökologischen Nutzen von Brennstoffzellenflugzeugen und ist daher ein Pflichtlektüre für Fachleute, die sich für nachhaltige Luftfahrt interessieren.

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18. Backmatter