5 Jahre DLR-Leitkonzepte

Die beiden Sitzungen "5 Jahre DLR-Leitkonzepte" konzentrieren sich auf sechs aktuelle Forschungsfelder:

Das elektrische Flugzeug

Das Transportflugzeug der Zukunft

Der urbane Luftverkehr

Der Rettungshubschrauber 2030

Der leistungsfähige Luftverkehr

Das virtuelle Produkt

Das elektrische Flugzeug

Perspektive       

Elektrische bzw. hybrid-elektrische Kurzstreckenflugzeuge im kommerziellen Lufttransport mit EIS 2040 verbessern signifikant die Klimabilanz, die Luftqualität und reduzieren Lärm.

Bedarf 

Luftverkehr und Umweltziele in Einklang bringen

Die Nachfrage im Luftverkehr steigt kontinuierlich. Dem gegenüber steht das immer drängendere gesellschaftliche Verlangen, die Auswirkungen des Luftverkehrs auf Umwelt und Klima deutlich zu reduzieren. Der Luftverkehr muss sowohl in puncto Klimawirkung mit den Pariser Klimazielen als auch in Hinblick auf Luftqualität und Lärmemission mit lokalen Anforderungen in Einklang gebracht werden. Die heute schon bestehenden Flugbeschränkungen und Gebühren sind zwar effektive, gesellschaftlich wirksame Entlastungsinstrumente, hemmen aber auch die wirtschaftliche Entwicklung. Darum sind neue Flugzeugkonfigurationen gefragt, die mit deutlich geringerer Emissions- und Lärmbelastung kommerziell erfolgreich betrieben werden können. Die gesellschaftlichen Interessen müssen mit den wirtschaftlichen Interessen – zu für Kunden bezahlbaren Kosten – vereint werden.

Die Antriebe von morgen

Elektrische oder hybrid-elektrische Antriebe haben das Potenzial für Flugzeugkonfigurationen, die alle genannten Anforderungen erfüllen. Die technologische Entwicklung speziell im Bereich der elektrischen Speichertechnik lässt realistisch erwarten, dass erste solche Flugzeuge – in der kommerziell relevanten Größe für 50 bis 70 Passagiere und mit mindestens 1000 km Reichweite – schon in den 2040er Jahren abheben werden. (Hybrid-)elektrische Flugzeuge brauchen grundlegend neue Antriebstechnologien, erlauben revolutionär neue Flugzeugkonfigurationen – und werden voraussichtlich auch kommerziell neuen Betriebsmodellen folgen. Die Luftfahrtkonzepte der Zukunft werfen etliche Fragen auf. Fragen, die nur dann umfassend beantwortet werden können, wenn das gekoppelte System aus Betrieb, Vehikel und Antriebstechnologie als Ganzes betrachtet wird.

Ziel       

Schlüsseltechnologien identifizieren, validieren und demonstrieren

Im DLR werden intensiv Antworten für die drängenden Forschungsfragen erarbeitet, damit umweltfreundliche, (hybrid-)elektrisch angetriebene Kurzstreckenflugzeuge mit mindestens 50 Sitzen ab 2040 kommerziell erfolgreich starten können.

Voraussetzung dafür ist, dass bereits um 2030, vorm Start des eigentlichen Entwicklungsprogramms, alle Schlüsseltechnologien bewertet, validiert und aussagekräftig demonstriert werden können.

Diese relevanten Schlüsseltechnologien aber müssen erst einmal identifiziert werden. Allein das ist angesichts des großen Entwurfsraums, der von den verschiedenen möglichen Energieträgern über diverse Antriebstechnologien und Vehikel-Konzepte bis hin zu den Betriebsmodellen reicht, eine herausfordernde Aufgabe. Hinzu kommen weitere sich aus den vielfältigen Entwurfszielen im Gesamtsystem – wie Umweltfreundlichkeit, Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und gesellschaftliche Akzeptanz – ergebende Herausforderungen.

Die aussichtsreichsten Gesamtkonzepte brauchen eine Strategie zur Validierung der Schlüsseltechnologien. Dieses beinhaltet einerseits Aktivitäten auf Ebene der einzelnen Technologiebausteine und andererseits auf der Ebene des Gesamtsystems, um die Wechselwirkungen der Einzeltechnologien im Systemkontext aussagekräftig zu validieren bzw. zu demonstrieren. So könnte schließlich ein eigener Flugversuchsträger entworfen, zugelassen, gebaut und in Betrieb genommen werden. Um dieses mögliche Ziel aber noch bis zum Jahr 2030 zu erreichen, ist eine zeitnahe konkrete Planung erforderlich.

Neue Konzepte erproben, entwickeln, starten

Das DLR erforscht parallel zur Entwicklung eines ersten Kurzstreckenflugzeugs verschiedene hybrid-elektrische Antriebsstränge mit einer Do228 als Flugversuchsträger. Dies bildet eine mögliche geeignete Basis, um sowohl neue Komponenten zu erproben, als auch, um eine gesamte hybrid-elektrische Konfiguration auch für diese Größenklasse zu entwickeln. Das LK1 wird also auch die technische und kommerzielle Machbarkeit von Vehikel-Konzepten für die 19 PAX Klasse mit EIS 2029 erforschen und bewerten. Diese Größenklasse, der die Dornier Do228 und die Beechcraft 1900 angehören, hat voraussichtlich großes wirtschaftliches Potenzial. Am Ende könnte ein Produkt stehen, das wegen seiner deutlich geringeren Umweltbelastung neue kommerzielle Betriebskonzepte erlaubt – z. B. im Hinblick auf stadtnahes Starten und Landen oder in puncto ausgedehnterer Betriebszeiten.

Darüber hinaus können (hybrid-)elektrisch angetriebene Starr- oder Drehflügler neue Konzepte etwa für die individuelle Luftmobilität im urbanen Raum ermöglichen. Das LK1 konzentriert sich bewusst auf den Bereich der kommerziellen Kurzstreckenflugzeuge.

Das Transportflugzeug der Zukunft

Perspektive

Komfortable Verkehrsflugzeuge verbinden Städte, Länder und Kontinente ressourcenschonend und emissionsarm.

Bedarf

Mehr globale Mobilität und veränderte Anforderungen in Einklang bringen

Die Passagierzahlen im globalen Luftverkehr steigen seit Jahren stetig. Alle 15 Jahre verdoppelt sich nach aktuellem Stand die Zahl der weltweit geflogenen Passagierkilometer. Den größten Teil dieser Transportleistung erbringen moderne Passagierflugzeuge. Langstreckenflugzeuge verbinden Kontinente, Mittelstreckenflugzeuge ermöglichen uns ein schnelles Reisen innerhalb Europas, und Kurzstreckenflugzeuge sind wichtige Zubringer zu großen Flughäfen oder verbinden kleine Flughäfen direkt. Die Fluggäste erwarten selbstverständlich stets in einem sicheren, komfortablen Flugzeug ihr Ziel zu erreichen. Angesichts weltweit schwindender Energieressourcen und steigender CO2-Emissionen wird aber ebenfalls erwartet, dass Transportflugzeuge sparsam und klimaschonend die globale Mobilität gewährleisten. Die Airlines brauchen zudem aus Kostengründen Flugzeuge, die schnell gewartet und effizient abgefertigt werden können. Und Flughäfen, die zeitzonenüberschreitenden Interkontinentalverkehr bedienen, sind zudem darauf angewiesen, zu jeder Tag- und Nachtzeit zugänglich zu sein. Flughafenanwohner hingegen, wollen insgesamt weniger Fluglärm, besonders aber zur Nachtzeit.

Das DLR trägt dazu bei, all diese teils widerstreitenden Anforderungen zu erfüllen – mit Lösungsansätzen für grundlegend neuartige Flugzeuge, Technologien und Nutzungsszenarien.

Ziel

Entwurf und Bewertung eines umweltschonenden, wirtschaftlichen und komfortablen Flugzeugs für die zu erwartende Verdoppelung des Luftverkehrs  

Im DLR sollen Verkehrsflugzeuge entworfen und bewertet werden, die sowohl die Umwelt weniger belasten als auch einen sehr wirtschaftlichen Beitrag leisten, die zu erwartende Verdoppelung des Luftverkehrs mit höherem Komfort zu bewältigen. Zunächst liegt der Schwerpunkt darauf, neue Technologien zu untersuchen und in das Flugzeug zu integrieren, ehe in einer zweiten Phase ausgewählte Technologien in Referenzkonfigurationen demonstriert werden.

Maßstäbe entwickeln – und setzen

Je nach Untersuchungsziel, kann eine konventionelle oder eine unkonventionelle Flugzeugkonfiguration als Referenzkonfiguration sinnvoll sein. Dabei sollen neben dem Gesamtentwurf des Flugzeugs unter anderem auch Fragen bezüglich Kabinengestaltung, Triebwerksintegration und Energieversorgung auf Vehikelebene betrachtet werden. Die Interaktion unterschiedlicher Technologien exakt zu beschreiben, ist hier von besonderem Interesse. Die Vergleichbarkeit und Realitätsnähe der Untersuchungen bleibt für eine zielführende Gesamtbewertung oberstes Gebot. Dazu müssen häufig zunächst geeignete Metriken gefunden und entwickelt werden. Ein wichtiger Aspekt dabei ist es, ein Referenzszenario – z. B. eine Mission inklusive Start- und Zielflughafen – zu definieren.

Technologische Potenziale demonstrieren

Ein zentrales Ziel des Leitkonzepts ist es, Technologien für sinkende Umweltbelastung, steigende Wirtschaftlichkeit und höheren Komfort zu entwickeln und zu integrieren. Dazu werden die Potenziale zahlreicher Technologien demonstriert: von Aerodynamik, über Flugmechanik und -regelung sowie Struktur und Werkstoffe über Antriebe und Energieversorgung bis hin zu Technologien zur Steigerung des Kabinenkomforts.

Alle Faktoren im Blick

Doch nicht nur das Flugzeug selbst, sondern auch die Interaktion des Flugzeugs mit dem Umfeld und die damit einhergehenden Herausforderungen, werden gründlich in den Blick genommen. Das beginnt mit Fragen zu Produktionsverfahren und Wartung, betrifft Klimawirkung und Außenlärm und reicht bis zur Betriebsinfrastruktur – etwa bezüglich der Treibstoffversorgung oder der Energieversorgung am Boden. Neue operative Verfahren wie „Single Pilot Operation“ oder neue Flugroutenplanungen – Stichwort: „Lower & Slower“ – werden zudem das Flugzeugdesign mitbeeinflussen.

Der urbane Luftverkehr

Perspektive

Luftfahrzeuge für Fracht und Passagiere werden ohne Piloten mit sicherer bordseitiger Autonomie kosteneffizient eingesetzt.

Bedarf

Vision mit Zukunft: autonomer Luftverkehr

Ob in urbanen oder eher dünn besiedelten Gebieten: In den kommenden Dekaden werden neue, hoch automatisierte Luftfahrzeugtypen einen immer größeren und weiter wachsenden Anteil am weltweiten Passagier- und Frachtverkehr haben. Heute schon sind erste Anwendungen denkbar – etwa bei der Versorgung schlecht angebundener Gebiete mit dringend benötigten Gütern wie Medikamenten oder Ausrüstung zur Katastrophenhilfe. Ein nächster Schritt wird der umfassende Austausch eilig benötigter Ersatz- und Produktionsteile zwischen Industriestandorten sein.  Erste Prototypen-Luftfahrzeuge gewähren bereits erste Einblicke in die urbane Luftmobilität von morgen. Das DLR leistet seinen Beitrag dazu, das volle Potenzial des unbemannten zivilen Luftverkehrs zu erschließen – und hilft, die Akzeptanz solcher Systeme bei Nutzern und Unbeteiligten zu steigern.

Gute Gründe – auch für Passagiere

Hochautomatisiertes Fliegen verspricht geringere Kosten bei hoher Zuverlässigkeit. Einschlägige Studien sehen schon allein im Feld der sogenannten Urban Air Mobility sehr hohes Wachstumspotenzial. Während bei den ersten Prototypen solch urbaner Passagiertransporter noch Piloten vorgesehen sind, dürfte sich dies – angesichts der prognostizierten Zuwachsraten und des weltweit zu geringen Angebots an Piloten – bald schon als unpraktikabel erweisen. Zudem erreichen viele der neuartigen elektrischen bzw. hybrid-elektrischen Luftfahrzeuge ihre volle Leistungsfähigkeit nur dann, wenn ihre Nutzlast durch Wegfall des Piloten maximal ausgeschöpft wird. Autonomes Fliegen wird nur dann Realität werden, wenn ein für Bevölkerung und Nutzer gleichermaßen akzeptables hohes Maß an Zuverlässigkeit und Sicherheit gewährleistet ist.

Ziel

Autonomie steigern – Sicherheit gewährleisten

Im DLR sollen Methoden zur Erhöhung der Autonomie unbemannter Luftfahrzeugsysteme erforscht und demonstriert werden. Als unbemannt gelten dabei alle Luftfahrzeuge die keinen Piloten, wohl aber Passagiere an Bord haben können. Finales Ziel ist der autonome Flugbetrieb von Luftfahrzeugen, die auch keinen Piloten am Boden mehr brauchen. Das bedeutet, dass sicherheitskritische Entscheidungen autonom von den Steuerrechnern des Luftfahrzeugs on board getroffen werden. Die aktuellen Verordnungsentwürfe der EASA lassen einen solchen autonomen Flugbetrieb ausdrücklich zu. Die Aufgabe liegt darin, die gleichwertige Sicherheit autonomer Betriebe zu gewährleisten und nachzuweisen. Das erfordert dedizierte Forschung zu Systemarchitekturen und Nachweismethoden.

Schnelle Kommunikation mit bestem Cyberschutz

Kommunikation und Navigation sind Schlüsseltechnologien für autonome Luftfahrzeugsysteme: Eine besonders robuste Datenverbindung zwischen Bodenstation und Luftfahrzeug ist u. a. auch zur zuverlässigen Übermittelung des exakten Flugzeugstandorts erforderlich. Kommunikation und Navigation müssen dabei stets integre und cybergesicherte Informationen an die Flugsteuerung liefern. Unter Einsatz der DLR-Forschungsflugzeuge sollen dazu ausgewählte Technologien erprobt werden. Neben einer weiteren Ausgestaltung erster weltweit harmonisierter Regulierungen und Entwürfe, ist auch die Einordnung von UAS in den zivilen kontrollierten Luftraum mittels neuer automatisierter Flugsicherungsdienste wie U-Space oder UTM zu untersuchen. All dies wird im Schulterschluss mit dem Leitkonzept 5 „Der leistungsfähige Luftverkehr“ erfolgen.

Erfolgsfaktor Mensch

Spätestens wenn erste prototypische Implementierungen autonomer Flugdienste starten, gewinnen Fragen nach der individuell-persönlichen sowie der gesellschaftlichen Akzeptanz virulent an Bedeutung. Im Zuge dessen, werden Humanfaktoren wie Passagierkomfort und Sicherheitserleben ebenso wie Lärmauswirkungen im urbanen Umfeld zu untersuchen sein. Neben den Ergebnissen solcher Begleitforschungsprojekte sollen auch fundierte Aussagen z. B. zur Verträglichkeit von Flugmanövern oder zur Vibrationstoleranz gewonnen werden. Damit einher geht die Ermittlung gesundheitlich-medizinischer Mindestvoraussetzungen, die Passagiere erfüllen sollten.  

Autonomes Fliegen im Gesamtsystem

Wegen des zu erwartenden Wachstums beim unbemannten Luftverkehr richtet das DLR besonderes Augenmerk darauf, neue Technologien für autonome Luftfahrzeuge zu entwickeln und offene Fragen zum System zu lösen. Es gilt auch zu ermitteln, in welchen Märkten solche Luftfahrzeugsysteme verglichen mit konventionellen Lösungen Zeit- oder Kostenvorteile bieten und wirtschaftlich erfolgreich betrieben werden können, selbst wenn die Gesetzeslage das Fliegen ohne Piloten – ob on board oder on ground – mittelfristig nicht erlauben sollte oder aber die technische Infrastruktur am Boden zunächst unverändert erhalten bleiben soll. Gerade für urbane Flugtaxi- oder Fluglogistik-Dienste sind Infrastrukturfragen ein besonders wichtiger Untersuchungsgegenstand.

Hoher Nutzen – auch für Piloten

Die im Bereich autonomer Luftfahrzeuge gefundenen betrieblichen und technischen Lösungen haben auch für den Bereich der Pilot-gestützten Luftfahrt enormen Nutzen – etwa in Form von Unterstützungssystemen für das Ein-Mann-Cockpit.

Der Rettungshubschrauber 2030

Perspektive

Zukünftige Rettungshubschrauber können erstmals witterungsunabhängig rund um die Uhr im Einsatz sein

Bedarf 

Menschenleben schneller und jederzeit retten

Von den Rettungshubschraubern der Zukunft wird erwartet, dass sie rund um die Uhr auch über große Distanzen und bei jedem Wetter schnell, sicher, leise und flexibel ihren Einsatzort erreichen. Verkehrsunfälle geschehen sehr häufig nachts und bei schlechter Sicht. Die schnelle vorklinische Versorgung ist für das Überleben schwerverletzter Unfallopfer äußerst wichtig. Die Rettung sollte unbedingt innerhalb der ersten 60 Minuten nach Unfalleintritt – in der sogenannten Golden Hour of Trauma – eintreffen. Die Statistik zeigt, dass traumatisierte Patienten und Patienten mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen mit jeweils 30 % in Summe die klare Mehrheit aller Rettungseinsätze auslösen. Lebensbedrohliche Herz-Kreislauf-Notfälle treten häufig in den frühen Morgenstunden nach dem Aufwachen auf. Rettungsflüge jedoch starten in Deutschland zumeist nur zwischen Sonnenauf- und -untergang, was zudem bedeutet, dass sich die tägliche maximale Flugzeit im Winter noch einmal deutlich reduziert. Ein weiterer Aspekt tritt hinzu:  Die heute zumeist zur Rettung eingesetzten kleinen Hubschraubermodelle haben in der Regel kein Enteisungssystem, was ihre Einsatzmöglichkeit weiter einschränkt. Es leuchtet ein, dass Rettungshubschrauber für witterungs-, jahres- und tageszeitunabhängigere Einsätze dringend fit gemacht werden müssen.

Menschliches Versagen minimieren

Hubschrauberpiloten wird sehr viel abverlangt: Neben den mitunter sehr häufigen Einsätzen in kurzer Zeit, stellen Hindernisse wie Hochspannungsleitungen und schwierige Topografien im Gebirge oder auch eng besiedelten Stadträumen große Herausforderungen dar. So kommt es heute immer noch zu Hubschrauberunfällen durch menschliches Versagen oder mangelndes Situationsbewusstsein.

Rettungsflug-Nachfrage steigt

Die Anzahl der Rettungsflüge aber wird künftig weiter zunehmen; immer häufiger wird der Rettungshubschrauber in sogenannter HEMS-Mission (Helicopter Emergency Medical Services) den landläufigen Krankenwagen ersetzen. Wesentlicher Grund ist die schon heute sichtbare und sich künftig weiter steigernde Konzentration medizinischen Spezial-Know-hows auf wenige, besonders hochqualifizierte Kliniken. Neue technische Systeme, die Hubschrauberflüge bei schlechter Sicht und Minusgraden mit hohen Reichweiten und Fluggeschwindigkeiten verbinden, sind für die Weiterentwicklung unseres hohen medizinischen Standards daher unerlässlich.

Notarzt im Alleinflug

Dabei gilt das Forschungs- und Entwicklungsinteresse nicht nur dem klassischen Rettungshubschrauber. Auch neue Varianten, die allein den Notarzt zum Unfallort transportieren, werden untersucht. Denn schon heute wird die Mehrzahl aller Rettungsflüge ohne anschließenden Patientenflug absolviert. Der schnellen notärztlichen Erstversorgung folgt meist die Krankenfahrt im Rettungswagen. Ein eigens für dieses häufige Szenario entwickelter Notarzthubschrauber kann also sehr sinnvoll sein. Denn ein solcher Helikopter wäre vermutlich nicht nur deutlich kleiner und leichter – und damit für den Einsatz im urbanen Umfeld weit besser geeignet –, er wäre auch weniger laut und bräuchte weniger Landefläche.  Ein weiterer Vorteil wären deutlich geringere Kosten. Ein solcher kleiner und zudem elektrisch angetriebener Hubschrauber würde den klassischen Rettungshubschrauber ideal ergänzen.

Forschung mit klaren Anforderungen

In einer DELPHI-Studie mit 59 fliegenden Notärzten und Notfallsanitätern wurden im Konsens insgesamt 63 medizinische Anforderungen identifiziert. Dieser Input ist eine wesentliche Grundlage für den nutzerorientierten Entwicklungsansatz des DLR. Hubschrauber retten Leben. Das DLR will sie für die Zukunft besser rüsten.

Ziel

Fliegende Lebensretter: Konfigurationen entwerfen, Konzepte entwickeln

Im DLR sollen Hubschrauberkonfigurationen entworfen werden, die speziell auf die oben angesprochenen Missionen ausgerichtet sind. Die Großanlagen des DLR werden dabei eingesetzt, um ausgewählte Technologien zu erproben: Das reicht von Versuchen im Windkanal über die Nutzung der Systemsimulatoren bis hin zur praktischen Flugerprobung. Gerade beim Notarzthubschrauber sind ganz neue elektrische Antriebskonzepte denkbar, die den erforderlichen Schub über zahlreiche, verteilte Propeller erzeugen.

Neue Assistenzsysteme: mehr Sicherheit, mehr Autonomie

Für den sichereren, flexiblen Rund-um-die-Uhr-Einsatz von Rettungshubschraubern müssen neue Pilotenassistenzsysteme entwickelt werden: Systeme, die den Piloten bei seinen Aufgaben unterstützen, indem sie Flugregelungsfunktionen übernehmen, Sensordaten zusammenführen und sogar Hindernisse erkennen. Sie helfen dem Piloten beim Ausweichen – und können das im Extremfall sogar autonom tun. Im Zusammenhang damit werden nicht nur die die bislang gängigen und künftige Flugprozeduren, sondern auch die Auswirkungen von Schicht- und Nachtdiensten auf die Kondition beziehungsweise eine eventuelle Ermüdung von Piloten gründlich untersucht.

Kein Eis, mehr Reichweite, weniger Gewicht

Die weitgehende Witterungsunabhängigkeit bei Rettungsflügen erfordert leistungsfähige Enteisungssysteme speziell für Hubschrauber der Gewichtsklasse von 3 bis 4 Tonnen. Solche leichteren Rettungshubschrauber sind leistungsfähiger: Sie haben einen größeren Aktionsradius und können mehr sowie bessere medizinische Ausrüstung transportieren. Das geringere Gewicht wird wesentlich durch die stärkere Verwendung leichter Faserverbundstoffe erzielt. Dazu gilt es, die strukturelle Integrität solcher Leichtbaumaterialien etwa bei Crashes oder bei Vogelschlag genau zu erforschen.

Leise, energiesparend, vibrationsarm

Neben lärmoptimierten Anflugbahnen, die die subjektive Lärmbelastung für die Anwohner mildern, tragen vor allem auch neue, aeroakustisch und aerodynamisch verbesserte Rotorblätter zu deutlich weniger Lärm bei gesteigerter Leistung bei. Dabei müssen die Rotoren trotz ihrer ungewöhnlichen Blattgeometrie immer statisch und dynamisch stabil bleiben – und dürfen nur geringe Vibrationen auf die Fluggastzelle übertragen. Solch multidisziplinäre Anforderungen an die Entwürfe, stellen Ingenieure vor neue, spannende Herausforderungen.

Die Zukunft wird zeigen, welche der angesprochenen Missionen mit welcher Geschwindigkeit Bedeutung gewinnen wird. Erst dann wird sich entscheiden, wie die Rettungshubschrauber der Zukunft genau aussehen – und in welche Richtung sie sich weiterentwickeln werden. Das DLR legt dafür heute schon die Grundlagen.

Der leistungsfähige Luftverkehr

Perspektive

Ein konstant sicherer und robuster Luftverkehr wird umweltschonend kapazitäts- und wirtschaftlichkeitssteigernd gesteuert.

Bedarf

Mehr Flüge besser, umweltschonend und pünktlich bewältigen

Die europäische Luftfahrtvision Flightpath 2050 stellt klare Forderungen auf: Künftig sollen 90 Prozent aller innereuropäischen Fluggäste in weniger als vier Stunden von Tür zu Tür gelangen. Dabei sollen alle Flüge bei jedem Wetter pünktlich ankommen, sprich nicht mehr als eine Minute vom Flugplan abweichen. Schon Mitte des 21. Jahrhunderts soll das europäische Luftverkehrssystem nach diesen Maßgaben jährlich etwa 25 Millionen Flüge bewältigen – und das mit sehr unterschiedlichen Flugzeugmustern. Als Knotenpunkte zwischen Boden- und Luftverkehr werden die Flughäfen sich künftig noch stärker an Kunden- und Anwohnerbedürfnissen orientieren müssen. Gerade Flughafenanwohner erwarten einen umweltschonend gesteuerten Luftverkehr mit sinkenden Lärm- und Schadstoffemissionen. Anders als heute braucht das kommerzielle Fliegen der Zukunft als Ganzes eine deutlich flexiblere und effizientere Steuerung. Das DLR will den Luftverkehr für all diese Herausforderungen wappnen.

Ziel

Im Ganzen vernetzt – bis in jede Komponente

Das DLR befasst sich mit der gesamten Lufttransportkette von Einzeltechnologien bis hin zur Architektur eines teil- bzw. vollautomatisierten Lufttransportsystems. Das reicht von Betriebskonzepten für unbemannte Luftfahrzeuge, über die Optimierung des Luftverkehrsmanagements im Gesamtnetzwerk sowie in den Flughäfen als einzelnen Netzknoten, den Airline Operations bis hin zur Wirksamkeitsbewertung des gesamten Luftverkehrssystems in Sachen Leistungsfähigkeit, Wirtschaftlichkeit und Umwelt. Dazu wird eine Bewertungsfähigkeit für die gesamte Kette aufgebaut, in der alle Konzepte, Technologien, betrieblichen Aspekte, Umweltkriterien etc. zu einem umfassenden virtuellen Modell für das gesamte Luftverkehrssystem zusammengefügt werden. Um vollumfänglich in die Bewertungsfähigkeit zukünftiger Mobilität eingebunden zu sein, betrifft das auch die Schnittstellen zu weiteren Verkehrsarten.

Hohe Sicherheit schafft hohe Akzeptanz

Die gesellschaftliche Akzeptanz neuer Technologien und Verfahren ist sehr wichtig. Das DLR nimmt dabei sowohl den klassischen als auch den urbanen Luftraum, den Low-Level Airspace und den Near-Space Airspace in den Blick. Letztlich und langfristig geht es um die Verschmelzung des traditionellen ATMs mit UTM/U-Space-Aktivitäten. Die Systeme der Zukunft werden hoch vernetzt sein und die Teilkomponenten hochgradig automatisiert bis autonom agieren. Das stellt höchste Anforderungen an die Technologieentwicklung selbst und erfordert ein Höchstmaß an Cybersicherheit sowohl der Gesamtarchitekturen als auch der Einzeltechnologien bei Kommunikation, Navigation, Überwachung und Flugführung.

Teamwork optimieren, Umwelteffekte minimieren – systematisch

Der Mensch wird auch künftig, ob als Entscheider, sprich Operateur oder als Nutzer bzw. Passagier eine wichtige Rolle im System spielen. Darum gilt dem menschlichen Faktor besonderes Interesse. Das betrifft z. B.  zwischenmenschliches Teamwork ebenso wie die Zusammenarbeit mit hoch automatisierten oder autonomen Systemen bzw. Teilsystemen. Aber auch die Wirkung des Luftverkehrs auf die Bevölkerung und hier insbesondere die empfundene Belästigung durch Fluglärm wird gründlich untersucht.  Die Umwelt- und Klimaeffekte des Luftverkehrs und die Wirkung neuer Flugzeugtechnologien sowie alternativer Treibstoffe wird umfassend analysiert und fließt in die Bewertungsfähigkeit sowie Optimierung des Lufttransportsystems mit ein.

Präzisere Wetterdaten punktgenau gewinnen

Genaueste und aktuellste Wetter- und Störungsdaten sind für den sicheren und zuverlässigen Flugbetrieb unerlässlich. Dazu wird sowohl global ein integriertes, weltweites Beobachtungs- und Warnsystem aufgebaut als auch lokal die Fähigkeit zur detaillierten ortsnahen Wettervorhersage – gestützt auf lokale Beobachtungen für den urbanen Luftraum – aufgebaut und erweitert.

Flughäfen besser auslasten – ohne Anwohner zu belasten

Die Flughäfen haben viel Potenzial und können vorhandene Ressourcen weit effizienter als bisher nutzen. Das beginnt mit der Optimierung solch alltäglicher Abläufe wie An- und Abflügen, Rollwegen, Gepäcktransport und -verladung. Um hierbei möglichst viel möglichst schnell und mit möglichst wenig Treibstoff und Umwelteinfluss zu bewegen, können neue An- und Abflugprozesse mit innovativen Navigationsverfahren gekoppelt werden. Solche Navigationsverfahren machen auch den Betrieb komplexer Anordnungen von Lande- und Rollwegen entscheidend sicherer und effizienter. Neue Landeverfahren erlauben es, die Flughafenauslastung und die damit einhergehende Lärm- und Schadstoffbelastung besser und umweltschonender auszubalancieren. So können dicht besiedelte Gebiete flexibel umflogen werden, damit nur wenige Flughafenanwohner vom Lärm betroffen sind.

Das virtuelle Produkt

Perspektive

Hochleistungsrechner können Luftfahrzeuge umfassend mathematisch-numerisch darstellen – um Innovationen zu beschleunigen und zu vergünstigen.

Bedarf

Neue Fluggeräte virtuell schneller, besser und günstiger bauen

Die Entwicklung, Erprobung und Produktion neuer Fluggeräte sind heute mit solch hohen zeitlichen und finanziellen Risiken verbunden, dass schon ein Rückschlag die Existenz ganzer Firmen bedrohen kann. Diese Risiken sowie lange Betriebszeiten können die dynamischen Produktverbesserungen und die rasche Einführung fortschrittlicher Technologien regelrecht ausbremsen. Darum sind Mittel gefordert, durch die neue Luftfahrttechnologien schneller eingeführt und technologische Risiken besser beherrscht werden können. Konsequente Virtualisierung ist hier der Schlüssel zur Lösung. Das DLR ist dabei ein Wegbereiter des Umbruchs.

Ziel

Virtuelle Entwicklungsarbeit – mit klaren Vorgaben

Im DLR soll das sogenannte virtuelle Produkt in den Mittelpunkt der wissenschaftlichen Arbeit gestellt werden. Generell ist damit die hochgenaue mathematisch-numerische Darstellung eines neuen Fluggeräts mit all seinen Eigenschaften – etwa seinem aerodynamischen Strömungsverhalten oder seiner aeroelastischen Integrität – gemeint. Die realitätsgetreue Abbildung setzt dabei eine über alle Fachbereiche hinweg konsistente Beschreibung des Fluggeräts voraus. Seine Geometrie, Struktur und seine späteren Missionsziele müssen dazu vorab eindeutig festgelegt sein. Alle Phasen der Produktrealisierung – vom Entwurf über die Leistungs- und Eigenschaftenvorhersage bis zur Konstruktion und Fertigung – müssen vor einer Realisierung oder Teilrealisierung aussagekräftig simuliert werden können. Sogar die Analyse des zu erwartenden Produktlebenszyklus’ soll virtuell erfolgen.

Von der ersten Idee bis ins letzte Detail

Das finale virtuelle Produkt muss mit hochgenauen und kosteneffizienten Rechenmethoden erstellt werden. Im vorgelagerten Entwurfsprozess aber sind verschiedene Modellierungsebenen erforderlich, durch deren Einsatz ausreichend breite Parameterräume schnell erkundet werden können. So entstehen einfache, schnelle Modelle, die durch geeignete Verfahren weiter kalibriert werden, um den Entwurf schon im Frühstadium in die angestrebte Richtung zu lenken.

Die hochgenauen Methoden, die das endgültige Produkt repräsentieren, hingegen müssen gezielt verifiziert und validiert werden. So wird sichergestellt, dass das virtuelle Fluggerät die tatsächlichen Eigenschaften seines noch nicht existenten realen Pendants wirklichkeitsgetreu widerspiegelt. Die einzelnen Modellierungsansätze sind also hierarchisch – mit von Stufe zu Stufe wachsender Darstellungsgüte – aufgebaut: von einer rein statistischen Beschreibung bis zur detaillierten Nachbildung inklusive aller Systemeigenschaften.

Virtuell getestet – bis zur Zulassung

Beim virtuellen Produkt ist zudem die auf numerisch erzeugten Daten basierende Einbindung in den Zulassungsprozess neuer Fluggeräte ein wesentlicher Aspekt. Dazu muss für das sogenannte virtuelle Testen eine sorgfältig definierte Validierungsstrategie entwickelt werden, die die Anforderungen der Nachweisführung im Zulassungsprozess abbildet und erfüllt. Gerade Drehflügler stellen aufgrund ihrer Komplexität und flugphysikalischen Besonderheiten die Forscher und Entwickler vor besondere Herausforderungen. Hier muss sehr sorgfältig vorgegangen werden, da die Flugeigenschaften, aerodynamischen Interaktionen und das dynamische Verhalten nicht immer vollständig vorhergesagt werden können.

High Performance-Computing und -Teamwork 

Neue Fluggeräte ausschließlich im Rechner zu entwickeln, setzt effiziente Simulationsverfahren und Auswerteverfahren für sehr große Datenmengen voraus. Die entsprechenden Flugsimulatoren und die notwendige Infrastruktur für High Performance Computing müssen bereitstehen. Für die virtuelle Entwicklungsarbeit ist kollaboratives, dezentrales Arbeiten essenziell, weshalb eine dazu geeignete Arbeitsplatzausstattung unbedingt gefördert werden muss.