Bauhaus-Luftfahrt-Jahrbuch 2009-2010

Willkommen im Bauhaus Luftfahrt Welcome to Bauhaus Luftfahrt Vorwort des Beiratsvorsitzenden Foreword of the Chairman of the Advisory Board . . . . . . . . . . . . 7 Über das Bauhaus Luftfahrt About Bauhaus Luftfahrt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Vorworte der Vorstände Forewords of the Executive Board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Impulse von den Leitern der Forschungsbereiche Impulses of the Research Group Heads . . . . . . . . 19 / 20 / 35 / 55 Munich Aerospace: Kooperation auf „neuen Wegen“ Munich Aerospace: Cooperation on ”New Ways“ . . . . . . . . . . . 80 Zahlen und Fakten Facts and figures Finanzen Financial figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Personal Personnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Wissenschaftliche Veröffentlichungen / Patente Scientific publications / Patents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Medien / Vorträge Media / Lectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Impressum Imprint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 3

Inhalt Contents 4 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 1 Neue Wege durch die Treiber der Luftfahrt 1 New ways through the drivers of aviation Umweltbewusstsein Environmental awareness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Passagierbedürfnisse Passenger needs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Marktvolatilität Market volatility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Zukunftstechnologien Future technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Alternative Kraftstoffe Alternative fuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Bioenergie in der Luftfahrt Bioenergy in aviation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Solare Kraftstoffe Solar fuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 E-Mobilität in der Luftfahrt E-Mobility in aviation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Strategische Materialien Strategic materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation 2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions 3 Methoden und Prozesse Methods and processes 2 Neue Wege für innovative Lösungsansätze 2 New ways for innovative solutions 3 Neue Wege in Methoden und Prozessen 3 New ways in methods and processes Bewertung der Vorteile „morphender“ Flugzeuge Benefit assessment of “morphing“ aircraft . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Informationsmärkte und Ideenbörsen Information aggregation markets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Multidisziplinärer Entwurf eines UAVs mit Kippflügeln Multidisciplinary design of a tilt-wing UAV . . . . . . . . . . . . . . . . 40 CREATE – Förderung innovativer Ideen für die Luftfahrt CREATE – Facilitating innovative ideas for aeronautics . . . . . . . 58 Vergleich von Flugzeugen mit aktiven Hochauftriebssystemen Comparison of solutions for transport aircraft with active high-lift systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Fortschritte und Perspektiven alternativer Luftfahrt-Kraftstoffe Progress and perspectives of alternative fuels in aviation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Elektrisches Fliegen: Perspektiven für Lösungen in der kommerziellen Luftfahrt Electric flight: Perspectives of solutions for commercial aviation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Modellintegration im Flugzeugentwurf Model integration in aircraft design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 CDT – Open-Source-Werkzeug für den Flugzeugentwurf CDT – An open-source tool for conceptual aircraft design . . . . 62 Szenariomethodik und komplexe Systeme Scenario methodology and complex systems . . . . . . . . . . . . . . 64 Analyse zur Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Luftfahrtindustrie Study on the competitiveness of the European aviation industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Vergleich von fortschrittlichen Antriebssystemkonzepten Comparison of advanced propulsion system concepts . . . . . . . . 68 Vergleich von revolutionären Antriebstechnologien auf Flugzeugsystemebene Comparison of revolutionary propulsion concepts at the aircraft system level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Schnelle Berechnung der Flugzeugaerodynamik in der Konzeptphase Rapid calculation of aircraft aerodynamics during the basic design phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Ducted-Fan-Modellierung für elektrische Flugzeugkonzepte Ducted fan modelling for electro-mobility applications . . . . . . . 74 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 5

Vorwort des Beiratsvorsitzenden Foreword of the Chairman of the Advisory Board Dr. Detlef Müller-Wiesner Sehr geehrte Damen und Herren, die Jahre 2009 und 2010, über die Sie mit diesem Jahrbuch einen Überblick erhalten, waren für das Bauhaus Luftfahrt geprägt von einigen weitreichenden Veränderungen. Dabei konnte es sich in seiner wesentlichen Aufgabe, der Suche nach „neuen Wegen“ und visionären Lösungskonzepten für die Luftfahrt, weiter stärken. Neben dem Umzug aus den Räumen der Technischen Universi- tät München nach Schwabing hat das Bauhaus Luftfahrt unter der zwischenzeitlichen Führung von Prof. Dr. Dieter Schmitt eine neue Strategie erarbeitet und eine erste wissenschaftliche Evaluierung positiv gemeistert. Die weitere Fokussierung der Forschungsthe- men war dabei ein Kernpunkt. Der neue Vorstand, bestehend aus Prof. Dr. Mirko Hornung für den wissenschaftlichen und Dr. Anita Linseisen für den kaufmän- nischen Bereich, hat die Konsolidierung im Jahr 2010 erfolgreich fortgeführt und das Bauhaus Luftfahrt noch stärker als visionäres Systemhaus der Luftfahrt von morgen positioniert. Die gestärkte Position der interdisziplinären Ideenschmiede ermöglichte die erfolgreiche Akquisition exzellenter Wissenschaft- ler aus allen relevanten Fachbereichen. In den vergangenen zwei Jahren hat die so gewonnene Expertise das Bauhaus Luftfahrt stetig wachsen lassen, sowohl in seinem Umfang als auch in sei- ner Reputation innerhalb der internationalen Luftfahrtindustrie und -forschung. So wurde das Bauhaus Luftfahrt unter anderem Partner verschiedener Forschungsinitiativen wie beispielsweise „Munich Aerospace“. Einen Einblick in die damit ebenfalls deutlich gewachsene Vielfalt an Forschungsthemen der Jahre 2009 und 2010 bietet Ih- nen dieses Jahrbuch, bei dessen Lektüre ich Ihnen viel Freude und viele interessante Einblicke wünsche. Ihr / Your Dr. Detlef Müller-Wiesner Beiratsvorsitzender / Chairman of the Advisory Board Besides Dear Sir or Madam, Within 2009 and 2010, of which this yearbook provides an over- view, Bauhaus Luftfahrt has seen some major changes. Despite the busy times the institution managed to focus even more strong- ly on its most important task: the search for “New Ways” and visionary concepts for future aviation. its relocation from the Technische Universität München to Schwabing, Bauhaus Luftfahrt under the interim man- agement of Prof. Dr. Dieter Schmitt has developed a new strategy and moreover has successfully undergone its first scientific evalu- ation. The new strategy aimed for a stronger focus of the different research topics. The new management, consisting of Prof. Dr. Mirko Hornung on the scientific and Dr. Anita Linseisen on the commercial side, successfully continued the consolidation process and added to the strong reputation of Bauhaus Luftfahrt as a visionary systems house for the future of aviation. The strengthened position allowed the interdisciplinary think tank to successfully acquire excellent scientists from a multitude of disciplines. Thanks to the added expertise, Bauhaus Luftfahrt has grown continuously in the past two years, both in its workforce and in its reputation within the international scientific community and aviation industry. In doing so, Bauhaus Luftfahrt has become a partner of numerous research institutions, for instance “Munich Aerospace”. This yearbook will provide you with an overview of the mani- fold research topics of Bauhaus Luftfahrt, which also strongly in- creased in diversity during the years 2009 and 2010. I hope you will enjoy reading and gain many interesting insights. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 7

Über das Bauhaus Luftfahrt About Bauhaus Luftfahrt Das Bauhaus Luftfahrt wurde im November 2005 von den drei Luft- und Raumfahrtunternehmen EADS, Liebherr-Aerospace und MTU Aero Engines sowie dem Bayerischen Ministerium für Wirt- schaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie ins Leben gerufen. Der gemeinnützige Verein ist eine international ausgerichtete Ideenschmiede. Das Team aus rund 30 Wissenschaftlern befasst sich mit der Zukunft der Mobilität im Allgemeinen und mit der Zu- kunft des Luftverkehrs im Besonderen. Ziel der Forschungsarbeit ist es, das komplexe System der Luftfahrt aus vielerlei Blickwinkeln zu betrachten: Bei allen Projekten werden technische, wirtschaft- liche, gesellschaftliche und ökologische Aspekte ganzheitlich berücksichtigt. In Anlehnung an die Tradition des „Bauhaus“, Deutschlands historischer Hochschule für Gestaltung, will auch das Bauhaus Luftfahrt ein fachübergreifender „Think Tank“ sein. Im Dessau der 1920er-Jahre wirkten unter der Leitung von Walter Gropius Archi- tekten, Maler und Bildhauer eng zusammen. Auf diese Weise ent- stand ein breit gefächertes Kompetenzspektrum. Genau das reali- siert das Bauhaus Luftfahrt für die europäische Luftfahrtbranche, und zwar nicht nur im interdisziplinären Dialog von Ingenieuren, Ökonomen, Informatikern, Physikern, Chemikern, Geographen, Kultur- und Sozialwissenschaftlern, sondern auch in enger Koope- ration von Industrie, Wissenschaft und Politik. Der eingetragene Verein arbeitet unabhängig und im öffentli- chen Interesse. Innovative Ideen müssen dort nicht per se markt- orientiert reifen. Vielmehr gibt das Bauhaus Luftfahrt Antworten auf die Frage, welche Alternativen für die Anforderungen der Zu- kunft denkbar sind. Dabei bestehen für die Wissenschaftler des Kreativzentrums kaum gedankliche Tabus. Allerdings wird streng darauf geachtet, dass visionäre Konzepte und Strategien stets auch anwendungsorientiert und technisch machbar sind. Grund- lage zur Entwicklung tragfähiger Lösungen bilden somit immer die klassischen Disziplinen der Physik und der Ingenieurwissenschaft. Bauhaus Luftfahrt was created in November 2005 by the three aerospace companies EADS, Liebherr-Aerospace and MTU Aero Engines as well as the Bavarian Ministry for Economic Affairs, In- frastructure, Transport and Technology. The non-profit association is an internationally-oriented think tank. The team of around 30 scientists deals with the future of mobility in general and with the future of air travel in particular. The goal of the research work is to consider the complex system of aviation from different points of view. In every project, the technical, economic, social and ecologi- cal aspects are considered holistically. In keeping with the ”Bauhaus“ tradition, Germany’s once renowned School of Design, Bauhaus Luftfahrt has set out to be a multidisciplinary think tank. In Dessau in the 1920s, architects, painters and sculptors worked closely together under the direction of Walter Gropius, leading to the emergence of a widely diversi- fied spectrum of expertise. This is exactly what Bauhaus Luftfahrt is achieving within the European aviation industry – not only in the interdisciplinary dialogue between engineers, economists, computer scientists, physicists, chemists, geographers, cultural experts and social scientists, but also in close cooperation with industry, science and politics. The registered association works independently and in the in- terest of the public. Here, innovative ideas do not need to be devel- oped to commercial maturity. Rather, Bauhaus Luftfahrt provides answers to the question of which alternatives could conceivably meet tomorrow’s requirements. Scientists at the creative centre are virtually unconstrained by notional taboos. However, strict attention is paid to the fact that visionary concepts and strate- gies are also always application-oriented and technically feasible. Thus, the traditional disciplines of physics and engineering science inevitably create the foundation for the development of sustain- able solutions. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 9

Vorwort des Vorstands Wissenschaft und Technik Foreword by the Chief Technical Officer Prof. Dr. Mirko Hornung Sehr geehrte Damen und Herren, der Titel dieses Jahrbuchs verrät es bereits: In der Suche nach „neuen Wegen“ sieht das Bauhaus Luftfahrt seine wesentliche Aufgabe. Doch warum benötigt die Luftfahrt neue Wege? Der Luftverkehr der Zukunft hat seine feste Rolle in der wirt- schaftlichen, aber auch der sozialen Entwicklung einer immer stärker globalisierenden Welt. Um diese auch nachhaltig sichern oder gar ausbauen zu können, gilt es sowohl ökonomisch als auch ökologisch den Forderungen der Gesellschaft nachzukommen. In einem stetig wachsenden, sich ständig verändernden Markt mit knappen Ressourcen einen spürbar reduzierten ökologischen Fuß- abdruck zu hinterlassen, ist eine Forderung, welche die Luftfahrt vor große Herausforderungen stellt. In seinem interdisziplinären Antritt hat sich das Bauhaus Luft- fahrt dieser Fragestellung intensiv gewidmet und entlang der im Jahr 2009 verfeinerten Strategie wesentliche Ergebnisse und Im- pulse für mögliche Lösungsansätze geliefert. Diesen liegt ein Ver- ständnis der wesentlichen sozioökonomischen Treiber zugrunde, ebenso wie der sich entwickelnden Technologien und potenzieller neuer Ansätze ihrer Realisierung. Die drei Säulen „Treiber der Luft- fahrt“, „Innovative Lösungsansätze“ und „Methoden und Prozes- se“ liefern somit auch die Grundstruktur für die wissenschaftliche Arbeit im Bauhaus Luftfahrt. Die wesentlichen Elemente dieser Arbeit möchten wir Ihnen auf diesen knapp 100 Seiten vermitteln und damit zu Diskussio- nen, aber auch zu ersten Schritten in Richtung der Realisierung dieser Konzepte ermutigen. Im Namen des Bauhaus Luftfahrt wünsche ich Ihnen eine in- teressante Zeit mit diesem Jahrbuch und viele positive Anregun- gen zu möglichen „neuen Wegen“ in der Luftfahrt. Ihr / Your Prof. Dr. Mirko Hornung Vorstand Wissenschaft und Technik / Chief Technical Officer Dear Sir or Madam, As already indicated in the title of our yearbook, Bauhaus Luftfahrt aims to go “New Ways” in shaping the future of air travel. But why does the aviation sector need such new ways? The air transport of the future has assumed an irrevocable po- sition in the economic but also in the social development of a con- tinuously globalising world. In order to maintain this role, meeting the demands of society, both in terms of economy and ecology, will be crucial. To significantly reduce the aviation industry’s carbon footprint in a continuously growing and always changing market with scarce resources will hence be a great challenge for the avia- tion sector. Through its interdisciplinary approach Bauhaus Luftfahrt has strongly dedicated its research to this question and delivered e ssential results and impulses for potential solutions along its refined strategy from 2009. These solutions are based on a pro- found understanding of the underlying socio-economic drivers as well as emerging technologies and potential new pathways to their realisation. So the three focus areas “drivers of aviation”, “in- novative solutions”, as well as “methods and processes” provide the basic framework for research at Bauhaus Luftfahrt. On the following pages we would like to introduce to you the essential elements of our work. Moreover, we would like to encourage an intense dialogue as well as first steps towards the realisation of the numerous concepts. In the name of Bauhaus Luftfahrt I hope you will enjoy read- ing our yearbook and that it will provide you with many positive suggestions towards potential “New Ways” in the aviation sector. 10 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

Vorwort des Vorstands Finanzen und Organisation Foreword by the Chief Financial Officer Dr. Anita Linseisen Dear Sir or Madam, In going ”New Ways“, Bauhaus Luftfahrt could and can further rely on a solid foundation. Financially and also in regard to human resources, scientific cooperation and project participations, 2009 and 2010 have seen continuous growth and success. A substantial portfolio of cooperation projects could be set up together with our industry partners. In addition, Bauhaus Luftfahrt became an increasingly appreciated participant in publicly funded research programmes. In line with the positive development on the project side, the financial situation of Bauhaus Luftfahrt improved further. During the past two years, this situation not only enabled us to invest systematically in highly qualified academic employees to broaden our scientific expertise, but it also helped to ensure the technical and material base for future successful science. The recent success is driven first of all by our strong partners and also by the outstanding dedication of all employees of Bau- haus Luftfahrt. Their competence and motivation are essential factors in the competition for ideas and innovations. Therefore, Bauhaus Luftfahrt is in a strong position to continue its positive development and to generate further important contributions to the creation of the future of aviation. This yearbook will provide you with an overview of these joint efforts of our employees and partners during the past two years. I would be delighted if we are able to catch your interest and I wish you a fascinating read. Sehr geehrte Damen und Herren, beim Beschreiten „neuer Wege“ konnte und kann sich das Bau- haus Luftfahrt auf solidem Fundament bewegen. Sowohl wirt- schaftlich und personell als auch bei wissenschaftlichen Koopera- tionen und Projektbeteiligungen waren die Jahre 2009 und 2010 von stetigem Wachstum und Erfolg geprägt. So gelang es zusammen mit unseren Industriepartnern, ein umfangreiches Portfolio an Kooperationsprojekten aufzusetzen. Zudem konnte sich das Bauhaus Luftfahrt zu einem zunehmend geschätzten Partner im Rahmen von öffentlich geförderten For- schungsprogrammen entwickeln. Einhergehend mit dieser guten Projektentwicklung hat sich die wirtschaftliche Situation des Bauhaus Luftfahrt weiter verbes- sert. Dies ermöglichte es uns nicht nur, in den vergangenen beiden Jahren gezielt in hochqualifiziertes wissenschaftliches Personal zu investieren und damit die fachlichen Kompetenzen zu verstärken, sondern auch die technische und materielle Infrastruktur für zu- künftige erfolgreiche Wissenschaft zu sichern. Diese Erfolge sind allem voran den starken Partnern sowie dem hohen Engagement der Mitarbeiter des Bauhaus Luftfahrt zu verdanken. Ihre Kompetenz und Motivation sind entscheidende Faktoren im Wettbewerb um Ideen und Innovationen. Das Bau- haus Luftfahrt hat damit die besten Voraussetzungen, sich auch in den nächsten Jahren positiv zu entwickeln und einen wichtigen Beitrag zur Gestaltung der Zukunft der Luftfahrt zu leisten. Mit diesem Jahrbuch erhalten Sie einen Einblick in diesen ge- meinsamen Beitrag der Mitarbeiter sowie der Partner des Bauhaus Luftfahrt in den vergangenen zwei Jahren. Ich würde mich freuen, wenn wir Sie neugierig machen können, und wünsche Ihnen viel Freude beim Lesen. Ihre / Your Dr. Anita Linseisen Vorstand Finanzen und Organisationsentwicklung / Chief Financial Officer Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 11

Neue Wege in der Luftfahrt – drei Forschungsschwerpunkte New ways in aviation – Three focus areas Die Arbeiten am Bauhaus Luftfahrt orientieren sich an den drei wesentlichen Forschungsschwer- punkten: Treiber der Luftfahrt, innovative Lösungsansätze sowie neue Methoden und Prozesse. The research at Bauhaus Luftfahrt is oriented along three main focus areas: drivers of aviation, innovative solutions, and new methods and processes. 1 Treiber der Luftfahrt 1 Drivers of aviation Unter den Treibern der Luftfahrt werden äußere Einflüsse wie die sozialen und ökonomischen Randbedingungen des Luftverkehrs verstanden, aber auch singuläre Technologien, die das Potenzial eines radikalen Entwicklungsschritts in der Luftfahrt versprechen. Dies sind zum Beispiel alternative Kraftstoffe, aber auch technolo- gische Fortschritte bei elektrischen Speichern. Drivers of aviation represent movements in the external influences, such as the social and economic developments affecting air trans- port, as well as singular technologies indicating the potential for radical development steps in aviation. For the latter, alternative fuel solutions as well as technological developments in electrical storage are only two examples. 14 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation 2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions 3 Methoden und Prozesse Methods and processes 2 Innovative Lösungsansätze 2 Innovative solutions 3 Methoden und Prozesse 3 Methods and processes Die konzeptionelle Umsetzung und die Bewertung solch poten- zialträchtiger Technologien und Ansätze werden vom Bauhaus Luftfahrt in integrierten Referenzkonzepten, zum Beispiel auf Flugzeugebene oder in gesamten Lufttransportsystemen, durch- geführt. Ein Beispiel für diese innovativen Lösungsansätze ist die integrierte Bewertung neuer Antriebstechnologien in neuen Luft- fahrzeugkonfigurationen. Die Erkenntnisse in diesem Bereich bil- den die Basis für entsprechende Systembewertungen und Hand- lungsempfehlungen. The transfer to system concepts and the evaluation of technolo- gies indicating such potential are carried out by Bauhaus Luftfahrt through integrated reference concepts, for instance on the aircraft or air transport system level. One example of such innovative solu- tions is the integrated evaluation of novel propulsion concepts in new aircraft designs. These innovative solutions provide the basis for system performance evaluations and recommendations for fur- ther actions. Alternative Herangehensweisen an Fragestellungen der zukünfti- gen Luftfahrt stehen im Fokus des Schwerpunktes „Neue Metho- den und Prozesse“. Neben neuartigen Ansätzen im Bereich des Wissensmanagements stehen hier auch alternative Softwarekon- zepte, beispielsweise die Erstellung von Entwicklungswerkzeugen auf Open-Source-Plattformen, im Mittelpunkt. Da neue technische Konzepte neben fortschrittlichen Technologien zum Teil auch an- dere Vorgehens- und Denkweisen in der Umsetzung erfordern, erprobt das Bauhaus Luftfahrt zudem alternative Aufstellungen seiner Teams, beispielsweise im Bereich der visionären Flugzeug- konzepte. Novel approaches to the questions of future aviation are assessed in the focus area “methods and processes”. Alongside new de- velopments in knowledge management, alternative software concepts such as the implementation of new development tools through the application of an open-source platform are also in- vestigated. As new technical concepts often also require, besides new technologies, different methods of implementation, Bauhaus Luftfahrt further develops novel team setups, for example in the visionary aircraft concepts division. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 15

Treiber analysieren, Strategien ableiten From drivers to strategies Dr. Andreas Kuhlmann „Neue Wege“ in Ökonomie und Verkehr "New Ways” in Economics and Transportation Sehr geehrte Damen und Herren, der Luftverkehr der Zukunft ist ein komplexes Spannungs- feld mit einer Vielzahl von Faktoren und Treibern. Das Team „Ökonomie und Verkehr“ analysiert und beschreibt mögliche „Neue Wege“ der zukünftigen Luftfahrt durch die frühzeiti- ge Identiﬁzierung dieser sozioökonomischen und politischen Zukunftstreiber. In diesem Spektrum analysieren wir einerseits wahr- scheinliche Entwicklungen, deren Auswirkungen sich relativ gut beschreiben oder prognostizieren lassen. Die weltweite Alterung der Gesellschaft ist ein Beispiel dafür. Andererseits gibt es eine Reihe von Entwicklungen, die mit hoher Unsicher- heit behaftet sind und daher Prognosen und Handlungsemp- fehlungen nicht sinnvoll oder möglich machen. Für solche Fälle nutzen wir die Denk- und Analysemethode der Szena- riotechnik, in der plausible Entwicklungspfade in die Zukunft erarbeitet werden. Dies erlaubt es, gegenüber einem breiten Spektrum an möglichen Entwicklungen jeweils passende Handlungsstrategien zu entwickeln. Neben den wichtigen Faktoren aus den Bereichen Kli- mawandel, Ressourcenverknappung und sich wandelnder Passagierbedürfnisse, die auch in diesem Jahrbuch behan- delt werden, beinhaltet die Treiberlandschaft auch Themen wie Bevölkerungswachstum, Urbanisierung, den asiatischen Boom oder eine wachsende Gesundheitsorientierung. Durch die Analyse dieser Treiber hilft das Team „Ökonomie und Verkehr“ dem Bauhaus Luftfahrt, Zukunftsbilder zu erstel- len und letztendlich Anforderungen an die unterschiedlichen Bereiche abzuleiten und damit „Neue Wege“ für beispiels- weise die Flugzeugentwicklung, den Flughafen der Zukunft, aber auch für nachhaltige Energiesysteme aufzuzeigen. Ihr / Your Dr. Andreas Kuhlmann Leiter Ökonomie und Verkehr / Head of Economics and Transportation Dear Sir or Madam, The future of aviation is highly influenced by a complex system of factors and drivers. Through the early identiﬁ- cation of such socio-economic and political developments Bauhaus Luftfahrt’s “Economics and Transportation” group is highlighting possible “New Ways” for future air travel. In doing so, we analyse, on the one hand, likely develop- ments within the socio-economic and political spectrum that can be described and forecasted relatively easily, for example the ageing society. On the other hand there are a number of developments with a high degree of uncertainty attached, making recommendations rarely useful or even impossible. For such cases, we utilise the method of scenario techniques, wherein plausible future development pathways are worked out. This allows us to generate appropriate recommendations for a broad spectrum of possible future developments. Besides factors like climate change, resource scarcity and changing passenger demand depicted in this yearbook, the spectrum of drivers contains many more possibly game- changing issues like population growth, urbanisation, the economic boom in Asia or increasing awareness of personal health. Through the analysis of such drivers, the Economics and Transportation group helps Bauhaus Luftfahrt to draw plau- sible pictures of the future and hence assists in deriving re- quirements that enable numerous ﬁelds to also break “New Ways”, for instance in aircraft design, future airports or sus- tainable energy systems. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 19

Innovationen auf dem Radar Step-change innovation on the radar Dr. Andreas Sizmann ,,Neue Wege“ in Zukunftstechnologien und Ökologie der Luftfahrt “New Ways” in Future Technologies and Ecology of Aviation Sehr geehrte Damen und Herren, da Innovation und Zukunftsmanagement in der Luftfahrt kom- plexe Aufgaben darstellen, gehen wir mit der Gruppe „Zukunfts- technologien und Ökologie der Luftfahrt“ neue Wege, zum Beispiel in der Früherkennung von Technologien, die einen we- sentlichen Einfluss auf die zukünftige globale Luftfahrt ausüben können. Unser Team von Physikern, Chemikern, Ingenieuren und Geographen arbeitet mit einem „Zukunftstechnologie-Radar“. Diese Vorgehensweise soll Möglichkeiten und Mehrwert von potenziell umwälzenden Entwicklungen und Innovationen für die Luftfahrt der Welt von übermorgen aufzeigen, mit einem Fokus auf Energien, Technologien und Ökologie. Letztere ist von besonderem Interesse bei der Bio-Energie. Deren globales Poten- zial wird untersucht und eine Bewertung alternativer Kraftstoffe vorgenommen. Die direkte Umwandlung von Sonnenenergie in Kraftstoff ist ein ,,Radarsignal”, das eine perfekte ,,drop-in”-Lösung für der- zeit existierende Kraftstoffsysteme und Infrastrukturen darstellt. Zusätzlich zum solaren Kerosin forschen wir auf dem Gebiet der elektrischen Antriebsenergiesysteme, um damit Perspektiven für andere Energiealternativen zu eröffnen. Der elektrische Flug beispielsweise ermöglicht es, die größte Flexibilität in der Wahl erneuerbarer Primärenergie für die Luftfahrt zu erreichen, einer erheblichen Neuerung für den visionären Flugzeugentwurf und für die Zukunft der gesamten Luftfahrt. Ständig warten neue Innovationspotenziale, die die Zukunft der Luftfahrt grundlegend verändern könnten, auf Ihre Entde- ckung. Mit dem „Technologie-Radar“ ist das Bauhaus Luftfahrt auf einem guten Weg, auch weiterhin bahnbrechende Zukunfts- technologien frühzeitig zu erkennen. Dear Sir or Madam, As true innovation and the management of the future of avia- tion are complex tasks, the “Future Technology and Ecology of Aviation” group is going “New Ways” for example in the early analysis of technologies possibly changing tomorrow’s world of air travel. Our diverse team of scientists in physics, chemistry, en- gineering and geography uses the “future technology radar” methodology. This process provides a clear understanding of possibilities and beneﬁts of deploying potentially game- changing developments and innovations for all aspects of avi- ation in the distant future. The primary focus lies on energy, technology and ecology. Of particular interest is the ecology of bioenergy. The evaluation of the global bioenergy potential and the comprehensive assessment of alternative fuels, in- cluding biofuels, is in progress. One example of a promising technology on the radar is the thermochemical “sunlight-to-fuel” process, a perfect “drop-in” solution that is compatible with current aircraft fuel technologies and distribution infrastructures. In addition to solar kerosene, we break new ground for renewable energy systems with research on electric power systems. Electric flight provides the ultimate flexibility in the choice of renew- able primary energy for aviation and is a radical approach to be implemented in visionary aircraft concepts and future aviation as a whole. Beyond the contents of this yearbook, more technological innovation is possibly just waiting to be identiﬁed to change the game of future aviation. With the “technology radar” of our team, Bauhaus Luftfahrt is well prepared for future break- throughs to come. Ihr / Your Dr. Andreas Sizmann Leiter Zukunftstechnologien und Ökologie der Luftfahrt / Head of Future Technology and Ecology of Aviation 20 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Umweltbewusstsein: Einfluss auf den Stellenwert von Flugreisen Environmental awareness: influencing the value of air travel Das gesamte System Luftfahrt sieht sich mit stetig zunehmenden ökologischen Herausforderungen konfrontiert. Dabei konzentriert sich die Industrie überwiegend auf Flugzeugtechnologien, alter- native Kraftstoffe und die Flugführung. Das Bauhaus Luftfahrt hat, gemeinsam mit Airbus und der Technischen Universität München, einen Szenarioprozess durchgeführt, der sich mit wandelnden öko- logischen Rahmenbedingungen und deren Auswirkungen auf den gesellschaftlichen Stellenwert von Flugreisen beschäftigt. Das Er- gebnis waren sowohl szenariospezifische als auch -übergreifende Handlungsempfehlungen für verschiedene Airline-Geschäftsmo- delle und für die Hersteller von Flugzeugen und Kabinen. The overall air transport system has to face ever-increasing ecologi- cal challenges. Nevertheless, the industry’s focus rests mostly on aircraft technologies, alternative fuels and air-traffic management. Bauhaus Luftfahrt, Airbus as well as the Technische Universität München conducted a joint scenario process dealing with the question of how the value of air travel could change due to evolving ecological awareness in society. Relevant factors in the context of ecological air transport were identified during the development of different scenarios. Based on these findings, implications for stake- holders such as airlines and manufacturers were derived. Ökologische Herausforderung: Das Bauhaus Luftfahrt beschäftigt sich mit ökologischen Rahmenbedingun- gen und deren Auswirkungen auf den gesellschaftlichen Stellenwert von Flugreisen. Ecologic challenge: Bauhaus Luftfahrt is assessing how the value of air travel could change in line with evolving ecological awareness. 22 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Passagierbedürfnisse: Nachhaltige Wertschöpfung durch Kundenorientierung Passenger needs: Sustainable value creation by customer orientation Im allgegenwärtigen Preiswettbewerb der Airlines, zusätzlich getrieben durch Konkurrenten wie den Schienen- und Straßen- transport sowie durch aggressive Low-Cost-Carrier, kann sich eine Fluggesellschaft nur noch durch eine stärkere Orientierung an den zukünftigen Kundenbedürfnissen von der Konkurrenz abgrenzen. Vom Bauhaus Luftfahrt durchgeführte Konsumentenanalysen zei- gen daher für Industrie, Airlines und Flughäfen wichtige Anforde- rungen der künftig relevanten Passagiergruppen auf. Beispielsweise mit Blick auf die gesellschaftliche Alterung untersuchen die interdisziplinären Wissenschaftler die Anforde- rungen dieser zunehmend wichtiger werdenden Zielgruppe sowie Verbesserungspotenziale und mögliche Lösungsansätze. Diese rei- chen von der Flugzeugkabine und den Sitzen bis hin zum Flugha- fen und zu persönlichen Assistenzsystemen. Richtet eine Fluggesellschaft ihr Angebot der Luftreise stärker an den vom Bauhaus Luftfahrt ermittelten Bedürfnissen aus, kann sie ihre Attraktivität für die Kunden und damit deren Zahlungsbe- reitschaft erhöhen. In the airline business’s ubiquitous price competition, which is additionally driven by rail and road transport as well as low-cost carriers, a significant differentiation from the competition can only be achieved by a stronger focus on future customer needs. Hence, Bauhaus Luftfahrt has performed multidisciplinary con- sumer analyses that revealed important characteristics and help in identifying the customer groups that are becoming increasingly relevant for industry, airlines and airports. Taking the ageing society as one example, the interdiscipli- nary team at Bauhaus Luftfahrt derived necessary needs for this increasingly important customer group and possible solutions. The latter encompass the areas of aircraft cabin, seats and airport as well as personal assistance devices. If an airline’s array of products is more custom-designed ac- cording to the passengers’ needs identified in the analysis by Bauhaus Luftfahrt, the attractiveness to customers and their will- ingness to pay for airline offerings can be significantly increased. Treiber Passagierbedürfnisse: Kunde und Anbieter werden immer stärker elektronisch vernetzt. Key driver passenger needs: Customer and provider are becoming more and more electronically linked. 3 7 m i n u t e s r o u t e g u i d a n c e € 3 , 7 0 c h a r g e d t a b l e 4 r e s e r v e d Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 23

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Marktvolatilität: Stärkere Schwankungen im globalen Maßstab Market volatility: Stronger fluctuations on a global scale Unerwartete Ereignisse wie Finanzkrisen, Naturkatastrophen oder Terroranschläge wirken im globalen Maßstab und können das kom- plexe System Luftfahrt immens beeinflussen. Auf diese Schwan- kungen der Marktbedingungen kann die Wertschöpfungskette des kommerziellen Lufttransports mit ihren langen Zyklen nur dann ad- äquat reagieren, wenn sie ihre Handlungsoptionen besser kennt und bewerten kann. Daher hat das Bauhaus Luftfahrt aktuelle Trendentwicklungen in einem gemeinsamen Szenarioprozess mit Airbus und der Technischen Universität München detailliert ana- lysiert: Daraus wurden szenariospezifische Risiken für Airlines und Flughäfen abgeleitet. Zudem wurden Handlungsempfehlungen er- stellt, die diesen Akteuren dabei helfen können, der zunehmenden Marktvolatilität zu begegnen. Unexpected events like financial crises, natural disasters or ter- rorist attacks can negatively affect the complex system of commer- cial aviation on a global scale. In the aviation value chain with its long cycles, coping with increasing variance of market conditions can only succeed if the relevant courses of action are better known and assessable. Hence, Bauhaus Luftfahrt has analysed current trends in a joint scenario process with Airbus and the Technische Universität München. Based on the findings therein, scenario-spe- cific risks for airlines and airports have been derived. Furthermore, strategic recommendations helping these stakeholders to success- fully face the increasing market volatility were developed. % Load factor 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% Volatiler Luftverkehrsmarkt (Daten: IATA): Das Bauhaus Luftfahrt analysiert Trendentwick- lungen und konzipiert Maßnahmen. Volatile air transport market (Data: IATA): Bauhaus Luftfahrt analyses trends and develops measures. % YoY 50% 40% 30% 20% 10% 0% -10% -20% -30% 1 0 - r a M 1 0 - p e S 2 0 - r a M 2 0 - p e S 3 0 - r a M 3 0 - p e S 4 0 - r a M 4 0 - p e S 5 0 - r a M 5 0 - p e S 6 0 - r a M 6 0 - p e S 7 0 - r a M 7 0 - p e S 8 0 - r a M 8 0 - p e S 9 0 - r a M 9 0 - p e S 0 1 - r a M 0 1 - p e S Load factor (seasonally adjusted) Revenue passenger kilometers Available seat kilometers 24 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Zukunftstechnologien: Früherkennung wegweisender Entwicklungen Future technologies: Early identification of game-changing developments Zukunftsweisende Luftfahrtkonzepte müssen auf der Basis kom- mender Anforderungen und Technologien entwickelt werden. Es ist daher essenziell für das Bauhaus Luftfahrt, frühzeitig zu- kunftssicheres Wissen über langfristige technologische Innovati- onspotenziale für die Luftfahrt zu erwerben. Die Einführung eines Technologie-Radars dient dazu, potenzielle design-treibende und zukünftige Entwicklungen zu identifizieren, die einen signifi-kan- ten Technologiesprung ermöglichen können. Die kritische Analyse führt zur Früherkennung von derartigen Indikatoren, beispielswei- se für das rein elektrische Fliegen oder ertragreiche solare Kraft- stoffe. Weitere Innovationspotenziale der zukünftigen Luftfahrt werden mit Hilfe des Technologie-Radars aus wissenschaftlichem Fortschritt und technologischen Neuentwicklungen hervorgehen. Tomorrow’s concepts of aviation need to be developed on the basis of requirements and technologies of the future. It is there- fore essential for Bauhaus Luftfahrt to gain early and future-proof knowledge about long-term technological innovation potentials for aviation, for instance through the establishing of a technology radar for potentially design-driving or disruptive future develop- ments. The critical technology analysis led to the early detection of key developments for electric flying and high-yield solar fuels, among others. More innovative potential for tomorrow’s aviation is expected to emerge from scientific progress and technological developments using the Bauhaus Luftfahrt technology radar. Künstlerische Darstellung einer Graphen-Nanoröhre: Diese Technologie, die beispielsweise zur Verbesserung der Festigkeit von Verbundwerkstoffen zum Einsatz kommen könnte, ist nur eine von vielen Entwicklungen, die das Bauhaus Luftfahrt mit seinem Technologie-Radar beobachtet. Artist’s impression of a graphene nanotube: This technology possibly improving the stability of future composite materials is only one example for a development under investigation through Bauhaus Luftfahrt’s technology radar. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 25

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Alternative Kraftstoffe: Bewertung und Priorisierung Alternative fuels: Assessment and prioritisation Alternative Kraftstoffe als Ersatz für konventionelles Kerosin sind notwendig, um die zukünftige Versorgungssicherheit und eine Verringerung der Treibhausgasemissionen der Luftfahrtindustrie sicherzustellen. Aus einer Reihe verschiedener Rohstoffe, von Koh- le und Erdgas bis zu erneuerbaren Rohstoffen wie Pflanzenölen und organischen Abfällen, kann alternatives Kerosin produziert werden. Die technische Eignung für die Luftfahrt, die Nachhaltig- keit und die Verfügbarkeit in industriellem Maßstab sind dabei die wichtigsten Kriterien zur Bewertung und Priorisierung dieser Al- ternativen. Entsprechend dieser Anforderungen hat das Bauhaus Luftfahrt eine Methode entwickelt, die eine Szenarien-basierte und ganzheitliche Bewertung alternativer Kraftstoffe erlaubt. The substitution of conventional kerosene by alternative fuels is considered a necessary step to achieve fuel supply security and a carbon footprint reduction for aviation. A large number of different feedstocks, ranging from non-renewable fossil coal and natural gas to renewable energy crops and agricultural waste, as well as different processes are potential candidates for the production of alternative fuels. Their suitability for aviation, their sustainability and their production scalability are the main criteria for an in-depth assessment and prioritisation. The interdisciplinary team has de- veloped a method which allows a scenario-dependent, traceable and holistic assessment of all alternative fuel options. Chinaschilf (rechts unten), Jatropha (rechts Mitte), Kurzumtriebe (rechts oben), Algen (links): Die Bilder zeigen nur eine kleine Auswahl an Rohstoffen für Biokraftstoffe der zweiten Generation, die vom Bauhaus Luftfahrt untersucht werden. Miscanthus (bottom right), Jatropha (centre right), short rotation coppices (top right), algae (left): The images illustrate only a small selection of resources for the production of second-generation biofuels under assessment at Bauhaus Luftfahrt. 26 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Bioenergie in der Luftfahrt: Das globale Substitutionspotenzial Bioenergy in aviation: The global substitution potential Vor dem Hintergrund eines wachsenden Mobilitäts- und Ener- giebedarfs ist die Nutzung von Energie auf Basis von Biomasse eine wichtige Option, um Klimaschutzziele erreichen zu können. Die Frage nach der globalen Verfügbarkeit von Biomasse ist daher von essenzieller Bedeutung. Das Bauhaus Luftfahrt befasst sich intensiv damit, diese Verfügbarkeit unter Berücksichtigung von allgemein anerkannten Nachhaltigkeitskriterien wie zum Beispiel der Nahrungssicherheit oder dem Schutz der Biodiversität zu er- mitteln. Hierzu werden Techniken wie beispielsweise die Flächen- analyse auf Basis von geographischen Informationen angewandt, um Regionen für einen nachhaltigen Anbau von Biomasse iden- tifizieren zu können. Dieser Ansatz bildet die Grundlage für eine spätere Priorisierung von alternativen Kraftstoffoptionen für die Luftfahrtindustrie. In view of a growing mobility and energy demand, climate protec- tion goals can only be met if the fuels of the future are based on renewable feedstocks. An in-depth assessment of the global bio- energy availability is essential for understanding the perspectives of alternative fuels derived from biomass. Bauhaus Luftfahrt has developed a method to derive this availability in an accurate way considering generally accepted sustainability criteria such as food security, societal aspects and the conservation of biodiversity. The applied tools comprise, among others, computer-based analyses of geographic information to identify areas with a high potential for sustainably cultivated biomass. This approach provides the ba- sis for a prioritisation of high-yield alternative fuel options for the aviation industry. Geographisches Informationssystem: Das Bauhaus Luftfahrt berechnet die verfügbare Fläche für einen nachhalti- gen Anbau von Biomasse zur Treibstoffproduktion für die Luftfahrt. Geographic information system: Bauhaus Luftfahrt calculates the area suitable and accessible for sustainably cultivated biomass for alternative fuels in aviation. 28 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Solare Kraftstoffe: Kerosin aus Sonnenlicht Solar fuels: Kerosene from sunlight Die begrenzte Verfügbarkeit von Anbauflächen zur Biomassepro- duktion und der steigende Nahrungsmittelbedarf der Weltbe- völkerung bilden wichtige Treiber zur Entwicklung mittelfristig verfügbarer Kraftstoffalternativen, die kohlenstoffneutral sind, aber dennoch nicht auf Biomasse basieren. Ein vielversprechen- der Weg ist die direkte Speicherung von Sonnenenergie in Form von Kraftstoffen, ohne den Umweg über den Biomasseanbau zu gehen. In diesem Zusammenhang erforscht das Bauhaus Luftfahrt im EU-Projekt SOLAR-JET gemeinsam mit internationalen Part- nern neue thermochemische Reaktionsverfahren, um mit Hilfe der Sonneneinstrahlung aus atmosphärischem Kohlendioxid und Was- ser synthetisches Kerosin herzustellen. The limited availability of arable land as well as the rising world population’s food-versus-fuel conflict form a strong driving force for the medium-term development of alternative aviation fuels that are carbon-neutral, but not based on biomass. The direct storage of solar energy in the form of fuels, avoiding the detour via biomass, represents a promising way towards such solar fuels. In the course of the European Union-funded project SOLAR-JET with interna- tional partners, Bauhaus Luftfahrt explores new thermochemical reaction pathways in order to generate synthetic kerosene from atmospheric carbon dioxide and water by utilising solar energy at elevated temperatures. H2 CO Fischer- Tropsch CO2 CXHY O2 H2O Erneuerbares „solares Kerosin“: Das Bauhaus Luftfahrt untersucht thermochemische Reaktionen für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe aus Kohlendioxid und Wasser. Renewable “solar kerosene”: Bauhaus Luftfahrt studies thermochemical reactions for the generation of synthetic fuels from carbon dioxide and water. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 29

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation E-Mobilität in der Luftfahrt: Die Machbarkeit des elektrischen Fliegens E-mobility in aviation: The feasibility of all-electric aircraft Neben dem globalen Fortschritt der elektrischen Mobilität ver- spricht auch elektrisches Fliegen wesentliche ökologische und operative Vorteile und eröffnet neue Freiheiten bezogen auf den Flugzeugentwurf. Als entscheidende Kriterien, um die Machbar- keit des elektrischen Fliegens zu bewerten, untersucht das Bau- haus Luftfahrt die Exergie- und Leistungsdichten im Vergleich zu konventionellen Antriebssystemen, wobei Exergie den maximal arbeitsfähigen Anteil der Energie darstellt. Das Bauhaus Luftfahrt erfasst und analysiert dabei aktuelle wissenschaftliche Entwick- lungen und technologische Innovationen, die einen sprunghaften Fortschritt der Technologien erlauben, beispielsweise bei Batte- rien, elektrischen Generatoren und Motoren. In diesem Bereich identifizieren die Wissenschaftler jene zukünftigen Technologien, die das elektrische Fliegen weitaus realistischer erscheinen las- sen, als allgemein vermutet wird. Along with the global progress in electric mobility, all-electric flying promises substantial environmental and operational benefits and opens up new degrees of freedom in aircraft design. Impor- tant criteria for the assessment of the feasibility of electric flight at Bauhaus Luftfahrt include exergy and power densities in the comparison of alternative power sources, where exergy is the part of the energy that can be entirely transformed into useful work. Bauhaus Luftfahrt also analyses current scientific breakthroughs and technological innovations that promise step-change progress, for instance in battery technology as well as electric generators and motors. In doing so, the researchers identify future technolo- gies that might bring electric flying much closer to realisation than generally assumed. Relative power density C1 C2 D to enable sufﬁcient range to enable flight 10 Battery 1 Fuel cell 0.1 A 0.01 0.1 B 1 Single-seated fuel cell powered motor glider Light man-carrying electric aircraft Relative exergy density 10 Typical short and medium range narrowbody airliner 30 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. Diagramm der relativen Leistungs- und Exergiedichte, bezogen auf ein Referenz- flugzeug: Elektrisches Fliegen wäre sowohl mit Systemen der Quadranten C2 und D möglich als auch mit Hybriden aus Subsystemen der Quadranten C1 und B. Representation of the relative power density and exergy density with respect to a reference aircraft: The feasibility of electric flying is given for systems in quadrants C2 and D, as well as for hybrids composed of subsystems of quadrants C1 and B.

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Strategische Materialien: Rohstoff-Engpässe im zivilen Flugzeugbau? Strategic materials: Resource shortfalls in civil aircraft construction? Strategische Materialien, beispielsweise begrenzt verfügbare Metalle oder auch die sogenannten „seltenen Erden“, nehmen wegen ihrer besonderen Eigenschaften eine wichtige Rolle in der Produktion von wichtigen Bauteilen für Luftfahrzeuge ein. Für vie- le Anwendungen ist die Nutzung dieser strategischen Materialien unumgänglich, beispielsweise für Turbinen und Elektromotoren. Trotz weltweiter Verfügbarkeit werden viele strategische Materia- lien hauptsächlich in politisch weniger stabilen Ländern gefördert, was zu einem schwierigen Abhängigkeitsverhältnis der Luftfahrt- Industrieländer führen kann. Aufgrund ihrer hohen Relevanz für Zukunftstechnologien im Luft- fahrtsektor ist die problematische Verfügbarkeit mancher strategi- schen Materialien auch Forschungsgegenstand der ökonomischen und technologischen Analyse sowie der Bewertung neuer Ansätze am Bauhaus Luftfahrt. Due to their particular properties, strategic materials like metals with a limited availability and ”rare earth elements“ hold a key role in the manufacturing of certain aircraft components as they are required for a broad spectrum of applications, like electric motors and generators or turbines. Despite their global availability these materials are mined mainly in politically less stable countries, which may lead to a difficult dependency for aircraft producers. The combination of a high relevance for future technologies on the one hand and problematic availability on the other hand make strategic materials a critical issue for the global aviation industry and hence a relevant object of the economic and technological analysis and evaluation of new approaches at Bauhaus Luftfahrt. Index (Jan. 2002 = 100) 1,200 1,000 800 600 400 200 100 0 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Treiber Rohstoffpreise: Am Beispiel der „seltenen Erden“ untersuchte das Bauhaus Luftfahrt Einflüsse von Materialverfügbarkeit auf den Luftfahrtsektor. Seltenheitswert: Seltene-Erden-Preisindex (Zusammenfassung von zehn Metallen) Daten: Kaiser Bottom-Fish. Key driver raw material prices: Bauhaus Luftfahrt is looking into the aviation industry’s dependency of important commodities, for example “rare earth oxides”. Rarity value: Rare earth price index (composite of ten metals). Data: Kaiser Bottom-Fish. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 31

Eine neue Team-Definition für den Entwurf Rethinking the design team Dr. Askin T. Isikveren „Neue Wege“ bei Visionären Flugzeugkonzepten “New Ways“ for Visionary Aircraft Concepts Sehr geehrte Damen und Herren, Aufgabe des Bereiches „Visionäre Flugzeugkonzepte“ ist die Be- wertung des Potenzials von innovativen Luftfahrzeugkonﬁgurati- onen, welche die aktuellen Verpflichtungen der Luftfahrtindust- rie zur zukünftigen Verringerung der Umweltbelastung erfüllen. Der Entwurf eines Flugtransportsystems ist eine extrem schwie- rige Aufgabe, die der gleichzeitigen Berücksichtigung von stark vernetzten Systemen und Funktionen bedarf. Die erfolgreiche Synthese eines komplexen mechanischen Lufttransportsystems kann durch eine Aufspaltung des Systems in mehrere schwach gekoppelte Einheiten erreicht werden. Die, wenn auch bis jetzt erfolgreiche, Herangehensweise, multidis- ziplinäre Arbeitsgruppen zu bilden, verhindert eine wesentliche Weiterentwicklung, da sie keinen Ausbruch aus dem beschränk- ten Entwurfsraum zulässt. Fortgeschrittene Flugzeugkonzepte benötigen jedoch eine ganzheitliche Behandlung des Entwurfs- problems, wobei ein zentraler Aspekt die Maximierung der Synergien im übergeordneten System darstellt. Die Synergie be- zeichnet dabei die Ausprägung eines Systems in einer Weise, so dass andere Systeme dadurch disziplinübergreifend proﬁtieren. Getreu dem Motto des Bauhaus Luftfahrt, tiefgreifend neue Lösungswege zu gehen, löst sich das Team der „Visionären Flugzeugkonzepte“ von der traditionellen Herangehensweise und geht „neue Wege“, indem es Aufgaben in Übereinstim- mung mit sechs technischen Domänen deﬁniert: Virtual Mock- up und Prototyping, Antriebstechnologien, Integrierte Systeme, Adaptive Systeme, Aero-Thermo-Elastik sowie Flugleistung und -eigenschaften. Diese Domänen beschreiben nicht nur den mehrschichtigen Fokus der einzelnen Mitarbeiter, sondern die- nen auch als Grundlage für die Formulierung aller zukünftigen Forschungsrichtungen. Ihr / Your Dr. Askin T. Isikveren Leiter Visionäre Flugzeugkonzepte / Head of Visionary Aircraft Concepts Dear Sir or Madam, The aim of the Bauhaus Luftfahrt Visionary Aircraft Concepts (VAC) group is to design and assess the potential of inno- vative aerospace vehicle concepts that meet the upcoming requirements of air trafﬁc. The design of any airborne trans- portation system is an extremely difﬁcult exercise involving simultaneous consideration of tightly coupled systems and functions. The synthesis of a complex airborne transportation sys- tem typiﬁed by multiple interactions and often conflicting requirements can be successfully approached by breaking the system up into disparate, weakly coupled entities. Al- though the creation of multidisciplinary design sub-groups has proven beneﬁcial, further signiﬁcant optimisation is not possible within the still restrictive design space. More radical concepts require the treatment of the design problem in a holistic sense, with emphasis placed upon maximising syner- gies in the global system, based upon its overarching opera- tional mission. In keeping with the spirit of implementing radical new solutions, the VAC group breaks with tradition, and is going “New Ways” by deﬁning roles in accordance with six techni- cal domains: Aero-Thermal Elastics; Motive Power; Integrated Utilities; Adaptive Systems; Performance and Handling; and Virtual Mock-up and Prototyping. These technical domains not only deﬁne the multi-faceted focus of the design team individual, but also serve as a basis for devising all future research work topics. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 35

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Bewertung der Vorteile „morphender“ Flugzeuge Benefit assessment of ”morphing“ aircraft Im Flugzeugbau hat sich in den letzten Jahren ein neuer Entwick- lungstrend etabliert, der sich mit einer noch stärkeren Verände- rung der Außengestalt befasst als bisher angewandt. Bei heutigen Verkehrsflugzeugen beschränkt sich die Änderung der aerodyna- mischen Formgebung während des Fluges größtenteils auf lokale Systeme, beispielsweise auf ein- und ausfahrende Klappen oder Steuerflächen. Dadurch werden eine Steigerung des Auftriebs, Flugsteuerungsfunktionen, beispielsweise Lageänderungen wie Rollen, Gieren oder Nicken, oder eine Reduktion des aerodynami- schen Widerstands erzielt. Das Bauhaus Luftfahrt beschäftigt sich darüber hinaus mit radikaler ausgeprägten Formen dieser Gestaltänderung, dem so- genannten „Morphing“. Dabei werden vollständige Komponen- ten der Flugzeugstruktur, wie Tragflügel, Leitwerke oder Rumpf, mit einer veränderlichen Außengeometrie ausstattet. Derartige Strukturen verleihen dem Luftfahrzeug eine optimale Anpassung von Aerodynamik und Strukturverhalten an den jeweiligen Flugzu- stand. Dies ermöglicht signifikante Steigerungen der Flugleistung, eine Ausweitung der Flugbereichsgrenzen oder eine Verbesserung der Manövrierfähigkeit. Künftige Flugzeuge bieten das Potenzial, effektiver und ef- fizienter betrieben zu werden, auch bei sich ändernden Einsatz- szenarien, beispielsweise bei einer Steigerung der Nutzlast und Reichweite oder durch den mit der Zunahme des Luftverkehrs ein- hergehenden Betrieb auf suboptimalen Flugrouten. Einige Flugzeughersteller und Luftfahrtforschungseinrich- tungen haben bereits veränderbare Flugzeugstrukturen mit un- terschiedlichen geometrischen Freiheitsgraden entwickelt und getestet, beispielsweise durch eine adaptive Wölbung, Pfeilung oder Spannweite der Flügel. Jedoch machen Nachteile von Mor- phing-Systemen, wie zusätzliches Gewicht, eine erhöhte Komple- xität und der erforderliche Leistungsbedarf für Aktuatoren, bei der Integration in die Flugzeugstruktur viele der theoretischen Vorteile unter Umständen zunichte. Zusätzlicher Forschungsbedarf be- steht daher in der Identifikation von Entwurfsanforderungen von Morphing-Systemen sowie in der optimalen Kombination von geo- metrischen Freiheitsgraden zur bestmöglichen Steigerung der > In recent years, a new development trend in aircraft design has been established which makes use of aerospace vehicles with a much higher variability in their outer shape than those used to date. External shape changes of today’s aircraft during flight have been restricted to local devices, for instance deflecting flap sys- tems or control surfaces. Thus, a reduction of aerodynamic drag, high lift and flight control functionalities, such as a change in ori- entation by means of aircraft roll, pitch and yaw control, can be achieved. Bauhaus Luftfahrt researches a more distinct form of air- craft shape change. The so-called “morphing” covers complete assemblies of the airframe such as a wing, tail or fuselage. This can result in significant increases in aircraft performance, capabilities such as expansion of the flight envelope or an improvement in the handling characteristics. Future aircraft thus have the potential to be operated more effectively and ef- ficiently according to changing operating scenarios such as increases in payload and range, or improving aircraft opera- tion at sub-optimal flight profiles due to air traffic congestion. Morphing aircraft wing structures with different geometrical degrees of freedom such as adaptive airfoils, variable sweep or span have already been successfully developed and tested by vari- ous aircraft manufacturers and research institutes. However, dis- advantages of morphing systems include extra weight, increased complexity and the greater power demands for actuators. This can lead to an increasing compensation of the theoretical advan- tages when system integration aspects come into play. Additional research is therefore needed for the identification of design re- quirements of morphing systems and optimal combinations of geometric degrees of freedom to best improve flight performance. At the same time, the optimisation objectives such as minimum fuel consumption, maximum agility or the flight speed should be exchangeable. In order to support aviation with the development of morphing structures, Bauhaus Luftfahrt came up with a methodology and simulation framework suitable for simulations of a complete mor- phing aircraft including mission scenarios and requisite geo- > 36 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Die Morphing-Software des Bauhaus Luftfahrt: Die Wissenschaftler verglichen damit verschie- denste Konfigurationen “morphender“ Flugzeu- ge und identifizierten die vielversprechendsten Konzepte. The morphing tool of Bauhaus Luftfahrt: With the easy-to-use software, the scientists compared numerous “morphing” aircraft concepts and identified the most promising configurations. a3 3 L x2L α3 Φ3 2 L α2 11 U 12 1 L Φ2 x 1L a2 „Morphende“ Flügelspitze: Nur ein Beispiel für ein Konzept, das mit dem Morphing Tool des Bauhaus Luftfahrt unter- sucht werden kann. “Morphing” wing-tip: Only one example of a concept that can be as- sessed with Bauhaus Luftfahrt’s morphing tool. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 37

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Flugleistungen. Dabei sollen die Optimierungsziele, beispielsweise ein minimaler Kraftstoffverbrauch, eine maximale Agilität oder die Fluggeschwindigkeit, variiert werden. Zur Unterstützung der Luftfahrt bei der Entwicklung von Mor- phing-Strukturen hat das Bauhaus Luftfahrt eine Methodik ent- wickelt und in eine Simulationsumgebung überführt. Darin kann ein vollständiges Flugzeug, inklusive Missionsszenarien und er- forderlicher geometrischer Freiheitsgrade am Tragflügel, simuliert werden. In der Folge ist es möglich, sich kontinuierlich ändernde Morphing-Strukturen während beliebiger Flugmissionen zu unter- suchen und deren direkte Auswirkung auf die Flugleistungen und Flugbahn festzustellen. Somit ist das Bauhaus Luftfahrt bereits vor der Entwicklung eines Morphing-Systems in der Lage, Randbedin- gungen wie das maximal zulässige Systemgewicht, erforderliche geometrische Auslenkungen und deren Häufigkeiten zu analysie- ren und zu bewerten. Neben einer Primärfunktion wie der Senkung des Kraftstoffverbrauchs können darüber hinaus auch sekundäre Anwendungsmöglichkeiten des Morphing-Prinzips, wie beispiels- weise eine Reduktion von Manöverlasten, ermittelt werden. Erste Untersuchungen hat das Bauhaus Luftfahrt an einem herkömmlichen Regionalflugzeug mit 50 Sitzplätzen und einer ty- pischen Flugmission mit einer Reisefluggeschwindigkeit von Mach 0.78 durchgeführt. Durch eine kontinuierliche Optimierung der Geometrie eines Morphing-Tragflügels wurden hierbei bis zu fünf Prozent Kraftstoff gespart. Als besonders einflussreicher Freiheits- grad konnte dabei die Wölbung des Flügels identifiziert werden, gefolgt von einer Variation der Flügeltiefe und der Zuspitzung. Eine Kombination der drei Freiheitsgrade Flügelpfeilung, -spannweite und -tiefe erzielte sogar eine Einsparung von acht Prozent. Durch Synergieeffekte wird hier weitaus mehr Kraftstoff eingespart als bei einer Addition der Einsparungen bei Anpassung der jeweiligen Einzelfreiheitsgrade. Künftig wird sich das Bauhaus Luftfahrt weiter mit der De- tailanalyse vielversprechender Morphing-Konzepte und verstärkt mit den Auswirkungen von Mehrgewicht, Komplexität und uner- wünschtem Systemverhalten beschäftigen. 38 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. metrical wing degrees of freedom. This allows the simulation of continuously changing morphing structures during any flight mis- sion and their direct impact on the flight performance and flight path. Thus, Bauhaus Luftfahrt is able to analyse and assess the design constraints such as weight limitations, required geomet- ric deflections and bandwidth in advance of the development of a morphing system. In addition, secondary benefits of morphing, such as reductions in manoeuvre loads that lead to improved fuel efficiency, can be investigated. Initial studies were conducted on a generic regional aircraft with 50 passengers and a typical flight mission with a cruise speed of Mach 0.78. Here, fuel savings of up to five percent could be achieved by continuously optimising a morphing wing, for example a wing degree of freedom through airfoil camber alone. Subse- quently a further combination of the single degrees of freedom wing sweep, span and chord achieved a fuel saving of eight percent. By exploiting the synergy effects, these savings exceed the superposition of the respective single degrees of freedom. In future, Bauhaus Luftfahrt will continue to analyse in greater detail a variety of promising morphing concepts including the impact of additional weight, complexity and abnormal mode operations.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Multidisziplinärer Entwurf eines UAVs mit Kippflügeln Multidisciplinary design of a tilt-wing UAV In der aktuellen Luftfahrtforschung ist ein eindeutiger Trend hin zur Entwicklung von unbemannten Fluggeräten oder Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) zu erkennen. Eine vielversprechende, bisher nur wenig untersuchte Variante stellen senkrechtstartfähige UAVs dar, welche das Potenzial besitzen, die Vorteile von Hubschraubern mit denen von Starrflüglern zu vereinen. Denkbare Einsatzgebiete sind beispielsweise maritime Anwendungen, bei welchen UAVs auch von Schiffen ohne große Landedecks aus operieren können. Aufgrund eingeschränkter Forschungsergebnisse und Erfahrungen im Bereich der senkrechtstartfähigen UAVs besteht ein hoher Be- darf an entsprechenden Versuchsträgern und Demonstratoren, um vor allem neue Technologien im Bereich der Flugregelung, insbe- sondere der Transition, dem Übergang zwischen Schwebeflug und Vorwärtsflug, sowie der Navigation, Autonomie und Flugführung zu untersuchen. Das Bauhaus Luftfahrt untersuchte hierfür im Jahr 2009 zu- sammen mit der EADS die Entwicklung eines unbemannten senk- rechtstartfähigen Technologieträgers. Als Ausgangsbasis für den weiteren Entwurf wurde eine Tandem-Kippflügel-Konfiguration mit vier elektrisch angetriebenen Propellern ausgewählt. Vorgabe für den Entwurf war dabei ein Flugdemonstrator, welcher in der Lage sein soll, vertikal zu starten und zu landen sowie nach dem Durch- führen einer Transition in den rein aerodynamisch getragenen Horizontalflug eines Starrflüglers überzugehen. Als Mindestanfor- derung wurde eine Gesamtflugzeit von 20 Minuten inklusive einer Schwebeflugdauer von fünf Minuten gefordert. Die Abflugmasse des Flugmodells sollte dabei im Bereich von fünf bis 25 Kilogramm liegen. Das primäre Entwurfsziel war die Realisierung einer mög- lichst großen Nutzlast, welche für zusätzliche Avionik- oder sonsti- ge Einbaukomponenten beziehungsweise für zusätzliche Akkus zur Flugzeitverlängerung dienen kann. Im Zuge des Flugzeugentwurfs wurde vom Bauhaus Luftfahrt ein mathematisches Parametermodell der Konfiguration erstellt, auf dessen Basis die notwendigen Analysen zur Bestimmung ei- ner möglichst optimalen Lösung für die gegebenen Zielvorgaben und Randbedingungen durchgeführt werden konnten. Das Modell integrierte hierzu Berechnungen der Aerodynamik inklusive > In aviation more and more research is undertaken concerning the development of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). A promising, but rarely investigated sort of UAV are those capable of vertical take-off and landing (VTOL), therefore utilising the advantages of rotary-wing and fixed-wing aircraft simultaneously. Possible sce- narios for this type of aircraft could be maritime missions, where UAVs operate from ships with smaller landing decks. Due to the limited research results and missing experience in the field of VTOL UAVs, there is a growing demand for experimental vehicles and technology demonstrators in order to investigate new technolo- gies in the field of flight control, especially during transition, which constitutes the phase between hover and cruise, as well as navi- gation, autonomy and flight guidance. In 2009, Bauhaus Luftfahrt together with EADS investigated the development of an unmanned technology demonstrator capa- ble of VTOL. The preferred aircraft design was based on a tandem tilt-wing configuration with four electrically driven propellers. The overall aim was to build a flight demonstrator able to perform VTOL, and convert to the pure aerodynamic flight of a fixed wing aircraft after performing a transition phase. As a minimum require- ment, a total mission time of 20 minutes including a hover period of five minutes was demanded. The take-off mass of the vehicle was required to range between five and 25 kilograms. One goal of the aircraft design was the maximum payload, which could be used either for additional avionics or equipment, or for additional batteries allowing for an extension of mission time. As a means of performing the aircraft design process, Bau- haus Luftfahrt implemented a mathematical parametric model of the tilt-wing configuration. The model was created to perform the analysis necessary for finding the optimum solution with respect to the specified design goal and the existing constraints. The model therefore integrated a calculation of aerodynamics including pro- peller-wing interactions, the electrical propulsion system consist- ing of batteries, electrical drive and control units, aircraft mass as well as structural properties or resulting stresses. The generated comprehensive mathematical model of the aircraft was then used in a subsequent optimisation process in order to predict the > 40 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions CAD-Modell eines Kippflüglers: Das Bauhaus Luftfahrt hat ein Modell entwickelt, mit dem die optimale Ausle- gung für solche neuartigen Flugzeugkonfigurationen ermittelt werden kann. CAD visualisation of a tilt-wing aircraft: Bauhaus Luftfahrt created a model for finding the optimum solution with respect to the specified design goal and the existing constraints of this novel configuration. Flight duration (min) Nutzlast-Missionsdauer-Diagramm: Die Standard-Nutzlast von 1,8 Kilogramm erlaubt fünf Minuten Schwebeflug und 15 Minuten Streckenflug. Payload-mission-time diagram: The standard payload of 1.8 Kilograms allows for a hover of five minutes and 15 minutes of cruise flight. 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Design point 1 2 3 4 Payload (kg) 5 Cruise ﬂight Hover Continuous hover Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 41

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions available payload to be maximised. Additional calculations in- cluded the value of several geometric and physical constraints, for instance trim, stability, maximum stress levels and transition characteristics as a function of the chosen free aircraft parameters position, geometry of lifting surfaces and propellers. The result of the optimisation was a UAV with a take-off mass of 13.2 kilograms and a payload of 1.8 kilograms, which can be used for additional avionic equipment. An embedded flight con- trol system including an Integrated Navigation System (INS) was already contained as standard equipment. The propulsion system constitutes approximately 40 percent of the total weight. This high ratio is a direct result of the dimensioning for hover. The design cruise speed was selected to be 90 kilometers per hour. By us- ing the available payload for additional batteries, the total mission time could be extended from 20 to 43 minutes, including five min- utes of hover. der Interaktion zwischen Propeller und Flügel, des elektrischen Antriebssystems aus Akkus, Elektromotoren und Motorreglern, der Flugzeugmasse sowie der strukturellen Flugzeugeigenschaf- ten, beispielsweise der auftretenden Biegespannungen. Das re- sultierende mathematische Modell des Flugzeugs diente bei der anschließenden Anwendung eines Optimierungsverfahrens der Berechnung der Zielgröße „maximale Nutzlast“ sowie der zahlrei- chen geometrischen und physikalischen Randbedingungen wie zum Beispiel Trimmung, Stabilität, maximale Belastungen und Transitionsverhalten in Abhängigkeit der gewählten Flugzeugpa- rameter wie Position und Geometrie der Flügel und Propeller. Das Ergebnis der Optimierung ist ein UAV mit einer Abflug- masse von 13,2 Kilogramm, wovon 1,8 Kilogramm als Nutzlast für zusätzliche Avionikausrüstung zur Verfügung stehen können. Als Standardausrüstung ist bereits ein Flugsteuerungssystem inklu- sive eines integrierten Navigationssystems (INS) an Bord. Einen Großteil der Flugzeugmasse, circa 40 Prozent, nimmt das An- triebssystem ein, was aus der für den Schwebeflug notwendigen Dimensionierung resultiert. Die Auslegungsgeschwindigkeit im Horizontalflug beträgt 90 Stundenkilometer. Wird die Nutzlast für zusätzliche Akkus verwendet, kann die Flugzeit von 20 Minuten auf 43 Minuten gesteigert werden, jeweils unter Einberechnung eines fünfminütigen Schwebeflugs. 42 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Vergleich von Lösungen für Flugzeuge mit aktiven Hochauftriebssystemen Comparison of solutions for transport aircraft with active high-lift systems Eine Herausforderung für den Luftverkehr, sowohl in den USA als auch in Europa, sind Kapazitätsengpässe an den wichtigsten Dreh- kreuzflughäfen (Hubs). Gleichzeitig ist die Erweiterung ihrer Start- bahnen aufgrund des Widerstands von Anwohnern und limitierter Flächenverfügbarkeit oft schwierig. Eine Lösung dieses Problems sind kurzstartfähige (Short Take-Off and Landing, kurz: STOL) Ver- kehrsflugzeuge mit aktiven Hochauftriebssystemen, die vorhandene Flughafeninfrastruktur nutzen, um die Kapazität zu erhöhen. Aktive Hochauftriebssysteme blasen Triebwerksluft auf, über oder aus den Hochauftriebsklappen, um den Auftrieb zu erhöhen. Allerdings wird ein höherer Treibstoffverbrauch für solche Flugzeuge im Vergleich zu konventionell startenden Flugzeugen (Conventional Take-Off and Landing, CTOL) erwartet. Die Hauptgründe dafür sind der höhere Triebwerksschub sowie die größeren Flügel und Leitwerke. Dadurch steigen Flugzeuggewicht und Widerstand, was die erhofften Vortei- le neutralisieren oder sogar in einen Nachteil umkehren kann. Um den Treibstoffmehrverbrauch solcher Flugzeuge zu quantifizieren, hat das Bauhaus Luftfahrt eine Methode für den Konzeptentwurf und Vergleich von STOL-Transportflugzeugen mit aktiven Hochauf- triebssystemen entwickelt. Ein Kernaspekt bei entsprechenden Luftfahrzeugkonfiguratio- nen ist die Abhängigkeit zwischen Auftrieb, Geschwindigkeit und Schub während Start und Landung. Schwerpunkte der Arbeit am Bauhaus Luftfahrt waren somit die Modellierung der Triebwerksei- genschaften und die Bestimmung der aerodynamischen Beiwerte im Langsamflug. Für die Modellierung der Triebwerkseigenschaften wurden skalierbare Tabellen mit der Simulationssoftware GasTurb™ generiert. Die Basis für die Berechnung der aerodynamischen Bei- werte lieferten Windkanaldaten der NASA. Des Weiteren wurden Methoden für die Berechnung der Start- und Landebahnlänge so- wie der Langsamflugeigenschaften entwickelt, die in ein paramet- risches Modell für konventionelle Flugzeuge eingeflossen sind. Mit diesem adaptierten Modell untersuchte das Bauhaus Luft- fahrt den Einfluss der Kurzstartfähigkeit auf die Dimension und die Missionsleistungen eines Regionaljets mit Hochdeckeranordnung, vier Triebwerken und einer Entwurfsnutzlast von 110 Passagieren sowie einer Entwurfsreichweite von 1200 nautischen Meilen. > A predominant problem in the USA as well as in Europe is the imminent capacity shortage of major hub airports. Further runway extensions of airports are often difficult because of the stress ac- ceptance level of local residents and limited real estate availabil- ity. One solution to this problem are Short Take-Off and Landing (STOL) transport aircraft with blown flaps that use existing airport infrastructure for take-off and landing to increase airport capacity. Blown flaps systems use engine bleed/exhaust to blow on, over or out of the flaps to increase the lift during low-speed aircraft operation. Unfortunately, a higher fuel burn is expected for STOL aircraft compared to Conventional Take-Off and Landing (CTOL) air- craft. The main reasons for the fuel burn penalties are the engines’ higher thrust requirements and the larger wings and tails, which increase the aircraft’s weight and drag, outweighing the achieved benefits. In order to quantify the fuel burn penalty of such aircraft, Bauhaus Luftfahrt developed a method for the conceptual design and comparison of STOL transport aircraft with blown flaps. A key aspect for such aircraft is the interdependence of thrust, forward speed and aerodynamic forces during take-off and land- ing. Consequently, the focus of this work was the modelling of low- speed engine characteristics and the determination of low-speed aerodynamic coefficients. For the former, scalable engine perfor- mance tables were generated with the engine simulation software GasTurb™. The low-speed aerodynamic coefficients were calcu- lated based on available NASA wind-tunnel data. Furthermore, methods for the calculation of take-off and landing field lengths as well as low-speed control characteristics were developed. A para- metric model for conventional aircraft was adopted according to the above methods. With this adapted model, the impact of the STOL capability on the aircraft design and its overall mission performance was de- termined for a high-wing, four-engine regional jet with a design payload of 110 passengers and a design range of 1200 nautical miles. The field requirement for the CTOL reference aircraft was 1900 metres for take-off and 1450 metres for landing. Bauhaus Luftfahrt modelled STOL aircraft with Upper Surface To assess the fuel burn penalties of aircraft with blown flaps, > Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 43

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Mission Fuel Burn vs. Field Length Treibstoffverbrauch und benötigte Startstrecke (rechts): Die Analyse des Bauhaus Luftfahrt hat den Mehrverbrauch verschiedener kurzstartfähiger Flugzeugkonzepte verglichen. Fuel burn and field length (right): An analysis carried out at Bauhaus Luftfahrt compared the fuel burn penalties of different concepts utilizing blown flap systems. ) % ( y t l a n e P n r u B l e u F 200 % 180 % 160 % 140 % 120 % 100 % 80 % 60 % 40 % 20 % 0 % Externally Blown Flaps Advanced Internally Blown Flaps Internally Blown Flaps (air extraction from exhaust) Internally Blown Flaps (air extraction from bypass) Upper Surface Blown Flaps 600 700 800 900 1000 1100 Field Length (m) 44 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

Upper Surface Blown Flap Externally Blown Flap 2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Darstellung aktiver Hochauftriebssysteme mit angeblasenen Klappen: Verkürzung der benötigten Startbahnlänge, aber auch ein bis zu 106 Prozent höherer Verbrauch. Drawings of active high-lift systems with blown flaps: Reduction of the required take-off length, but fuel burn increases of up to 106 percent. Boundary Layer Control Slot Boundary Layer Control Slot Control Flap Jet Flap Exit Variable Cavity Flap Duct Blown Flaps (USB), Externally Blown Flaps (EBF), Advanced Inter- nally Blown Flaps (AIBF) and Internally Blown Flaps (IBF) using the unique low-speed engine models and low-speed aerodynamic data. Moreover, two different engine air off-take options were studied for the IBF: air extraction both from the bypass of the en- gine and from the exhaust. Each of the above aircraft was sized for different take-off and landing field length requirements, namely between 700 and 1000 metres with required climb gradients as- suming all engines operative as well as one engine inoperative. For a take-off and landing field length requirement of 1000 metres, the overall mission performance comparison (see figure) shows fuel burn penalties of 19 percent for the AIBF aircraft and 106 percent for the USB aircraft compared to a conventional refer- ence aircraft. The IBF aircraft with exhaust extraction has a fuel burn penalty of 27 percent while the same aircraft with bypass extraction consumes 31 percent more fuel than the CTOL reference aircraft. The EBF aircraft has a fuel burn penalty of 35 percent. The very high fuel burn penalty of the USB aircraft results from an ad- ditional cruise drag penalty due to the engine installation over the wings. The tradeoff between field length and fuel burn shows that with decreasing field length the fuel burn penalty increases. The method developed by Bauhaus Luftfahrt provides a possi- bility to size and assess STOL aircraft and makes a valuable contri- bution to the efforts to find the best compromise between capacity increase and environmental friendliness. Advanced Internally Blown Flap Die Bahnlängenanforderungen für die konventionelle Version be- trugen 1900 Meter für den Start und 1450 Meter für die Landung. Um demgegenüber die Eigenschaften von Flugzeugen mit Kurz- starthilfen zu ermitteln, hat das Bauhaus Luftfahrt STOL-Flugzeuge mit den aktiven Hochauftriebssystemen Upper Surface Blown Flaps (USB), Externally Blown Flaps (EBF), Advanced Internally Blown Flaps (AIBF) und Internally Blown Flaps (IBF) modelliert und dabei die spezifischen Triebwerksmodelle und aerodynamischen Da- ten verwendet. Für das IBF-System wurden zwei unterschiedliche Entnahmeoptionen der Triebwerksluft berücksichtigt, zum einen aus dem Mantelstrom, zum anderen aus dem Abgasstrahl des Triebwerks. Jedes der genannten Flugzeuge wurde für Start- und Landebahnlängenanforderungen zwischen 700 und 1000 Metern dimensioniert. Dabei wurden die Steigratenanforderungen für den Start und den Anflug, mit allen vier Triebwerken sowie bei Ausfall eines Triebwerks, berücksichtigt. Für eine Bahnlängenanforderung von 1000 Metern liegt der Treibstoffmehrverbrauch im Vergleich zum konventionellen Refe- renzflugzeug bei 19 Prozent für das Flugzeug mit AIBF und 106 Pro- zent für das Flugzeug mit USB (siehe Abbildung). Das IBF-Flugzeug mit Abgasluftentnahme hat einen Treibstoffmehrverbrauch von 27 Prozent, mit der Mantelstromentnahme sind es 31 Prozent. Mit EBF verbraucht das Flugzeug 35 Prozent mehr Kerosin. Der sehr hohe Mehrverbrauch für das USB-Flugzeug ist durch den hohen Wider- stand im Reiseflug aufgrund der Triebwerksinstallation auf der Flü- geloberseite begründet. Der Zusammenhang zwischen Bahnlänge und Treibstoffverbrauch zeigt, dass mit sinkender Bahnlänge der Treibstoffverbrauch ansteigt. Die am Bauhaus Luftfahrt entwickelte Methode bietet Flug- zeugdesignern eine Möglichkeit, kurzstartfähige Luftfahrzeuge auszulegen und zu bewerten, und leistet somit einen wertvollen Beitrag bei der Kompromissfindung zwischen Kapazitätserhöhung und Umweltverträglichkeit. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 45

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Fortschritte und Perspektiven alternativer Luftfahrt-Kraftstoffe Progress and perspectives of alternative fuels in aviation Vor dem Hintergrund des Wandels von Gesellschaft und Indust- rie hin zur Nutzung erneuerbarer Energien wird auf lange Sicht auch die Luftfahrt nicht wie bislang ausschließlich auf fossile Kraftstoffe zurückgreifen können. Der Umstieg von fossilen auf er- neuerbare Energieträger wird von drei Faktoren getrieben. Neben der endlichen Verfügbarkeit fossiler Rohstoffe und dem weltweit steigenden Mobilitätsbedarf ist der wichtigste Treiber die drin- gende Notwendigkeit, den globalen Klimawandel zu begrenzen. Kraftstoffeinsparungen alleine durch technische Lösungen, wie weiter optimierte Triebwerkskonfigurationen oder ein verbessertes Management der Flugbewegungen, werden die prognostizierten Zuwächse im Luftverkehrsaufkommen nicht dauerhaft kompensie- ren können. Die einzige Möglichkeit zur effektiven Reduktion der Emissionen liegt in der Verwendung erneuerbarer Kraftstoffe. Auf diese Weise würde der Kohlenstoffkreislauf geschlossen und die Atmosphäre nicht mit zusätzlichem Kohlenstoff aus fossilen Quel- len belastet. Die alternativen Kraftstoffoptionen für die Luftfahrt können in drei Kategorien unterteilt werden: „drop-in“-fähige Kraftstoffe, nicht „drop-in“-fähige Kraftstoffe und elektrische Energiespeicher [siehe Seite 49]. Als „drop-in“-fähige Alternativen werden Kraft- stoffe bezeichnet, die ohne Änderungen an der bestehenden Infrastruktur und den Flugzeugen eingesetzt werden können. So können beispielsweise Tanksysteme, Leitungen und Triebwerke beibehalten und es kann auf bestehende Technologien für den Transport, die Lagerung und die Betankung zurückgegriffen wer- den. In die Kategorie der nicht „drop-in“-fähigen Kraftstoffalterna- tiven fallen beispielsweise Wasserstoff, Flüssiggas und Alkohole. „Drop-in“-fähige alternative Kraftstoffe stellen zumindest kurz- bis mittelfristig die vielversprechendsten Optionen dar, da keine technischen Hindernisse bei ihrer Implementierung be- stehen und die Synthese aus einer großen Vielfalt regenerativer Rohstoffe auf etablierten Verfahrenswegen möglich ist. Mit der Nutzung von Biomasse zur Kraftstoffproduktion sind jedoch auch eine Reihe kritischer Fragen verbunden, vor allem im Hinblick > In the present context of transition within our society, industry and economy from fossil fuels to the implementation of renewable en- ergy, commercial aviation will have to contribute its share to this development. The substitution of fossil fuels by renewable energy carriers is driven by three factors: the limited availability of fossil resources, the worldwide increasing demand for mobility and, most importantly, the necessity to mitigate global climate change. As the emission reduction through increased fuel efficiency from op- timised engine configurations or improved air traffic management will be insufficient to permanently compensate for the predicted growth of the aviation sector, the only possible way to substantially and sustainably reduce aviation’s greenhouse gas emissions is the use of renewable fuels. This approach establishes a closed carbon cycle that prevents the further release of fossil carbon into the at- mosphere. Alternative fuels for aviation can be divided into three basic categories: fuels with “drop-in” capability, fuels without “drop-in” capability, and electric energy carriers [see page 49]. The denotation “drop-in” means that such fuels can be applied without adaptation of the aircraft and its systems or the fuel distribution network. The fuel can be used “as is” in current aircraft and can furthermore be stored and distributed with the existing infrastructure. In contrast, fuels without drop-in capability, such as hydrogen, liquid natural gas and alcohols, require changes to infrastructure and aircraft. On a short- and medium-term time scale, drop-in fuels repre- sent the most promising option as the technical threshold for imple- mentation is particularly low. In addition, a wide variety of biomass can be used as a feedstock for well-established drop-in fuel produc- tion pathways. Closely connected with the usage of biomass for fuel produc- tion are several critical aspects, mostly of an ecological and social nature, commonly summarised under the term “sustainability”. Ad- ditionally, the economic competitiveness of biofuels and the global availability of sustainable biomass are in the focus of research at Bauhaus Luftfahrt. > 46 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Drei Kategorien erneuerbarer Energiesysteme, die am Bauhaus Luftfahrt erforscht werden: „Drop-in“-fähige Kraftstoffe (oben) können in bestehenden Flugzeugen und mit existierender Infrastruktur verwendet werden während „non drop-in“- fähige Alternativen (Mitte) Änderungen am technischen System vorausset- zen, genauso wie vollelektrische Systeme (unten), die ebenfalls untersucht werden. Three major categories of renewable energy systems for aviation under- going research at Bauhaus Luftfahrt: Drop-in capable fuels (top) can be used in existing aircraft and with existing infrastructure while non-drop-in fuels (middle) require modifications to the technical system, as do all-electrical power systems (bottom) which are also studied. Sunlight Biomass Solar reactor Photovoltaic panel Fuel cell Battery Combustion engine/ state-of-the-art turbofan Electric engine Radiation energy H2 CO Fischer- Tropsch Radiation energy H2 Chemical energy O2 H2O Radiation energy Electrical energy CO2 CXHY Chemical energy O2 H2O “Drop-in“ fuel (Example: Biofuels) Electrical energy “Non-drop-in“ fuel (Example: Hydrogen) Electrical energy Electrical energy carrier Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 47

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions The impact of a widespread utilisation of biofuels gives rise to intense political discussions. In order to support scientifically in- formed political decisions regarding the implementation of biofu- els in aviation, the European Commission initiated a study entitled “Sustainable Way for Alternative Fuels and Energy for Aviation” (SWAFEA), a two-year project which was completed in spring 2011. The study was performed by stakeholders from all areas of aviation such as airlines, airframers, fuel producers, non-govern- mental organisations, research institutes and universities. Bau- haus Luftfahrt contributed as a member of the core team as well as a leader in several work packages, and organised two international stakeholder conferences. It transpired that the technical feasibility of the commercial deployment of alternative fuels is proven. The SWAFEA study singled out the availability of biomass and the scaling of process capacity of refineries as the critical factors. At this time, Bauhaus Luftfahrt has already made progress in independent research to assess the global bioenergy potential as well as short- and long- term alternative fuels, and to identify promising paths for research and development. auf ökologische und soziale Aspekte, die allgemein unter dem Begriff Nachhaltigkeit zusammengefasst werden können. Aber auch Fragen zur Wirtschaftlichkeit von Biokraftstoffen und deren Verfügbarkeit sind Gegenstand von Untersuchungen am Bauhaus Luftfahrt. Diese Diskussionen werden auch auf politischer Ebene in- tensiv geführt. Um eine wissenschaftliche Grundlage für zukunft- weisende politische Entscheidungen im Zusammenhang mit der Einführung von Biokraftstoffen in der Luftfahrt zu schaffen, hat die Europäische Kommission die Studie „Sustainable Way for Alter- native Fuels and Energy for Aviation“ (SWAFEA) initiiert, die nach zweijähriger Laufzeit im Frühjahr 2011 endete. Die Studie wurde unter Beteiligung von Vertretern sämtlicher Bereiche des Luftfahrt- sektors durchgeführt, darunter Fluglinien, Flugzeugbauer, Kraft- stoffproduzenten, Nichtregierungsorganisationen, Forschungs- einrichtungen und Universitäten. Das Bauhaus Luftfahrt gehörte dem Kernteam der Studie an, leitete in dieser Funktion mehrere Arbeitspakete und organisierte zwei internationale Konferenzen. Während die technische Machbarkeit bei der kommerziellen Implementierung alternativer Kraftstoffe kein prinzipielles Problem darstellt, wurden im Rahmen von SWAFEA die Verfügbarkeit von Biomasse und der Aufbau ausreichender Prozesskapazitäten in Raffinerien als kritische Faktoren identifiziert. Unabhängig davon hat das Bauhaus Luftfahrt es sich bereits zur Aufgabe gemacht, diesbezüglich das globale Bio-Energiepotenzial sowie kurz- und langfristige Kraftstoffalternativen zu bewerten und vielverspre- chende Forschungs- und Entwicklungspfade aufzuzeigen. 48 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Elektrisches Fliegen: Perspektiven für Lösungen in der kommerziellen Luftfahrt Electric flight: Perspectives of solutions for commercial aviation Das vollelektrische Flugzeug ist der radikalste Ansatz bei der Ent- wicklung einer neuen und langfristigen Energieperspektive für die Luftfahrt. Batteriebetriebene Flugzeuge bieten die größtmög- liche Flexibilität in der Wahl der Primärenergie und besitzen somit das Potenzial, die Auswirkungen der Luftfahrt auf die Umwelt zu minimieren. Das Bauhaus Luftfahrt untersucht grundlegend die Realisier- barkeit und das Innovationspotenzial des elektrischen Fliegens durch eine Bewertung von Schlüsseltechnologien elektrischer Energiesysteme und Architekturen von Hybridsystemen, die auch Brennstoffzellen oder turboelektrische Generatoren beinhalten. Obwohl es noch ein langer Weg sein wird, bevor elektrisch angetriebene Verkehrsflugzeuge in Betrieb gehen, wurde das Prin- zip des batteriebetriebenen Flugzeugs bereits am 21. Oktober 1973 erfolgreich demonstriert. Damals absolvierte ein Motorsegler vom Typ HB-3 seinen neun Minuten dauernden Erstflug mit einem elek- trischen 10-Kilowatt-Motor und 125 Kilogramm Nickel-Cadmium- Batterien. Die erhebliche Weiterentwicklung der Batteriekapazitäten er- laubt heutigen Kleinflugzeugen bereits Flugzeiten von bis zu zwei Stunden. Getrieben durch die Frage nach einer möglichen Nutzung dieser Technologien im kommerziellen Luftverkehr, erforscht das Bauhaus Luftfahrt in einem interdisziplinären Antritt Systemar- chitekturen und die möglichen Vorteile jener Technologien. Diese Aufgabe erfordert ein fundiertes physikalisches Verständnis der Wissenschaft sowie der Technologien der Energiespeicherung und -wandlung und ihrer zukünftigen Materialien. Die Realisierbarkeit des elektrischen Fliegens ist im Wesentli- chen bestimmt durch das Verhältnis der Leistung zum Gewicht des Energiesystems. Die Metriken der Realisierbarkeit und die mögli- chen Vorteile werden bestimmt durch die Exergie und Leistungs- dichte des elektrischen Energie- und Antriebssystems (siehe Seite 30). Die Exergie ist der Teil der Energie, der vollständig in Nutzar- beit umgewandelt werden kann, und bestimmt die Zeitdauer, über die das elektrische System eine gewisse Leistung abgeben kann. Im Gegensatz zum Automobil, welches auch mit geringem Leis- tungsaufwand fahren kann, müssen Systeme in der Luftfahrt > The all-electric aircraft is the most radical approach in developing a new long-term energy perspective for aviation. Battery-powered flight provides the ultimate flexibility in the choice of the primary energy and potentially minimises the environmental footprint of aviation through in-flight emissions. Bauhaus Luftfahrt investigates the feasibility and innovation potential of electric flying through the evaluation of key electric power technologies as well as hybrid system architectures, where electricity is provided by fuel cells or turbo-electric engines. Though it might be a long way before commercial airliners si- lently grace the skies powered solely by electricity, the basic prin- ciples of battery-powered aircraft were successfully demonstrated decades ago when on October 21, 1973 an HB-3 motorglider per- formed a nine-minute flight with a ten-kilowatt electric motor and 125 kilograms of nickel-cadmium batteries. Since then, the substantial enhancement in specific battery capacity has today led to demonstrated flight times of light aircraft of about two hours. Bauhaus Luftfahrt is conducting interdiscipli- nary research in order to explore the long-term feasibility, technical potential, system architectures and the possible advantages of this technology to power larger transport aircraft. This task requires a profound physical understanding of the science and technology of energy storage and conversion, and of future materials. The feasibility of electric flight is mainly determined by the performance-to-weight ratio of its energy system. The metrics for the feasibility and potential benefits are in essence the exer- gy and power densities of electric power and propulsion systems (see page 30). Exergy is the part of the energy that can be entirely transformed into useful work and determines how long a certain level of electrical power can be sustained. In contrast to automo- tive systems which can run even with a low power demand, avi- ation systems need to achieve a threshold power level in order to become airborne. In addition, for a transport aircraft to travel over a distance of 1000 kilometres, an exergy storage density of approx- imately 800 watt-hours per kilogram, that is four times the current commercial battery capacity, is required. Batteries, motors and fuel cells are therefore at the core > Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 49

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Power generation Storage Generator Fuel cell Battery Capacitor Energy collector n o i t u b i r t s i d d n a t n e m e g a n a m r e w o P Motor Motor Motor Motor Actuators Avionics Environmental control unit Cabin Anti-ice Power consumption Prop Ducted prop Counter- rotating prop Distributed props Fuel flow Mechanical power Electrical power Speciﬁc exergy in KWh/kg gas. H2 liquid H2 8x 25x 56x Density of water Hydrogen Kerosene Lithium battery (experimental) Lithium battery (commercial) Energy Exergy Energy Exergy Energy Exergy Energy Exergy 100 10 1 0.1 0.001 0.01 0.1 1 10 100 Energy density in KWh/l 50 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. Erstflug der MB-E1 (rechts): Das erste rein elektrisch betriebene Flächen- flugzeug hob bereits am 21. Oktober 1973 ab. Maiden flight of the MB-E1 (right) The first electrically powered fixed-wing aeroplane already took to the air on October 21, 1973. Architektur des Energiesystems eines Flugzeugs: Elektrische Komponenten könnten Flugzeug- bauern zahlreiche kombinatorische Möglichkei- ten eröffnen. Architecture of an aircraft’s energy system: Electric components could open up a variety of combinatorial possibilities to aircraft designers. Vergleich des Energie- und Exergieinhalts verschiedener Energieträger: Neueste technologische Entwicklungen legen nahe, dass die Technologielücke zwischen Bat- terien und Kerosin vom Faktor 56 (basierend auf der Energie) auf den Faktor 25 oder sogar den Faktor acht (basierend auf der Exergie) reduziert werden könnte, wodurch elektrisches Fliegen auch für Transportmissionen realisierbar würde. Comparison of energy and exergy content of various energy carriers: Latest technological developments suggest that the gap between battery- and kerosene-powe- red systems might be reduced from 56 (based on energy) to a factor of 25 or even 8 (based on exergy), which brings electric flight into the realm of realisation for transport missions.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions of Bauhaus Luftfahrt’s electric flight research. The “gap” in perfor- mance between today’s battery technologies and kerosene-fuelled propulsion systems is significantly reduced by recent nanostruc- tured electrode material developments for lithium batteries. These step-change advancements in nanotechnology and material sci- ence bring electric flight closer to realization than generally assu- med . Likewise, developments in fuel cells, electric motors and gen- erators are observed by the Bauhaus Luftfahrt future technology radar. The physical possibility of high-temperature superconduc- ting electric motors and generators to achieve specific powers well above 15 kilowatts per kilogram shows that superconducting de- vices have the theoretical potential to outperform turbo-engines. Research in components and system architectures for the all- electric aircraft also provides new degrees of freedom in system design such as distributed propulsion. In essence, electric flight unravels new perspectives in efficiency gains, agility, mainte- nance benefits and noise reduction for a variety of future aircraft concepts. eine Mindestleistung zur Verfügung stellen, damit das Flugzeug abheben kann. Des Weiteren werden für ein Transportflugzeug, das 1.000 Kilometer weit fliegen soll, circa 800 Wattstunden pro Kilogramm an Exergiedichte der Batterien benötigt. Das ist circa das Vierfache heutiger kommerzieller Batterien. Batterien, Motoren und Brennstoffzellen sind daher im Fokus der Untersuchungen zum elektrischen Fliegen im Bauhaus Luft- fahrt. Die Leistungs-„Lücke“ zwischen heutigen Batterie-Technolo- gien und mit Kerosin betriebenen Antriebssystemen könnte durch kürzlich vorgestellte nanostrukturierte Elektrodenmaterialien für Lithiumbatterien wesentlich verringert werden. Dieser sprung- hafte Fortschritt in der Nanotechnologie und der Materialwissen- schaft bringt elektrisches Fliegen bereits näher an die Realität als allgemein angenommen wird. Die physikalische Möglichkeit von Hochtemperatur-supralei- tenden elektrischen Motoren und Generatoren, spezifische Leis- tungen deutlich über 15 Kilowatt pro Kilogramm zu erreichen, zeigt, dass supraleitende Maschinen theoretisch das Potenzial haben, Turbinentriebwerke zu übertreffen. Komponenten und Systemarchitekturen für das vollelektrische Flugzeug eröffnen dazu neue Möglichkeiten im Flugzeugentwurf, wie zum Beispiel die Integration verteilter Antriebssysteme. Im Wesentlichen bietet elektrisches Fliegen neue Perspektiven der Effizienzsteigerung sowie der Agilität und zudem Vorteile bei der Wartung und Lärmreduzierung von zukünftigen Flugzeug- konzepten. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 51

Die Ideen der Menschen effektiv nutzen Effectively using people’s ideas Dr. Gernot Stenz „Neue Wege“ im Wissensmanagement “New Ways” in Knowledge Management Sehr geehrte Damen und Herren, die Verbreitung und Nutzung von Wissen ist von besonderer Bedeutung in der Luftfahrtindustrie. Die langen Entwicklungs- und Betriebsphasen des Produktes „Flugzeug“ erfordern be- sondere Anstrengungen, um Wissen zu sammeln und dauer- haft nutzbar zu machen. Auf dem Gebiet des Wissensmanagements beschreitet das Bauhaus Luftfahrt „neue Wege“ im Bezug auf die sozialen Randbedingungen und die Implikationen von Methoden, Pro- zessen und Technologien. Im Mittelpunkt stehen dabei neue Konzepte, die eine Zusammenarbeit von Menschen ermögli- chen oder erleichtern. Dabei kann es sich um aktuelle Trends der Informationstechnik wie Web-2.0-Anwendungen oder „Crowd Sourcing“ handeln, aber auch um Fragestellungen aus dem Luftfahrtsektor, wie der konsistenten Integration von an verschiedenen Orten erstellten Flugzeugentwürfen. Einer unserer „neuen Wege“ ist die Anwendung von „Open Source“, um Softwareprojekte in der Luftfahrtbran- che dezentral und kollaborativ durchzuführen. Die freie Ver- fügbarkeit aller Bestandteile eines Programms ermöglicht es Entwicklern wie Anwendern, ihre Unabhängigkeit zu be- wahren, ein effektives Qualitäts- und Änderungsmanagement zu betreiben, die Kosten zu senken und die Software an ihre Bedürfnisse anzupassen. Das Wissensmanagement bedient sich dieses Konzepts, um eine freie Kommunikations- und Austauschplattform für den Flugzeugentwurf zu entwickeln. Das Ziel des Bauhaus Luftfahrt ist es, Antworten auf die Fragen zu ﬁnden, die sich dem Luftverkehr in den kommenden Jahrzehnten stellen werden. Über das Wissensmanagement ebnet die Informatik dabei „neue Wege“ zur effektiven Nut- zung der dabei gesammelten Informationen. Ihr / Your Dr. Gernot Stenz Leiter Wissensmanagement / Head of Knowledge Management Dear Sir or Madam, The dissemination and use of knowledge is of particular importance to the aeronautics industry. The long periods of development and operation of an aircraft product require spe- cial efforts in order to collect knowledge and make it usable on a sustained basis. In knowledge management, Bauhaus Luftfahrt is break- ing new ground regarding the social context and the impli- cations of new methods, processes and technologies. New concepts that enable and foster human collaboration are taking the centre stage here. These may be new trends in information technology such as Web 2.0 applications or “crowdsourcing”, or they may also arise from questions of the aeronautics sector such as the consistent integration of distributed aircraft developments. One of our “New Ways” is the application of “open- source” to the aeronautics sector in order to implement soft- ware projects in a decentralised and cooperative manner. The free accessibility of all elements of a software product enables programmers and users to maintain their autonomy, enforce an effective quality and change management, lower costs and adapt software to their speciﬁc needs. Bauhaus Luftfahrt utilises this concept in order to develop a free com- munication and exchange platform for conceptual aircraft design. It is the aim of Bauhaus Luftfahrt to ﬁnd answers for questions regarding aeronautics that will arise in the coming decades. Through knowledge management, informatics pave “New Ways” for the effective use of information gathered in this process. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 55

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Informationsmärkte und Ideenbörsen Information aggregation markets Zu den Aufgaben des Bauhaus Luftfahrt gehören die kontinuierli- che Erfassung, Bewertung und Klassifizierung von neuen Konzep- ten und Technologien für die Luftfahrt. Heutzutage werden solche Aufgaben meist von einzelnen Experten oder kleinen Gremien wahrgenommen. Mit den kollaborativen Möglichkeiten, welche die Web-2.0-Technologien auch für Unternehmen bieten, rückt je- doch auch eine größere Teilnehmerschaft in den Fokus. Bisher wurden für solche kollaborativen Arbeiten hauptsäch- lich Wikis, Blogs oder soziale Netzwerke herangezogen. In letzter Zeit gewinnen sogenannte „Information Aggregation Markets“ zur kollaborativen Bewertung und Klassifizierung von Themen an Bedeutung. Bei diesen virtuellen Börsen handeln die Teilnehmer Aktien zu bestimmten, teils selbst definierten Themen oder Ideen. Die aus dem Handel resultierenden hohen Preise werden dabei als Zustimmung oder Einigkeit in Bezug auf die jeweiligen Vorschläge interpretiert und entsprechend niedrige Preise als fehlende Zu- stimmung oder Uneinigkeit. Das Bauhaus Luftfahrt untersucht diesen Ansatz hinsichtlich der Bewertung von neuen Ideen und zukünftigen Konzepten. Bei einer ersten Studie innerhalb des EU-Projekts CREATE haben die Workshop-Teilnehmer ihre Konzeptideen bereits durch einen sol- chen Aktienhandel bewertet. Der Einsatz von Marktmechanismen bietet einige Vorteile. Meinungen können intuitiv gesammelt werden, das Ergebnis wird durch einen einzelnen Wert repräsentiert und verschiedene Per- spektiven erfahren eine gleichberechtigte Berücksichtigung. Die Sammlung von Informationen erfolgt zudem kontinuierlich, zeitnah und in einem breiten Spektrum. Somit schafft der Marktmechanis- mus einen hohen Teilnahmeanreiz und zeigt eine gute Skalierbar- keit und Effizienz. The continuous evaluation, assessment and ranking of new con- cepts and technologies for aeronautics are among the core tasks of Bauhaus Luftfahrt. Nowadays these are typically performed by single experts or small committees. With the advent of collabora- tive technologies of the Web 2.0 era and their corporate adoption, greater participation in these tasks has become possible. Typically wikis, blogs or social networks are associated with such approaches as they allow for the collaborative creating and sharing of information. Among Web 2.0 technologies, information aggregation markets have recently gained interest for their ability to collaboratively assess and rank topics or ideas. Basically these virtual stock markets allow participants to trade shares in various, often user-generated topics. High stock prices are interpreted as a strong consent for the respective topic or idea whereas low prices indicate rejection or dissent. Bauhaus Luftfahrt investigates this approach for its potential of assessing new ideas and concepts for the future of mobility. In a first study conducted within the European Union-funded project CREATE, workshop participants have already ranked their ideas for the future of air transport by trading shares of the individual ideas. Such a market approach provides several benefits. Subjective opinions can be aggregated by an intuitive mechanism, whose result is represented by a single value. Multiple perspectives are equally incorporated through the “market” approach. Moreover, the aggregation of information is carried out continuously and in real-time as well as in a broad spectrum. Consequently, the market mechanism provides incentives for information contribution in line with good scalability and efficiency. 56 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

3 Methoden und Prozesse Methods and processes CREATE – Förderung innovativer Ideen für die Luftfahrt Europas CREATE – Facilitating innovative ideas for European aeronautics Die Realisierung von systemübergreifenden Innovationen in der Luftfahrt gestaltet sich zunehmend schwieriger. Hierzu tragen Faktoren wie hohe Entwicklungs- und Zertifizierungskosten sowie jahrzehntelange Produktlebenszyklen bei. Um den Herausforde- rungen an die europäische Luftfahrt jenseits des Jahres 2040 be- gegnen zu können, hat sich das Bauhaus Luftfahrt seit Ende 2008 am zweijährigen Projekt CREATE (CREating innovative Air transport Technologies for Europe) beteiligt. In diesem von der Europäischen Kommission in Auftrag gege- benen Projekt haben die Wissenschaftler einen Prozess entworfen und getestet, der dazu dienen soll, die Entwicklung und Erfassung von innovativen Ideen, Know-how und Technologien anzuregen sowie grundlegende Fortschritte in der Luftfahrt in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts zu ermöglichen. Die Abschätzung des zukünftigen Nutzens von Ideen für neue und umfassende Luftfahrt- systeme ist speziell mit dem anvisierten langen Zeithorizont sehr schwierig. Gleichzeitig ist klar, dass es nur ein sehr kleiner Teil die- ser Ideen von der Konzept- zur Realisierungsphase schaffen wird. Deshalb entwickelte das Bauhaus Luftfahrt für den mehrstu- figen CREATE-Prozess verschiedene Elemente, um neue Ideen zu generieren, sie in einem weiteren Schritt nach einer Reihe von Kriterien zu bewerten und zu selektieren und schließlich die erfolg- versprechendsten davon in einer sogenannten Inkubationsphase ohne kommerziellen Druck auf ihre Realisierbarkeit hin zu über- prüfen. Die Empfehlung zur Einführung von entsprechenden För- dermechanismen wird voraussichtlich im Rahmen der kommenden EU-Forschungsprogramme umgesetzt. The realisation of multi-system innovation in the aeronautics sec- tor is becoming increasingly difficult. This is caused by a number of factors such as high development and certification costs or product life cycles spanning several decades. In order to be able to meet the challenges within European aviation beyond the year 2040, Bauhaus Luftfahrt has actively participated in the two- year CREATE (CREating innovative Air transport Technologies for Europe) project. Within this project, launched by the European Commission at the end of 2008, the scientists designed and demonstrated a process to stimulate the development and the capture of innova- tive ideas, know-how and technologies to enable step changes in air transport in the second half of this century. The assessment of the potential benefit of new ideas for comprehensive air trans- port systems is very difficult, in particular with the long time frame envisaged in mind. At the same time it is clear that only a small fraction of these ideas will make it beyond concept phase and into the realisation phase. Bauhaus Luftfahrt has therefore developed different elements for the multi-stage CREATE process. First, one for generating new ideas, followed by another one for assessing and down-selecting the ideas in a further step according to a given set of criteria. And finally, for testing the most promising ideas in a so-called incu- bation phase, protected from commercial pressures, with respect to their realisation potential. The recommendation to introduce respective aid mechanisms is expected to be implemented in upcoming research programmes of the European Union. 58 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

Individuals Enterprises Creative workshop Idea portal Expand Combine Develop Review Submissions that comply with the assessment criteria Submissions that are accepted as suitable for incubation on a ranked list Assessment panels Independent experts Incubation Incubation contractor Independent experts associated with the portal Enterprises Mehrstufiger CREATE-Prozess: Das Bauhaus Luftfahrt hat mehrere Elemente zur Gewinnung neuer Ideen, beispielsweise für zukünftige Flugzeugkonzepte, beigetragen. The multi-staged CREATE process: Bauhaus Luftfahrt contributed several elements to the generation of ideas, for instance of novel aircraft concepts. 3 Methoden und Prozesse Methods and processes Structured phase Creative phase The originators Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 59

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Modellintegration im Flugzeugentwurf Model integration in aircraft design Der Entwurfsprozess von Flugzeugen wird frühzeitig in verschie- dene Disziplinen wie beispielsweise Aerodynamik oder Struktur- mechanik aufgeteilt. Dabei wird auch ein zunächst einheitliches Modell in mehrere Modelle aufgespalten. Für den Erfolg dieses Entwicklungsprozesses ist es entschei- dend, dass diese Modelle nicht erst am Ende zu einem konsisten- ten Ergebnis zusammengeführt werden. Auch während des Pro- zesses besteht die Notwendigkeit, die unterschiedlichen Modelle konsistent zu halten und eine gegenseitige Interaktion der Diszip- linen zu ermöglichen. Im Forschungsbereich Modellintegration sucht das Bauhaus Luftfahrt nach Möglichkeiten, diesen Anforderungen zu begegnen und dabei den Automatisierungsgrad zu erhöhen. In einem ersten Schritt soll dabei die Entwicklung eines Metamodells die Trans- formation von verschiedenartigen Flugzeugmodellen in eine ein- heitliche Repräsentation und dadurch einen effizienten Abgleich ermöglichen. Ein erster Vorschlag des Bauhaus Luftfahrt für ein solches Metamodell wurde beim International Council of the Aeronauti- cal Sciences (ICAS) 2010 einem luftfahrtorientierten Fachpublikum präsentiert. Im nächsten Schritt entwickelt das Bauhaus Luftfahrt nun eine Methodik, um Modelltransformationen effizienter generieren zu können. Diese sollen vorhandene Daten in eine durch das Meta- modell vorgegebene Struktur übersetzen. Eine große Herausforde- rung stellt dabei die automatische Erfassung von Bedeutung und Kontext der einzelnen Modelldaten dar. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Entwicklung des Conceptual Design Tool (CDT) ein und werden dort auch an realen Daten aus dem Konzeptentwurf von Flugzeugen erprobt. CDT dient damit in diesem Forschungsbereich auch als Plattform, um Tech- nologien evaluieren und Demonstratoren realisieren zu können. Early in the process, the design of aircraft is split into different groups representing numerous disciplines, for example aerody- namics or structural mechanics. Thereby, an initially all-comprising model is subdivided into several models specific to the respective disciplines. It is critical for the success of such a development process to synchronise these different models frequently before the end of the project to keep the models consistent and to allow for inter- action between disciplines. The goal of Bauhaus Luftfahrt’s model integration project is to investigate methods and tools which have the potential to meet these challenges and at the same time in- crease the automation of model integration. A first step was the development of a metamodel which ena- bles the integration of different conceptual aircraft models into a unified representation in order to match them efficiently. A pro- posal by Bauhaus Luftfahrt for such a metamodel was presented to an aviation expert audience at the International Council of the Aeronautical Sciences (ICAS) 2010 conference. Model transformations translating existing aircraft models into the aforementioned structure will be the focus of upcoming research at Bauhaus Luftfahrt. Currently, a methodology is devel- oped which should eventually make the generation of such model transformations more efficient. The automated inference of se- mantics and context of model data is seen as a big challenge here. The knowledge obtained during this research is incorporated into the development of the Conceptual Design Tool (CDT). On the one hand, CDT allows the testing of Bauhaus Luftfahrt’s approach us- ing real data, while on the other hand it serves as a platform to evaluate specific technologies and realise demonstrators. 60 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

3 Methoden und Prozesse Methods and processes CDT – Open-Source-Werkzeug für den Flugzeugentwurf CDT – An open-source tool for conceptual aircraft design Open Source, die freie Zugänglichkeit einer Software in all ihren Aspekten, ist ein alternatives Konzept für die Entwicklung von Softwarewerkzeugen. Die Anwendung dieses für den Luftfahrt- bereich neuartigen Prinzips erprobt das Bauhaus Luftfahrt mit dem Conceptual Design Tool (CDT), einem selbst entworfenen und entwickelten Werkzeug für die grundsätzliche Auslegung von Luft- fahrzeugen. CDT soll vielen Gruppen von Anwendern eine Basis für den konzeptionellen Flugzeugentwurf bieten. Es wird für alle Interes- senten frei verfügbar sein und sich für den Austausch von Infor- mationen zwischen verschiedenen Anwendergruppen wie indus- triellen und akademischen Nutzern anbieten, da es eine Trennung von frei verfügbarem und wettbewerbsrelevantem Wissen erlaubt. Ziel dieses Werkzeugs ist deswegen nicht nur eine bessere Qualität, einfachere Wartung und größere Anpassungsfähigkeit, sondern auch eine weitere Verbreitung auf Grund der Open- Source -Natur von CDT. Zu diesem Zweck verfolgt das Bauhaus Luftfahrt den Ansatz einer aktiven Nutzergemeinschaft, um nicht nur Anwender, sondern auch aktive Teilhaber an dem Werkzeug zu gewinnen. Denn ein Open-Source-Projekt kann nur funktionieren, wenn es gelingt, über die eigentlichen Entwickler hinaus Men- schen zu gewinnen, die in der Software für sich einen deutlichen Nutzen erkennen und sie deswegen nicht nur anwenden, sondern auch aktiv verbessern, erweitern und ihre Änderungen mit der Anwendergemeinschaft teilen. Um eine möglichst reibungslose Zusammenarbeit aller Nutzer zu ermöglichen, befasst sich das Bauhaus Luftfahrt nicht nur mit den technischen Fragen, sondern auch mit den Aspekten von Li- zenzen, Nutzungsrechten und Haftung. Die Veröffentlichung von CDT unter einer Open-Source-Lizenz ist für Ende 2011 geplant. Open source, the free availability of software in all its different aspects, is an alternative concept for the development of software. The application of this principle, which is novel to the aeronautics domain, is studied at Bauhaus Luftfahrt by means of designing and developing the CDT (Conceptual Design Tool) software. CDT is intended to provide a basis for the conceptual design of aircraft to a variety of users. It will be freely available to all po- tential users and will lend itself to the exchange of information between different user groups such as industry and academia as it will allow for the separation between public domain and competi- tive knowledge. This tool is not merely aimed at achieving better quality, main- tainability and adaptability; due to its open-source nature it should also facilitate its widespread dissemination. In order to achieve this goal Bauhaus Luftfahrt is pursuing a community approach that is aimed at attracting not only simple users but also active participators in the tool evolution. An open-source project can only succeed if it manages to attract people beyond the initial circle of developers, who do see a significant benefit in the software and therefore not only apply it but also improve and extend it and share their changes with the rest of the user community. In order to facilitate a smooth cooperation in such a user com- munity, Bauhaus Luftfahrt will not only deal with technical ques- tions but also with aspects of licensing, usage rights and liability. The publication of CDT under an open-source license is planned for the end of 2011. 62 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Passive users Active users Co-developer Initiator Release coordinator Core developer Open-Source-Ansatz: Ziel des Bauhaus Luftfahrt ist es, eine möglichst große Anwendergemeinschaft für die CDT- Software zu gewinnen. Open-source approach: The goal of Bauhaus Luftfahrt is the establish- ment of a sizable user community for the CDT software. Benutzeroberfläche des CDT-Systems: Das leicht zu bedienende Werkzeug erleichtert die konzeptionelle Auslegung von zukünftigen Luftfahrzeugen. Graphical user interface of the CDT software: The easy-to-use tool simplifies the conceptual design of future aircraft concepts. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 63

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Szenariomethodik und komplexe Systeme Scenario methodology and complex systems Die zukünftige Luftfahrt wird von einer enormen Zahl an Einfluss- faktoren bestimmt. Um alle relevanten Wirkungen auf zukünftige Entwicklungen treffend analysieren zu können, entwickelt das Bauhaus Luftfahrt Prozesse, welche die Zusammenhänge in einem komplexen System beschreibbar machen. Dazu gehören soge- nannte Szenarioprozesse. Darin werden in der Regel zehn bis 20 verschiedene Einfluss- faktoren zu Szenarien gebündelt, die mögliche Wege in der Zu- kunft aufzeigen. Die Prozesse haben meist einen globalen Fokus und dienen dem Zweck, mögliche Ausprägungen der Zukunft de- tailliert zu beschreiben und aussagekräftig zu bewerten. Um dies zu erreichen, wurde am Bauhaus Luftfahrt ein Ansatz entwickelt, der die grundlegenden Elemente eines Szenarioprozes- ses mit Methoden des matrixbasierten Komplexitätsmanagements kombiniert (siehe Grafik). Für komplexere Systeme mit mehr als 20 relevanten Variablen kann die Standard-Szenariotechnik zudem auch erweitert werden, beispielsweise durch das Einfügen einer Zwischenstufe zur Reduktion auf logisch notwendige Verbindun- gen. Dies wiederum kann die darauf folgende Wechselwirkungs- analyse zwischen einzelnen Variablen erleichtern. Die Anwendbarkeit dieses Ansatzes konnte vom Bauhaus Luftfahrt im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekts „Verbesserung der Sicherheit von Verkehrsinfrastrukturen“ (SiVe) bereits demonstriert werden. Hier wurden 145 Elemente möglicher Bedrohungen an Flughäfen so miteinander verknüpft, dass plausible Bedrohungsszenarien sys- tematisch gebildet werden können. Da die Elemente zusätzlich mit 68 Schutzaktivitäten und -technologien des Flughafens vernetzt sind, können potenziell wirksame Mechanismen für jedes gebil- dete Bedrohungsszenario bestimmt werden. Die Methodik trägt somit dazu bei, die Flughafensicherheit besser auf mögliche zu- künftige Bedrohungslagen ausrichten zu können. The future of aviation is strongly influenced by an enormous num- ber of factors. To accurately analyse the impact of all relevant fac- tors on future developments in air transport, Bauhaus Luftfahrt is developing advanced processes that despite the enormous system complexity make important interrelations describable. One of these is known as scenario processes. In a standard scenario process ten to twenty variables are bun- dled to form different scenarios. The latter often have a rather global focus and help to better describe possible future developments which can be analysed according to particular fields of interest. To be able to benefit from insights based on future scenarios also when dealing with complex systems, Bauhaus Luftfahrt has developed an approach combining basic scenario techniques with methods from matrix-based complexity management (see graph- ic). To allow for the assessment of complex systems with a larger set of relevant variables, the standard scenario process can be enhanced. For example, an intermediate step can be introduced to reduce the number of connections to be specified in the cross- impact analysis to logically necessary direct relations, allowing for an easier interaction analysis. The general applicability of the approach has already been demonstrated by Bauhaus Luftfahrt in the context of the research project for the improvement of transport infrastructure security (“Verbesserung der Sicherheit von Verkehrsinfrastrukturen”, ab- breviated to SiVe), funded by the German Federal Ministry of Edu- cation and Research. In this project 145 elements of airport threat scenarios were interlinked in a way that plausible scenarios could be derived systematically. These threat elements were furthermore connected with 68 airport security activities and technologies, thus allowing specific security measures to be derived for each assembled threat. Consequently, the developed methodology con- tributes to a proactive planning of airport security measures as possible future threats can be anticipated. 64 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Standard scenario process 1 2 3 4 5 Environmental scanning Selection of elements Cross-impact analysis Exploring possible futures Strategic choice Enhanced scenario process Element level Domain level Reduction of connections Scenario builder Analysis of data set Szenarioprozess: Durch seine Expertise im Komplexitätsmanage- ment kann das Bauhaus Luftfahrt auch sehr umfangreiche Luftfahrtszenarien beschreibbar machen. Scenario process: Based on its expertise in complexity manage- ment, Bauhaus Luftfahrt makes even compre- hensive aviation scenarios describable. Sicherheitskontrolle am Flughafen: Die vom Bauhaus Luftfahrt entwickelte Szenariomethodik wurde bereits im Projekt „Verbesserung der Sicherheit von Verkehrs- infrastrukturen“ (SiVe) demonstriert. Airport security check: Bauhaus Luftfahrt’s scenario methods have already been demonstrated in a project for the improvement of transport infrastructure security (SiVe). Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 65

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Analyse zur Wettbewerbs- fähigkeit der europäischen Luftfahrtindustrie Study on the competitiveness of the European aviation industry Im Auftrag der Europäischen Kommission hat das Bauhaus Luft- fahrt im Jahr 2009 in Zusammenarbeit mit vier internationalen Forschungsinstituten eine Studie zur Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Luftfahrtindustrie erstellt. Diese für die Generaldi- rektion „Unternehmen und Industrie“ verfasste Studie liefert einen umfassenden Überblick über die zivile Luftfahrtindustrie mit ihren wichtigsten Teilsektoren aus europäischer Sicht. Quantitative und qualitative Analysen beleuchteten darin die Stärken und Schwächen der Luftfahrtindustrie ausgewählter euro- päischer Länder, wobei neben den geltenden Rahmenbedingun- gen auch die Kompetenzfelder der einzelnen Staaten dargestellt wurden. Weiterhin wurden wichtige Geschäfts- und Technologie- felder beschrieben – sowohl was den aktuellen Stand der Technik als auch die internationalen Wettbewerbs- und Marktverhältnisse im jeweiligen Bereich betrifft. Trotz des europäischen Fokus be- stand somit auch ein wichtiger Teil der Studie aus einem inter- nationalen Vergleich der wichtigsten Luftfahrtnationen. Darüber hinaus wurden die in Europa geltenden Rahmen- bedingungen kritisch untersucht, beispielsweise nationale und europäische Forschungsförderprogramme sowie Erfolge und Hin- dernisse im Bereich der innereuropäischen Koordination und Spe- zialisierung. Methodisch wurde neben der quantitativen Auswertung inter- nationaler Datenbanken (Eurostat, Verbandsdaten, UN Comtrade, Amadeus) verstärkt mit strukturierten Experteninterviews gear- beitet, die viele der qualitativen Informationen zu Tage gebracht haben. Quantitative and qualitative analyses highlighted Together with four international research institutes, Bauhaus Luft- fahrt in 2009 carried out a study on the competitiveness of the European aviation industry on behalf of the European Commission. The study, which was produced for the Directorate-General for En- terprise and Industry, provides a comprehensive overview of the civil aviation industry and its key sectors from a European perspec- tive. the strengths and weaknesses of the aviation industry of selected European countries. The analysis included the country’s current framework conditions as well as its respective fields of compe- tence. Furthermore, important business and technology areas were described in terms of the current state of the technology and of the international competitive situation in this field. Therefore, an important part of the study comprised, despite the European focus, an international comparison of the dominating aviation countries. In addition, the current framework conditions that apply in Eu- rope were critically assessed, for example national and European research funding programmes as well as success and failure in intra-European coordination and specialisation. From a methodical perspective quantitative analyses were pursued on the basis of international databases (Eurostat, data from industry associations, UN Comtrade, Amadeus), whereas the qualitative assessment strongly relied on structured expert inter- views. Weiterführende Informationen zur Studie finden sich im Internet unter: http://ec.europa.eu/enterprise/sectors/aerospace/documents/index_de.htm Further information regarding the competitiveness study is available online: http://ec.europa.eu/enterprise/sectors/aerospace/documents/index_en.htm 66 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Stärken und Schwächen: Die Analysen des Bauhaus Luftfahrt umfassten eine Vielzahl unterschiedlicher Marktsegmente der Europäischen Luftfahrtindustrie, vom Flugzeug- und Triebwerksbau bis hin zu technischen Dienstleistungen. Strengths and weaknesses: The analyses of Bauhaus Luftfahrt comprised numerous different sectors of the European aviation industry, from aircraft and engine manufacturing to technical services. Indicator / Subsector Large civil aircraft Regional aircraft Business / General aviation Helicopters Engines Market Situation Duopoly Two dominant players plus smaller ones Numerous manufac- turers Dominant European and US players Development Regional suppliers enter the market, China/Russia build A320/737 compe- titors Japan, Russia and China enter the market Current decline offers potential for consolidation Ongoing trend growth due to lower dependency on civil market Three dominant OEMs and two dominant alliances for large civil aircraft engines Strong cooperation as potential problem for antitrust authorities, counter-movement: dissent about future technology inside IAE Maintenance, repair and overhaul Many independent and dependent players Tougher environ- mental schemes may foster the fleet renewal which harms the MRO business European aviation industry Gained market sha- res, balance to USA, common challenges Small player, conven- tional technology Few small players Civil market leader, technology leader Two large OEMs are in both relevant alliances Strong European position Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 67

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Vergleich von fortschrittlichen Antriebssystemkonzepten Comparison of advanced propulsion system concepts Bei der Erfüllung der Selbstverpflichtung der Luftfahrt, die Emis- sionen von zukünftigen Verkehrsflugzeugen sowie den Lärmpegel in der Umgebung von Flughäfen signifikant zu reduzieren, werden fortschrittliche Antriebssysteme eine entscheidende Rolle spie- len. Die Bandbreite vielversprechender Triebwerksarchitekturen reicht von ummantelten bis hin zu offenen Bauweisen, wobei die Schuberzeuger sowohl einfach als auch gegenläufig rotieren und entweder direkt oder durch ein Getriebe untersetzt angetrieben werden. Zur ganzheitlichen, konzeptionellen Auslegung solcher zu- künftigen Flugzeugantriebssysteme wurde am Bauhaus Luftfahrt eine neue, vollintegrierte Software entwickelt. Eng abgestimmt mit der Auslegung des gesamten Luftfahrzeugs erlauben die hierin ein- gebundenen parametrischen Modelle extrem schnelle, integrierte Leistungsanalysen auf Flugzeugebene. Hierdurch können die For- scher am Bauhaus Luftfahrt umgehend wesentliche Trends erken- nen und wichtige Aussagen ableiten. Für typische Anforderungen an Kurz- bis Mittelstrecken- flugzeuge unter der Annahme einer Auslegungsreichweite von 2.000 nautischen Meilen (3.704 Kilometer) sowie von Reiseflug- geschwindigkeiten zwischen Mach 0,70 und 0,80 bei 35.000 Fuß (10.700 Meter) Flughöhe zeigen erste Untersuchungen, dass die CO2-Emissionen von Flugzeugen mit Propeller-Antrieb („Open Ro- tor“) etwa sechs bis zehn Prozent niedriger liegen als bei konven- tionellen Turbofan-Triebwerken auf identischem technologischen Niveau. Die Ergebnisse aus der ganzheitlichen Optimierung der untersuchten, von einem Turbofan angetriebenen Flugzeuge ha- ben ergeben, dass das optimale Nebenstromverhältnis für die Machzahlen 0.7 und 0.8 bei 13 beziehungsweise 10 liegt. Zukünf- tige Arbeiten des Bereichs Visionäre Flugzeugkonzepte auf diesem Gebiet zielen auf die weitere Verfeinerung der Modelle zur Sys- temabbildung ab. Damit können zukünftig weitere, detailliertere Luftfahrtsystemuntersuchungen durchgeführt werden. In an effort to significantly reduce both the emissions footprint of future aircraft and the noise level around airports, advanced pro- pulsion systems will play a crucial role. Potential technical solu- tions for efficient engine architectures can be based upon ducted or unducted, single or contra-rotating, and geared or directly-driv- en propulsor concepts or any combination of those. To optimise the design of future propulsion systems, novel, fully integrated com- puter-aided engineering software has been developed within the Bauhaus Luftfahrt Visionary Aircraft Concepts (VAC) group. Unique features of this tool are parametric design and performance mod- els specifically targeted for the analysis of advanced propulsion system concepts. These expert propulsion models were merged with a comprehensive aircraft design and integrated vehicle per- formance model, thus enabling the researchers at Bauhaus Luft- fahrt VAC to make rapid trend statements through an extremely fast-responding simulation capability. For typical short- to medium-range aircraft requirements, as- suming a design range of up to 2,000 nautical miles and a speed range of Mach number 0.7 to 0.8 at 35,000 feet, first simulations determined the CO2 emissions of open rotor powered aircraft de- signs to be approximately six to ten percent below those of tech- nologically corresponding direct-drive turbofan designs. When observing optimisation results for the turbofan powered aircraft designs, constrained optimum bypass ratios were found to be 13 and 10 for design Mach numbers 0.7 and 0.8, respectively. Future work of the VAC group aims to address further sophistication in system mapping quality, yielding more detailed multidisciplinary air transport system designs. 68 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Turbofan reference aircraft configuration Turbofan reference aircraft configuration Aerodynamic design point conditions: Mach = 0.8 Altitude = 35,000 ft Bypass ratio = 10 Fan stage loading = 0.8 Landing and take-off conditions: Take-off ﬁeld length = 2,000 m Landing ﬁeld length = 1,900 m Take-off ﬁeld length = 2,000 m Airport altitude = Sea level Landing ﬁeld length = 1,900 m Open rotor reference aircraft configuration Open rotor reference aircraft configuration Aerodynamic design point conditions: Propeller tip speed = 244 m/s Mach = 0.8 Propeller power loading = 400 kW/m² Altitude = 35,000 ft Propeller tip speed = 244 m/s Propeller power loading = 400 kW/m² Take-off ﬁeld length = 2,000 m Landing ﬁeld length = 1,900 m Landing and take-off conditions: Take-off ﬁeld length = 2,000 m Landing ﬁeld length = 1,900 m Airport altitude = Sea level Grafik der untersuchten Flugzeug- auslegungen: Durch schnelle Simulationen kann das Bauhaus Luftfahrt in kürzester Zeit Aussagen zu Trends ableiten. Visualisation of the investigated aircraft configuration types: The fast-responding simulation capability ena- bles Bauhaus Luftfahrt to quickly derive trend statements. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 69

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Vergleich von revolutionären Antriebstechnologien auf Flugzeugsystemebene Comparison of revolutionary propulsion concepts at the aircraft system level Die Effizienzsteigerung von Verkehrsflugzeugen über die letzten Jahrzehnte resultierte zu einem großen Teil aus Fortschritten in der Antriebstechnologie. Ein aktuelles Beispiel ist die Entwicklung des Airbus A320neo (New Engine Option), dessen angekündigte Kraftstoffeinsparung von 15 Prozent maßgeblich durch die An- triebstechnologie ermöglicht wird. In den letzten Jahren wurden die Potenziale der eingesetzten Triebwerkstechniken aber so weit ausgereizt, dass zum Erzielen weiterer signifikanter Verbesserungen zunehmend die Integration unkonventioneller technologischer Ansätze in das Antriebssystem berücksichtigt werden muss. Vielversprechende, teils radikale Ein- zeltechnologien zur Steigerung des thermischen Wirkungsgrades wurden bereits erforscht, beispielsweise die Konstant-Volumen- Verbrennung, die Detonations-Verbrennung oder das Hinzufügen weiterer Zykluskomponenten wie „Wave-Rotoren“ und Wärmetau- scher. Bei den bisher publizierten Untersuchungsergebnissen han- delt es sich jedoch fast ausschließlich um reine Technologiestu- dien ohne gesamtsystematische Betrachtungen. Eine Technologie kann separat betrachtet großes Potenzial zur Effizienzsteigerung bieten, jedoch im Rahmen einer ganzheitlichen Betrachtung als Teil des Flugzeugsystems diese Vorteile wieder zunichtemachen, beispielsweise durch hohes Gewicht. Aus diesem Grund arbeitet das Bauhaus Luftfahrt an einer Analysemethodik, um die erreichbaren Verbesserungen der ver- schiedenen unkonventionellen Technologien auf der Ebene der Flugzeugsysteme zu ermitteln. Teil dieses Prozesses ist zum einen die exakte Beschreibung und Abbildung der physikalischen Leis- tungsmerkmale, zum anderen die Entwicklung von Simulations- fähigkeiten der untersuchten Technologien. Damit gewinnt das Bauhaus Luftfahrt multidisziplinäre systemanalytische Studiener- gebnisse auf Flugzeugebene. The overall efficiency enhancement of the aircraft system during the recent decades mainly resulted from technical advances in the propulsion system. A recent example is the Airbus A320neo (New Engine Option) development, whose 15 percent improvement in fuel consumption announced by Airbus will be achieved through the propulsion system for the most part. Over the past years, the potential of deployed technologies was pushed to the limits of physics. In order to achieve further significant improvements, the incorporation of unconventional technologies into the propulsive system is generating much in- terest. Up to now, promising and sometimes radical single tech- nologies were investigated to augment the thermal efficiency, for example by using constant-volume combustion and pulsed deto- nation as well as the integration of additional cycle components such as heat exchangers, “Wave-Rotors” and discontinuous flow machinery. However, the published investigation results almost ex- clusively deal with isolated technology studies without consider- ing the overall aircraft system level. Separately investigated tech- nologies may however yield high efficiency potential, but under an integral consideration as part of the overall aircraft system they might lose these advantages, for example due to a weight penalty. Hence, Bauhaus Luftfahrt is developing an analysis method to assess the specific efficiency potential of the different investigated revolutionary core engine technologies in a consistent compari- son at the aircraft system level. The description and mapping of the physical characteristics as well as the development of system simulation capabilities are part of the process to finally gain the multidisciplinary system-analytical study results. 70 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Technology Physics Modelling Simulation Evaluation Heat Exchanger* Wave Rotor* Pulsed Detonation* Electric motor* * Exemplary Technologies Technology Model Level Propulsion System Level Aircraft System Level Feedback Loop Projektstruktur: Durch eine vom Bauhaus Luftfahrt entwickelte Analysemethodik können radikal neue Antriebslösungen detailliert auf der Ebene der Flugzeugsysteme verglichen werden. Project structure: A novel method developed by Bauhaus Luftfahrt allows for the detailed com- parison of radical new propulsion concepts at the aircraft system level. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 71

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Schnelle Berechnung der Flugzeugaerodynamik in der Konzeptphase Rapid calculation of aircraft aerodynamics during the basic design phase Die Berechnung der auf das Flugzeug wirkenden aerodynamischen Kräfte und Momente stellt ein zentrales Element für viele Diszip- linen des Flugzeugentwurfs dar, zum Beispiel für die Kalkulation von Flugleistungen und Flugeigenschaften, für Flugsimulationen oder den Entwurf von Flugreglern. Besonders in der frühen Kon- zeptphase muss die Aerodynamik daher für viele unterschiedliche Ausprägungen der Flugzeuggeometrie berechnet werden, um eine optimale Lösung zu finden. Dies können unter anderem eine unter- schiedliche Anzahl und Position der Flügel sowie verschiedene Flü- gelgeometrien sein, beispielsweise die Streckung, Pfeilung oder Profilierung. Zusätzlich beeinflussen weitere Variablen die Flug- zeugaerodynamik, wie zum Beispiel die Größe und Richtung der Anströmung, die Flughöhe oder der Ausschlag von Steuerflächen. Das Bauhaus Luftfahrt hat zusammen mit dem Lehrstuhl für Flugsystemdynamik der Technischen Universität München eine Software entwickelt, welche eine schnelle Berechnung der Aero- dynamik von beliebigen Starrflügler-Konfigurationen inklusive der Berücksichtigung des Einflusses von Propellerströmungen erlaubt. Als theoretische Grundlage dieser Methode dient die Einteilung der Tragflächen in kleine Segmente, welche mit zweidimensio- nalen Eigenschaften beschrieben werden können. Jedes dieser Segmente erzeugt einerseits eine aerodynamische Kraft und ein Moment; zusätzlich beeinflusst es alle anderen Segmente, wo- durch ein geschlossenes Gleichungssystem entsteht. Somit kön- nen die Wissenschaftler im Bauhaus Luftfahrt aus der Summe al- ler Elemente die Aerodynamik eines gesamten Flugzeugentwurfs in kürzester Zeit berechnen. The calculation of the aerodynamic forces and moments acting on aircraft is of crucial importance for many disciplines within the design process, for example when it comes to performance calcu- lation, determination of handling qualities, flight simulation or the design of automatic flight control systems. Especially in the early conceptual design phase, calculation of the aircraft aerodynamics has to be performed for many different possible aircraft shapes. In order to find the constrained optimal solution, different num- bers and positions of wings as well as associated wing parameters like aspect ratio, sweep and airfoil geometry have to be taken into account. Additionally, there are many parameters influencing the actual aerodynamics of the aircraft, like magnitude and direction of the air flow, flight altitude or the deflection of control surfaces. Bauhaus Luftfahrt together with the Institute for Flight Dynamics of the Technische Universität München has developed software that integrates a quick aerodynamic prediction tool for ar- bitrary fixed wing aircraft configurations, including the interaction effects of propeller disks located anywhere on the aircraft. The the- oretical foundation of this method is the segmentation of the air- craft lifting surfaces into small elements, which can be described by two-dimensional properties. Each of these elements generates an aerodynamic force and moment, and in turn influences all other elements, leading to a closed equation system. From the sum of all these elements, researchers at Bauhaus Luftfahrt can predict the complete aircraft design aerodynamics very quickly. 72 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

3 Methoden und Prozesse Methods and processes NACA 0013 Clarky NACA 0013 Kräfte und Momente (unten): Die Einteilung der Tragfläche in kleine Segmente erlaubt die Berechnung der Aerodynamik eines gesamten Flugzeugentwurfs in kürzester Zeit. Flugmodell „Extreme Star“ der Technischen Universität München (oben): Für die Auslegung des nichtlinearen adaptiven Flugreglers wurde die zusam- men mit dem Bauhaus Luftfahrt entwickelte Aerodynamik-Software verwendet. Forces and moments (bottom): The segmentation of lifting surfaces allows for the calculation of an aircraft’s complete design aerodynamics very quickly. The “Extreme Star“ of the Technische Universität München (top): The aerodynamic software implemented together with Bauhaus Luftfahrt has been used to design the nonlinear adaptive flight control system. L ZPan M YPan R VF R A B α D cR xPan Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 73

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Ducted-Fan-Modellierung für elektrische Flugzeugkonzepte Modelling of a ducted fan for electro-mobility applications Die Luftfahrtindustrie hat sich zum Ziel gesetzt, die im Flug er- zeugten Emissionen bis zum Jahr 2050 drastisch zu reduzieren. Einzelne Zielsetzungen schließen sogar das emissionsfreie Flie- gen nicht mehr aus. Diese Forderungen werden getrieben von der Tatsache, dass der negative Effekt der Schadstoffemissionen in großer Höhe, in welcher Verkehrsflugzeuge fliegen, als kritisch ein- geschätzt wird. Der evolutionären Verbesserung von konventionel- len Triebwerken sind theoretische Grenzen, beispielsweise durch den thermischen Wirkungsgrad, gesetzt. Diese Einschränkungen machen das Fliegen ohne Emissionen unmöglich. Flugzeuge mit elektrischem Antrieb hingegen würden das emissionsfreie Fliegen ebenso erlauben wie eine weitere signifikante Reduktion der Lär- mentwicklung. Eine derzeitige Forschungsrichtung, welche den Einsatz von elektrischen Antriebssystemen in Flugzeugen möglich machen könnte, liegt im Bereich der supraleitfähigen Elektromoto- ren und -generatoren. Um Flugzeuge mit elektrischem Antrieb zu untersuchen, hat das Bauhaus Luftfahrt eine Software zur Leistungsberechnung eines ummantelten Bläsers (englisch: Fan) entwickelt, welche Design- und Off-Design-Analysen erlaubt. Der Design-Modus bietet die Möglichkeit, die Geometrie und das Gewicht des Trieb- werks in Abhängigkeit des geforderten Schubes zu berechnen. Im Off-Design-Modus werden Schub, Wellenleistung und Vortriebs- wirkungsgrad für einen gegebenen Betriebspunkt berechnet. Eine mögliche Anwendung des ummantelten Fans stellt die Integration eines supraleitfähigen Elektromotors in die Nabe dar, um so einen elektrischen Ersatz für die heute verwendeten Mantelstrom-Trieb- werke bereitzustellen. The aviation industry is facing an ambitious target of drastically reducing in-flight emissions by the year 2050. Some goals even envision a reduction to zero. This is strongly coupled to the fact that, generally, transport aircraft operate in a high altitude regime, where the negative effects of emissions due to kerosene combus- tion are critical. The evolutionary improvement of conventional combustion engines is limited by theoretical boundaries like ther- mal efficiency and will never lead to zero in-flight emissions. Air- craft flight by using electrically driven motors for propulsion, or ”electric flying”, would facilitate the meeting of the zero-emission target. In addition, it will have the benefit of dramatically reducing external noise. One enabler for electrically powered transport air- craft featuring high power requirements is the current advance in superconducting technology for electric components, for example electric motors and generators. In order to evaluate electrically driven aircraft concepts, Bau- haus Luftfahrt developed a mathematical performance model of a ducted fan, which integrates a design as well as off-design cycle analysis. In “design mode” the model calculates the geometry and weight for a specified thrust requirement; in “off-design mode” the thrust, shaft power and propulsor efficiency are calculated for a given operating condition. As a possible application example the ducted fan may be coupled to a superconducting electronic drive unit inside the engine hub, yielding an electro-powered surrogate for a gas-turbine engine. 74 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

Statement Das Bauhaus Luftfahrt steht für sorgfältige wissenschaftliche Arbeit, seine Teams arbeiten meist an Detailfragen. Um zu einem so weiten und komplexen Themenfeld wie der zukünftigen Entwicklung der Luftfahrt wertvolle Beiträge liefern zu können, müssen sie zudem über den Tellerrand der spezifischen Aufgaben schauen. Daher ist der regelmäßige Austausch zwischen den Teams und Mitarbeitern besonders wichtig und fördert eine Kommunikationskultur im besten Sin- ne des Bauhauses. Bauhaus Luftfahrt stands for accu- rate scientific research with its teams mainly working on questions of detail. The aim of providing valuable con- tributions to a complex topic like the future of aviation regularly challenges them to think outside of the box of their specific tasks. Hence, a regular exchange of ideas between the teams and single researchers is of great importance and brings forward a culture of communication in the best sense of the Bauhaus tradition. 76 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

Munich Aerospace: Kooperation auf „neuen Wegen“ Munich Aerospace: Cooperation on ”New Ways“ Durch seine ausgezeichnete Repu- tation ist das Bauhaus Luftfahrt ein gefragter Partner in zahlreichen For- schungsinitiativen. Im Jahr 2010 kam mit ,,Munich Aerospace – Fakultät für Luft- und Raumfahrt” eine weitere Kooperation hinzu. Thanks to its outstanding reputation, Bauhaus Luftfahrt is a much sought- after partner in numerous research initiatives. Through “Munich Aero- space – Fakultät für Luft- und Raum- fahrt” the list of collaborations was further extended in 2010. Den Anspruch, „neue Wege“ zu gehen, bestärkt das Bauhaus Luftfahrt auch in der Kooperation mit Hochschulen und anderen Forschungseinrichtungen. Ein Beispiel dafür ist die Beteiligung an der Initiative „Munich Aerospace“, bei der erstmals in Deutschland eine Landesuniversität, eine Bundesuniversität und zwei außeruni- versitäre Forschungseinrichtungen institutionell in Forschung und Lehre vereint werden. Zusammen mit der Technischen Universität München, der Universität der Bundeswehr München und dem Deutschen Zen- trum für Luft- und Raumfahrt hat das Bauhaus Luftfahrt ein ge- meinsames Forschungs-, Entwicklungs- und Ausbildungszentrum eingerichtet, das die wesentlichen Einzelkompetenzen im Bereich der Münchner Luft- und Raumfahrt zusammenführen soll. Zur Ver- wirklichung dieses Konzepts haben die Mitgliedsinstitutionen am 9. Juli 2010 den Verein „Munich Aerospace – Fakultät für Luft- und Raumfahrt e.V.“ gegründet. Ziele des Zusammenschlusses sind die Verbindung von For- schung, Lehre, Graduiertenausbildung und -förderung sowie ein Stipendienprogramm. Darüber hinaus sollen die vielfältigen wissenschaftlich-technischen Expertisen gebündelt, gemeinsame neue Forschungsziele identifiziert und Forschungsschwerpunkte gebildet werden. Der Verein sieht sich in besonderem Maße auch dem Dialog zwischen Forschung, Lehre, Politik und Wirtschaft ver- pflichtet. Der Wissenschaftsraum München entwickelt sich durch Munich Aerospace zu einem attraktiven europäischen Ausbil- dungsstandort in der Luft- und Raumfahrt. 80 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. The claim to go “New Ways” encourages Bauhaus Luftfahrt to also seek cooperation with universities and other research institu- tions. One example is its involvement in the “Munich Aerospace” initiative, for the first time linking research and education between a state university, a federal university and two nonacademic re- search institutions. Together with the Technische Universität München, the Uni- versität der Bundeswehr München and Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Bauhaus Luftfahrt has established a collabo- rative centre for research, development and education that unites all the single aerospace competences in Munich. To realise this concept, the four institutional members founded “Munich Aero- space – Fakultät für Luft- und Raumfahrt e.V.“ (Faculty for Aero- space, registered association) on July 9th, 2010. The overall goal of the initiative is to connect science and education with graduate sponsoring and scholarships. Moreover, it intends to bundle the bold scientific technical expertise, identify new goals and set out new focal points for research. Munich Aero- space further sees itself committed to the dialogue between sci- ence, education, politics and industry. Through Munich Aerospace, the Bavarian capital’s extensive science landscape will be further developed into an attractive centre for aerospace education.

Finanzen Financial figures Das Bauhaus Luftfahrt hat sich in den vergangenen Jahren aus finanzieller und personeller Sicht ausgesprochen positiv entwickelt. Während die Zuschüsse des Freistaates Bayern und die Beiträge der Mitglieder in den Jahren 2008 bis 2010 wie geplant konstant blieben, konnten die Drittmittel in diesem Zeitraum signifikant ge- steigert werden. So verdoppelten sich die Einnahmen aus EU- und bundesgeförderten Projekten jährlich von rund 137.000 Euro in 2008 auf gut 261.000 Euro in 2009 und etwa 508.000 Euro in 2010. Die Forschungskooperationen mit der Industrie stiegen um gut 80 Pro- zent von rund 535.000 Euro in 2008 auf rund 974.000 Euro in 2010. Für das Jahr 2011 plant das Bauhaus Luftfahrt mit einer weiteren Zunahme bei den Drittmitteln auf insgesamt etwa 1,6 Mio. Euro. Over the past years, with regard to the financial sector as well as to human resources, Bauhaus Luftfahrt has expanded in a very positive way. While the grants of the Free State of Bavaria and the financial contributions of the members could be kept constant be- tween 2008 and 2010, the third-party funds increased significantly within this period. So the earnings of projects promoted by the EU and the German Federation could be doubled every year from around 137,000 euros in the year 2008 to around 261,000 euros in the year 2009 and to around 508,000 euros in the year 2010. The cooperation with industry in the research sector increased by 80 percent from around 535,000 euros in 2008 to around 974,000 euros in 2010. For 2011 Bauhaus Luftfahrt is expecting another progression of the third-party funds to around 1.6 million euros. Finanzmittel / Funds Euro 4,000,000 3,000,000 2,000,000 1,000,000 2008 2009 2010 84 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. Forschungsaufträge Research contracts (€) Bund /EU Federal / European Funds (€) Mitgliedsbeiträge Membership Fees (€) 2008 2009 2010 534.731 669.000 973.555 137.441 261.403 508.254 750.600 750.600 750.600 Zuschüsse Freistaat Bayern Grants of the Free State of Bavaria (€) 1.500.000 1.500.000 1.500.000

Personal Personnel Die positive finanzielle Entwicklung ermöglichte es dem Bauhaus Luftfahrt, gezielt in hochqualifiziertes wissenschaftliches Personal zu investieren. Ende 2008 waren am Bauhaus Luftfahrt 20 wissen- schaftliche Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter beschäftigt, davon sechs mit abgeschlossener Promotion. Zum Jahresanfang 2011 werden 28 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beschäf- tigt sein, davon 14 mit abgeschlossener Promotion. Der Anteil der Wissenschaftlerinnen liegt bei rund 18 Prozent. Bis Ende 2011 sollen weitere zwölf Nachwuchskräfte gewonnen werden. Der Personalaufbau wird schwerpunktmäßig in den Teams „Visionäre Flugzeugkonzepte“ sowie „Zukunftstechnologien, Innovationspo- tenziale und ökologische Perspektiven“ erfolgen. Zielsetzung ist es, die Kompetenzen auf den Gebieten neuer Technologien, des Flugzeugentwurfs und der Systemauslegung weiter zu verstärken. This positive financial development allows Bauhaus Luftfahrt to invest systematically in highly qualified academic employees. By the end of 2008 Bauhaus Luftfahrt employed 20 graduates, six of whom had a PhD. Since the beginning of 2011 some 28 scientists are working at Bauhaus Luftfahrt, 14 of whom have a PhD. The percentage of female scientists is about 18 percent. By the end of 2011 Bauhaus Luftfahrt is planning to employ another twelve scientists. The increase of personnel will preferentially take place in the fields of “Visionary Aircraft Concepts” as well as “Future Technologies, Innovation, Alternative Energy and Ecology of Avia- tion”. The target will be continuing the intensification of the skills in the fields of new technologies as well as aircraft and system design. Mitarbeiter (am Jahresende) / Employees (year end) Vorstand Executives Verwaltung Administration Wissenschaftler Scientists Studenten Students 2008 2 3 20 13 2009 2 5 23 5 2010 2 4 23 13 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 85

Wissenschaftliche Veröffentlichungen / Patente Scientific publications / Patents Zeitschriftenaufsätze / Journal articles 2010 01.02.2010 01.01.2010 2009 01.09.2009 01.05.2009 01.01.2009 Lecture Notes in Computer Science / Volume 6027 Optimisation of Critical Infrastructure Protection – The SiVe Project on Airport Security M. Breiing, M. Cole, J. D’Avanzo, G. Geiger, S. Goldner, A. Kuhlmann, C. Lorenz, A. Papproth, E. Petzel, O. Schwetje Aerospace Science and Technology / Volume 14, Number 1 Numerical Analysis of Design Parameters for a Generic Fan-in-Wing Configuration N. Thouault, C. Breitsamter, C. Gologan, N. A. Adams The Aeronautical Journal / Volume 113, Number 1147 Extreme Short Take-Off and Landing Regional Jets – Economic Motivation and Technological Challenges C. Gologan, C. Kelders, A. Kuhlmann, J. Seifert The Aeronautical Journal / Volume 113, Number 1143 A Calculation Method for Parametric Design Studies of V/STOL Aircraft C. Gologan, K. Broichhausen, J. Seifert The Aeronautical Journal / Volume 113, Number 1139 Experimental Investigation of the Aerodynamic Characteristics of Generic Fan-in-Wing Configurations N. Thouault, C. Breitsamter, N. A. Adams, C. Gologan, J. Seifert Konferenzbeiträge / Conference papers 2010 05.10.2010 19.09.2010 International Powered Lift Conference / Philadelphia ESTOL Transport Aircraft with Powered Lift: Sizing to Performance C. Gologan 27th International Congress of the Aeronautical Sciences / Nice Comparison of Powered-Lift Turbofan Aircraft with Conventional Turboprop Aircraft for ESTOL Application C. Gologan, D. Schmitt Towards a Metamodel for Conceptual Aircraft Design M. Glas 31.08.2010 Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress / Hamburg Schlüsselfaktor Passagierbedürfnisse – Nachhaltig wachsende Wertschöpfung durch Kundenorientierung O. Schwetje, A. Kuhlmann, F. Wimmer Modeling of Propeller-Wing Aerodynamics for Aircraft Featuring Large Numbers of Control Devices H.-J. Steiner, M. Hornung, S. Baur, F. Holzapfel Mission Performance Optimization via Morphing Wing-Tip Devices J. Wittmann, M. Hornung, H. Baier 03.06.2010 12th Annual Conference of the Finland Futures Research Centre / Turku Preparing Today’s Airport Security for Future Threats – A Comprehensive Scenario-Based Approach M. Cole, A. Kuhlmann 86 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2009 02.12.2009 26.10.2009 25.10.2009 12.10.2009 29.09.2009 28.09.2009 21.09.2009 1st Annual Global Conference on Systems and Enterprises / Washington D.C. Airport Security: From Single Threat Aspects to Valid Scenarios and Risk Assessment M. Maurer, W. Biedermann, M. Cole, J. D’Avanzo, D. Dickmanns 2nd CEAS European Air & Space Conference / Manchester An Approach to Quantify Qualitative Scenarios – Applied to Alternative Aircraft Fuels A. Kuhlmann, P. Phleps, S. Eelman Emission Comparison of Turbofan and Open Rotor Engines under Special Consideration of Aircraft and Mission Design Aspects A. Seitz, D. Schmitt, S. Donnerhack International Conference on Object-Oriented Programming, Systems, Languages, and Applications / Orlando Challenges for Agile Development of Large Systems in the Aviation Industry M. Glas, S. Ziemer 11th International Design Structure Matrix Conference / Greenville The 2-Tupel-Constraint and How to Overcome It M. Maurer, W. Biedermann, A. Kuhlmann, T. Braun 4th International Workshop on Critical Information Infrastructure Security / Bonn Optimisation of Critical Infrastructure Protection – The SiVe Project on Airport Security M. Breiing, M. Cole, J. D’Avanzo, D. Dickmanns, G. Geiger, S. Goldner, A. Kuhlmann, C. Lorenz, A. Papproth, E. Petzel, O. Schwetje 39. Jahrestagung der Gesellschaft für Informatik / Lübeck Passive User Integration in Social Networking Services S. Leutenmayr, G. Stenz 9th AIAA Aviation Technology, Integration, and Operations Conference / Hilton Head Impact of ESTOL Capability on the Mission Fuel Burn of Regional Jets C. Gologan, F. Stagliano, D. Schmitt Potential of the Cross-Flow Fan for Powered-Lift Regional Aircraft Applications C. Gologan, S. Mores, H.-J. Steiner, A. Seitz Simulation of the Theoretical Capacity Potential of ESTOL Operations on an Intersecting Runway at Hub Airports P. Böck, C. Kelders 08.09.2009 Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress / Aachen Adaptive Flight Control Using Smooth Bounded Candidate Functions J. Seifert, F. Holzapfel Aerodynamic Analysis of a New Hybrid Rotor J. Seifert Multidisziplinärer Entwurf eines senkrechtstartfähigen Tandem Tilt-Wing Demonstrators H.-J. Steiner, J. Colloseus, M. Heller, J. Seifert Vergleich von kurzstartfähigen Regionaljets mit aktiven Hochauftriebssystemen C. Gologan, F. Stagliano, H.-J. Steiner, J. Seifert 17th European Biomass Conference & Exhibition / Hamburg The Substitution Potential of Biofuels in Aviation: A Global Assessment Considering Sustainability Criteria F. Riegel 13th ATRS World Conference / Abu Dhabi Alternative Fuels in Aviation 2030 – A Scenario-Based Approach of Demand, Supply and Relevant Implications S. Naundorf, P. Phleps, C. Kelders, S. Eelman Aviation Security – A Structural Complexity Management Approach M. Cole, A. Kuhlmann, O. Schwetje 50th AIAA/ASME / ASCE/AHS / ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference / Palm Springs Framework for Quantitative Morphing Assessment on Aircraft System Level J. Wittmann, H.-J. Steiner, A. Sizmann Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 87 29.06.2009 27.06.2009 04.05.2009

Wissenschaftliche Veröffentlichungen / Patente Scientific publications / Patents Studienarbeiten / Diploma or bachelor theses and term papers Visionäre Flugzeugkonzepte / Visionary Aircraft Concepts > Semesterarbeit / Term paper „Modellierung eines Remote Piloted Vehicle“ Aymen Ben Haj Youssef / 04-2009 > Semesterarbeit / Term paper „Validierung und Bewertung eines Triebwerk-Ersatzmodells unter Anwendung von künstlichen neuronalen Netzen“ Ahmad Mecsaci / 04-2009 > Semesterarbeit / Term paper „Untersuchung statisch aeroelastischer Effekte an einem parametrisierten Tragflügel“ Rudolf Toroczkay / 04-2009 > Diplomarbeit / Diploma thesis „Entwurf eines senkrechtstartfähigen Tilt-Wing Demonstrators auf Basis einer multidisziplinären Optimierung“ Julian Colloseus / 06-2009 > Diplomarbeit / Diploma thesis „Conceptual Design of VTOL Tilt-Wing Aircraft for Flexible Transport Missions“ Stefan Stückl / 06-2009 > Semesterarbeit / Term paper ,,Erweiterung der Flugzeugdimensionierungsmethodik für VTOL Kippflügelkonfigurationen” Christian Neppl / 06-2009 > Diplomarbeit / Diploma thesis „Parametrische Analyse verschiedener (Fracht-)Flugzeugkonfigurationen hinsichtlich Effizienz“ Daniela Hockling / 09-2009 > Semesterarbeit / Term paper „Untersuchungen zur Verwendung eines Cross-Flow-Fan Hochauftriebssystems in der Transition bei Kippflügelkonfigurationen“ Josef Schweizer / 01-2010 88 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

Studienarbeiten / Diploma or bachelor theses and term papers Wissensmanagement / Knowledge manage- ment Ökonomie und Ver- kehr / Economics and Transportation Zukunftstechnologien und Ökologie der Luft- fahrt / Future Techno- logies and Ecology of Aviation > Semesterarbeit / Term paper „Objektorientierter Systementwurf am Beispiel eines modularen Triebwerksmodells“ Martin Kerler / 12-2009 > Diplomarbeit / Diploma thesis „Entwicklungschancen des Kurz- und Mittelstrecken-Flugverkehrs in Transformationsländern vor dem Hintergrund wachsender Konkurrenz durch Hochgeschwindigkeitszüge – am Beispiel Chinas“ Moritz Fischer / 03-2010 > Bachelorarbeit / Bachelor thesis „Globale Abschätzung von Oberflächen mit klimatischen, bodenkundlichen und reliefbedingten Beschränkungen für die Landwirtschaft“ Franz Maximilian Hummel / 06-2009 > Diplomarbeit / Diploma thesis (Kooperation / Cooperation MTU Aero Engines) „Alternative Kraftstoffe in der Luftfahrt – Das Potenzial von Algen“ Manuela Glietsch / 07-2009 > Diplomarbeit / Diploma thesis „Nachwachsende Rohstoffe: Eine geobotanische Studie über Bestand, Verfügbarkeit und Kultivierung global relevanter Energiepflanzen zur Biokraftstoff-Produktion“ Alexander Janzon / 03-2010 Patente / Patents EP 1964774 A2 > Europäisches Patentamt, München > „Fluggerät mit rotierenden Zylindern zur Erzeugung von Auftrieb und/oder Vortrieb“ > Erfinder / Inventor: J. Seifert Status: Patentanmeldung vom 27. Februar 2008 DE 102007009951 B3 > Deutsches Patent- und Markenamt, München > „Fluggerät mit rotierenden Zylindern zur Erzeugung von Auftrieb und/oder Vortrieb“ > Erfinder / Inventor: J. Seifert Status: Erteilungsbeschluss vom 5. März 2008 DE 102008022452 A1 > Deutsches Patent- und Markenamt, München > „Flugzeug mit aktiv steuerbaren Hilfsflügeln“ > Erfinder / Inventor: J. Wittmann Status: Erteilungsbeschluss vom 5. Mai 2010 DE 102008024463 A1 > Deutsches Patent- und Markenamt, München > „Flugzeugantriebssystem“ > Erfinder / Inventor: A. Seitz Status: Erteilungsbeschluss vom 5. Oktober 2010 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 89

Impressum Imprint Bauhaus Luftfahrt Jahrbuch 2009 / 2010 Herausgeber / Publisher Bauhaus Luftfahrt e.V., Lyonel-Feininger-Straße 28, 80807 München www.bauhaus-luftfahrt.net Redaktion / Editor Michael Lagemann Bildnachweise / Picture Credits EADS Innovation Works ediundsepp Gestaltungsgesellschaft, München Fotolia.de Istockphoto.com R. Moulton, Flight International Romy Bonitz, München Technische Universität München Uli Benz, Technische Universität München United States Department of Agriculture Gestaltung / Layout ediundsepp Gestaltungsgesellschaft, München Lektorat / Lectorate Beate Warcholik (MCIL) (BDÜ) BW Translations Druck / Print Robert Lehner AB Color Druck Auflage / Circulation 500 Exemplare / 500 copies Wir bitten um Verständnis, dass wir aus Gründen der Lesefreund- lichkeit in diesem Jahrbuch auf die explizite Nennung der weibli- chen Form verzichtet haben. Wenn zum Beispiel von Mitarbeitern die Rede ist, sind selbstverständlich auch die Mitarbeiterinnen gemeint. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 95