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Das Flugzeug der Zukunft – Fliegen 2050
- Vortrag an der VHS und Univ. Zürich -
Prof. Dr. Volker Gollnick
Institut für Lufttransportsysteme
30.10.2012
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt
Einführung
Rahmenentwicklungen der Luftfahrt
Spagat zwischen Mobilität und „Grünem Lufttransport“
Das Erlebnis Flugreise
Lösungen – Der Blended Wing Body
Lösungen - Laminarströmung
Schlüssel zur „Grünen“ Mobilität
Durchgängige Transportketten
Agenda
> Fliegen 2050 > Prof. Dr. Volker Gollnick • Univ./VHS Zürich > 30.10.12 www.DLR.de • Folie 2
Folie 3
• rund 7300 Mitarbeiter:
• 29 Forschungsinstitute und wissenschaftliche Einrichtungen
• 13 Forschungsstandorte
• 4 Forschungsbereiche
• Luftfahrt, • Raumfahrt, • Verkehr, • Energie)
• Deutsch-Niederländischer Windkanal (DNW)
• Europäischer Transsonischer Windkanal (ETW)
• Verbindungsbüros in Brüssel, Paris, Washington, Tokio
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt
n Köln
n Lampoldshausen
n Stuttgart
n Oberpfaffenhofen
Braunschweig n
n Göttingen
Berlin- n
n Bonn
Trauen n
n Hamburg
n Neustrelitz
Weilheim n
Bremen- n
Noordoost-
polder (NL) n
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt
> Fliegen 2050 > Prof. Dr. Volker Gollnick • Univ./VHS Zürich > 30.10.12
Folie 4
• Institut für Aerodynamik & Strömungsmechanik (Braunschweig/Göttingen)
• Institut für Aeroelastik (Göttingen)
• Institut für Antriebstechnik (Köln)
• Institut für Bauweisen & Konstruktion (Stuttgart)
• Institut für Faserverbundwerkstoffe & Adaptronik (Braunschweig)
• Institut für Flugsystemtechnik (Braunschweig)
• Institut für Flughafenwesen & Luftverkehr (Köln)
• Institut für Kommunikation & Navigation (Oberpfaffenhofen)
• Institut für Lufttransportsysteme (Hamburg)
• Institut für Luftverkehrsführung (Braunschweig)
• Institut für Luft- u. Raumfahrtmedizin (Köln/Hamburg)
• Institut für Physik der Atmosphäre
• Institut für Verbrennungstechnik (Stuttgart)
n Köln
n Lampoldshausen
n Stuttgart
n Oberpfaffenhofen
Braunschweig n
n Göttingen
Berlin- n
n Bonn
Trauen n
n Hamburg n Neustrelitz
Weilheim n
Bremen- n
Noordoost-
polder (NL) n
Die Luftfahrtforschungsinstitute des DLR:
> Fliegen 2050 > Prof. Dr. Volker Gollnick • Univ./VHS Zürich > 30.10.12
Lufttransportsystem
Passa-giere
Umwelt Klima Wetter Lärm
Athm. Störungen
Gesellschaft Lifestyle
Demographie Gender
Urbanisierung
Andere Verkehrsmittel
Bahn Auto LKW Schiff
Hersteller Technologien
Finanz. Situation Kapazität
Politik Stabilität
Internationale Zusammenarbeit Regulierung
Wirtschaft Kraftstoffversorgung Globale Entwicklung
Flugzeug
Fluggesellschaft
Flughafen
ATM
Das Lufttransportsystem – Ein System der Systeme
• Die meisten Entwicklungen und
Forschungen fokussieren sich auf
Einzeltechnologien, i.e. Aerodynamik,
Flugzeug, Radar, Flughafen, etc.
• Lufttransporttechnologien haben einen
sehr hohen Reifegrad erreicht
• Keine echten Durchbrüche seit den
Siebzigern
• Optimierungen und Verbesserungen
adressieren immer nur Teilaspekte des
Lufttransports
• VISION2020 und FLIGHTPATH2050
setzen extreme und umfassende
Forderungen
• Lufttransport wird gesellschaftlich
kritisch gesehen
• Passagiere werden ansruchsvoller
• Sind Passagiere der einzige Kunde?
Einführung
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Rahmenentwicklungen der Luftfahrt
Perspektiven der Luftfahrt bis 2050 (1/3)
Source: Airbus GMF 2011
Trotz aller „Störungen“ erwartet die Luftfahrtindustrie mindestens bis 2030 ein
globales Wachstum von etwa 4.8% in den Passagierbewegungen
[Pkm]
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08.03.2013
Source: Boeing Market Qutlook 2011
6.8
7.0
Asia-Pacific (w/o. China)
Asia-Pacific
2.3 North America
4.0 Europe
7.5 China
5.9 Europe - Asia-Pacific
3.6 North Atlantic
5.1 Transpacific
6.7 South America
5.4 North America – South America
4.8 Europe – South America
Africa - Europe
RPK [Mrd]
Luftverkehr 2010 Wachstum 2010-2030 [%]
Durchschnittliches weltweites Wachstum: 5.1%
0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000
4.6
Ein genauerer Blick in Entwicklungen
zeigt:
• Das Wachstum in Europa und
Nordamerika stagniert nahezu
• Signifikantes regionales Wachstum
in Asien, China, Südamerika
• Signifikantes Wachstum der
Verkehrsflüsse in und zu den
Wachstumsregionen EU-Asien,
EU,US – Südamerika
Überproportionales Wachstum auf der Langstrecke
Wachstum auf der Kurzstrecke auf die Wachstumsregionen beschränkt
Rahmenentwicklungen der Luftfahrt
Perspektiven der Luftfahrt bis 2050 (2/3)
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> Fliegen 2050 > Prof. Dr. Volker Gollnick • Univ./VHS Zürich > 30.10.12
Source: Airbus GMF 2011
Kurzstreckentransport wächst in den Wachstumsregionen mit einer eigenen Luftfahrtindustrie
Langstreckentransport wächst zwischen der „Westl. Welt“ , dem Mittleren Osten und den
Wachstumsregionen
„Westl. Welt“ u. Mittlerer Osten
Wachstumsregionen
Mobilität nahezu unabhängig von der
wirtschaftl. Entwicklung u. stagniert Mobilität wächst rapide mit der
wirtschaftl. Entwicklung
Rahmenentwicklungen der Luftfahrt
Perspektiven der Luftfahrt bis 2050 (3/3)
Faktor 10
08.03.2013 8
• Mittlerer Osten erreicht 2/3 der
Weltbevölkerung binnen 8 Flugstunden
• Mega Flughäfen als Drehscheiben stellen
erhebliche Langstreckenflugkapazitäten bereit
• Verändernde Verkehrsflüsse führen zu einer
veränderten Bedeutung der Hub und Spoke
Flughäfen in Europa
• Europäische Airlines werden profitieren aber
auch ihre Geschäftsmodelle und
Verkehrsfüsse verändern aufgrund der
Entwicklungen in Asien und dem Mittleren Osten
Dubai World Central Airport
4 Std.
8 Std
Rahmenentwicklungen der Luftfahrt
Globale Luftverkehrsflüsse verändern sich
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Stetiger Ölpreisanstieg und immer größere Änderungsamplituden führen zu einer sehr empfindlichen und zunehmend destablisierenden Entwicklung für
die Luftfahrt
Erster Golfkrieg
Konjunkturbedingte
Nachfrageschwäche
in Europa
Asienkrise und lange
Warmwetterphasen
Serie von OPEC-
Förderkürzungen
erreicht Höhepunkt
9/11
Beginn des
Irakkrieges
Starkes Wirtschafts-
wachstum in Asien
Warmwetterphase in
den Industriestaaten
Weltfinanzkrise
Source: EIA
Rahmenentwicklungen der Luftfahrt
Ölpreisentwicklung 1987 - 2012
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Der Flugzeugmarkt wird zunehmend empfindlich und instabil
Source: EIA
Rahmenentwicklungen der Luftfahrt
10 Jahre 10 Jahre 9 Jahre ?
Flugzeugbestellungen
Nettoergebnis Airlines
nach IATA
Flugzeugauslieferungen
Schwankungen im Geschäft mit Flugzeugen
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> Fliegen 2050 > Prof. Dr. Volker Gollnick • Univ./VHS Zürich > 30.10.12
Spagat zwischen Mobilität und „Grünem“ Lufttransport
Herausforderungen für die Luftfahrt im 21. Jahrhundert
www.DLR.de • Folie 12
http://www.dlr.de/DesktopDefault.aspx/tabid-10/60_read-31353/gallery-1/gallery_read-Image.1.19949/
08.03.2013
• Mobilität ist ein zentraler Pfeiler für Wohlstand und Wachstum
• Wachsende Energie- und Ölkosten sowie Umweltbewußtsein bedrängen das
quantitative Wachstum der Luftfahrtindustrie
• Balance zwischen Zeit, Kosten, Umweltwirkungen, Leistung, Individualität
Daher:
• Passagiermobilität ermöglichen mit weniger Flugzeugbewegungen
• Mobilität ermöglichen mit weniger Energieaufwand, Materialien, Emissionen und
Lärm erfordert weniger Verkehr weniger Flugzeuge, weniger Flughafen- und
Luftraumkapazitäten
• Kosten und Emissionen einer Reise sind auf mehr Reisende je Flug zu verteilen
• Attraktivere Flugreise – Menschen bevorzugen die Flugreise gegen über anderen
Verkehrsträger oder neuen Medien
• Andere Designphilosophien für Flugzeuge, Flughäfen, Verkehrsmanagement
•
Source: U. Becker, TU Dresden, V. Gollnick, DLR
Paradigmenwechsel vom quantitativen zu einem qualitativen
Wachstum des Lufttransports
Das Erlebnis Flugreise!!
Spagat zwischen Mobilität und „Grünem“ Lufttransport
> Fliegen 2050 > Prof. Dr. Volker Gollnick • Univ./VHS Zürich > 30.10.12 www.DLR.de • Folie 13
08.03.2013
• Weniger Verkehr, weniger Flugzeuge, konsolidierte Kapazitäten
• Weniger Lärm und Emissionen
• Mehr Potential für Pünktlichkeit
• Mehr Potential für Verlässlichkeit und Sicherheit der Lufttransportprozesse
• Wachsende Qualität bedeutet
• Mehr Komfort
• Entspannteres Reiseerlebnis
• Attraktivere Flugreise – Menschen bevorzugen die Flugreise gegenüber
anderen Verkehrsträger oder neuen Medien
• Andere Designphilosophien für Flugzeuge, Flughäfen,
Verkehrsmanagement
Das Erlebnis Flugreise
Qualitatives Wachstum des Lufttransports
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Qualitativer Lufttransport bedeutet Prozessorientierung und weniger Orientierung an
Partikularinteressen
> Fliegen 2050 > Prof. Dr. Volker Gollnick • Univ./VHS Zürich
> 30.10.12
Anreise Im
Terminal Im Flug Am Boden Zum Ziel
Qualitatives Wachstum = Wert schaffen
• Verbindungen
• Reisezeiten
• Komfort/Sicherheit
• Planbarkeit
• Fließende Abläufe
Transport Transport Check-in
Sicherheit
Shoppen
Sitzkomfort
Unterhaltung
Service
Gepäckaufnahme
A/C
Wartung
Flug
Flugsicherung A/C Wartung
Passagier
Airline A/C Service
08.03.2013 15
Das Erlebnis Flugreise
Qualitatives Wachstum des Lufttransports
DLR / Airbus Airbus Airbus
Airbus
Boeing
MIT
Bauhaus Luftfahrt DLR TU Delft
Lockheed Martin
DLR
General Electrics EADS-IW
TERRAFUGIA
CARTER
Martin Jetpack
Airbus TE
CH
NO
LO
GIE
N
AN
FO
RD
ER
UN
GE
N
Mobilität
Umwelt
Wirtschaft
Antriebe
Aerodynamik
Leichtbau & Fertigung
Das Erlebnis Flugreise
Synthese von neuen Technologien und neuen Flugzeugformen
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http://www.enjoyspace.com/uploads/news/mai2010/avions_futur/boeing_sugar.jpghttp://www.enjoyspace.com/uploads/news/mai2010/avions_futur/d8-MIT.jpghttp://www.enjoyspace.com/uploads/news/mai2010/avions_futur/supersonic-plane.jpghttp://www.enjoyspace.com/uploads/news/mai2010/avions_futur/avion-ge.jpghttp://psipunk.com/martin-jetpack/
Airbus A30x
Boeing 737+
Überschall Business Jet
Wasserstoff als Kraftstoff
Ku
rz-
un
d
Mit
tels
treck
e
Lan
gst
reck
e
Ind
ivid
ual
Airbus A350
Airbus A380
Boeing 787
Airbus A319neo
Boeing 737MAX
COMAC
UAC
Neues Groß-flugzeug
Neues Lang-streckenflugzeug
Das Erlebnis Flugreise Flugzeuge für das 21. Jahrhundert
> Fliegen 2050 > Prof. Dr. Volker Gollnick • Univ./VHS Zürich > 30.10.12 www.DLR.de • Folie 17
> Fliegen 2050 > Prof. Dr. Volker Gollnick • Univ./VHS Zürich > 30.10.12
Eine Lösung – Der Blended Wing Body
Ein Integriertes Konzept für die Langstrecke
www.DLR.de • Folie 18
1945: Horten IX
1989: B2
2004: EU MOB
2007: SAX-40
2012: NASA X-48C
2040: DLR BWB - Effizientes Konzept mit erheblichem Potential für geringe Emissionen
- Ermöglicht Ausweitung des Entwurfraums und neue Lösungen
- „Relativ bekannt“ – US/EU Forschung
- Technisch herausfordernd
- Antworten auf globale Herausforderungen
- Weckt Emotionen
Eine Lösung – Der Blended Wing Body
Ein Integriertes Konzept für die Langstrecke
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Turnaround
Betrieb
Boarding
Kabinen-
design
Airbus Source: DLR, Institute for Air Transportation Systems
Eine Lösung – Der Blended Wing Body
Ein Integrierter Entwurfsansatz
> Fliegen 2050 > Prof. Dr. Volker Gollnick • Univ./VHS Zürich > 30.10.12 www.DLR.de • Folie 20
Source: DLR, Institute for Air Transportation Systems
PAX Masses [%]
Reference BWB
DLR BWB
DLR BWB
Blo
ck F
uel
[%
]
Fuel
[l/
PAX
/10
0km
]
Potentialabschätzung Design Optimierung
Erhebliche Kraftstoffeinsparungen möglich
Conventional aircraft
Eine Lösung – Der Blended Wing Body
Potentialbewertung
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> Fliegen 2050 > Prof. Dr. Volker Gollnick • Univ./VHS Zürich > 30.10.12
Quelle: Airbus
Eine Lösung – Der Blended Wing Body
Kabinenideen für das Erlebnis Flugreise
www.DLR.de • Folie 22
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Das LamAir Flugzeug ist etwas schwerer als der A320, der Verbrauch ist aber niedriger Balancierter Gesamtentwurf nötig
Eine Lösung – Das Laminarflugzeug
Verbrauch vs. Gewicht
www.DLR.de • Folie 23
Natürliche Laminarerhaltung
• Gleichmäßige, geschichtete Strömung wird als laminar bezeichnet
• Laminare Strömmung hat geringen Reibungswiderstand
• Ungleichmäßige Strömung wird als turbulent bezeichnet und hat einen relativ hohen Widerstand
• Verzögerung des Umschlages von laminarer auf turbulenter Strömung reduziert Widerstand
Bei Profilumströmung tritt zunächst laminare Strömung auf
Strömungsumschlag relativ früh zu turbuleneter Strömung
laminar
turbulent
turbulent laminar
Verzögerter Strömungsumschlag
v
v
Eine Lösung – Das Laminarflugzeug
Die Wirkung der Laminarität
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Eine Lösung – Das Laminarflugzeug
Ein leises Flugzeug und Liebling der Flughafenanwohner
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> Fliegen 2050 > Prof. Dr. Volker Gollnick • Univ./VHS Zürich
> 30.10.12 Folie 26
Triebwerksgenerationen: 80% Verbrauchs- und CO2-Reduktionen in den letzten 60 Jahren!
Quelle: MTU
Schlüssel zu „Grüner“ Mobilität
Antriebstechnologien der Zukunft
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Quellen: MTU, Rolls Royce, Snecma
Fan durch Getriebe mit Niederdruckturbine gekoppelt:
+Geringer Kraftstoffverbrauch +Lärmverminderung möglich +Relativ einfache Integration
- Gewicht - Größe - Komplexität
Zwei gegenläufige Fans:
+Geringerer Kraftstoffverbrauch +Geringe Größe
- Lärm durch Strömungsinteraktion
- Komplexität
Fans nicht ummantelt +Sehr geringer Kraftstoffverbrauch -Höhere Gefahr durch Blattverlust -Red. Reisefluggeschwindigkeit -Eingeschränkte Lärmverminderung -Passagierakzeptanz?
Schlüssel zu „Grüner“ Mobilität
Antriebstechnologien der Zukunft
www.DLR.de • Folie 27
Herausforderungen
• Im Vergleich zu Kerosin sind Batterien schwer!
• Brennstoffe werden während des Fluges verbraucht, d.h. Flugzeug wird während des Fluges leichter Das Gewicht von Batterien ändert sich im Flug nicht
Der Elektromotor als Primärantrieb wird mittelfristig wohl nur für Kleinflugzeuge sinnvoll sein
Alternativen
• Emissionsfrei Rollen durch electric taxiing
• Brennstoffzelle als Energieumwandler (z.B. DLR Flugzeug Antares)
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Energiedichte von Batterien
Theoretisch [kW/kg]
Praktisch (2011)[kW/kg]
e-Genius Universität Stuttgart
CAFE Green Flight Challenge
Wettbewerb der CAFE Stiftung
Geschwindigkeit >160 km/h
>320 km Reichweite
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A B A is customer of B
Vor dem FLug • Anreise • Parken • Check-in • SIcherheit • Shopping • Lounges • Einsteigen
Nach dem Flug • Aussteigen • Gepäckaufnahe • Anschlüsse • Abreise
In-flight: • Komfort • Catering • InFLightEntertainmen
t
Reiseplanung: • Verbindungen • Gesamtreisezeit • Vorhersagbarkeit
Airline
Passenger
Airport
ATM Policy maker
MRO provider
Manufacturer
Reiseerwartungen: • Verbindungen • Gesamtreisezeit • Komfort • Vorhersagbarkeit • Durchgängigkeit
Alle Schritte der Transportkette sind zu betrachten Qualität und Leistung der Flugreise sind gleichberechtige Ziele
Durchgängige Transportketten
Prozessorientierung statt Stakeholderfokus
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Total Airport Management (TAM)
© EUROCONTROL / DLR
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SITA Airline IT trends 2008 Zeit ist mehr wert als nur Geld
Qualitätsmetriken: • Gesamtreisezeit= t(fixed) + t(flight) +t (displacement) • Fluß = Keine Verspätung oder signifikante Störung
Passgierservice und Fluß Total Airport Management
Durchgängige Transportketten
Kommunikationstechnologien für optimale Transportprozesse
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0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
Kfz F-Bahn/Pkw Flz/Pkw F-Bahn/NV-Bahn Flz/NV-Bahn
RO-M-HH RO-M-K RO-M-FFM K-B DAH-M-HH DAH-M-K DAH-M-FFM SCHW-M-HH SCHW-M-K SCHW-M-FFM
Rund 70% der Gesamtreisezeit entfällt auf Zu- und Abgang in der Kurzstrecke
Balance von Zeit- und Energieaufwand optimiert die Flugreise
Gesamtstrecke RO - M - FFM
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
150 200 250 300 350
Gesamtreisezeit [Min.]
mit
tlere
r sp
ez.
Pri
märe
nerg
ieb
ed
arf
ep
[-]
ICE 1
ICE 2
ICE 3
Metrorapid
A300-600
A310-200
A320-200
Pkw (Otto)
Pkw (Diesel)
Zeit orientiert
optimaler Bereich Energie orientiert
ungünstiger Bereich
Gesamtstrecke Ro-M-FFM
Diese Zeitverluste müssen durch das Flugzeug aufgeholt werden
Durchgängige Transportketten
Zeit- und Energieeffizienz im Lufttransport
www.DLR.de • Folie 31
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Flugzeuge sind Teil einer Transportkette. Es gilt, ein balanciertes Optimum zu finden, das die Belange aller Elemente
berücksichtigt. Nur so können die Herausforderungen für das Flugzeug der Zukunft gemeistert werden.
Durchgängige Transportketten
Das Flugzeug ist nur ein Teil der gesamten Transportkette
www.DLR.de • Folie 32
http://www.dlr.de/DesktopDefault.aspx/tabid-10/60_read-31353/gallery-1/gallery_read-Image.1.19949/http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f2/Airspace_classes_(United_States).gif
• Mobilität der Zukunft muß mit weniger Verkehr die gleiche oder mehr Transportleistung erbringen
• Luftfahrt sollte künftig mehr auf qualitatives denn auf quantitatives Wachstum ausgerichtet werden
• Ein Blended Wing Body basierter Lufttransport hat gutes Potential für weniger Energiebedarf, weniger Emissionen und Lärm bei gesteigerter Transporteffizienz
• Schlüsseltechnologien der Luftfahrt liegen in den Antriebs- und Kommunikationstechnologien
• Nur interdisziplinäre und integrierende Forschung hebt die Potentiale für ökologischen und wirtschaftlichen Lufttransport
• Für grüne und effiziente Lufttransportforschung ist die gesamte Lufttransportkette inkl. Aller Stakeholder zu betrachten
• Grüner Lufttransport ist Prozess orientiert und Teamwork und weniger Stakeholder bezogen
Zusammenfassung
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Standort
Hamburg
Univ. Prof. Dr.-Ing. Volker Gollnick
Phone: +49 (0)40 42878-4197
Fax: +49 (0)40 42878-2979
Zimmer: R06
E-Mail: volker.gollnick@dlr.de
Addresse: Deutsches Zentrum für Luft- u. Raumfahrt (DLR)
Lufttransportsysteme
Institut für Lufttransportsysteme der TUHH
Blohmstraße 18
D-21079 Hamburg
Channel Hamburg (Harburg)
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