Conceptual Design of a 19 Passenger Hybrid Electric Aircraft
Creators: name: Srinivas, Arjun Srinivas
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2019
Subjects: Υβριδικό αεροπλάνο
Επιβατικό αεροπλάνο
Εννοιολογικός σχεδιασμός
Αξιοπλοΐα
Εκπομπές αερίων θερμοκηπίου
Hybrid electric aircraft
Commuter aircraft
Conceptual design
Airworthiness
Greenhouse emissions

description: Electric aircraft designs aim at electrifying existing state of art (SoA) aircraft configurations and/or research into fundamentally different, synergistic &amp; tightly coupled configurations that pave the way towards a sustainable &amp; greener tomorrow. Additionally, it sets a platform for the implementation of the rapid progress that the renewable energy sector has shown the world. Several studies on aircraft electrification have been made to-date focused on configurations ranging from turbo-electric, partially turbo-electric, hybrid-electric to universally electric (Fully electric) systems. Conceptual design studies have used physics-based models in proving their feasibility on account of reduction in block fuel consumption, emissions and noise levels with realistic progress in electric propulsion systems. Development in electric system architectures aims at meeting the requirements of mega-watt class power demand, greener energy storage systems (example: better batteries), and weight-controlled power management and distribution systems. One of the challenging parts when it comes to electrification is the significantly low specific energy of the storage system causing weight cascading effects. In this scenario, lighter aircrafts are deemed more viable solutions for the near future and radically new technologies can be employed. Also, adhering to airworthiness standards, these aircrafts provide the opportunity of faster and easier certification. The current study approaches the aviation emission mitigation through a technological level approach, by the implementation of electrification alongside boundary layer ingestion (BLI). Series/Parallel Partial hybrid electric architecture is found best for the implementation of this technology combination. The partial hybrid-electric architectures have electricity generation from the turbofans as well as batteries, with batteries being the primary source. Under these scenarios, it was aimed by this study to set the design formulation: Electrification of a 19-passenger twin-engine turbofan (under-wing podded) aircraft to a tri-fan concept with aft tailcone electric fan working under boundary layer ingestion. The design follows a physics-based approach with flexibility applied in terms of size, performance and operating configuration. Three different aircraft configurations are examined, namely: a) the conventional, (b) fully electric and (c) hybrid-electric. These are investigated maintaining the same design specifications. The level of hybridization in terms of power is maintained within 40-50%. The results of this study have shown that the lower degree of hybridization (40%) in terms of power is observed to have a higher energy efficiency (12% lower energy consumption) and lower CO2 emissions (13%), compared to the higher degree of hybridization (50%). This is mainly due to the 14% increase in design takeoff gross weight from lower to higher level of hybridization. It was also found the range sensitivity and limitations of the hybrid-electric commuter aircraft for different technological scenarios under current airworthiness requirements
description: Ο σχεδιασμός των ηλεκτρικών αεροσκαφών αποσκοπεί στον εξηλεκτρισμό των τεχνολογιών αιχμής των υφιστάμενων (μη-ηλεκτρικών) αεροσκαφών, όπως επίσης και στη διερεύνηση των διαφορετικών αλλά ταυτόχρονα στενά διασυνδεδεμένων σχηματισμών που μπορούν να συμβάλουν στο βιώσιμο και περισσότερο «πράσινο» μέλλον. Επιπρόσθετα, δημιουργεί μια πλατφόρμα που αποβλέπει στην ταχύτερη εξέλιξη που έχει να επιδείξει ο τομέας των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στον κόσμο. Αρκετές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί μέχρι σήμερα, σχετικά με τον εξηλεκτρισμό των αεροσκαφών, στοχεύοντας σε διαφορετικές αρχιτεκτονικές πρόωσης οι οποίες ποικίλουν από τεχνολογίες «turbo-electric», υβριδικά-ηλεκτρικές καθώς και πλήρως-ηλεκτρικές. Οι μελέτες προκαταρκτικού σχεδιασμού εφαρμόζουν υπολογιστικά μοντέλα που βασίζονται στους νόμους της φυσικής, με απώτερο σκοπό να αποδείξουν τη χρησιμότητά τους στη μείωση της κατανάλωσης καυσίμου, των εκπομπών, καθώς και στα επίπεδα θορύβου με ρεαλιστική και πραγματική πρόοδο σε ό,τι έχει να κάνει με τα συστήματα ηλεκτρικής πρόωσης. Η ανάπτυξη των αρχιτεκτονικών ηλεκτρικών συστημάτων στοχεύει στην πλήρωση των απαιτήσεων της τάξης ισχύος του MW, στις περισσότερο φιλικές προς το περιβάλλον τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας (καλύτερες μπαταρίες) καθώς και στα ελεγχόμενα ως προς το βάρος συστήματα διαχείρισης και διανομής ισχύος. Μία από τις σημαντικότερες προκλήσεις που σχετίζονται με τον εξηλεκτρισμό είναι η ιδιαίτερα χαμηλή ειδική ενέργεια (ενέργεια ανά μονάδα μάζας) του συστήματος αποθήκευσης ενέργειας, κάτι το οποίο προκαλεί κλιμακωτές επιπτώσεις στα στοιχεία που επηρεάζονται από το βάρος του αεροσκάφους. Ως εκ τούτου, τα ελαφρά αεροσκάφη αποτελούν περισσότερο εφικτές λύσεις για το προσεχές μέλλον, κι έτσι, νέες τεχνολογίες βρίσκουν πρόσφορο έδαφος για ευκολότερη εφαρμογή. Επίσης, λαμβάνοντας υπόψιν και την τήρηση των προτύπων αξιοπλοΐας, τα ελαφρά αεροσκάφη προσφέρουν την ευκαιρία για γρηγορότερη και ευκολότερη πιστοποίηση. Η παρούσα μελέτη προσεγγίζει το πρόβλημα μείωσης εκπομπών από την αεροπλοΐα από τη σκοπιά συγκεκριμένων τεχνολογικών βελτιώσεων τέτοιων αεροσκαφών, διερευνώντας τη δυνατότητα εφαρμογής κινητήρων που εκμεταλλεύονται τεχνολογίες εισρόφησης οριακού στρώματος (boundary layer ingestion – BLI). Το υπό μελέτη υβριδικό-ηλεκτρικό σύστημα βασίζεται στην σειριακή-παράλληλη αρχιτεκτονική καθότι θεωρήθηκε ως η βέλτιστη λύση για την προσέγγιση της συγκεκριμένης εργασίας. Η εν λόγω αρχιτεκτονική οδηγεί στην παραγωγή προωθητικής ισχύος η οποία βασίζεται στη λειτουργία τριών κινητήρων (tri-fan). Οι δύο κινητήρες είναι ανήκουν στην κατηγορία των στροβιλοωθητών, ενώ ο τρίτος είναι ένας ηλεκτρικά κινούμενος ανεμιστήρα στο πίσω μέρος της ατράκτου. Σημειώνεται ότι οι μπαταρίες της αρχιτεκτονικής χρησιμοποιούνται ως η κύρια πηγή ενέργειας του αεροσκάφους. Με βάση την προαναφερθείσα αρχιτεκτονική, ο στόχος της συγκεκριμένης εργασίας ήταν να δημιουργήσει τη σχεδιαστική λογική ενός 19-θεσίου επιβατικού αεροσκάφους το οποίο χρησιμοποιεί έναν ηλεκτρικό κινητήρα βασισμένο σε τεχνολογίες εισρόφησης οριακού στρώματος. Η σχεδίαση βασίζεται σε μοντέλα που ακολουθούν τους νόμους της φυσικής, παρουσιάζοντας σχεδιαστική ευελιξία σε ό,τι έχει να κάνει με τις διαστάσεις του αεροσκάφους, την απόδοση αλλά και το σημείο λειτουργίας του αεροσκάφους. Οι συνθέσεις των αεροσκαφών που μελετώνται στην αλυσίδα του προκαταρκτικού σχεδιασμού είναι τρεις και πιο συγκεκριμένα οι εξής: α) Συμβατικό αεροσκάφος, β) πλήρως ηλεκτρικό και γ) υβριδικό-ηλεκτρικό. Οι συγκεκριμένες συνθέσεις μελετώνται διατηρώντας τα ίδια σχεδιαστικά χαρακτηριστικά. Ο βαθμός υβριδοποίησης της ισχύος του αεροσκάφους κυμαίνεται σε 40-50%. Τα σημαντικότερα αποτελέσματα αυτής της μελέτης έδειξαν ότι ο χαμηλότερος βαθμός υβριδοποίησης (40%) ως προς την παραγόμενη ισχύ, οδηγεί σε μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης (12% χαμηλότερη ενεργειακή κατανάλωση) και χαμηλότερες εκπομπές CO2 (13%) σε σύγκριση με τον μεγαλύτερο βαθμό υβριδοποίησης (50%). Αυτό οφείλεται κατά κύριο λόγο στο ότι το μέγιστο βάρος απογείωσης αυξάνεται κατά 14% κατά τη μετάβαση από τον χαμηλότερο, στον υψηλότερο βαθμό υβριδοποίησης. Τέλος, εντοπίστηκαν και καταγράφηκαν η ευαισθησία της εμβέλειας του αεροσκάφους αλλά και οι περιορισμοί του υβριδικού-ηλεκτρικού αεροσκάφους κάτω από τους υπάρχοντες κανονισμούς αξιοπλοΐας
description: KTH Βασιλικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας (Σουηδία)(Επισπεύδον τμήμα), Πανεπιστήμιο Λιέγης (Βέλγιο), Πανεπιστήμιο Ντίουκ (ΗΠΑ)