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Weniger Treibstoff pro Tonnenkilometer ist das Ziel der Entwicklung.
Bessere Triebwerke werden immer grösser und schwerer. Damit wächst das Gewicht des Flugzeugs ebenso wie der Luftwiderstand, und so geht ein Teil des Vorteils aus der Triebwerksentwicklung im Flugbetrieb verloren. Das ist ein Zielkonflikt. Ihn zu umgehen ist möglich, aber es erfordert ein neues Denken über Propulsion: Flugzeug, Triebwerk und Luft bilden ein gemeinsames System, das gemeinsam optimiert werden kann. So gibt es neue Lösungen für den Antrieb, und ZETJET kann den Treibstoffbedarf für eine Flugaufgabe wesentlich vermindern.
Mit der Reichweitenformel von Breguet erkennt man das Potenzial des neuen Ansatzes. Weniger Treibstoff für das Triebwerk steigert die Nutzlast des Flugzeugs. Der Kaskadeneffekt mindert die Kosten für die Transportaufgabe. Das Flugzeug transportiert mehr Fracht mit weniger Treibstoff, und die Transportkosten sinken. Je nach Reichweite ist der Effekt erstaunlich:
Langstrecke - 15‘000 km Reichweite
• Treibstoffbedarf sinkt um 34%
• Fracht pro Flug steigt um 120%
• Kosten als Treibstoff pro Tonne Fracht sinken um 70%
Mittelstrecke - 5‘000 km Reichweite
• Treibstoffbedarf sinkt um 38%
• Fracht pro Flug steigt um 27%
• Kosten als Treibstoff pro Tonne Fracht sinken um 50%
Moderne Verkehrsflugzeuge haben zwei oder vier Triebwerke in Gondeln unter den Flügeln. Die Triebwerke werden immer grösser, der Gondelwiderstand steigt. Das muss nicht so sein. Jeder Radfahrer weiss, dass er im Windschatten des Vordermannes einen Vorteil erfährt: Sein Luftwiderstand ist geringer, und er braucht weniger Energie um die Geschwindigkeit zu halten.
Das ist die einfache Idee hinter ZETJET: Bringe die Triebwerke in den Windschatten hinter den Rumpf des Flugzeugs und befreie die Flügel von den Triebwerksgondeln. Dann entfällt der Luftwiderstand der Triebwerke, die Flügelstruktur wird entlastet, das spart Gewicht, und der Zufluss zum Triebwerk liefert eine Sekundärströmung mit einem Zusatzschub. Das ist neu.
ZETJET Antriebe werden mit steigender Geschwindigkeit effizienter
Der Effekt ist mit der einfachen Theorie über Strahlantriebe nicht zu erklären. Es wurde Neuland betreten, wissenschaftliche Grundlagen wurden erarbeitet. Im Versuch wurde der Effekt zweifelsfrei nachgewiesen. Ein ZETJET Antrieb brauchte im Labor für die gleiche Transportaufgabe 30% weniger Leistung als ein herkömmlicher Antrieb.
Innovation ZETJET
Die ZETJET AG beschreitet neue Wege: Flugzeug, Triebwerk und Luft werden als ein gemeinsames System betrachtet, dessen einzelne Komponenten in Wechselwirkung stehen. Dabei geht es nicht um das optimale Triebwerk oder das effizienteste Flugzeug, sondern um die Erfüllung einer Transportaufgabe mit möglichst wenig Treibstoff. Dazu muss man Fracht in einen Behälter packen und diesen schnell durch die Luft bewegen. Das System enthält dann Nutzlast, Rumpf, Flügel, Triebwerk, und Luft.
Weil alle Komponenten in derselben Luft fliegen sind sie miteinander gekoppelt. Um die Zielkonflikte der Optimierung zu vermeiden, muss man deren Einzelaufgaben verbinden. Das erfordert eine andere Strukturierung der Entwurfsaufgabe:
• Der Luftwiderstand des Triebwerks gehört zum Triebwerk. Es liefert nur seinen Nettoschub an ein
Segelflugzeug“.
• Die Strömung des Triebwerks verursacht aerodynamische Kräfte, die bei der Integration zu berücksichtigen
sind.
Diese Betrachtung führt zu einer neuen Triebwerksmodellierung, bei dem das Triebwerk zuerst sich selber durch die Luft bewegen muss. Das kostet Schub. Der Bruttoschub wird daher um den Gondelwiderstand gemindert, und das „Segelflugzeug“ erhält den verbleibenden Nettoschub für seinen Antrieb.
Es ist leicht zu erkennen, dass die Effizienz der Transportaufgabe vom Nettoschub abhängt und nicht vom Bruttoschub. Schliesslich nutzt es nicht viel, ein hocheffizientes Triebwerk durch die Luft zu schieben, wenn es den grössten Schubanteil für seine eigene Gondel verbraucht.
Es ist auch leicht zu erkennen, dass die Integration von Triebwerk und Rumpf genau dann optimal ist, wenn der Gondelwiderstand verschwindet, denn dann ist der Bruttoschub gleich dem Nettoschub. Der Luftwiderstand der Gondel wird dann minimal, wenn sie nicht im Fahrtwind hängt, sondern im Windschatten des Rumpfes. Hierzu darf die Luft dem Triebwerk aber nicht von vorne zufliessen. So entsteht ein innovatives Antriebskonzept, in dem das Triebwerk hinter den Rumpf positioniert wird.
Wir bezeichnen das bekannte Triebwerkskonzept als FANJET und das neue als ZETJET:
Versuchsaufbau
Beide Triebwerkskonzepte wurden zum Vergleich auf einer Karussell-Versuchsanlage getestet um die Energieeffizienz zu ermitteln. Dazu wurden Modelltriebwerke gebaut, die mit einem elektrischen Impeller angetrieben werden
FANJET-Antriebe müssen zuerst ihre eigene Gondel durch die Luft schieben. Das kostet Schub. Der Nettoschub treibt dann Rumpf und Flügel an.
ZETJET-Antriebe werden hinter dem Rumpf positioniert. Dann erhält das Flugzeug den Bruttoschub. Zusätzlich entsteht Sekundärschub aus der Strömung.
Im Versuch werden die Triebwerke verglichen, beide enthalten denselben Elektro-Impeller und treiben damit die Karussell-Versuchsanlage an, dessen Strömungswiderstand den Komponenten Leitwerk, Flügel und Rumpf eines Flugzeugs zugeordnet werden. Das FANJETGehäuse ist eine Gondel im Fahrtwind, das ZETJET-Gehäuse gehört zum Rumpf.
Ergebnis
Mit dem Karussell wurde die Geschwindigkeit von drei Konfigurationen bei konstanter Leistung gemessen. Der effizientere Antrieb ist bei gleicher Leistung schneller.
Aus jeweils acht Messpunkten wurde die Antriebsleistung als kubische Funktion der Geschwindigkeit ermittelt. Damit wird der Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit und Leistung physikalisch richtig modelliert und numerisch abgebildet: Der mittlere Fehler zwischen den Messpunkten und den kubischen Funktionen liegt unter 0.4%.
Die Messungen zeigen, dass die Effizienz der ZETJET-Konfigurationen im Vergleich zum FANJETAntrieb mit steigender Geschwindigkeit zunimmt. Je schneller ZETJET fliegt, desto besser nutzt das Triebwerk die eingesetzte Energie. Der Nutzungsgrad steigt mit der Geschwindigkeit. Das ist neu und bisher unbekannt. Auf der Basis der bekannten Triebwerkstheorie ist das Verhalten nicht erklärbar.
Im Vergleich zum FANJET-Antrieb ist der ZETJET-Antrieb bei gleichem Luftwiderstand bei 45 m/s um etwa 6% effizienter. Wenn man den Luftwiderstand der Gondel eliminiert, dann kann man die gleiche Transportleistung mit noch weniger Energie erzielen. Bei 45 m/s Geschwindigkeit braucht der ZETJET im Windschatten des Rumpfes 30% weniger Leistung als der FANJET im Fahrtwind.
Mit der Karusselldrehzahl erhält man die Fluggeschwindigkeit über Grund (GS = Ground Speed), während die Leistung von der Fluggeschwindigkeit durch die Luft abhängt (TAS = True Airspeed). Das Karussell induziert eine Strömung im Raum, so dass GS und TAS um bis zu 5% voneinander abweichen können. Weil alle Konfigurationen dasselbe Karussell und denselben Elektro-Impeller nutzen, der in allen Versuchen mit den gleichen Spannungswerten betrieben wird, ist der Messfehler jeweils von der gleichen Grössenordnung. Die Leistungskurven können daher miteinander verglichen werden. Es entsteht nur ein Skalierungsfehler über der Geschwindigkeitsachse, doch die Grundcharakteristik des Effizienzverlaufs bleibt erhalten.
Fazit
Die Experimente zeigen ohne jeden Zweifel, dass die Integration von Triebwerk und Flugzeug neue Möglichkeiten zur Senkung des Treibstoffbedarfs im Luftverkehr enthält:
1. Die Triebwerksgondel muss nicht im Fahrtwind hängen, sie kann im Windschatten des Rumpfes positioniert werden. Dadurch sinkt der Luftwiderstand des Flugzeugs, und das Flugzeug erhält den Brutto-Schub des Triebwerks. Das spart Treibstoff.
2. ZETJET nutzt eine Sekundärströmung mit Leitflächen um zusätzlichen Vorschub zu erzeugen. Der Einsatz solcher aerodynamischer Profile ist einfach und kostengünstig.
3. In Wechselwirkung mit dem Flugzeug können Luftkräfte aus der Propulsionsströmung den Schub erhöhen. Dadurch sinkt der Leistungsbedarf des ZETJET Antriebs im Vergleich zum FANJET Antrieb bei wachsender Geschwindigkeit. Für ZETJET gilt „Je schneller, desto besser“. Ein solches Verhalten war bei Flugantrieben bisher nicht bekannt.
Das neue Verhalten ist mit der bekannten Triebwerkstheorie nicht zu beschreiben. Hier wurde Neuland betreten und wissenschaftliche Grundlagen erarbeitet. Danach ist die weitere Senkung des Treibstoffbedarfs pro Tonnenkilometer im Luftverkehr um 50% und mehr nicht ausgeschlossen und erscheint möglich.
Durch Halbierung des Treibstoffbedarfs ist eine Dekarbonisierung des Luftverkehrs machbar.
Im Vergleich zu Kerosin wird Wasserstoff als Energieträger wirtschaftlich. Elektroflug mit Brennstoffzellen- antrieb wird möglich.
ZETJET Triebwerke und Konzepte bedeuten einen grossen technischen Durchbruch, und sie können die Luftfahrtindustrie radikal erneuern.
Download
Den Forschungsbericht können Sie hier herunterladen.
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ZETJET AG
