Bauhaus-Luftfahrt-Jahrbuch 2011

Inhalt Contents 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Vorwort der Vorstände Foreword of the Directors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Impuls: Pfadfinder für „Neue Wege“ Impulse: Pathfinder for “New Ways” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Impuls: Ein interdisziplinäres Musterbeispiel Impulse: An interdisciplinary flagship project . . . . . . . . . . . . . . 51 Munich Aerospace: Gründungsphase abgeschlossen Munich Aerospace: Start-up phase completed . . . . . . . . . . . . . 84 “Aviation Initiative for Renewable Energy in Germany” – aireg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Die drei Säulen des Bauhaus Luftfahrt The three focus areas of Bauhaus Luftfahrt 1 Neue Wege durch die Treiber der Luftfahrt 1 New ways through the drivers of aviation . . . . . . . . . . . . 16 2 Neue Wege für innovative Lösungsansätze 2 New ways for innovative solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3 Neue Wege in Methoden und Prozessen 3 New ways in methods and processes . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

Zahlen und Fakten Facts and figures Finanzen Financial figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Personal Personnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Wissenschaftliche Veröffentlichungen / Patente Scientific publications / Patents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Medien / Vorträge Media / Lectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Impressum Imprint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 3

1 Neue Wege durch die Treiber der Luftfahrt 1 New ways through the drivers of aviation Trendanalysen Trend analyses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Luftfrachtszenarien Air cargo scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Analyse von Outsourcing-Entscheidungen Analysis of outsourcing decisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Zukunftstechnologieanalyse Future technology analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Solare Kraftstoffe Solar fuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Zukunftsmaterialien: Strahlenabschirmung Future materials: Radiation shielding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Inhalt Contents 4 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

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 Zukunftskonzepte für Flughafen-Terminals Future airport terminal concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Flughafensicherheit: Ethische und strukturelle Analyse Airport security: Ethical and structural analysis . . . . . . . . . . . . . 70 Hybride elektrische Leistungssysteme Hybrid electrical power systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Modellieren im konzeptionellen Flugzeugentwurf Modelling of conceptual aircraft designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Fortschrittliche Gasturbinen und Elektromobilität Advanced gas turbines and electromobility . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Wege der Zusammenarbeit im Flugzeugentwurf Ways of collaboration in aircraft design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Verteilte Antriebe und Rumpf-Integration Distributed propulsion and propulsive fuselage . . . . . . . . . . . . . 46 Alternative Kraftstoffe: Priorisierung und Bewertung Alternative fuels: Prioritisation and assessment . . . . . . . . . . . . 76 Konzeptentwurf vollelektrischer Luftfahrzeuge Conceptual systems design of full-electric aircraft . . . . . . . . . . . 78 Untersuchung neuartiger Kreisprozesse für Gasturbinen Assessment of vovel gas turbine engine cycles . . . . . . . . . . . . . 80 Interdisziplinäres Projekt: Ein vollelektrisches Kurzstreckenflugzeug Interdisciplinary project: A universally electric shortrange aircraft > Definition von Anforderungen Derivation of top-level requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 > Agile Methoden für den Konzeptentwurf Agile methods in conceptual aircraft design . . . . . . . . . . . . . 56 > Systemauslegung System concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 5

Vorwort des Beiratsvorsitzenden Foreword by the Chairman of the Advisory Board Dr. Detlef MüllerWiesner Sehr geehrte Damen und Herren, die EU-Kommission hat im Jahr 2011 durch die Formulierung des „Flightpath 2050“ die langfristigen Ziele für die Luftfahrt klar ab- gesteckt. Diese sehr ambitionierten Forderungen stellen den Luft- verkehr vor ganz besondere Herausforderungen. Es zeichnet sich bereits heute ab, dass vieles davon nur durch ein starkes Netzwerk umsetzbar sein wird, in dem interdisziplinäre Ansätze und auch radikale Innovationen gemeinsam vorangetrieben werden. In diesem Sinne war auch für das Bauhaus Luftfahrt das Jahr 2011 geprägt von einer noch stärkeren Vernetzung in Industrie und Forschung. Diese gelang insbesondere durch einen Ausbau der in- dustriellen Kooperationen, in erster Linie mit der IABG, die wir im Januar 2012 als erstes neues Mitglied am Bauhaus Luftfahrt seit seiner Gründung im Jahr 2005 begrüßen durften. Darüber hinaus konnte das Portfolio durch eine stärkere Zusammenarbeit mit dem Flughafen München noch weiter ausgebaut werden. Im Bereich der alternativen Kraftstoffe hat das Bauhaus Luft- fahrt im Sommer 2011 gemeinsam mit der EADS, der Lufthansa und weiteren 17 Partnern aus Industrie und Forschung die „Aviati- on Initiative for Renewable Energy in Germany – aireg“ gegründet. Dieser Verbund hat es sich zum Ziel gesetzt, regenerative Kraftstof- fe für die Luftfahrt nachhaltig verfügbar zu machen. Mit diesem Ziel wird „aireg“ die Vernetzung in einem der Schwerpunktthemen des Bauhaus Luftfahrt noch weiter ausbauen und möglicherweise zahlreiche neue wissenschaftliche Themenfelder erschließen. Letztere waren auch im Jahr 2011 wieder in breiter Vielfalt vorhanden, wie Ihnen dieses Jahrbuch veranschaulichen wird. Bei der Lektüre wünsche ich viel Freude und interessante Einblicke. Dem Team des Bauhaus Luftfahrt und der Leitung, Frau Dr. Linseisen und Herrn Prof. Dr. Hornung, danke ich im Namen des Beirats und persönlich für die erfolgreichen Leistungen im Jahr 2011 und die Perspektiven für die weitere Zukunft. Ihr / Your Dr. Detlef Müller-Wiesner Beiratsvorsitzender / Chairman of the Advisory Board Dear Sir or Madam, The European Commission clearly defined its long-term goals for the aviation sector by issuing “Flightpath 2050” in 2011. The very ambitious demands pose extraordinary challenges for the future of air transport. Most of these challenges can only be tackled by a strong network, jointly driving interdisciplinary approaches and radical innovations. Correspondingly, at Bauhaus Luftfahrt the year 2011 was strongly influenced by expanding networking activities within re- search and industry. The latter was primarily achieved through the expansion of its circle of members: IABG joined in January 2012 as the first new industry member since the foundation of Bauhaus Luftfahrt in 2005. Moreover, the research portfolio could be further expanded by intensifying the already very successful cooperation with Munich Airport. In the field of Alternative Fuels, Bauhaus Luftfahrt together with EADS, Lufthansa and 17 additional partners from aviation in- dustry and research founded the “Aviation Initiative for Renewable Energy in Germany – aireg”. The aim of this initiative is to make regenerative fuels sustainably available for the aviation sector. Through “aireg”, Bauhaus Luftfahrt will be able to further expand its existing network in one of its major fields of activity, possibly paving the way for the identification and exploration of numerous new research areas. The year 2011 already provided a broad variety of research topics, as this yearbook will illustrate. I wish you a fascinating read and many interesting insights. On behalf of the Advisory Board I thank the team of Bauhaus Luftfahrt and its management, Dr. Linseisen and Prof. Dr. Hornung, for their outstanding achievements in 2011 and for their future perspectives. 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 Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie ins Leben gerufen. Seit Anfang 2012 ist zudem die Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft (IABG) Mitglied der Institution. 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 Zukunft des Luftverkehrs im Besonderen. Ziel der Forschungsarbeit ist es, das komplexe System der Luftfahrt aus vielerlei Blickwinkeln zu betrachten: Bei allen Projekten wer- den technische, wirtschaftliche, 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 öffent- lichen Interesse. Innovative Ideen müssen dort nicht per se mark- torientiert 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, Infrastructure, Transport and Technology. In January 2012, IABG- Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft became the latest member of the institution. 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 tra- vel 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 ecological aspects are con sidered holistically. In keeping with the tradition of the "Bauhaus", Germany’s once renowned School of Design, Bauhaus Luftfahrt has set out to be a multidisciplinary think tank. In Dessau in the 1920s, ar- chitects, painters and sculptors worked closely together under the direction of Walter Gropius, leading to the emergence of a widely diversified spectrum of expertise. This is exactly what Bauhaus Luftfahrt is achieving within the European aviation industry – not only in the interdisciplinary dialogue between engineers, econo- mists, computer scientists, physicists, chemists, geographers, cul- tural experts and social scientists, but also in close cooperation with industry, science and politics. The registered association works independently and in the interest of the public. Here, innovative ideas do not need to be developed to commercial maturity. Rather, Bauhaus Luftfahrt provides answers to the question of which alternatives could con- ceivably 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 strategies are also always application-oriented and technically feasible. Thus, the traditional disciplines of physics and enginee- ring science inevitably create the foundation for the development of sustainable solutions. 8 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

Vorwort des Vorstands Foreword by the Directors Prof. Dr. Mirko Hornung Dr. Anita Linseisen Sehr geehrte Damen und Herren, was hat eine Taktik aus dem Rugby-Sport mit dem Flugzeugentwurf zu tun? Im Bauhaus Luftfahrt eine ganze Menge. Im Bestreben, auch neueste Methoden der Zusammenarbeit zu bewerten, hat unser Team im Jahr 2011 erstmals einen Ansatz aus der Softwareentwick- lung, den sogenannten „Scrum“-Prozess, auf den Flugzeugentwurf angewandt. Im Rahmen unseres ersten Gruppendesignprojektes konnte dieser Prozess sehr erfolgreich getestet werden. Die Einführung solcher Gruppendesignprojekte war ein ganz wesentlicher Schritt im Jahr 2011. Anhand konkreter Fragestel- lungen widmete sich unser interdisziplinäres Forscherteam darin der Erarbeitung alternativer Lösungsansätze. So hatten es sich die Wissenschaftler zur Aufgabe gemacht, ein im Betrieb emissionsfrei- es Flugzeugkonzept zu entwickeln, das vollständig auf einer elek- trischen Energieversorgung beruht. Die Heterogenität des Teams hat dazu geführt, dass dabei zahlreiche neue Ideen implementiert wurden und ein breiteres Verständnis zu den Potenzialen und Her- ausforderungen erzeugt werden konnte. Die positive finanzielle Entwicklung der vergangenen Jahre er- möglichte es, auch im Jahr 2011 in hochqualifizierte Wissenschaft- ler zu investieren und dadurch gezielt die Kompetenzen in wichti- gen Themenfeldern weiter zu stärken. Auch dieser Wachstumspfad konnte nur durch ein erfolgreiches Mannschaftsspiel erreicht wer- den, für das wir unserem Team ganz herzlich danken möchten. Allen Lesern wünschen wir im Namen des Bauhaus Luftfahrt viele interessante Ideen und Anregungen aus der Lektüre unseres Jahrbuchs 2011. Ihre / Your Prof. Dr. Mirko Hornung Vorstand Wissenschaft und Technik / Director Research and Technology Dr. Anita Linseisen Vorstand Finanzen und Organisationsentwicklung / Director Finance and Organisation Dear Sir or Madam, What does a rugby tactic have in common with conceptual aircraft design? At Bauhaus Luftfahrt a whole lot! Driven by the ambition to assess even the newest methods of collaboration, our team adapted a software development approach, the so-called “Scrum” process, in an aircraft design project for the first time. Through this first interdisciplinary group design effort, the employed process could be evaluated with highly positive results. The introduction of such group design projects was a major step in the year 2011. In these projects, problem-based require- ments set the scope for the assessment of specific solutions jointly developed by our interdisciplinary team. In the course of the first project, a concept aircraft solely powered by electricity, and hence capable of emission-free operation, was developed. The team’s heterogeneity proved fruitful as numerous novel approaches and ideas could be successfully implemented and a broader under- standing of the fundamental potentials and challenges achieved. The positive financial development of recent years provided us with the opportunity to again invest in highly qualified scientific personnel in 2011, thus further strengthening the competences of Bauhaus Luftfahrt in important fields of research. This growth path was only made possible through successful team play, for which we would like to cordially thank our team. On behalf of the entire Bauhaus Luftfahrt we wish all readers of our yearbook 2011 many interesting insights and ideas. 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

Zukunftstechnologien und Ökologie der Luftfahrt: Pfadfinder für „Neue Wege“ Future technologies and ecology of aviation: Pathfinder for “new ways” Sinnvolle und wissenschaftlich fundierte Zukunftskonzepte entstehen im Wechselspiel zwischen langfristiger Vision, Kreativität und der entsprechenden Analysefähigkeit. Die vorausschauende Erforschung von physikalisch-technischen und ökologischen Zukunftsfaktoren sowie die Identifikation von Innovationspotenzialen geben den Zukunftskonzepten des Bauhaus Luftfahrt damit eine wissenschaftliche Basis. Das Spektrum reicht hierbei von erneuerbaren Kraftstoffen und Komponententechnologien der Elektromobilität über na- nostrukturierte und Metamaterialien bis hin zu Sensor-, Infor- mations- und Kommunikationstechnologien. Im vergangenen Jahr wurden unter anderem zwei we- sentliche Ziele erreicht. Erstens wurden die Zukunftstech- nologie-Aktivitäten um zwei Kompetenzbereiche erweitert (Seite 26), die erhebliches Innovationspotenzial versprechen. Die Themen Photonik und Nanomaterialien wurden bereits 2005 und 2010 durch die Physik-Nobelpreise als wichtige Forschungsschwerpunkte ausgezeichnet. Zweitens konnten wir als Zukunftstechnologen und Luftfahrt-Ökologen in den etablierten Themenbereichen zum Beispiel des elektrischen Fliegens und der CO2-neutralen Energiekonzepte wesentliche Fortschritte erzielen. Mit Potenzialanalysen basierend auf Batterietechnolo- gien, dem Exergiekonzept und dem solarthermischen Kraft- stoffpfad geben wir neue Impulse in Richtung der Ziele von „FlightPath 2050“ und der globalen Klimaziele der Luftfahrt. Mit eingeladenen Konferenzbeiträgen und der Arbeit in den ACARE-Arbeitsgruppen für die neue „Strategic Research and Innovation Agenda“ (SRIA) zeigte das Team, dass es auch in- ternational erfolgreich unterwegs ist als Pfadfinder für „Neue Wege“ in die Zukunft. Significant and scientifically profound future concepts can only emerge from the successful combination of long-term visions, creativity and the respective analytic capabilities. Forward-looking research on future drivers of aviation in the fields of physics, technology and ecology as well as the identification of innovation potentials hence provide a sound basis for the future concepts developed by Bauhaus Luftfahrt. The spectrum of topics assessed therein ranges from alterna- tive fuels and component technologies for electromobility to nano-structured and meta-materials on to sensor, informa- tion and communication technologies. In the year 2011, two major goals were achieved. Firstly, our activities in the field of future technologies have been ex- panded into two additional areas of competency (page 26), each promising significant innovation potential. The topics of photonics and nanomaterials are very promising research domains, as proven by respective Nobel-Prize-winning break- throughs in 2005 and 2010. Secondly, our team has achieved major progress in the research areas already established at Bauhaus Luftfahrt, for example electric flight and carbon-neu- tral energy concepts. With its future technology analyses applied to battery technology, the exergy concept and a solar-thermal pathway for fuel production, Bauhaus Luftfahrt has already identified possible major contributions to the achievement of global cli- mate goals and to those of “Flightpath 2050”. Through invited conference presentations and its strong involvement in the ACARE work groups jointly forming the new “Strategic Re- search and Innovation Agenda” (SRIA), the team demonstrat- ed its internationally successful role as pathfinder for “New Ways” into the future. Dr. Andreas Sizmann Leiter Zukunftstechnologien und Ökologie der Luftfahrt / Head of Future Technology and Ecology of Aviation Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 19

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Trendanalysen: Zukünftige Entwicklungen frühzeitig verstehen Trend analyses: Understanding future developments at an early stage Trendanalysen dienen der Untersuchung und Beschreibung von Veränderungen wirtschaftlicher, ökologischer, technologischer, gesellschaftlicher und kultureller Begebenheiten. Ziel ist es, aus der Fülle von Wandlungsprozessen die für die Luftfahrtindustrie relevanten Trends zu identifizieren, um deren Auswirkungen und damit zusammenhängende Unsicherheiten zu evaluieren. Gegen- wärtige, heute schon zu erwartende oder auch mögliche zukünf- tige Entwicklungen müssen dazu erkannt, verstanden und in den Kontext zur Luftfahrt gebracht werden. Themen, die das Bauhaus Luftfahrt im Jahr 2011 analysiert hat, waren unter anderem: „Veränderung der Körpermaße“, „Neue Fertigungsverfahren mit Hilfe von 3D-Printing“ sowie „Afrika auf dem Vormarsch“. In allen Fällen wird untersucht, welche Berei- che der Luftfahrt von den beschriebenen Veränderungen betrof- fen sind. Die Zunahme der weltweiten durchschnittlichen Größe und des Gewichts der Bevölkerung hat sowohl auf die Passagie- re selber als auch auf Flugzeughersteller, Airlines und Flughäfen Auswirkungen. Aufgrund der Entwicklungen hin zu leichteren und kraftstoffsparenden Flugzeugen könnten die Passagiere von morgen mit einem Flugticketpreis konfrontiert werden, der sowohl von ihrem Eigengewicht als auch von dem ihres Gepäcks ab- hängt. Airlines hingegen könnten beispielsweise auf größere und breitere Menschen mit Anpassungen sowie Erweiterungen ihrer Sitzplatzklassen reagieren. Flugzeughersteller würden in diesem Zusammenhang die erforderliche Sitzkonfiguration in der Kabine anpassen und an Flughäfen könnte ein gesteigerter Bedarf an Gesundheitsversorgungen adipöser Menschen nötig werden. Trend analysis is a common and very expedient application when it comes to describing and analysing economic, environmental, tech- nological, social or cultural changes. It is used to systematically analyse and evaluate those developments relevant for the aviation industry. These trends vary with respect to their level of uncer- tainty and impact. Trends with a rather uncertain future develop- ment but at the same time large impact are those which have to be monitored carefully. The consequences for the various stakehold- ers such as airlines, aircraft manufacturers or airports therefore have to be carefully assessed in order for them to hedge against external influences and to develop corresponding strategies. In 2011, scientists at Bauhaus Luftfahrt assessed the follow- ing topics: “Change of body dimensions”, “Novel manufacturing processes by means of 3D printing methods” and “Africa is gaining ground”. Each of them describes changes that may influence dif- ferent scopes of aviation. One example is that since industrialisa- tion people have been becoming taller and heavier. This affects passengers, aircraft and seat manufacturers as well as airlines and airports. Due to technical developments in lighter and more fuel- efficient planes, passengers of tomorrow could face flight ticket prices considering total weight of the passenger and his luggage. Airlines could enlarge their seats or change their seat class sys- tems. The required seat configuration inside the cabin could be redesigned and adapted by manufacturers, and airports may need to focus on health care for obese passengers. 20 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation 1980 2009 Body Mass Index Adults % overweight (≥ 25.0), Most recent ≥ 50.0 40.0 – 50.0 30.0 – 40.0 20.0 – 30.0 10.0 – 20.0 0.0 – 10.0 no data Die Entwicklung der Körpermaße und -gewichte hat einen signifikanten Einfluss auf Airlines und Flughäfen. Oben: Die Entwicklung des Übergewichts gezeigt am Body Mass Index (Quelle: Weltgesundheitsorganisation). Unten: Die Entwicklung der durchschnittlichen Körpergröße der männlichen Bevölkerung (Quelle: NZZ Online 2007, basierend auf Komlos und Pfister/Straub) Developments in body dimensions and weights will significantly influ ence airlines and airports in the future. Above: The development of global overweight demonstrated by Body Mass Index (source: World Health Organisa- tion). Below: The development of average body size of male population (source: NZZ Online 2007, based on Komlos and Pfister/Straub) Average body height 1830–1970 (centimetres) Average body height 2000 (centimetres) Netherlands Denmark Norway Germany USA Austria Switzerland England France Italy Spain 185 180 175 170 165 160 164 .9 184 .0 165 .3 183 .2 168 .6 179 .9 167 .3 179 .6 174 .1 178 .8 164 .5 178 .6 165 .4 178 .4 165 .6 177 .2 164 .8 177 .0 162 .7 177 .0 162 .6 176 .6 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 21

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Luftfrachtszenarien: Chancen und Risiken einer Wachstumsbranche Air cargo scenarios: Opportunities and threats for a growth sector Prognosen für den Luftfrachtsektor sagen ein sehr starkes Wachs- tum für die nächsten 20 Jahre voraus. Die Nachfrage in diesem Markt ist jedoch stark durch Schwankungen im Wirtschafts- wachstum, verändertes Konsumentenverhalten, verschiedene Umweltauflagen sowie allgemeine Regularien beeinflusst. Die resultierenden Kosten für die verschiedenen Interessengruppen sind starke Treiber für den Ausbau und die Weiterentwicklung ef- fizienter intermodaler Transportlösungen. Darüber hinaus sind Ver- besserungen hinsichtlich der CO2-Bilanz besonders in diesem Sek- tor entscheidend, wenn es darum geht, Kosten zu senken. Cargo Airlines, Systemintegratoren im Bereich Fracht, Flughäfen und Hersteller stehen somit in der Zukunft großen Herausfor derungen gegenüber. Um auf Unsicherheiten adäquat reagieren zu können, ist es für diese Interessengruppen notwendig, verschiedene Stra- tegien wie etwa neue Geschäftsmodelle zu evaluieren. Entschei- dungshilfe hinsichtlich unterschiedlicher Alternativen kann in diesem Fall die Szenarioanalyse bieten. Hierbei lassen sich Hand- lungsstrategien im Kontext von unsicheren, aber entscheidenden Entwicklungen aus den Bereichen Politik, Wirtschaft, Gesellschaft, Umwelt oder Technologie abbilden. Eine vom Bauhaus Luftfahrt in Kooperation mit der Abteilung Cabin Innovation and Design der Airbus Operations GmbH, Deutsche Post DHL und dem Lehr- stuhl für Luftfahrtsysteme der Technischen Universität München durchgeführte Szenariostudie bildet Risiken und Chancen im Luft- frachtsektor ab, so dass mögliche Implikationen für die einzelnen Marktteilnehmer abgeleitet werden können. Industry forecasts regarding the air cargo market predict a strong growth in the next 20 years. However, this sector is highly sensitive to fluctuations in the global economy, changes in customer behav- iour as well as environmental and other regulations. Resulting cost increases as well as consequences from climate change are major drivers for optimised co-modal transport solutions. Improvements regarding the carbon footprint and associated cost reductions are required. Hence, cargo airlines, freight integrators, airports and manufacturers are faced with major challenges ahead. In order to react to uncertain future outcomes and to become more robust against external influences, it is necessary for them to assess pos- sible strategies such as new or amended business models. Sce- nario-based analysis proves to be a valuable decision-supporting tool in this context. It allows the assessment of possible strategies in the context of uncertain but important developments in areas such as politics, economy, society, environment and technology. An analysis conducted by Bauhaus Luftfahrt in cooperation with the Cabin Innovation and Design department of Airbus Operations GmbH, Deutsche Post DHL and the Institute of Aircraft Design at Technische Universität München yielded different paths of devel- opment regarding the air cargo market. These allow the better understanding of possible risks and opportunities and the assess- ment of implications for stakeholders. 22 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Green wings Survival of the fittest Growth without regret Opportunities > High revenue tonne kilometre (RTK) > Stagnation in environmental regulations > Globalised production demands complex demand due to global growth of middle class allows longer fleet life logistic solutions > Other transport modes become insecure > Globalised and faster production cycles: > Globalised production and shorter product and less reliable development times > Growing demand for highvalue goods Threats > Environmental restrictions and charges inhibit RTK growth > Ecologically driven consumer behaviour > High investments in technology and proces- ses required to increase emissions efficiency > Limited access to capital market > Strong regionalisation > Security issues as showstopper justintime > Cost advantage with optimal cargo capacity utilisation > Inability to match rapid growth of the air cargo market > Long cargo aircraft delivery and conver sion times: unable to meet cargo airline demand Drei verschiedene Luftfrachtszenarien aus der Untersuchung: Überblick über die jeweiligen Chancen und Risiken der Branche. Three exemplary air cargo scenarios: Indication of both opportunities and threats. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 23

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation OutsourcingEntscheidungen von Flugzeugherstellern: Analyse des Entwicklungs und Herstellungsprozesses Outsourcing decisions of aircraft integrators: Analysis of the development and manufacturing activities Die vier großen Flugzeugbauer Embraer, Bombardier, Airbus und Boeing haben mit unterschiedlichem Erfolg Teile ihrer Wertschöp- fungskette auf Zulieferer ausgelagert. Generell beabsichtigen die Hersteller durch dieses „Outsourcing“ einerseits spezifische Kennt- nisse und Produktionskostenvorteile ihrer Zulieferer für Entwick- lung und Produktion zu nutzen und andererseits die wachsenden Investitionskosten und -risiken neuer Flugzeugprogramme auf eine größere Anzahl von Beteiligten zu verteilen. Das Bauhaus Luftfahrt hat auf der Grundlage der Manage- menttheorie und der Neuen Institutionenökonomik einen metho- dischen Rahmen entwickelt, um die Teile und Komponenten der Wertschöpfungskette zu charakterisieren. Darin haben die Wis- senschaftler analysiert, welche Teile für die Produktionsstrategie „Outsourcing“ besonders geeignet erscheinen und bei welchen eher Probleme zu erwarten sind. Dafür wurden kritische Faktoren identifiziert, die sich als Hindernis für die Gestaltung effizienter Verträge und einer reibungslosen Zusammenarbeit zwischen Her- steller und Zulieferer erweisen können. Anschließend wurde die Relevanz dieser kritischen Faktoren in Bezug auf die jeweilige Komponente der Wertschöpfungskette mit Hoch, Mittel oder Niedrig bewertet. Als besonders kritisch für Out- sourcing wurden die integrierten Systeme (hydraulische, pneumati- sche, Avionik-Systeme, Flugzeugsteuerung) sowie die Flugzeugzelle bewertet, da sie meist sehr spezifisch auf das jeweilige Flugsystem abgestimmt und besonders komplex sind. Außerdem ist die Anzahl der Anbieter integrierter Systeme eher klein. The big four aircraft integrators Embraer, Bombardier, Airbus and Boeing have outsourced components of their development and manufacturing activities with different levels of success. In princi- ple, such outsourcing activities are undertaken to take advantage of the specific expertise of suppliers in aircraft design and develop- ment, to increase production efficiency and to share the increasing risks of new aircraft programmes. Bauhaus Luftfahrt has analysed outsourcing activities in the aerospace industry using theoretical insights from management theory and new institutional economics in order to systematically assess which kind of components and activities of the aircraft inte- grator's value chain are suited for outsourcing and which are not. Within this analysis, critical market conditions which can be detri- mental to an aircraft integrator's success in outsourcing activities were identified. Finally, a qualitative survey was performed that establishes a link between technical areas of commercial aircraft product de- velopment and the critical market conditions which were derived earlier. The relevance of the respective market condition for every segment of the value chain was rated as High, Medium or Low. A major result of the presented analysis is that airframe systems and integrated utility systems are the most critical components in aircraft integration especially since aerodynamic and structural de- sign of airframe systems and avionic-mechatronic system design is highly specialised and complex. In addition, the availability of competitors dealing with integrated utility systems is limited. Number of competitors Complexity Specificity Essentiality Life cycle duration Design tools and methods Materials (alloys and composites) Components (mechanical and electrical) Airframe system (assembly and cabin) Integrated utility systems Power systems (primary and auxiliary) Production (tooling and manufacturing) Testing (virtual and physical) L M H M L M H H L L M H H M M M L L M H H M L M L L L M H H L H L L L M H M L M Für Outsourcing relevante Markt bedingungen (Tabelle rechts) und entsprechende qualitative Bewer tung von Komponenten der Wert schöpfungskette links): Hoch (H), Mittel (M) oder Niedrig (L) (Tabelle For outsourcing relevant market specifications (right table) and corresponding qualitative survey of requisite technical areas of expertise (left table): High (H), Me- dium (M) or Low (L) 24 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation 8 7 10 9 6 5 4 2 3 3 1 1 Radome 2 Fuselage cockpit section 3 Landing gear Wheels & brakes Fuselage center sections 4 5 Wing box 6 Rear fuselage section 7 Fuselage tailcone 8 Empennage 9 Wings, control surfaces, high-lift devices 10 Engines, nacelles, pylons > Avionics > Radar equipment > Hydraulics > Auxiliary Power Unit (APU) > Doors & hatches > Windows > Seats > Galleys > Lavatories > Wiring harnesses > Air conditioning > Cargo handling equipment Großes Puzzle: An modernen Flugzeugpro- grammen ist eine Vielzahl von Zulieferern und Anteilseignern beteiligt. Big puzzle: Modern aircraft programmes are shared between a large number of suppliers and stakeholders. Anzahl der Konkurrenten / Number of competitors Komplexität / Complexity Spezifizität / Specificity Bestimmt die Wahrscheinlichkeit, einen Zulieferer bei Minderleistung im nächsten Flugzeugprogramm zu ersetzen The probability of replacing an underperforming sub-contrac- tor in the next development programme Situation, in der einerseits der Nutzen eines spezialisierten Zulieferers besonders hoch wäre, andererseits geeignete Zulieferer aber selten sind A situation in which specialisation advantages are most valuable but the number of suitable sub-contractors may be relatively low Schwierigkeit, eine Transaktion / einen Prozess so zu standardisieren, dass die geforderte Leistung relativ leicht am Markt angeboten werden kann (ist die Leistung besonders wertvoll für die spezifische Flugzeugkomponente, aber von relativ geringem Wert in anderen Anwendungen, entsteht eine sogenannte Hold-up-Situation – ein Vertragspartner kann die Situation zu Lasten des anderen ausbeuten) The difficulty of standardising a process and thus of making the required service relatively freely available on the market (a transaction / production of an aircraft component that is more valuable to the specific production than to any other deployment – this creates a mutual hold-up situation) Wesentlichkeit / Essentiality Die zu liefernde Komponente ist von kritischer Bedeutung für das Gesamtprodukt The respective component is of critical relevance for the performance of the entire product LebenszyklusBindung / Life cycle duration Notwendigkeit, den Zulieferer über den gesamten Lebenszyklus der Produktplattform zu beteiligen The necessity of a sub-contractor to provide support and coverage over the entire life of the product platform Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 25

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Zukunftstechnologie analyse: Sprunghafte Entwicklungen in neuen Forschungsfeldern Future technology analysis: New research domains for stepchange developments Zukunftsweisende Luftfahrtkonzepte vereinen die Anforderungen der Luftfahrt von morgen mit kommenden Technologieoptionen. Eine objektive, transparente und reproduzierbare Analyse techno- logischer Innovationspotenziale sichert dabei die wissenschaft- liche Qualität dieser Konzepte. Aus diesem Grund identifiziert das Bauhaus Luftfahrt frühzeitig potenziell einflussreiche Tech- nologieentwicklungen und bewertet diese anhand von Metriken, zukunftssicheren Richtwerten und Abschätzungen ihres Skalie- rungsverhaltens sowie ihres Potenzials für technologische Durch- brüche. Dieses „Technologieradar“ hat zum Beispiel zur frühen Untersuchung von Schlüsselentwicklungen für das elektrische Fliegen und für solare Kraftstoffe geführt, deren Fortschritt bis hin zur konzeptionellen Integration eines voll elektrischen Antriebs in „Concept 002“ präsentiert wird (Seite 62). Die bereits etablierten Bereiche für die Zukunftstechnologie- analyse, „Energie“ und „Alternative Kraftstoffe“ wurden im Jahr 2011 ergänzt durch „Materialien“ sowie „Photonik, Sensorik, In- formations- & Kommunikationstechnologien“. In diesen Bereichen sind sprunghafte Entwicklungen häufig auf die Nanostrukturie- rung von Materialien oder auf Quantentechnologien zurückzufüh- ren. Die Gütezahl für thermoelektrische Konversionsmaterialien quantifiziert zum Beispiel einen solchen sprunghaften Fortschritt, der neue Möglichkeiten für ein energieoptimiertes Flugzeug eröff- net. Weitere Innovationspotenziale in der Bewertung entstammen unter anderem den Materialtechnologien, die aus biologisch in- spirierter Entwicklung hervorgegangen sind. Dazu zählen selbst- heilende Materialien sowie Oberflächenstrukturen, die eine Ver- eisung verhindern, oder transparente, lasttragende Strukturen als wichtige Bestandteile visionärer Flugzeug- und Kabinenkonzepte. Tomorrow’s concepts of air transport and air travel are shaped by future requirements and upcoming technology options. An ob- jective, transparent and quantitative analysis of the innovation potentials of future technologies therefore provides a prerequi- site for the scientific quality of these concepts. For this reason, Bauhaus Luftfahrt evaluates potentially impactful early develop- ments through the definition of metrics and future-proof absolute benchmarks and through the assessment of scaling properties as well as disruptive potentials. The “technology radar” led, for exam- ple, to the early detection of key developments for electric flying and solar fuels up to the integration of fully electric propulsion in “Concept 002“ (page 62). The already established domains for the future technology analysis, primarily “Energy” and “Alternative Fuels”, were supple- mented in 2011 by “Materials” and “Photonics, Sensorics, Infor- mation & Communication Technologies”. In the latter, step-change developments are often based on nano-structuring of materials and on quantum engineering. An example of such a step-change improvement is quantified in the figure of merit of thermoelectric conversion materials, which opens up new opportunities for ener- gy-optimised aircraft. More innovative potentials were evaluated, amongst others for material technologies created from biologically inspired engineering such as self-healing materials and anti-ice surfaces, or for transparent stressed structures as key ingredients for visionary aircraft and cabin concepts. 26 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Energy storage 1 Batteries 2 Alternative fuels 3 Energy conversion High temperature superconducting motors 4 Electric propulsion 5 Fuel cells Materials 6 Self-healing materials 7 Radiation shielding 8 Transparent structures 9 Thermoelectric energy harvesting 10 Anti-icing 4 6 5 1 2 7 8 9 10 3 Breites Spektrum: Potenzielle Anwendungen von Zukunftstechnologien im Flugzeug. Broad spectrum: Potential applications of fu- ture technologies in an aircraft. x a m T Z 4 .0 3 .5 3 .0 2 .5 2 .0 1 .5 1 .0 0 .5 0 .0 Bi2Te3 Si0,85Ge0,15 ZnSb PbTe Superlattices AgPbmSbTe2+m CeFe3,5Co0,5Sb12 Zn4Sb3 Ce0,9Fe3CoSb12 Die thermoelektrischen Eigenschaften von Materialien wie Verbindungshalbleitern, soge- nannten „Skutteruditen“ sowie neuen Struktu- ren wie Quanten-Übergittern werden durch die dimensionslose Gütezahl ZTmax beschrieben. Die historische Entwicklung der entsprechenden Messdaten illustriert ihren sprunghaften Anstieg. The thermoelectric properties of materials like compound semiconductors, so-called “skut- terudites” and more recently quantum superlat- tices are described by the dimensionless figure of merit ZTmax. This historical plot of experimental data illustrates the step-change improvement of this figure. 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Year of publication Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 27

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Solare Kraftstoffe: Analyse von Umwandlungsprozessen Solar fuels: Analysis of conversion processes Eine relativ neue Alternative für die Herstellung von synthetischem Kerosin ohne den Umweg über Biomasse stellen solare Kraftstof- fe dar, die seit 2010 im Bauhaus Luftfahrt erforscht werden. Sie können grundsätzlich auf drei verschiedene Arten hergestellt wer- den: elektrochemisch, photochemisch und thermochemisch. Allen drei Wegen gemein ist die Erzeugung eines solaren Synthesega- ses, einer Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, die im Weiteren durch den bekannten Fischer-Tropsch-Prozess in Kerosin umgewandelt wird. Der elektrochemische Pfad ist derzeit unter anderem durch eine zweistufige Energieumwandlung auf circa 18 Prozent Wir- kungsgrad begrenzt, der photochemische bei der Photosynthese sogar auf etwa 3,5 Prozent. Die zweistufige thermochemische Um- wandlung befindet sich im Forschungsstadium mit der langfristi- gen Perspektive eines theoretischen Wirkungsgrades von 40 Prozent. Sie nutzt die Hochtemperaturwärme konzentrierter Sonnen- strahlung, um einen chemischen Prozess zu betreiben, bei dem bei circa 1500 Grad Celsius eine Reduktion des Materials und bei etwa 800 Grad Celsius eine Re-Oxidation stattfindet. In Summe ergibt sich eine Umwandlung von Wasser und Kohlendioxid in Synthese- gas und Sauerstoff. Ein im Bauhaus Luftfahrt durchgeführter Vergleich der Wir- kungsgrade des „Biomass-to-liquid“-Prozesses (BTL) mit dem thermochemischen Prozess zeigt heute in beiden Fällen niedrige Wirkungsgrade, was auf den Entwicklungsstand der Kraftstoffe zu- rückzuführen ist. Wird das langfristige Potenzial betrachtet, zeigt sich ein zehnmal so hoher Wirkungsgrad in der Umwandlung von Solarenergie zu Kraftstoff für den thermochemischen Prozess und damit eine vielversprechende Alternative zu Biokraftstoffen. A relatively new alternative for the production of “drop-in” capa- ble synthetic kerosene without the detour of biomass production are the so-called solar fuels which are investigated at Bauhaus Luftfahrt since 2010. For the production of solar fuels, in principle, three paths can be followed, each of which produces so-called syn- thesis gas, a mixture of hydrogen and carbon monoxide. Making use of the well-known Fischer-Tropsch process, synthesis gas can be further converted to drop-in-capable jet fuel. Among the different paths, electrochemistry is limited to about 18 percent efficiency today, partly due to a two-fold energy conversion involving solar electricity, and photochemistry is limited to roughly 3.5 percent in the case of photosynthetical conversion. The two-step thermochemical conversion is subject to research and shows a long-term efficiency potential of 40 percent. In a thermochemical process, high-temperature heat gained through the concentration of solar energy is used to drive a two- step chemical cycle that reduces the material at about 1500 de- grees Celsius and reoxidises it at about 800 degrees Celsius. The overall reaction results in the conversion of water and carbon dioxide to synthesis gas and oxygen. A comparison conducted by Bauhaus Luftfahrt in terms of ef- ficiency between the thermochemical and the “Biomass-to-Liquid” (BTL) process shows equally low values today, which is due to their low technical maturity. The long-term potentials of both processes however are much higher, with the thermochemical cycle efficien- cy reaching values ten times as high as the BTL-process, making solar fuels a promising alternative to biofuels. 28 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation H2 O CO2 Electrochemical > Electrolysis Photochemical Thermochemical > Photosynthesis > Biomass gasification / pyrolysis + water-gas shift > Algae > Photocatalysis > Onestep Direct thermolysis > Twostep Metal-oxide redox reactions (CoFe, CeO2) > Threestep Sulphur-iodine cycle, UT-3 cycle Drei Pfade zur Herstellung solaren Synthe segases, einer Mischung aus Wasserstoff und Kohlendioxid, einer Vorstufe solarer Kraftstoffe Three pathways to the production of solar synthesis gas, a mixture of hydrogen and car- bon monoxide, a precursor for solar fuels H2 CO Syngas (H2 / CO) + heat recuperation 20% STL BTL Future Today 1.75% 0.015% 0.3% 0% 5% 10% 15% 20% 25% Efficiency Factor η Wirkungsgrad der Umwandlung von Solar energie zu Kerosin für zweistufigen thermoche- mischen Cer-Oxid-Prozess (Sunlight-to-liquid, STL) und photosynthetische Synthesegasher- stellung (BTL), jeweils mit angeschlossenem Fischer-Tropsch-Prozess. Conversion efficiency of solar energy to jet fuel for two-step thermochemical ceria process (sunlight-to-liquid, STL) and photosynthetic pro- duction of synthesis gas (BTL), each followed by the Fischer-Tropsch process. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 29

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Zukunftsmaterialien: Abschirmung von kosmischer Strahlung im Flugverkehr Future materials: Shielding cosmic radiation in air traffic Um die Flugdauer und den Kraftstoffverbrauch zu optimieren, setzen Airlines verstärkt auf transpolare Flüge, beispielsweise zwi- schen Nordamerika und Asien. Des Weiteren werden zukünftige Flugzeuggenerationen in immer größere Höhen vorstoßen. Diese Trends gehen einher mit einer zunehmenden Belastung von Flug- personal, Vielfliegern und Flugzeugelektronik durch kosmische Strahlung. Aufgrund der damit verbundenen Gesundheitsrisiken und der Anfälligkeit für Avionikausfälle entstehen erhöhte Kosten durch das Umleiten von Flugzeugen auf niedrigere Breitengrade oder Flughöhen während Sonnenstürmen. Daher entwickelt das Bauhaus Luftfahrt ein Bewertungsschema für vielversprechende Lösungen zur Strahlungsabschirmung, die sich aus Fortschritten der Nanotechnologie ergeben. Kaskaden von kosmischer Strahlung entstehen, wenn von der Sonne und außerhalb des Sonnensystems stammende hoch- energetische Teilchen mit den Bestandteilen der Atmosphäre wechselwirken. Als Folge der geringeren Atmosphärendichte ist in Flughöhe die Strahlungsintensität mehrere hundert Mal größer als auf dem Erdboden und aufgrund der Beschaffenheit des Erd- magnetfeldes maximal, wenn die Pole überflogen werden. Dabei stellen kosmische Neutronen die größte Gefährdung dar. Nano- materialien können in Relation zum Gewicht Neutronen effizient absorbieren. Das Bauhaus Luftfahrt untersucht das theoretische Maxi- mum der Abschirmfähigkeit in Abhängigkeit von neuen Freiheits- graden der Nanophysik. Dieser Ansatz erlaubt die Bewertung von Nanomaterialien zur Abschirmung kosmischer Strahlung und von Perspektiven, kosteneffizient oberhalb und jenseits des natürli- chen Strahlenschutzes der Erde zu fliegen. To shorten flight times and optimise fuel burn, airlines are increas- ingly using cross-polar routes, for instance in directly connecting North America and Asia. Moreover, future commercial air traffic might be flying at ever-higher altitudes. These trends are accom- panied by a growing level of exposure to cosmic radiation for air- crew, frequent flyers and aircraft electronics. Due to the associated radiation hazards to humans and the risk of avionics failures, this implies increased costs as a result of rerouting aircraft to lower latitudes or altitudes during solar storms. To evaluate these effects on aviation, Bauhaus Luftfahrt is developing a quantitative assess- ment framework for promising radiation-shielding solutions which emerge from recent advances in nanotechnology and material sci- ence . Cascades of cosmic radiation are produced when highly en- ergetic particles originating from the sun and from outside of the solar system interact with the constituents of the atmosphere. Due to the lower density of the atmosphere at aircraft altitudes the radiation intensity is several hundred times greater than on the ground and at their peak when flying across the magnetic poles owing to the nature of the Earth’s magnetic field. The dominant hazard arises from cosmic neutrons. Nanomaterials can efficiently absorb neutrons with a minimal weight penalty and beyond that qualify for multifunctional use. In order to establish benchmarks for optimised shielding performance, Bauhaus Luftfahrt explores the dependence of the shield efficiency on novel degrees of free- dom from physics at the nanoscale. This approach allows the as- sessment of the application potential of nanomaterials for cosmic radiation shielding and the prospects for economic flight above and beyond the Earth’s natural radiation protection. 30 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

max: 210 .3 avg: 80 .8 18 2 max: 81 .5 avg: 30 .2 1 15 km 11 km 5 km 12 max: 210 .3 avg: 57 .4 80 70 60 50 18 3 12 80 70 60 50 18 12 0 max: 81 .5 avg: 22 .0 1 2 0 80 70 60 18 50 0 max: 8 .1 avg: 2 .4 6 12 6 80 70 60 50 3 80 70 12 60 50 6 80 70 12 60 50 18 18 1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation μSv/hr 210 190 170 150 130 110 90 70 50 30 10 max: 8 .4 avg: 3 .2 1 London – New York 2 Chicago – Stockholm 3 Chicago – Beijing Die Strahlendosis in mikrosievert pro Stunde (µSv/h) ist hier vor (linke Spalte) und während (rechte Spalte) eines solaren Ausbruchs dargestellt, jeweils auf drei unterschiedlichen Flughöhen. Die Strahlenexposition nimmt mit der Flughöhe sowie dem magnetischen Breitengrad zu und akkumuliert sich mit der Zeit. Eine Rönt- genaufnahme im Brustbereich ist in etwa vergleichbar mit einer Strahlendosis von 100 µSv. Quelle: Mertens et al., Space Weather (2010) The radiation dose equivalent rates in micro Sievert per hour (µSv/h) is shown before (left column) and during (right column) a solar storm at three different altitudes. The radiation exposure grows with altitude and magnetic latitude and accumulates with flight time. For comparison, the radiation dose of one chest X-ray corresponds to roughly 100 µSv. Source: Mertens et al., Space Weather (2010) χ [cm2 / g] 10 1 10-1 10-2 10-3 Aluminium LDPE 3% BNNT 5% BNNP 5% BNNT Der Massenschwächungskoeffizient χ, eine Metrik für die Effektivi tät der Neutronenabschirmung im Verhältnis zum Gewicht; für leichtes Polyethylen (LDPE), Polyimid-Komposite mit geringer Konzentration von Bor- Nitrid-Nanopartikeln (BNNP) und Bor-Nitrid-Nanoröhren (BNNT) sowie für Aluminium als Referenz (basierend auf NASA-Daten). The mass attenuation coefficient χ, a metric for the effectiveness of neutron shielding in relation to the mass penalty; for low-density poly- ethylen (LDPE), polyimide composites containing low loading boron nitride nanoparticles (BNNP) and boron nitride nanotubes (BNNT) as well as for aluminium as a benchmark (based on NASA data). Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 31

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Zukunftskonzepte für FlughafenTerminals: Analyse und Beispiele Future airport terminal concepts: Analysis and examples Trotz verschiedener Krisen in der Vergangenheit ist der Luftfahrt- sektor stark gewachsen. Dieser Trend wird sich auch in der Zukunft fortsetzen. Ein höheres Passagieraufkommen weltweit birgt jedoch auch neue Herausforderungen für die verschiedenen Marktakteure. Airlines, Flughäfen und die Flugsicherung müssen dieses Wachstum bewältigen und effizient gestalten. Besonders im Bereich Flughafen- infrastruktur kann es in der Zukunft zu großen Kapazitätsengpässen kommen, was Verspätungen und steigende Kosten für alle Beteilig- ten mit sich bringt. Der entstehenden Unterversorgung kann auf ver- schiedenen Wegen begegnet werden: zum einen durch Ausbau der Infrastruktur oder aber durch eine effizientere Gestaltung der Pro- zesse. Hierbei müssen Flughafenbetreiber jedoch die verschiedenen Nutzer und deren Anforderungen sowie Bedürfnisse miteinbeziehen und Lösungen hinsichtlich der entstehenden Zielkonflikte finden. Eine am Bauhaus Luftfahrt zusammen mit EADS und Airbus durchgeführte und bereits auf dem Deutschen Luft- und Raum- fahrtkongress präsentierte Studie beschäftigt sich mit der Analyse unterschiedlicher Passagieranforderungen und wie diese bei der Ge- staltung von Terminals berücksichtigt werden können. Hierbei ging es vor allem darum, die Interessen und Prioritäten von Geschäfts- und Privatreisenden sowie Transferpassagieren zu untersuchen und Unterschiede herauszustellen. Dazu wurde am Flughafen München eine Passagierbefragung durchgeführt, da die unterschiedlichen Terminalkonzepte dieses Flughafens ein sehr gutes Untersuchungs- umfeld bieten. Anhand der erzielten Ergebnisse konnten Passagier- anforderungen und -erwartungen den verschiedenen Gruppen von Reisenden zugeordnet und entsprechend priorisiert werden. Unter- schiede konnten vor allem hinsichtlich der Abwicklungsprozesse, der Orientierung und Information im Terminal sowie der Nutzung verschiedener Angebote während des Aufenthalts festgestellt wer- den. Geschäftsreisende beispielsweise legen den vergleichsweise größten Wert auf die gute Erreichbarkeit des Flughafens sowie sehr geringe Wartezeiten. Für Privatreisende sind dagegen Ansprechpart- ner innerhalb des Terminals am wichtigsten. Aus den gewonnenen Erkenntnissen entwickelte das Bauhaus Luftfahrt eine Methodik zur Bewertung verschiedener Terminalkonzepte auf ihre Eignung für die unterschiedlichen Reisegruppen. > Despite several crises in the past decades, air traffic has been growing steadily and passenger numbers at airports all over the world will rise even higher in the future. A major challenge of the aviation industry, both for airlines and airports, is to accommodate this growth. Especially airport infrastructure might pose a capacity constraint if not expanded accordingly. Potential congestion and delays on the ground can be avoided by increasing existing infra- structure and by enhancing the operational efficiency of aviation- related processes at the airport. Airport operators also have to incorporate the requirements of various users such as airlines or different passenger types, and find solutions how to best address arising trade-offs between interest groups. A study conducted at Bauhaus Luftfahrt in cooperation with EADS as well as Airbus and already presented at the German Aero- space Congress analysed the perceptions and expectations of dis- tinct passenger groups, for example business and private as well as transfer and embarking travellers. For this purpose a passenger survey was carried out at Munich Airport. This represents a good research environment since the airport comprises two very distinct terminal layouts. As a result of the survey, passenger requirements and expectations were classified according to multiple travel pur- poses. The importance travellers place on aspects such as pas- senger handling processes, orientation and information within the terminal as well as the availability of various services and facili- ties differs by passenger type. Business passengers, for example, value an airport’s good accessibility and the minimisation of wait- ing times higher compared to all other aspects. However, private passengers rather prioritise the availability and courtesy of the airport staff. The combination of the manifold insights into pas- senger perceptions and the ideas behind specific terminal designs enabled Bauhaus Luftfahrt to develop an assessment metho dology for terminal layouts. This particular framework helps to assess pas- senger expectations as well as arising trade-offs. The next step is to consider how these can be conceptualised within passenger- friendly terminal concepts. Assessing and designing new and innovative concepts was > also the aim of “Terminal Tomorrow”, a project conducted 34 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions SicherheitsKreisverkehr: Eines der Konzepte aus dem „Terminal Tomorrow“-Projekt mit der Technischen Universität München beschäftigte sich mit der Vision einer Sicherheitsschleuse mit beinahe kontinuierlichem Passagierfluss. Die Designstudenten Meike Braun, Diana Waitz und Kyriakos Xydias entwickelten dazu die Idee des hier abgebildeten „Sicherheits-Kreisverkehrs“. Security roundabout: One concept from the “Terminal Tomorrow“ project in cooperation with Technische Universität München envisions a security checkpoint utilising principles of a more continuous passenger flow. The pictured concept of a “security roundabout” was developed by design students Meike Braun, Diana Waitz and Kyriakos Xydias. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 35

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Die Um- und Neugestaltung von Prozessen und Strukturen am Flughafen war zudem Ziel eines in Kooperation mit dem Lehr- stuhl für Industrial Design der Technischen Universität München durchgeführten praktischen Semesterentwurfs zum Thema „Ter- minal Tomorrow“. So ist beispielsweise, in Anlehnung an das Kreiselkonzept im Straßenverkehr, eine Idee für einen neuen Si- cherheitsprozess entwickelt worden, die Passagieren ein schnelles und stressfreies Durchlaufen der Kontrollen ermöglichen soll. Ein weiteres Konzept beschäftigt sich mit einer sogenannten vertika- len Integration: Hier soll bereits der Flughafenzubringer-Zug ge- nutzt werden, um einen Teil der vor dem Abflug zu durchlaufenden Prozesse auszulagern. Die Passagiere haben in diesem Fall die Möglichkeit, bereits im Zug einzuchecken, ihr Gepäck aufzugeben und die Sicherheitskontrolle zu passieren. Am Flughafen angekom- men, betreten sie direkt den Sicherheitsbereich und können das vorhandene Unterhaltungs-, Einkaufs- und Gastronomieangebot nutzen, während sie auf ihren Flug warten. Die gesamte Reisezeit würde somit optimal genutzt, der Flughafen muss nicht mehr so viel Terminalfläche für Abfertigungsprozesse zur Verfügung stellen und Reisende kommen entspannt am Flughafen an. Auch wenn beide Beispiele aufgrund größeren Umbaubedarfs nur an neuen Flughäfen realisierbar scheinen, so zeigen sie dennoch, dass inno- vative Lösungen wertvolle Bausteine liefern für einen effizienten und kundenfreundlichen Flughafen der Zukunft. by the Institute of Industrial Design at Technische Universität München and Bauhaus Luftfahrt. One of the resulting models describes a new way of approaching passenger-related security processes within a terminal. It draws on the concept of a classic roundabout as found in road transport. The goal is to ensure a continuous passenger flow at the security checks and hence mini- mise waiting times – an aspect especially important for business travellers. Another concept elaborated the idea of conducting spe- cific terminal processes during the train ride to the airport. In this particular case, passengers are able to check in, to drop off their luggage and pass through security controls while aboard this train. Upon arrival at the airport, they proceed directly to the departures area and can hence enjoy the amenities on offer while waiting for their flight. Advantages of this concept include time savings by optimal usage of travel time, freed-up space within the terminal and relaxed passengers. As both examples require extensive modi- fications of the existing infrastructure, they seem more feasible for new terminal concepts. However, these examples clearly show that innovative solutions provide valuable components for an ef- ficient and passenger-friendly airport of the future. Airport baggage handling system Baggage drop-off Check-in machines Security checkpoint Security area in the airport Gate Schengen Gate Non-Schengen Passport control Baggage compartment Security area onboard the train 36 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Zug zum Flug: Die Abwicklung des Eincheckvorgangs bereits im Zubringerzug zum Flughafen ist eine weitere Idee aus „Terminal Tomorrow“, einem Kooperationspro- jekt mit der Technischen Universität München. Erdacht und ausgearbeitet wurde das Konzept von den Designstudenten Martina Kaindl, Hanna Ruck und Peter Frank. Train to the plane: Pre-drawing parts of the check-in process to commuter trains was another idea developed in the “Terminal Tomorrow” project with Technische Universität München. Design students Martina Kaindl, Hanna Ruck and Peter Frank designed a suitable concept train. Check-in Baggage drop-off Security check Buffer Boarding Departure 2040 Today 0 30 60 90 120 150 180 210 Minutes Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 37

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Untersuchung und Bewertung hybrider elektrischer Leistungssysteme Analysis and assessment of hybrid electrical power systems Zukünftige Wachstumsperspektiven der Luftfahrtindustrie hän- gen entscheidend von der Verbesserung ihrer Umweltbilanz ab. Die dazu notwendigen neuen Energieträger als Ersatz für fossiles Kerosin lassen völlig neuartige Antriebsarchitekturen in den lang- fristigen Fokus der Forschung rücken, die anders als „drop-in“- fähige Ersatzkraftstoffe maßgeblichen Einfluss auf das Gesamt- system Flugzeug hätten. Neben potenziell emissionsfreien vollelektrischen Antrieben betrachtet das Bauhaus Luftfahrt dabei auch die Perspektiven hybrider Antriebssysteme, also Kombinationen aus den bekann- ten Verbrennungstriebwerken („internal combustion engines“, kurz: ICEs) mit elektrischen Speichern wie Batterien sowie elek- trischen Motoren und Generatoren. Eine angemessene Beurtei- lung des Fortschritts auf diesen Gebieten erfordert ein genaues physikalisches Verständnis der Grundkomponenten sowie deren naturwissenschaftlich präzise Modellierung. Machbarkeit und Skalierungsverhalten des vollständig oder hybridelektrisch be- triebenen Lufttransports werden umfassend durch einige grund- legende Prinzipien beschrieben und durch wissenschaftliche Ent- wicklungen außerhalb des Luftfahrtsektors vorangetrieben. Diese müssen ihrerseits mit neuartigen Flugzeugkonzepten und Inte- grationsmöglichkeiten zusammengeführt werden, um ihr Innova- tionspotenzial voll auszuschöpfen. Die grundlegenden Prinzipien der Machbarkeit des voll- oder teilelektrischen Fliegens sind nach Auffassung des Bauhaus Luftfahrt in drei Aspekte zu gliedern. An erster Stelle steht das Konzept der spezifischen Exergie als geeigneter Bewertungsmaßstab eines Energieträgers in der Luftfahrt in Bezug auf dessen Masse und Volumen. Das Bauhaus Luftfahrt nutzt diese Metrik an Stelle der Energie, von welcher die Exergie den maximal arbeitsfähigen Anteil darstellt. Der zweite Aspekt liegt in der Brauchbarkeit eines Energieträgers in Verbindung mit einem Leistungswandler, die grundlegend durch ihre gemeinsame Leistungs- und Exergiedichte, die sogenann- ten Ragone-Metriken, bestimmt wird. Diese Kombination von Bewertungsprinzipien dient als Schlüsselkriterium der Mach- barkeit des elektrischen Fliegens im Vergleich mit alternativen Energiequellen. > The future growth of the aviation industry critically depends on reducing its environmental footprint through the substitution of fossil kerosene. Contrary to “drop-in”-capable fuel alternatives, other novel energy carriers bring entirely new propulsion architec- tures into the focus of research, and will have a substantial influ- ence on the overall aircraft system. Besides potentially emission-free all-electric propulsion sys- tems, Bauhaus Luftfahrt is also evaluating the progress and per- spectives of hybrid motive power systems, which combine the conventional internal combustion engines (ICEs) with batteries, electric motors and generators. For an adequate analysis of such architectures a detailed physical understanding and scientific modelling of the basic components is mandatory. The realisation potential and scaling properties of fully or hybrid electric air trans- port are governed by a few fundamental principles and driven by scientific developments outside the field of aviation. These have to be combined with novel aircraft configuration and integration options to reach their full innovation potential. The fundamental principles for the feasibility of partly or full electric flying as pro- posed by Bauhaus Luftfahrt fall into three categories. First, the concept of specific exergy has been identified as a suitable assessment criterion for energy carriers in aviation in rela- tion to their mass and volume. Bauhaus Luftfahrt utilises this met- ric instead of energy, of which exergy describes only the part that can be transformed into useful work. The second aspect highlights the usefulness of an energy carrier in combination with a power converter, which is fundamentally determined by their combined power density and exergy density, the so-called Ragone metrics. This combination of metrics is the key indicator of electric aircraft feasibility in comparison with alternative power sources. The third aspect covered by Bauhaus Luftfahrt is the hybridi- sation degree of freedom: two or more energy storage and power conversion subsystems that individually are inadequate for electric flying may be combined into a hybrid system with suitable perfor- mance . The performance scaling of subsystems is key to proper > power system design. ICEs and fuel cell systems, for example, 38 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Vier verschiedene Beispiele: Auf der Basis einer grundlegenden Analyse der Kombinatorik von teil- oder vollelektrischen Architekturen in den vergangenen Jahren fokussierte das Bau- haus Luftfahrt seine Arbeiten stärker auf aus- gewählte hybridelektrische Antriebssysteme für zukünftige Flugzeugkonzepte. Four different examples: Following a general assessment of the combinatoric benefits from more-electrical and all-electrical architectures in recent years, Bauhaus Luftfahrt narrowed its research focus to selected hybrid-electric motive power systems for future aircraft concepts. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 39 Gener . PMAD Motor Motor PMAD ICE Fuel cell PMAD Motor PMAD Motor Fuel flow Mech . power Electr . power PMAD = Power Management And Distribution ICE = Internal Combustion Engine

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions allow for an independent scaling of power level and energy con- tent, which determines the useful flight time. Batteries incorporate both characteristics at once, hence either characteristic defines the necessary battery size. Building on the Ragone metrics, the performance scaling can be derived in each case. Unlike tradi- tional arrangements of turbo-machinery, the integration of fully or hybrid-electric motive power systems into the aircraft allows for the separation of power generation and power consumption. From a wide combinatorial variety of energy storage and power genera- tion subsystems, new degrees of freedom arise for aircraft design, aerodynamic and propulsive efficiency and many other aspects. With this physical understanding Bauhaus Luftfahrt is able to identify promising advances in science and technology pertain- ing to energy storage and conversion, which may become the key enablers of a long-term sustainable future of the aviation industry as a whole. An dritter Stelle betrachtet das Bauhaus Luftfahrt den Freiheits- grad der Hybridisierung. Zwei oder mehr Untersysteme zur Ener- giespeicherung und Leistungsumwandlung, die für sich betrachtet den Anforderungen des elektrischen Fliegens nicht gerecht wer- den, können in ihrer Kombination ein umsetzungsfähiges Antriebs- system darstellen. Beim Entwurf eines Antriebskonzepts ist das Skalierungs- verhalten der Leistungsfähigkeit einzelner Untersysteme ein Schlüsselparameter. ICEs und Brennstoffzellensysteme erlauben es beispielsweise, das Leistungsniveau des Antriebs und den Energieinhalt des Speichers, und damit die Betriebsdauer, un- abhängig voneinander auszulegen. Batterien dagegen vereinen beide Eigenschaften innerhalb eines Systems, weshalb beide Parameter in die Bestimmung der notwendigen Batteriegröße eingehen. Aus den Ragone-Metriken kann für jeden Fall die Leis- tungsskalierung abgeleitet werden. Bei der Integration eines voll- oder hybridelektrisch betriebenen Antriebssystems können, an- ders als bei herkömmlichen Triebwerken, Leistungsbereitstellung und -verbrauch räumlich voneinander getrennt werden. Aus der Vielzahl an Kombinationsmöglichkeiten zwischen Untersystemen zur Energiespeicherung und Leistungsbereitstellung ergeben sich neue Freiheitsgrade für den Flugzeugentwurf, für Aerodynamik und Vortriebseffizienz sowie zahlreiche andere Aspekte. Mit dieser physikalischen Herangehensweise kann das Bau- haus Luftfahrt aussichtsreiche Fortschritte in Wissenschaft und Technik auf dem Gebiet der Energiespeicherung und -umwand- lung identifizieren, die für eine langfristige und nachhaltige Zu- kunft der Luftfahrt in ihrer Gesamtheit entscheidend sein werden. 40 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Relative specific power 10 Batteries Kerosene Hybrid (turbo-electric) 1 Fuel cell 0.1 To enable sufficient range To enable flight 0.01 0.1 1 10 Relative specific exergy Die Fokussierung der Forschungsarbeiten auf dem Gebiet hybrider Antriebssysteme verdeutlicht die Ergänzung des im Jahrbuch 2009/2010 eingeführ ten schematischen RagoneDiagramms mit realen Simulationsdaten ausgewählter teil und vollelektrischer Antriebsarchitekturen auf Basis heutiger Technologie: Deren Leistungsfähigkeit in verschiedenen Kombinationen mit Batterien (hellblau), Brennstoffzellen (rot) oder Hybridlösungen (orange) kann so mit der eines typischen Mittelstreckenflugzeugs mit konventionellen, kerosinbetriebenen Turbinen (grün) verglichen werden. The focus of research is reflected in the amendment of the schematic Ragone diagram introduced in the yearbook 2009/2010 with real simulation data of moreelectric and fullelectric propulsion architectures based on today’s technology level: Their performance in combination with batteries (light blue), fuel cells (red) or hybrid solutions (orange) can hence be shown in comparison to a typical medium-range aircraft powered by turbo engines and fuelled with conventional kerosene (green). Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 41

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Vergleichsstudien zwischen fortschrittlichen Gasturbinen und Elektromobilität in der Luftfahrt Comparison between advanced gas turbines and electromobility in aviation Mit Blick auf die kürzlich veröffentlichten strategischen Ziele der Luftfahrtforschung kommt der Untersuchung radikal neuer Tech- nologiekonzepte, besonders im Bereich der Antriebe zukünftiger Luftfahrzeuge, eine hohe Bedeutung zu. Grundsätzlich dienen elektrische Systeme in Flugantrieben als eine potenzielle Lang- fristalternative zu heutigen Gasturbinen in der Realisierung des emissionsfreien Fliegens. Als Leistungsquelle für die Antriebe derartiger Transportflugzeuge werden am Bauhaus Luftfahrt elek- trische Energiespeicher und -wandler untersucht. Für die Einfüh- rung elektrischer Energieversorgung zum Antrieb von Flugzeugen sind unterschiedliche Szenarien denkbar, darunter eine hybride Leistungsbereitstellung durch Brennstoffzellen, turboelektrische oder parallele Versorgung aus elektrischer Energie und Kraft- stoff oder eine ausschließliche Energiespeicherung in Batterien (Seite 62). In der gleichen Größenordnung wie bei konventionellen kraftstoffbasierten Systemen kann die Schuberzeugung im Fall elektrischer Energieversorgung sowohl durch ummantelte als auch durch offene Vortriebserzeuger, also Fans oder Propeller, stattfin- den. Die Leistung des Antriebs wird hierbei lediglich durch einen Elektromotor anstatt einer Gasturbine bereitgestellt. Die Forscher des Bauhaus Luftfahrt untersuchen wichtige As- pekte der konzeptionellen Auslegung und der Flugzeugintegration solch elektrischer Antriebe sowie deren Einflüsse auf die optima- len Betriebsbedingungen möglicher elektrischer Transportflugzeu- ge. Darüber hinaus werden zudem die Systemarchitekturen eines möglichen elektrischen Flugantriebs mit denen eines klassischen Turbofan-Triebwerks verglichen. Für Elektromotoren mit Technolo- gien zur Hochtemperatursupraleitung konnten in Laborversuchen in der Vergangenheit bereits gewichtsbezogene Leistungsdichten ähnlich heutigen Gasturbinen nachgewiesen werden. Im Unterschied zu luftatmenden Flugantrieben ist die Leis- tungsfähigkeit von Elektromotoren nahezu unabhängig von Flug- höhe und -geschwindigkeit. Außerdem unterscheidet sich die Effizienz von Elektromotoren im Teillastbereich deutlich von der Charakteristik von Gasturbinen. Während der Betrieb heutiger Verkehrsflugzeuge > infolge des Kraftstoffverbrauchs stark In view of the recently established strategic goals for aeronautical research, radically new technology concepts for powering future aerospace vehicles need to be considered. Electric-powered sys- tems might provide long-term potential either considered within gas turbine architectures or as fully electric propulsion systems. For the introduction of electrical energy for aircraft propulsion, a number of scenarios are conceivable including hybrid power solutions involving fuel-cell-based as well as battery-based energy (page 62) for turbo-electric or even fully electrical system archi- tectures. In the same order of magnitude as conventional kero- sene-based propulsion systems, the production of thrust from an electrical energy supply may support ducted fan or unducted rotor devices. The power to drive the propulsive device, however, is sup- plied by an electric motor instead of the classic gas turbine. Researchers at Bauhaus Luftfahrt have been investigating essential aspects of airborne electromotive power solutions with regards to propulsion system conceptual design, aircraft integra- tion and optimum operating conditions. Moreover, an architectural comparison between a possible electric motive power system and a conventional turbofan engine has been conducted. Electric mo- tors featuring high temperature superconducting technologies have been considered as a baseline. In laboratory tests, these engines have already demonstrated specific power densities, the amount of power generated for a given weight, similar to contem- porary gas turbines. Different from air-breathing engines, electric motors provide almost constant power supply, independent of flight speed and al- titude. Moreover, the efficiency characteristics of electric motors at part power differ from gas turbines. Unlike contemporary aircraft operations, which are strongly influenced by the in-flight weight reduction due to the fuel burn, electromotive power involving energy storage in batteries could mean constant aircraft weight during the entire mission. This would preclude the notion of com- mon en route procedures like step-cruising. All these considerations have a great impact on aircraft de- sign and operational performance and may require new approach- es for the overall aircraft system layout and sizing. On the one > 42 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Core engine Fan Fan drive gearbox Nozzle Nacelle Residuals HTS motor Cryocooler Controller Fan Fan drive gearbox Nozzle Nacelle Residuals Weight breakdown of advanced geared turbofan power plant (ultrahigh bypass ratio) Weight breakdown of electric fan power plant Ein am Bauhaus Luftfahrt durchgeführter Konzeptvergleich zwischen elektrischer und konventioneller Getriebefanarchitektur zeigt die Auswirkung eines Austauschs des Leistungserzeugers auf die Verteilungen der Komponentengewichte: Nicht nur der Hochtemperatur-supraleitende (HTS) Elektromotor an sich, sondern auch die Systeme zur Motorkühlung und -steuerung machen sich deutlich bemerkbar. A conceptual comparison carried out at Bauhaus Luftfahrt between electrically and conventionally driven geared fan architectures highlights the impact of an exchange of power generation on the component weight breakdown: Not only does the weight of the high-temperature-superconducting (HTS) electric motor become noticeable, but also the required components for cryo-cooling and power electronics. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 43

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Two-spool geared turbofan Single rotating geared electric fan Replacement of turbo engine by electric motor Motor Vergleich zweier Triebwerksarchitekturen mit ummantelter Luftschraube und Getriebe: angetrieben durch eine herkömmliche Gasturbine (oben) beziehungs- weise Hochtemperatur-supraleitende (HTS) Elektromotoren (unten). Die elektrisch angetriebene Luftschraube ist zur Anpassung des Motor-Drehmoments durch zwei Getriebestufen untersetzt. Comparison of two geared ducted fan architectures: Powered by a conventional gas turbine (above) and high-temperature-superconducting (HTS) electric motors (bottom). The electrically powered fan is driven through two gear stages in order to moderate the electric motor's torque. 44 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions hand, the application of an electric energy supply and subsequent conversion imposes major changes on aircraft weights and bal- ance and ground servicing as well as impacts on turn-around time performance. On the other hand, electric energy conversion could facilitate new concepts like distributed propulsion, which enables new degrees of freedom for airframe structural optimisation, and thus may lead to new efficient aircraft designs. Finally, the replace- ment of a gas turbine core engine by electric motors influences the external noise characteristics of the aircraft, potentially offering the capability of significant noise reduction when combined with a ducted propulsive device. durch eine Gewichtsabnahme während des Fluges beeinflusst ist, wäre das Gewicht eines batteriebetriebenen Elektroflugzeuges während der gesamten Flugmission konstant. Dies würde heutige Standardverfahren während des Reiseflugs wie den Step-Cruise ausschließen. Die aufgezeigten Erwägungen haben große Auswirkungen auf die Flugzeugauslegung und Missionsleistungen und kön- nen völlig neuartige Designansätze erfordern. Einerseits bringen die elektrische Energieversorgung und -wandlung wesentliche Änderungen der Flugzeuggewichte und Ausbalancierung, der Bodenversorgung und Abfertigungszeiten mit sich. Andererseits ermöglicht der Einsatz elektrischer Energiewandler eine effiziente Umsetzung verteilter Antriebskonzepte, was etwa neue Freiheiten zur strukturellen Optimierung der Flugzeugzelle schafft und somit zu neuen, effizienten Luftfahrzeugkonfigurationen führen könnte. Nicht zuletzt kann der Austausch des klassischen Kerntriebwerks durch einen Elektromotor auch die externe Schallabstrahlung des Flugzeugs beeinflussen, was in Verbindung mit fortschrittlichen ummantelten Vortriebserzeugern ein deutliches Potenzial zur Re- duzierung des Fluglärms bieten könnte. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 45

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Verteilte Antriebe und Rumpfintegration: Neue Freiheitsgrade für den Vortrieb Distributed propulsion and propulsive fuselage: new degreesoffreedom in motive power In der Vergangenheit wurde ein erheblicher Anteil der Emissions- reduktionen durch Verbesserung des Antriebssystems erreicht. Die neuen Triebwerke für die kürzlich angekündigte Boeing 737 „MAX“ werden in Bezug auf den Missionskraftstoffverbrauch zum Beispiel mehr als 30 Prozent effizienter sein als die Triebwerke der zweiten Generation der Modelle 737-300, -400 und -500. Der größte Anteil der Triebwerksverbesserung resultiert aus der Verbesserung der Vortriebseffizienz. Diese erhöht sich, wenn bei gleichem Schub die Fläche des Fans im Verhältnis zum Kerntriebwerk vergrößert wird. Dies führt jedoch bei konventionellen Turbostrahltriebwerken, bei denen ein Kerntriebwerk einen Fan antreibt, zu zusätzlichem Gewicht und Widerstand aufgrund der großen Fandurchmesser. Zusätzlich ist der Durchmesser des Fans durch Installationsrand- bedingungen, beispielsweise die Höhe des Fahrwerks, beschränkt. Als Ergebnis dieses Zielkonflikts könnten die erreichten Verbesse- rungen in eine Auslegung außerhalb des Optimums konvergieren. Um weitere Verbesserungen der Flugzeugeffizienz zu errei- chen, sind daher neue Ansätze für das Antriebssystem und dessen Integration nötig. Eine vielversprechende Idee ist die Verteilung der Leistung eines Kerntriebwerks auf zwei oder sogar mehrere Fans, wodurch die Fläche des Fans und somit die Vortriebseffizienz steigt. Gleichzeitig ist der Anstieg des Fandurchmessers und so- mit des Gewichts moderat. Außerdem können die Kerntriebwerke separat optimiert werden, weil die Idee des „verteilten“ Antriebs Flexibilität in der Positionierung bietet. Die Kerntriebwerke können zum Beispiel außerhalb des Fanstrahls angebracht werden, bei- spielsweise im Rumpf. Durch den größeren Bauraum, der somit zur Verfügung steht, kann das Kerntriebwerk durch Zwischenkühler und Rekuperatoren optimiert werden. Solche Lösungen resultie- ren in größerer Komplexität und Zusatzgewicht aufgrund zusätz- licher Komponenten wie Wellen und Getriebe. Bauhaus Luftfahrt arbeitet an der Entwicklung von parametrischen Modellen, die in der Lage sind, die genannten Zielkonflikte zu quantifizieren, um das Potenzial von verteilten Antrieben auf Gesamtsystemebene zu bestimmen. Während in ersten Schritten die Leistung der Kerntriebwerke > mit Wellen und Getrieben mechanisch auf die Fans verteilt In the past, a significant proportion of jet aircraft emission reduc- tion occurred through improvements to the propulsion system. For example, the new engines of the recently announced re-engined version of the Boeing 737 “MAX” will be more than 30 percent more efficient in regard to block fuel consumption compared to the engines of the second-generation 737-300, -400 and -500. The biggest contributor to engine improvement is the increase in pro- pulsive efficiency. If the area of the fan which produces the largest proportion of the thrust is increased for a given level of thrust, the propulsive efficiency will increase. However, for conventional engine designs the improvements resulting from the larger fan diameter are limited by engine weight and nacelle drag. More over, the fan diameter may be limited by installation constraints, for example the landing gear height could become excessive. As a re- sult of this trade-off, the improvements converge to a constrained optimum design point. Consequently, new approaches for propulsion system design and integration are required to further improve aircraft efficiency. One promising idea proposed by academia and industry is to dis- tribute the power of one core engine to two or even more fans, which increases the propulsive efficiency due to a larger total fan area while maintaining a moderate increase in fan diameter and weight. In addition, this design flexibility offers the possibility to disassociate the core engine from the fan exhaust. Referred to as “distributed propulsion”, this opens up new options for optimisa- tion, such as allowing for the introduction of intercoolers and re- cuperators to improve engine core efficiency. However, such solu- tions suffer from increased complexity that might result in weight penalties due to additional components like shafts and gears. Re- searchers at Bauhaus Luftfahrt are working on the development of models to quantify the potentials of the stated trade-offs of such distributed propulsion systems at the overall aircraft level. While in the first steps the power of the core engines could be distributed mechanically using shafts and gears, a distribution of the power using generators, wires and electric motors is also a future option. The latter approach is currently being investigated at Bauhaus Luftfahrt as it can offer a weight and complexity > 46 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Rumpfantrieb: Die Verteilung der Schubproduktion um den gesamten Rumpf herum könnte eine optimale Basis für die Nutzung der Grenzschichteinsaugung zur Reduktion der Rumpfreibung darstellen. Propulsive fuselage concept: Distributing the thrust production around the entire fuselage could allow for an optimum use of Boundary Layer Ingestion to reduce the fuselage drag. Das Claire LinerKonzept: Seine Auslegung mit zwei Kerntriebwerken, die vier ummantelte Fans antreiben, ist ein Beispiel für eine „verteilte“ Antriebsarchitektur. The Claire Liner concept: Its design using two core engines to drive four ducted fans is one example of distributed propulsion architectures. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 47

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Separated body and engine Body and engine integrated with partial wake filling Body and engine integrated with ideal wake filling Vjet Momentum excess of jet (thrust) Vwake Momentum deficit of wake (body viscous drag) V∞ V∞ V∞ Benefit via elimination of kinetic energy outflow in the wake Vjet Vwake Wake is reenergised and the jet perfectly fills the wake Die Veranschaulichung dreier Konzepte zur Antriebsintegration, die im Bauhaus Luftfahrt untersucht werden, zeigt deutlich die Vorteile von teil oder vollintegrierten Lösungen: Für die größtmögliche Effizienz sollte das durch Widerstand (orange) und Schub (hellblau) entstehende Geschwindigkeitsfeld im Nachlauf möglichst homogen sein, um Verluste durch Reibung zu minimieren. Ein theoretisches Optimum stellt daher die untere Grafik dar, bei der die verzögerte Strömung wieder exakt auf Fluggeschwindigkeit beschleunigt wird. The depiction of three propulsion integration concepts under study at Bauhaus Luftfahrt clearly highlights the benefits of partially and fully integrated solutions: To ensure maximum efficiency, the wake velocity field formed by body drag (orange) and thrust (light blue) has to be as homogeneous as possible in order to minimise drag. A theoretical optimum is hence shown in the graphic at the bottom, where the decelerated flow is accelerated exactly back to freestream velocity. 48 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions werden kann, ist die Verwendung von Generatoren, elektrischen Leitungen sowie Elektromotoren eine Option für die Zukunft. Diese Lösung wird am Bauhaus Luftfahrt untersucht, weil sie für man- che Flugzeugkonfigurationen eine Gewichtseinsparung sowie eine Komplexitätsreduktion im Vergleich zu einem Wellensystem brin- gen kann. Eine Erhöhung der Anzahl der Fans erhöht gleichzeitig den Freiheitsgrad an möglichen Flugzeugkonfigurationen in puncto In- tegration. Die Fans können so angebracht werden, dass sie die Grenzschicht des Rumpfes einsaugen und somit den Gesamtwi- derstand reduzieren, wie zum Beispiel beim Claire Liner-Konzept. Für die Klasse eines typischen Kurz- und Mittelstreckenflugzeugs verbessert sich dadurch die Effizienz um circa fünf Prozent. Auch ein Vorteil der Integration der Fans in die Flugzeugzelle ist die Reduktion des Triebwerksgondel-Widerstands sowie eine er- höhte Lärmreduktion. Diesen Potenzialen gegenüber steht eine Verschlechterung des Strömungszustands am Fan durch die ge- störte Anströmung der Grenzschicht. Basierend auf empirischen Methoden sowie numerischen Strömungssimulationen für die Grenzschicht und die Flugzeugumströmung arbeitet das Bauhaus Luftfahrt an der Quantifizierung des Potenzials für die Effizienzstei- gerung durch Grenzschichteinsaugung. Wenn man in die weite Zukunft blickt, könnte die Verteilung der Schuberzeugung um den Rumpf herum eine Lösung sein. In einer solchen Konfiguration wäre die Fanfläche und somit auch die Vortriebseffizienz sehr hoch, während die Fanschaufeln leicht und dünn, und somit auch aerodynamisch effizient, gebaut werden können. Ein solches Konzept nutzt den Effekt der Grenzschich t- einsaugung optimal aus. Nachteile durch die Strömungsstörungen am Fan könnten im Vergleich zu einer Konfiguration wie dem Claire Liner oder anderen Konzepten für verteilte Antriebe hier minimiert werden. benefit when compared to a purely mechanical system, depend- ing also on the aircraft configuration. The idea of distributing the thrust to a larger number of fans also offers new degrees of freedom when it concerns the aircraft configuration choice. The fans can be installed in such a way that they could “ingest” the fuselage boundary layer, as can be seen in the Claire Liner concept, which reduces the effective drag of the aircraft. Assuming the dimensions of a typical narrow-body air- craft, the efficiency improvement of a similar propulsion system is approximately five percent. Also beneficial is the reduction of the nacelle drag and noise due to the integration of the fans into the airframe. It is emphasised that a reduction of the improvements is expected due to a degradation of the fan inlet performance result- ing from the non-uniform flow and fan ducting. Based on empirical methods as well as Computational Fluid Dynamics (CFD) for model- ling the boundary layer and aircraft flow field, Bauhaus Luftfahrt is working on the assessment of the overall benefit of Boundary Layer Ingestion. Looking far into the future, one further option may consider distributing the thrust production around the entire fuselage. This configuration offers a very large fan area and hence high propul- sive efficiency for lower fan weight and thinner fan blades that have better aerodynamic efficiency. Additionally, such a concept makes optimum use of Boundary Layer Ingestion and may pos- sibly avoid problems like fan distortion compared to configurations like the Claire Liner or other distributed propulsion system-based designs available in literature. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 49

Entwicklung eines vollelektrischen Verkehrsflugzeugs: Ein interdisziplinäres Musterbeispiel Designing a universallyelectric airliner: An interdisciplinary flagship project The year 2011 proved to be a very stimulating, exciting and technically challenging time at Bauhaus Luftfahrt. Meeting or even exceeding the European Commission Flightpath 2050 goals resembled the key driver for activities in all Bauhaus Luftfahrt groups. Out of the identified technologies and ideas in multiple disciplines the idea evolved to join those ideas into the conceptual design and assessment of a zero-emission (in flight) transport aircraft. In a joint group design project all teams brought their expertise together to go through the full process from requirements definition through conceptual de- sign to an initial operational assessment of such a concept. Challenged by this task the group even selected a new method of cooperation during the process, which proved very valuable in highly dynamic and interdisciplinary tasks. The ambitious zero-emissions target was achieved through tech- nological implementation of a universally electric systems architecture, ducted electric-driven fans, latest battery tech- nologies and novel configurational features like the C-wing, keeping technology availability in 2035 to 2040 in mind. The final proposal ended with a vehicle that exhibits op- erational flexibility, competitive performance and significantly lower operating economics compared to advanced transport aircraft projected to serve the same future market segment. Details of the project studies carried out under the interim title “Concept 002” can be found on the following pages, which I hope will provide you with an interesting insight into a pos- sible emission-free future. 2011 war ein ebenso spannendes wie auch technisch herausforderndes Jahr für das Bauhaus Luftfahrt. Die von der EU-Kommission in „Flightpath 2050“ festgesetzten am- bitionierten Ziele entwickelten sich zu einem wesentlichen Treiber der Arbeiten unserer Forschungsbereiche. Aus den dort bereits identifizierten Technologien und Ideen in den verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen entwickelte sich bald der Wunsch, diese in einem konzeptionellen Ent- wurf und der anschließenden Bewertung eines emissionsfrei fliegenden Verkehrsflugzeugs umzusetzen. Im ersten gemein- samen Gruppen-Designprojekt brachten alle vier Teams am Bauhaus Luftfahrt ihre Expertise zusammen, um den ge- samten Prozess von der Zieldefinition über die grundsätzliche technische Auslegung bis hin zu einer ersten operationellen Bewertung eines solchen Konzepts abzubilden. Angetrieben von der großen Herausforderung der Auf- gabe erprobte das Team dabei auch neue Wege der Zusam- menarbeit, die sich im Angesicht der hochgradig dynami schen und komplexen Zielsetzung als sehr wertvoll erwiesen. Das ambitionierte Ziel der Emissionsfreiheit wurde durch eine uni- versellelektrische Systemarchitektur, elektrisch angetriebene Fans, fortschrittlichste Batterietechnologien und neuartige Konfigurationen wie den C-Wing erreicht, immer mit der Ver- fügbarkeit der Technologien in den Jahren 2035 bis 2040 im Hinterkopf. Am Ende entstand unter dem Arbeitstitel „Concept 002“ ein Luftfahrzeugkonzept, das ein hohes Maß an Flexibilität im Betrieb verspricht, und das zu signifikant niedrigeren Kosten gegenüber dem Wettbewerb im angenommenen zukünftigen Marktsegment. Mehr Details zu den einzelnen Projektstudien finden Sie auf den folgenden Seiten, die Ihnen, wie ich hoffe, einen interessanten Einblick in eine potenziell emissionsfreie Zukunft geben. Dr. Askin T. Isikveren Leiter Visionäre Flugzeugkonzepte / Head of Visionary Aircraft Concepts Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 51

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Definition von Anforderungen an ein Passagierflugzeug mit elektrischem Antrieb Derivation of toplevel requirements for an allelectric shortrange airliner Klimawandel und die Endlichkeit der Ölressourcen stellen die Luftfahrt vor große Herausforderungen. Vor diesem Hintergrund werden im „FlightPath 2050“-Dokument der Europäischen Kom- mission sehr ambitionierte und konkrete Ziele für Fluggeräte mit Indienststellung in 2050 vorgelegt. Insbesondere ist die Ver- minderung des Kohlendioxid (CO2)-Ausstoßes um 75 Prozent im Vergleich zum technologischen Stand im Jahr 2000 beabsichtigt. Aufgrund der relativ hohen CO2-Emissionen ist das Marktseg- ment der Kurzstreckenflüge von dieser Entwicklung besonders betroffen. Vor diesem Hintergrund hat das Bauhaus Luftfahrt eine Konzeptstudie für ein Kurz- und Mittelstreckenflugzeug mit elek- trischem Antrieb in einem Gruppendesignprozess durchgeführt, mit der Zielsetzung, weitgehend unabhängig von Rohöl zu sein und lokal kein Kohlendioxid mehr auszustoßen. Zu Beginn des Flugzeugdesignprozesses wurden ökonomi- sche und technische „Top-Level“-Anforderungen als Leitlinien der Flugzeugauslegung definiert, so zum Beispiel für Flugzeug- größe, Reichweite, Reisegeschwindigkeit, Umschlagzeit am Flug- hafen und eine Reihe weiterer Parameter. Zunächst wurde dafür eine grundlegende Trade-Off-Unter- suchung zwischen der Nutzlast und der Reichweite eines Flug- zeugs vorgenommen. Darin wurden verschiedene Stufen der erwarteten Entwicklung der Batterietechnik verschiedene Zeit- punkte der Inbetriebnahme des Flugzeugs (2030, 2035 und 2040) gegenübergestellt. Die daraus resultierenden Nutzlast-Reichwei- ten-Diagramme ergeben eine mögliche Missionsreichweite je nach Zuladung für verschiedene Arten der Energiespeicherung wie konventionelles Kerosin, hybrid oder voll elektrisch. Es wurde deutlich, dass die Flugzeuggröße keine grundlegende Abhängig- keit darstellt, so dass in die weitere Analyse auch größere Flug- zeugtypen einbezogen wurden. Um das Flugzeugsegment mit dem höchsten Marktpotenzi- al zu identifizieren, was bei entsprechend hoher Durchdringung der Flugzeugflotte einem möglichst hohen CO2-Reduktionseffekt entspräche, wurden die Flugbewegungen und die Flugzeuggrö- ße mittels einer internationalen Flugdatenbank untersucht und nach Regionen differenziert. Der Status quo für das Jahr > Oil scarcity and climate change define major challenges for the future design of aircraft. Europe's vision for aviation, as formulated in the “Flightpath 2050” document, reflects these challenges by stating ambitious environmental goals, notably a 75 percent re- duction in carbon dioxide (CO2) emissions from the year 2000 to 2050. Since fuel consumption and corresponding CO2 emissions per revenue passenger kilometre decrease with the flying distance, aviation's most affected segment are short-range flights. This background provides a strong motivation for the conceptual design and assessment of a short-range aircraft with electric propulsion which is largely independent from fossil fuels and produces no CO2 emissions from gate to gate. A crucial prerequisite for the aircraft design process is the definition of economic and technical top-level requirements, which define the aircraft size and mission range, as well as cruise speed, turnaround times and a variety of other parameters. First, the natural trade-off between payload and range was analysed. Therefore the expected development in battery technol- ogy was extrapolated to calculate the payload-range ratio for three possible entry-into-service (EIS) dates of the electrical aircraft, which allow for a sufficiently advanced technology level for the batteries: 2030, 2035 and 2040. The resulting curves provided a possible mission range as a function of payload for a given type of energy storage, such as conventional fuel, hybrid or full electric. It was shown that a variation in the ratio of aircraft size to structural weight produces no significant difference to the results, which al- lowed including larger aircraft in the subsequent analysis. In order to identify the aircraft size segment with the high- est market potential, which hence is allowing for the largest CO2 abatement effects on the global fleet, the flight movements by re- gion and aircraft size were analysed. This was done by use of in- ternational flight data for the year 2010 which were scaled up with growth rates for movements and size to the year 2035. The analysis shows that the highest frequency of flight movements compris- ing all world regions is done by aircraft with seats in the range between 180 and 200. Therefore, the aircraft size was defined to allow for the mean value in this category, which is 190 seats. > 52 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Increase of installed seats 2009 to 2035, ACI forecast 2009 Europe +14% Increase of aircraft movements 2009 to 2035, ACI forecast 2009 Central & South America +85% Middle East +14% +314% +59% North America +8% +200% +32% Africa +43% +291% Asia/Pacific +23% +374% North America Asia/Pacific Europe Middle East Central & South America Africa Australia Steigende Nachfrage nach Flugreisen: Prognose des Wachstums der durchschnittlichen Sitzplatzanzahl in Flugzeugen und der Flugbewegungen von 2009 bis 2035 (Vorhersage basierend auf ACI, 2009 wie zitiert in György, 2010) Soaring demand for air travel: Forecasted increase of average aircraft seat count and aircraft movements from 2009 to 2035. (Forecast data are based on ACI, 2009 as cited in György, 2010) Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 53

180 – 200 Percent 15.0% 140 – 240 market segment Africa Australia Canada Europe Far East Middle East South and Central America USA 2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Prozentuale Häufigkeit von Passagierflug zeugen mit einer spezifischen Sitzplatzan zahl, gewichtet mit der Anzahl der Flugbe wegungen, im Jahr 2035: Aus der Erkenntnis, dass über alle Weltregionen hinaus Flugzeuge mit einer Kapazität von 180 bis 200 Passagieren für die meisten Flugbewegungen verantwortlich sein werden, leitete das Bauhaus Luftfahrt die Designgröße von 190 Sitzen für sein Konzept ab. Percentage frequency of installed aircraft seats, weighted by flight operation frequency, in the year 2035: From findings indicating that aircraft carrying 180 to 200 passengers will be responsible for the most flight movements in this time frame, Bauhaus Luftfahrt derived a design capacity of 190 passengers for its concept. Verteilungsfunktion der Flugdistanzen für Passagierflugzeuge mit 180 bis 200 Sitzen, Prognose für das Jahr 2035: Mit der vom Bauhaus Luftfahrt für sein Konzept anvisierten Reichweite von 900 nautischen Meilen würden demnach 79 Prozent (orangefarbene Säule) aller weltweiten Flugstrecken, die üblicherweise mit Flugzeugen zwischen 180 und 200 Sitzen be- dient werden, abgedeckt. Cumulative frequency of mission distances for jet aircraft with 180 to 200 seats, fore cast for the year 2035: With its planned design range of 900 nautical miles, the concept aircraft of Bauhaus Luftfahrt would be able to cover 79 percent (orange column) of all flight missions ty- pically served by aircraft between 180 and 200 seats worldwide. 54 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 10.0% 5.0% 0.0% 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0 0 4 - 1 2 0 8 - 1 6 0 2 1 - 1 0 1 0 6 1 - 1 4 1 0 0 2 - 1 8 1 0 4 2 - 1 2 2 0 8 2 - 1 6 2 0 2 3 - 1 0 3 0 6 3 - 1 4 3 0 0 4 - 1 8 3 0 4 4 - 1 2 4 0 8 4 - 1 6 4 0 2 5 - 1 0 5 0 6 5 - 1 4 5 0 0 6 - 1 8 5 0 4 6 - 1 2 6 0 8 6 - 1 6 6 0 2 7 - 1 0 7 0 6 7 - 1 4 7 0 0 8 - 1 8 7 0 4 8 - 1 2 8 0 8 8 - 1 6 8 0 2 9 - 1 0 9 Number of installed seats 2035 % 9 7 0 5 - 1 0 0 1 - 1 5 0 5 1 - 1 0 1 0 0 2 - 1 5 1 0 5 2 - 1 0 2 0 0 3 - 1 5 2 0 5 3 - 1 0 3 0 0 4 - 1 5 3 0 5 4 - 1 0 4 0 0 5 - 1 5 4 0 5 5 - 1 0 5 0 0 6 - 1 5 5 0 5 6 - 1 0 6 0 0 7 - 1 5 6 0 5 7 - 1 0 7 0 0 8 - 1 5 7 0 5 8 - 1 0 8 0 0 9 - 1 5 8 0 5 9 - 1 0 9 0 0 0 1 - 1 5 9 0 5 0 1 - 1 0 0 1 0 0 1 1 - 1 5 0 1 0 5 1 1 - 1 0 1 1 0 0 2 1 - 1 5 1 1 0 5 2 1 - 1 0 2 1 0 0 3 1 - 1 5 2 1 0 5 3 1 - 1 0 3 1 0 0 4 1 - 1 5 3 1 0 5 4 1 - 1 0 4 1 0 0 5 1 - 1 5 4 1 + 0 0 5 1 Nautical miles Cumulative percentage Design range of Bauhaus Luftfahrt´s concept 0%1%3%8%16%24%30%38%43%49%54%59%63%68%71%75%77%81%83%84%85%87%87%89%90%91%92%92%93%100%

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Subsequently the optimal operational range had to be defined, in order to allow for a sufficiently large coverage of the respective market segment. As the range is closely connected to the battery technology level, this decision is closely connected to the EIS date. Forecasts of future battery technology developments indi- cated a range of 600 nautical miles (nm) for an EIS in 2030, 900 nm for an EIS in 2035 and 1400 nm for an EIS in 2040. According to an additional market coverage study assessing the cumulative share of operated flights, the calculated range segments of 600, 900 and 1400 nm would cover 59, 79 and 92 percent of all flights operated by aircraft within the defined size category. As 79 percent of pos- sible market coverage was evaluated to be sufficient, the EIS year was defined to be 2035, corresponding to an operational range of 900 nm. In addition to this performance goal, it was postulated that the aircraft fulfils the performance parameters of the best conven- tionally propelled reference aircraft with similar size regarding, for example, a cruise speed of Mach 0.75, a landing field length of 1615 metres and an airport turnaround time of 30 minutes. 2010 wurde auf das Jahr 2035 abgeleitet. Die Analyse zeigt, dass dann über alle Weltregionen Passagierflugzeuge in der Kategorie mit 180 bis 200 Sitzen für die meisten Flugbewegungen verant- wortlich sind, weshalb der Wert von 190 Sitzen als Designgröße festgelegt wurde. Die Definition der optimalen Reichweite zielte auf eine mög- lichst große Marktabdeckung in der entsprechenden Größenka- tegorie ab. Die mögliche Reichweite hingegen wird wesentlich durch die bei Markteintritt verfügbare Batterietechnologie be- stimmt. Damit ist die Definition der Reichweite eng mit dem Da- tum der Indienststellung verknüpft. Für ein elektrisch angetriebenes Flugzeug mit 100 Tonnen Strukturgewicht und einer Kapazität von 190 Passagieren wur- de eine Reichweite von 600 nautischen Meilen (nm) im Jahr 2030, von 900 nm für das Jahr 2035 und von 1400 nm im Jahr 2040 ermittelt. Die Auswertung der Flugdaten zeigt, dass bei ei- ner Reichweite von 600 nm 59 Prozent, bei 900 nm 79 Prozent und bei 1400 nm 92 Prozent aller Flugbewegungen durchgeführt werden können. Eine Marktabdeckung von 79 Prozent wurde als ausreichend hoch eingeschätzt, womit das Jahr 2035 als Markt- eintrittszeitpunkt für ein Flugzeug mit einer Reichweite von 900 nm bei vollständig elektrischem Antrieb definiert wurde. Zusätzlich zu den genannten Parametern der Flugzeuggrö- ße und Reichweite wurde für den Designprozess gefordert, dass das Flugzeug die Leistungsparameter eines vergleichbaren Refe- renzflugzeugs mit konventionellem Antrieb erfüllt, zum Beispiel eine Fluggeschwindigkeit von Mach 0.75, eine Landebahnlänge von 1615 Metern sowie eine Umschlagzeit am Flughafen von 30 Minuten. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 55

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Agile Methoden: Größtmögliche Flexibilität für den Konzeptentwurf Agile methods: Maximised flexibility in conceptual aircraft design In der Produktentwicklung hat nicht zuletzt der Luftfahrtsektor zunehmend mit begrenzten finanziellen und zeitlichen Ressour- cen zu kämpfen, die einem steigenden Bedarf an innovativen und sogar revolutionären Lösungen gegenüberstehen. Zusätzlich verschärfen die dezentrale netzwerkartige Struktur vieler Projekte und mögliche späte Änderungen von Produktanforderungen die Komplexität und Dynamik vieler Projektorganisationen, was zu Überschreitungen des Budgets führen kann. In der industriellen Softwareentwicklung wird diesem Pro- blem mit sogenannten „Agilen Methoden“ begegnet. Diese Vor- gehensmodelle basieren auf der Annahme, dass der permanen- te Wandel von Projekt- und Entwicklungszielen eine natürliche Eigenschaft von Projekten aller Art ist. Daher wird ein Wettbe- werbsvorteil darin gesehen, besonders flexibel und effizient auf vielerlei Veränderungen reagieren zu können, ohne von Qualität und Budget abzuweichen. Darüber hinaus soll dem Kunden das Produkt bei möglichst kontinuierlicher Wertsteigerung bereits während des Entwicklungsprozesses zur Beurteilung gegeben werden und nicht erst zum Ende. Um dies zu erreichen, werden einige radikale Ansätze verfolgt. Beispielsweise wird der engen Zusammenarbeit zwischen Entwicklern und Managern sowie häufigen Demonstrationen von funktionierenden Prototypen ein hoher Stellenwert eingeräumt. Eine besonders weit verbreitete agile Methodik ist „Scrum“. Dieser Ausdruck bezeichnet im Rugby-Sport ein aktives Gedrän- ge aller Spieler um den Ball. Dieser Analogie folgend sollen dazu im Vorgehensmodell alle Projektbeteiligten in ihren Rollen dynamisch um die Definition und Erfüllung der Projektziele rin- gen. Typisch sind hier unter anderem die folgenden Rollen: Der “Product Owner“ ist vor dem Kunden dafür verantwortlich, dass das Entwicklerteam nach jedem Entwicklungszyklus ein wertge- steigertes, potenziell lieferfertiges Produkt übergibt. Der „Scrum Master“ tritt als Coach des Entwicklerteams auf und sorgt dafür, dass alles beseitigt wird, was das Entwicklerteam an konzentrier- ter und motivierter Arbeit hindert. Dem Entwicklerteam fallen bei Scrum bedeutende Aufgaben wie beispielsweise die Aufwands- abschätzung zu. Darüber hinaus wird bei Scrum Wert auf > The development of new products, in particular in the aviation sector, is increasingly afflicted by limited time and financial budgets which are in opposition to mounting demands regard- ing innovative and even revolutionary solutions. In addition, the decentralized networking structure of many projects and poten- tial last minute changes to product requirements exacerbate the complexity and dynamics of project organisations and can hence lead to budget overruns. In industrial software development this problem is coun- teracted by the application of so-called “agile methods”. These process models are based on the assumption that the permanent change of project and development goals is a natural characteris- tic of all kinds of projects. Therefore, the ability to adapt to mani- fold changes in a flexible and efficient way without compromising quality or budgets is seen as a competitive advantage. Addition- ally, the resulting product is supposed to be handed to the cus- tomer for evaluation not only at the end but also already during the development process, presenting an added value increasing with time. In order to achieve this, some radical approaches are pursued. For example, high emphasis is placed on the tight inter- action of developers and managers as well as on frequent demon- strations of working prototypes. “Scrum” is the name of a particularly widespread agile method. In the sport of rugby, this term describes a situation where all players actively jostle for the ball. Similarly, in the design process model all stakeholders in their project roles are supposed to strive dynamically for the definition and achievement of the project goals. A number of characteristic roles are involved in this process. The “product owner” is responsible to the customer for the delivery of a value-enhanced, potentially shippable product by the development team after each development cycle. The “Scrum master” acts as a coach of the development team and takes care to eliminate all influences impeding focused and motivated work. In a Scrum, the “development team” has major tasks such as determin- ing the required effort for achieving each goal. Moreover, Scrums attach great importance to frequent, regular and time-limited team meetings called “Daily Scrums”. > 56 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Daily Scrum Product Backlog Sprint-Backlog Max. sprint = 30 days Product Visualisierung des generischen “Scrum”-Prozesses, den das Bauhaus Luftfahrt für seine interdisziplinäre Konzeptentwicklung angepasst hat: Die Grafik beschreibt die Unterteilung des Projektzeitraums in mehrere iterative Projektzyklen von maximal 30 Tagen, die sogenannten „Sprints“. Darin wird jeweils ein Teil aus dem Lastenheft zu einem „potenziell versandfertigen Pro- dukt“ realisiert. Dieser iterative Prozess fördert den Dialog zwischen dem Kun- den und dem Entwickler, die nach jedem Sprint gemeinsam die Produktanfor- derungen und die Zeitabschätzungen bewerten und gegebenenfalls anpassen, bis das Endprodukt fertiggestellt ist. Visualisation of the generic Scrum process adopted in the conceptual design project at Bauhaus Luftfahrt: It illustrates the breakdown of the pro- ject time in iterative periods of 30 days called “sprints”. Therein, the developer team itself monitors the progress in short 15-minute meetings called “Daily Scrums”. In each sprint a part of the overall product backlog is realised to a potentially shippable product. This iterative approach fosters the dialogue between customer and developer team, who together revise and realign the product requirements and especially time estimates after each sprint until the final product is completed. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 57

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions häufige, regelmäßige und zeitlich begrenzte Team-Treffen, soge- nannte „Daily Scrums“ gelegt. Diese Praxis scheint auf den ersten Blick nicht mit der Pro- duktkomplexität und den hohen Sicherheitsanforderungen im Flugzeugbau vereinbar zu sein. Trotzdem identifizierten die Wis- senschaftler am Bauhaus Luftfahrt den Flugzeugkonzeptentwurf als ein geeignetes Einsatzszenario dieses Vorgehensmodells, in der Hoffnung, dass hier der klare Bedarf an Flexibilität und Radi- kalität die Stärken von agilen Methoden voll zur Geltung bringen würde. Die erstmalige Anwendung von Scrum geschah daher im Rahmen des interdisziplinären Entwurfsprojekts „Concept 002“. Darin hatten die Projektteilnehmer nicht nur die Aufgabe, inner- halb von vier Monaten ein radikal neuartiges Flugzeugkonzept zu entwickeln, sondern gleichzeitig Werkzeuginfrastruktur und einen gesondert auf die Bedürfnisse des Bauhaus Luftfahrt zu- geschnittenen Flugzeug-Entwurfsprozess, den sogenannten „Ad- vanced Design Process“, zu erarbeiten und zu etablieren. Dabei änderten sich bis zum Schluss fast täglich die Verfügbarkeit des Teams und zum Teil fundamentale Produktanforderungen. Gemäß der Scrum-Vorgehensweise entwickelten die ein- zelnen Projektteams zunächst die allgemeinen Leistungsanfor- derungen, das sogenannte „Product Backlog“. Jedes Arbeitspa- ket wurde durch das Team im Aufwand geschätzt und mit dem Kunden priorisiert. Dann wurde das „Product Backlog“ auf Ar- beitsperioden von vier Wochen, sogenannte „Sprints“ aufgeteilt. Zwar blieb der jeweils aktuelle Sprintbacklog konstant, allerdings wurden die Backlogs der noch zukünftigen Sprints aufgrund der bereits gesammelten Erfahrung angepasst, ergänzt oder gegebe- nenfalls mit dem Kunden bereinigt. Nach jedem Sprint wurden dem Kunden die erarbeiteten Produkte präsentiert und im Team über Probleme und Verbesserungsmöglichkeiten reflektiert. Im Nachhinein stellte sich heraus, dass eine klare Beset- zung der vorher erwähnten Scrum-Rollen und die Etablierung von direkter Kommunikation zwischen den Protagonisten ent- scheidend war, um auch auf unvorhergesehene Probleme effizi- ent reagieren zu können. Außerdem existierte sehr früh eine > At a first glance this practice does not seem to coincide with the product complexity and high safety requirements of the aviation industry. Nevertheless, Bauhaus Luftfahrt’s scientists identified aircraft conceptual design as a potential application scenario for this process model, all the while hoping that here the outspo- ken demand for flexibility and radical solutions would bring the strengths of agile methods to bear. Thus, Scrum was applied for the first time in the context of the interdisciplinary design project “Concept 002”. Here, the pro- ject participants did not only face the task of developing a radi- cally new aircraft concept within four months, but also to prepare and establish the necessary tool infrastructure as well as a design process tailored specifically to the needs of Bauhaus Luftfahrt: the so-called “Advanced Design Process”. In the course of this work the availability of the design team and to some degree even fun- damental product requirements changed on an almost daily basis, right to the end of the project. According to the Scrum method, the individual project teams first outlined the general performance requirements called the “product backlog”. The effort for each work package was estimat- ed and then prioritised in cooperation with the customer. Then the product backlog was split up into four-week work periods called “sprints”. During that time the backlog of the current sprint al- ways remained fixed. However, the backlogs of upcoming sprints were adapted, complemented or revised in cooperation with the customer, according to the experience gathered up to that time. Following each sprint the developed products were presented to the customer and problems as well as possible improvements were discussed in the team. In retrospect it turned out that a clear assignment of the aforementioned Scrum roles and the establishment of direct com- munication paths between the main actors was a deciding factor for the ability to deal efficiently even with unforeseen problems. Also, already in the early stages of the project a three-dimensional visualisation of the overall product was available along with a list of performance parameters; both were presented regularly to the development team as well as the customer. This way it was > 58 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions dreidimensionale Visualisierung des Gesamtprodukts sowie eine Liste der Leistungswerte, die oft und regelmäßig dem gesamten Entwicklerteam und dem Kunden präsentiert wurde. So konnten ausstehende Aufgaben leichter priorisiert und Missverständnisse zeitig aufgeklärt werden. Einige Teams gingen dazu über, täglich einen Daily Scrum abzuhalten, um sich gegenseitig über den aktuellen Fortschritt zu informieren. Da die meisten Teilnehmer nicht über die ganze Projektlaufzeit verfügbar waren, halfen die- se kurzen Treffen, einen kontinuierlichen Arbeitsfluss aufrecht- zuerhalten. Obwohl es am Bauhaus Luftfahrt zuvor keine praktische Erfahrung mit agilen Methoden gab, konnten bereits bei der Premiere in der Entwicklung von „Concept 002“ die Kundenwün- sche zeitgerecht und innerhalb des gegebenen Budgets erfüllt werden. Zusätzlich konnte am Bauhaus Luftfahrt eine wieder- verwendbare Infrastruktur aus Werkzeugen und Methoden eta- bliert werden, welche für zukünftige Entwurfsprojekte eine sehr gute Ausgangsposition darstellt, unabhängig davon, ob dabei agile Methoden zum Einsatz kommen oder nicht. Der „Scrum“- Prozess konnte somit einen erheblichen Beitrag im Konzeptent- wurfsprozess leisten und ist damit auch für zukünftige Projekte vorgesehen. possible to easily prioritise upcoming tasks and resolve ambigui- ties in a timely fashion. Some of the teams internally adopted a scheme of daily Scrums in order to keep all team members up to date on the project progress. As most of the researchers were not fully available for the entire duration of the project, these brief meetings helped to maintain a steady flow of work. Although there had been no practical experience regarding agile methods at Bauhaus Luftfahrt, customer requests could be realised on time and on budget even during this premiere devel- opment of “Concept 002”. In addition, a reusable infrastructure of tools and methods could be established at Bauhaus Luftfahrt, which will serve as a very good starting point for future design projects, whether these will be realised using agile methods or not. The Scrum process therefore could make a significant con- tribution to the conceptual design process and is consequently planned for use also in future projects. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 61

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Systemauslegung für ein vollelektrisches Kurzstreckenflugzeug System concepts for an allelectric shortrange airliner Nach Abschluss der Untersuchung von Marktanforderungen (Air- craft Top Level Requirements, kurz: ATLeRs) eines ökonomisch sinnvollen Flugzeugkonzepts für das Jahr 2035 mussten in ei- nem nächsten Schritt Schlüsseltechnologien, die Systemkonfi- guration und das Grundkonzept abgeleitet werden. Das Ziel, ein voll -elektrisches Antriebssystem für ein Flugzeug für 190 Passa- giere und 900 nm Reichweite auszulegen, erwies sich dabei als hochgesteckt, da es sich klar von aktuell bekannten Entwürfen differenzierte. Für den Betrieb eines lokal emissionsfreien Luft- fahrzeugs kamen statt Brennstoffzellen oder Hybridsystemen für die Energieversorgung nur Batterien in Frage. Vor allem deren Leistungs- und Energiedichten stellten aber größte Herausforde- rungen an die Machbarkeit. Eine deutliche Verbesserung der Bat- terietechnologie wie in den letzten Jahren (mit einer Zunahme der Energiedichte von sieben Prozent pro Jahr) ist Voraussetzung für eine mögliche Realisierung im Jahr 2035. Auf der einen Seite bietet der vollelektrische Ansatz neue Freiheitsgrade bei der Auslegung und Integration von Systemen innerhalb des Flugzeugs. Andererseits ergeben sich aber auch neue Einschränkungen durch die in den ATLeRs festgeschriebene Abfertigungszeit am Flughafen: Das Schnellladen der Batterien stellt extreme Anforderungen, weshalb ein Austausch der Batte- rien nach jedem Flug angenommen wird. Inspiriert von der Selbstverpflichtung des Bauhaus Luftfahrt, nur gleichermaßen innovative wie wissenschaftlich fundierte An- sätze zu verfolgen, wurde bei der Auswahl der Technologien und der darauf basierenden Flugzeugkonfiguration eine zweiteilige Strategie gewählt. In einem ersten Schritt wurden daher verschie- dene Flugzeugauslegungen in einem Ideenwettbewerb gesam- melt. Diese deckten einen großen Bereich zwischen visionären und konventionellen Ansätzen ab und variierten auch sehr stark in ihrem Detailgrad. Alle im Wettbewerb stehenden Konfigurationen wurden anschließend systematisch analysiert und in einer zweidi- mensionalen Vergleichsansicht in puncto Radikalität und Detail- tiefe gegenübergestellt, in der ein vollelektrisches Flugzeug in der heutigen Standardauslegung die höchstmögliche Konventionalität bei gleichzeitig dem größten Detailreichtum darstellte. > With an economically viable transport application for an entry into service (EIS) in the year 2035 identified and the Aircraft Top Level Requirements (ATLeRs) fixed, the aircraft’s key technolo- gies, system configuration and overall layout had to be selected. Setting up an electromotive power system for the targeted 190 passenger and 900 nm design was a challenging task, going far beyond current concepts of full-electric flight. To ensure a locally emission-free operation, fuel cells or hybrid systems had to be ne- glected from the beginning in favour of an entirely battery-based energy supply. Energy and power density of the latter impose tight constraints; continuous significant improvements in battery performance of an average seven percent increase per year in energy density, as observed in recent years, are required for the targeted EIS. On the one hand, a full-electric approach including electro- motive power offers new degrees of freedom with respect to system integration on board the aircraft. On the other hand, the ground handling characteristics established in the ATLeRs, espe- cially turnaround times similar to contemporary ground opera- tions, require easy access to the battery packs. Recharging the batteries during turnaround is postulated to remain challenging; hence the researchers assumed an exchange after each flight. Inspired by the Bauhaus Luftfahrt commitment to pursuing a both innovative and scientifically sound approach, a two-fold strategy was adopted for technological and configuration down- selection: in response to an open “call for ideas”, researchers at Bauhaus Luftfahrt submitted a plethora of conceptual designs, spanning the entire configuration space from radical to conven- tional, and ranging from coarse to fine in their degree of detail. These competing entries were then assessed systematically and assigned tentative positions on a two-dimensional plot of “con- ventionality of design versus level of descriptive detail”. In this plot, a future universally electric version of a standard aircraft de- fines the maximum conventionality at the highest level of detail. In a subsequent step, the ATLeRs were used to perform a first selection among the suggested configurations: for example, “blended wing body” layouts were not retained because > 62 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Fuselage + wing Blended Wing Body Visionary Conventional Fuselage + wing Blended Wing Body A3002 neeo SiZe ZEALiner SteepApp CoZe AddPax E-BWB Flying Flatfish TriLift PropFus Progeny EIDER CO2De SWing NoEvil A3002 neeo SiZe ZEALiner SteepApp CoZe AddPax PropFus Progeny Visionary Conventional Fuselage + wing 1 2 ZEALiner Progeny 1 d e l i a t e D l a u t p e c n o C 2 d e l i a t e D l a u t p e c n o C 3 d e l i a t e D l a u t p e c n o C Visionary Conventional Vom ersten Ideenwettbewerb bis zur Auswahl der aussichtsreichsten Entwürfe wurde am Bauhaus Luftfahrt darauf geachtet, nur gleichermaßen innovative wie wissenschaftlich fundierte Konzepte in die engere Wahl zu nehmen: Somit wurden aus der Ideensammlung (1) alle zu wenig fundierten Konzepte aussortiert (2) und aus den verbleibenden Ideen zwei Konzeptkandidaten für die Synthese eines voll-elektrischen Konzeptflugzeugs für das Jahr 2035+ ausgewählt (3). From the first “call for ideas“ to the selection of the most promising candidate designs, the Bauhaus Luftfahrt commitment to a both innovative and scienti fically sound approach was maintained: From the initial collection (1), those concepts lacking scientific soundness were sorted out (2) leaving eight candidates from which two were finally selected (3) to serve as a first blueprint for the synthesis of a final 2035+ universally electric aircraft configuration. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 63

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Scenario score Robustness Final score ZEALiner Progeny PropFus AddPax SiZe CoZe SteepApp 1 0 .5 0 -0 .5 -1 -1 .5 -2 Expertenbewertung mit Hilfe eines am Bauhaus Luftfahrt entwickelten AuswahlTools: Die Analyse zeigte deutlich die Stärken und Schwächen der einzelnen vorgeschlagenen Konzepte für ein vollelektrisches Regionalflugzeug auf. Expert assessment using Bauhaus Luftfahrt’s advanced downselection tool: The analysis clearly highlighted the advantages and disadvantages of all proposed designs for a universally electric airliner concept. 64 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Im zweiten Schritt wurden die ATLeRs für eine erste Vorauswahl der vorgeschlagenen Konzepte herangezogen. Beispielsweise wurden dabei bereits Nurflügel-Konzepte aufgrund ihrer Anfor- derungen an die äußeren Abmessungen und das gewünschte Fa- milienkonzept aussortiert. Die verbleibenden Kandidaten wurden dann, mit dem vollelektrischen Flugzeug in der heutigen Stan- dardauslegung als Referenzpunkt, klassifiziert und anhand von gewichteten Kriterien aus sieben Kategorien bewertet: Aerody- namik, Flugeigenschaften, Struktur, Antrieb, Energieversorgung, Flugbetrieb sowie Reifegrad/Machbarkeit. Aus der Kategorie Aerodynamik wurde beispielsweise abgeleitet, ob ein Konzept Vorteile beim Verhältnis von Auftrieb und Widerstand oder sei- nen Hochauftriebseigenschaften besitzt. Für jedes Kriterium vergab eine Expertenkommission eine Punktzahl zwischen –5 und +5. Diese ingenieurwissenschaftli- chen Empfehlungen flossen in ein vom Bauhaus Luftfahrt ent- wickeltes Auswahlwerkzeug ein, mit dessen Hilfe schlussendlich die zwei vielversprechendsten Konzepte identifiziert wurden. Die dabei angewandte Methode ist zudem in der Lage, die Aussa- gekraft des Ergebnisses anzugeben. Auf Basis einer Integration ihrer jeweiligen Schlüsselinnovationen in ein stimmiges Gesamt- konzept entstand abschließend aus beiden Konzeptkandidaten die erste Blaupause für die Synthese eines vollelektrischen Kon- zeptflugzeugs für das Jahr 2035+. In der folgenden Projektphase wurde das aus den Ergeb- nissen des Auswahlprozesses abgeleitete Konzept einer tieferen Analyse mit Schwerpunkt auf den speziellen Charakteristiken des vollelektrischen Fliegens unterzogen. Ziel dabei war es, eine de- taillierte Dokumentation des Flugzeugs nach den Richtlinien der Air Transport Association (ATA) zu erhalten. In einem iterativen Pro- zess wurden Kernmerkmale der Konfiguration wie das elektrische Antriebssystem, Rumpf und Kabine sowie die Auftriebsflächen im Hinblick auf Gewicht und Leistung optimiert. Das Batteriege- wicht ist der kritische Faktor für die Realisierbarkeit des vollelektri- schen Fliegens. Lithium-Ionen-Batterien müssen weiterentwickelt werden, um sowohl die erforderliche Spitzenleistung beim Start als auch die für die angestrebte Reichweite erforderliche > of the small aircraft size as well as the requirement of a family concept. The remaining candidates were then ranked relative to each other with the universally electric aircraft of conventional morphology as a reference point. The criteria for the down-selec- tion process were arranged into seven categories: aerodynamics, hand ling, structure, propulsion energy supply, operations and ma- turity/feasibility, each of which comprised several weighted crite- ria. Examples from the aerodynamics category are indications to what extent the aircraft concept ensures “higher lift-to-drag ratio” or “better high-lift capability”. This ranking was performed by in-house expert groups at- tributing scores from -5 to +5 for each criterion to every concept. The experts’ engineering judgement was recorded in a down- selection tool developed at Bauhaus Luftfahrt, where finally the two most promising configurations were identified. As an addi- tional benefit, the BHL down-selection tool provides a measure for the robustness of a given candidate design. Sifted for their key innovative features and merged into a single conclusive concept, the two contest winners served as a first blueprint for the syn- thesis of a final 2035+ universally electric aircraft configuration. In a holistic approach, the details of the aircraft concept were then simultaneously assessed further, including all relevant aspects of aircraft design with particular emphasis on the char- ac teristics of universally electric flight. The goal was to produce a detailed aircraft document in accordance with the Air Transport Association (ATA) chapters. In an iterative process, the key fea- tures of the aircraft concept such as the electric system, cabin and fuselage, wing and motive power systems were optimised con- tinuously with respect to weight and performance. Battery mass is a critical factor for universally-electric flight. Advanced lithium- ion battery technology must be further developed to deliver the necessary power density for take off while maintaining sufficient energy densities for a reasonable mission duration. The motive power system was equipped with High Temperature Supercon- ducting (HTS) motors, which, by the time of EIS, are expected to deliver a high power-to-weight ratio. The power transmission sys- tem was conceived as a high voltage system with lightweight > Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 65

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Energiedichte zu erreichen. Für das Antriebssystem sind weiterhin Hochtemperatur-Supraleitungs-Motoren (HTS) vorgesehen, die im Jahr 2035 voraussichtlich die höchste Leistung pro Gewicht er- zielen können, während die Leistungsübertragung mit Hochspan- nungs-Aluminium-Kabeln erfolgt, die bei einem vollelektrischen Flugzeug das konventionelle Kraftstoffverteilungssystem ersetzen. Die aerodynamische Effizienz wird durch ein nichtplana- res Tragflächenkonzept gesteigert, für das der wirbelinduzierte Widerstand geringer ist, während gleichzeitig Spannweitenbe- schränkungen seitens der Flughäfen eingehalten werden kön- nen. Der Vorteil einer solchen Flügelkonfiguration zeigte sich bereits in der positiven Bewertung der beiden Siegerkonzepte in der Kategorie Aerodynamik, in die das Potenzial zur Wider- standsverringerung als Kriterium einging. Um das Verhalten der Flügelstruktur unter aerodynamischen Lasten zu untersuchen und davon die strukturelle Auslegung abzuleiten, verwendete das Bauhaus Luftfahrt eine fortschrittliche Methode, die lineare Annahmen zur Aerodynamik mit der nichtlinearen Biegetheorie koppelt und somit für den Designprozess anwendbar macht. Der technischen Machbarkeit sowie externen Regularien, wie beispielsweise denen der ATA, kam während des Entwurfs- prozesses große Bedeutung zu, dennoch bilden sie nicht das ge- samte Anforderungsprofil ab. Auch wirtschaftliche Überlegungen seitens eines potenziellen Flugzeugbetreibers waren ein wichti- ger Baustein: Das vorgeschlagene Konzept muss in Bezug auf die Wartungs- und Betriebskosten besser abschneiden als Mitbe- werber und ein durchdachtes Kabinenkonzept als Verkaufsargu- ment mitbringen. Deshalb wurde ein Kabinenentwurf vorgelegt, der beispielsweise Bevölkerungsentwicklungen für 2035+ wie den Trend zu steigenden Körpermaßen (Seite 21) in der Konfigu- ration von Sitzen, Gängen und Staufächern berücksichtigt. Das entwickelte „Concept 002“ stellt einen grundlegend neuen Ansatz für den Passagierflug im anvisierten Zeitrahmen dar, sowohl bezüglich des Antriebssystems als auch in seiner Ge- samtkonfiguration. Das Ergebnis dieser Konzeptstudie wird vom Bauhaus Luftfahrt erstmals auf der ILA Berlin Air Show im Sep- tember 2012 der Öffentlichkeit präsentiert. aluminium wiring, thus minimising the mass impact of the power management and distribution system replacing the conventional fuel management and distribution system in an electromotive air- craft concept. Aerodynamic efficiency is improved by adopting a non-pla- nar wing configuration, which offers an enhanced aerodynamic performance for given geometrical constraints imposed by airport compatibility, for instance regulations that limit the wing span. This positive effect of non-planar wing configurations is reflected by the two winning concepts’ high scores in the aerodynamics down-selection category, which included criteria related to drag reduction potential. In order to assess the behaviour of the wing structure under aerodynamic loads and deduce information about structural layout, a method coupling advanced linear aerodynamic predictions with non-linear structural bending theory was devel- oped and applied for the design work. Technical feasibility and externally imposed regulations such as those discussed in the ATA chapters were of vital importance throughout the entire layout process, but they do not represent the entire range of requirements. An important set of require- ments are associated with economic considerations of the po- tential operators. This means, fundamentally, the chosen concept needs to outperform any competitors in terms of operating cost and direct maintenance. Besides this aspect, it should offer a well thought-out cabin layout as a unique selling point. These aspects were thus also addressed during the design phase: specifically, the cabin interior for this forward-looking project was designed using passenger data for the year 2035+, catering to expected changes in population characteristics, such as the trend towards taller passengers (page 21). This imposes, for example, a modified setup of seats, aisles and storage bins. Altogether, the developed “Concept 002“ constitutes a radi- cally new approach for the envisioned time frame: radical both with respect to its configuration and its exclusively electromotive power system. The first public presentation of Bauhaus Luftfahrt’s concept is planned for ILA Berlin Air Show in September 2012. 66 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

Cwing load distribution bc 2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions h Der Auswahlprozess umfasste auch eine Reihe aerodynamischer Kriterien, wie bei spielsweise das Potenzial zur Verringerung des Widerstands: Die beiden Konzepte in der Endausscheidung erreichten hohe Punktzahlen in dieser Kategorie, vor allem durch ihre nicht- planaren Flügelkonfigurationen. The downselection of concept designs in cluded several aerodynamic criteria, for example the drag reduction potential: The two winning concepts received high scores in this category, mostly related to the positive ef- fect of their non-planar wing configurations. b 3D panels, collocation points and normals 15 10 5 0 Body y-coordinate -5 -10 40 35 Body x-coordinate -15 30 25 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 67

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Flughafensicherheit: Ethische und strukturelle Analyse Airport security: Ethical and structural analysis Sicherheitskontrollen an Flughäfen sollen das Risiko sich verän- dernder Bedrohungslagen mindern, neue Mechanismen werden jedoch oft erst als Reaktion auf Zwischenfälle implementiert. Das Bauhaus Luftfahrt untersuchte zwei dabei zentrale Aspekte, die häufig übergangen werden. Der erste befasste sich mit der reaktiven Vorgehensweise, aufgrund der ein Angreifer immer einen Schritt voraus ist. Eine pro- aktive Herangehensweise hilft hingegen, Schwachstellen zu iden- tifizieren, bevor sie ausgenutzt werden können. Als Grundlage für einen entsprechenden Ansatz hat das Bauhaus Luftfahrt verschie- dene Gruppen von Bedrohungsszenarien erstellt, die systematisch mit Sicherheitstechnologien und -prozessen vernetzt wurden. Für bestimmte Bedrohungen wurden potenziell effektive Mechanis- men abgeleitet und analysiert. Dieses Wissen hilft zu verstehen, ob beispielsweise Investitionen in Training oder technische Erken- nungssysteme das Sicherheitsniveau verbessern können. Der zweite Aspekt behandelte Interessenkonflikte, die ent- stehen, wenn mehr Sicherheit zu einer Einschränkung von Grund- rechten wie Freiheit, Gerechtigkeit oder der Privatsphäre führt. Eine umfassende Bewertung ethischer Kriterien sollte daher so- wohl einer Technologieentwicklung als auch der Implementierung neuer Sicherheitsstandards vorausgehen. Am Bauhaus Luftfahrt wurde eine Marktforschungsstudie durchgeführt, um die Bezie- hung ethischer Faktoren und Sicherheitsmechanismen zu unter- suchen. Die Ergebnisse erlauben eine entsprechende Beurteilung sowohl aktueller als auch zukünftiger Sicherheitsmechanismen. Beide Aspekte wurden im Rahmen des Projekts SiVe („Sicher- heit von Verkehrsinfrastrukturen“) untersucht, das vom Bundes- ministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wurde. The purpose of airport checkpoints is to reduce the risk associated with constantly evolving threats, but security measures are often implemented as direct reactions to incidents. Bauhaus Luftfahrt fo- cused its activities on two important but often neglected aspects. The first aspect refers to reactive responses which always leave attackers one step ahead. A proactive approach towards the airport security system would in contrast help identify weaknesses before they can be exploited. In the respective approach devel- oped at Bauhaus Luftfahrt different clusters of threat scenarios were systematically matched with existing security technologies and processes. Potentially effective measures regarding specific threats were identified and analysed in order to understand how either investment – in training or in more equipment – or further development, for instance in detection capabilities, could improve the overall level of security. The second aspect dealt with the fact that a higher level of security often leads to reductions in basic rights such as liberty, justice and privacy, thus entailing a conflict of fundamental inter- ests. A comprehensive assessment of ethical aspects of airport se- curity should hence always go along with the development of new technologies and the implementation of new security standards. Bauhaus Luftfahrt set up a passenger survey to investigate the relation of ethical aspects and airport security measures. The re- spective findings allow the evaluation of current as well as future technologies, processes or standards. Both aspects were explored in the course of the research project SiVe (“Sicherheit von Verkehrsinfrastrukturen”, Security of transport infrastructures), funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF). 70 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Modellieren im konzeptionellen Flugzeugentwurf Modelling of conceptual aircraft designs Entwurf und Entwicklung neuer Flugzeugsysteme sind zeitaufwen- dig und teuer. Diesem Problem versucht man mit dem Einsatz visu- eller Methoden im modellbasierten Entwurf zu begegnen. Jedoch unterstützen die dafür verfügbaren Visualisierungswerkzeuge nur unzureichend die Integration verschiedener Systeme und die ver- ständliche Darstellung von Systemkomplexität. Das Bauhaus Luft- fahrt arbeitet daran, solche visuellen Darstellungen hierarchisch zu strukturieren, um dem Bearbeiter die Fokussierung der jeweils wichtigen Teildarstellungen zu ermöglichen. In den derzeit zur Verfügung stehenden Werkzeugen für den Flugzeugentwurf werden die modellierten Strukturen typischer- weise in Form von Bäumen dargestellt. Diese eigentlich recht intuitive Form der Visualisierung stößt bei komplexen Systemen jedoch an ihre Grenzen. So kann zum Beispiel eine Ansteuerungs- leitung für die Flügelklappen sowohl zur Überkomponente „Flügel“ als auch zur Überkomponente „Hydrauliksystem“ gehören. Dieser Zusammenhang lässt sich aber nicht mehr einfach als Baum dar- stellen, die Übersichtlichkeit der Darstellung leidet dann erheblich. Eine der aktuellen Arbeiten im Team des Wissensmanagements von Bauhaus Luftfahrt zielt darauf ab, einzelne Teile des Gesamt- modells zu isolieren, die für sich betrachtet als Baum darstellbar sind. Dies wird über die Bereitstellung von Systemsichten, soge- nannten „Views“, ermöglicht. Diese Views unterstützen den Be- nutzer bei der Organisation und Darstellung von Modellen, indem sie für eine übersichtliche Darstellung der relevanten Teilaspekte sorgen und irrelevante Gesichtspunkte ausblenden. Diese Sichten finden gegenwärtig Eingang in das CDT-Softwarewerkzeug des Bauhaus Luftfahrt. The design and development of new aircraft systems consume large amounts of time and resources. Current approaches try to tackle these problems using visual design methods for model- based development. However, the visualisation software tools available for this task only inadequately support the integration of different systems and the comprehensibility of system complexity. Bauhaus Luftfahrt is working to ameliorate this situation by impos- ing hierarchical structures on visual displays, therefore allowing the user to focus on the respective relevant sub-aspects. The currently available tools for aircraft design typically ar- range the modelled structures of components and functions by means of data trees. However, this inherently quite intuitive visu- alisation method reaches its limits when displaying increasingly complex systems. For example, a hydraulics line for wing flap ac- tuation can be considered as belonging to both the component “wing” as well as the component “hydraulics system”. Hence, this multiple containment cannot be readily displayed in tree form, therefore significantly reducing the lucidity of the display. Current activities in the Bauhaus Luftfahrt knowledge management team are aiming to identify and isolate parts in a system model that can by themselves be structured as trees. This is achieved by providing different system views to the user. These views enable the user to properly organise and visualise models by allowing the clear arrangement of relevant system sub-aspects and blanking out the irrelevant parts. The resulting system views are currently being integrated into the CDT software tool at Bauhaus Luftfahrt. 72 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Aerodynamics Aircraft Wing Span Wetted area Air foil Rudder Aileron Flap Spoiler Aircraft Wing Hydraulic system Aircraft Span Wetted area Air foil Rudder Rudder actuator Flap actuator Flap Tank Spoiler actuator Rudder hydraulic pipe Wing Rudder Rudder actuator Flap actuator Spoiler actuator Rudder hydraulic pipe Anwendung der Systemsichten: Die Komplexität eines parametrisierten Flugzeugmodells wird durch die Filterung anhand spezieller Charakteristika reduziert. Applying systematic views: A parameterised aircraft model is reduced in its complexity by filtering for specified characteristics. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 73

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Wege der Zusammenarbeit im Flugzeugentwurf Ways of collaboration in aircraft design Die enge Kooperation zwischen Herstellern und Zulieferern in der heutigen Luftfahrtindustrie erfordert einen umfassenden Aus- tausch von Information über die Grenzen von Entwicklungsteams und auch Organisationen hinweg. So wird Kollaboration in ihren verschiedenen Formen zu einem zentralen Begriff im Rahmen des Wissensmanagements in der Luftfahrt. Im kollaborativen Flugzeugentwurf entstehen parallel unter- schiedliche Entwurfsmodelle, die verschiedene Sichten der ein- zelnen Teams auf ein Gesamtentwurfsziel repräsentieren. Deren konsistente Zusammenführung zu einem Gesamtsystemmodell erfordert meist einen großen Anteil von Hintergrundwissen über Bedeutungen und Zusammenhänge. Das Bauhaus Luftfahrt ent- wickelt daher sogenannte „Ontologien“. Dieser Begriff bezeichnet strukturierte Darstellungen von Bedeutungen und Abhängigkeiten zwischen Begriffen. Im Kontext des Flugzeugentwurfs dienen sie dazu, unterschiedliches Hintergrundwissen über Entwürfe und Prozesse maschinell verwertbar zu machen, indem sie helfen, un- terschiedliche Terminologien und Konzeptstrukturen systematisch aufeinander abzubilden. Die Kollaboration in der Luftfahrtforschung wird durch die Verwendung von kommerziellen Werkzeugen erschwert, welche die Transparenz der Abläufe und den Austausch von Information begrenzen. Vor allem in Forschung und Entwicklung lassen sich aktuelle Softwareentwicklungen daher besser durch eine offene organisationsübergreifende Zusammenarbeit lösen. Um diese zu fördern beschäftigt sich das Bauhaus Luftfahrt besonders mit Kon- zepten von Open-Source-Software. Wichtiger als der Kostenaspekt sind dabei die bessere Transparenz und die einfachere Verbreitung dieser Art von Programmen The close cooperation between aircraft manufacturers and suppli- ers in today’s aeronautics industry requires an extensive exchange of information across development teams and even organisational boundaries. Hence, collaboration in its different forms is becoming one of the central concepts of aviation knowledge management. When aircraft are designed in a collaborative manner, dif- ferent design models are generated in parallel so that each repre- sents the view of a single team on the overall design goal. Merging these individual models into an overall system model usually re- quires a considerable amount of background knowledge regarding the concepts and relationships used. So-called “ontologies” repre- sent structured descriptions of concepts and their interdependen- cies. These help to make such implicit knowledge of designs and processes explicit. They do so by aiding in the systematic mapping of terminologies and conceptual structures. Collaboration in aeronautical research is often hampered by the use of commercial software tools, which limit the transparency of operational sequences and the exchangeability of information. Especially when research and development are considered, cur- rent software development tasks are accomplished more easily by means of open inter-organisational cooperation. To assist in their establishment Bauhaus Luftfahrt is intensively investigating con- cepts of open-source software. Far more important than any cost reduction effect are increased transparency and widespread distri- bution of information through this software paradigm. 74 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Ontology OR Ontology Oi Translator Model Mi Reasoner Similarity finder Recommendations to user Domain expert Equivalence relationships to OR Additional standardised concepts Darstellung des ontologiebasierten Modellentwurfsprozesses: Der Flug- zeugkonstrukteur bezieht sein selbstgemachtes Entwurfsmodell auf eine so- genannte Referenzontologie, wobei er auf Empfehlungen eines Integrations- werkzeugs zurückgreifen kann. Visualisation of the ontologybased modelling process: The aircraft desig- ner references his own design model to a so-called ontology, a process suppor- ted by recommendations of an integration tool. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 75

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Alternative Kraftstoffe: Methoden zur objektiven Priorisierung und Bewertung Alternative fuels: Objective methods for assessment and prioritisation Um trotz der Verknappung fossiler Ressourcen und der Notwen- digkeit des Klimaschutzes den weltweit wachsenden Mobilitäts- bedarf nachhaltig zu bedienen, braucht die Luftfahrt alternative Kraftstoffe. Hierzu wird eine stetig wachsende Zahl von Techno- logien zur Rohstoffproduktion und -konversion entwickelt. Diese zunehmende technologische Vielfalt erfordert ein allgemein an- wendbares Bewertungsverfahren, das eine weitestgehend objek- tive und transparente Priorisierung der unterschiedlichen Kraft- stoffalternativen erlaubt. Ein solches Bewertungsschema wurde am Bauhaus Luftfahrt auf Basis einer gewichteten Entscheidungsmatrix entwickelt. Die Liste der Kriterien umfasst technische, ökonomische sowie öko- logische Aspekte, wie etwa die Rohstoffverfügbarkeit oder Treib- hausgasemissionen über den gesamten Lebenszyklus eines Kraft- stoffs. Abhängig von den Randbedingungen werden die Kriterien der Bewertung individuell gewichtet. Zur weiteren Entwicklung des Bewertungsschemas wurde eine Umfrage durchgeführt, die ein Bild von der Gewichtung der einzelnen Kriterien aus Sicht von Interessenvertretern aus den Bereichen Forschung, Luftfahrtindustrie und Kraftstoffproduktion vermittelt. Die Umfrageergebnisse zeigen unter anderem, dass im Hinblick auf eine Implementierung bis 2020 vor allem technische Aspekte als wichtig erachtet werden. Dagegen werden in Bezug auf einen Einsatz bis 2050 vor allem Kriterien der Nachhaltigkeit, wie Emissionen und Wasserverbrauch, höher gewichtet. Das Bewertungsschema wird am Bauhaus Luftfahrt kon- tinuierlich weiterentwickelt und zur Anwendung gebracht. Dazu gehört auch der Aufbau eines Informationskompendiums zu den vielfältigen Produktionspfaden. In the context of depleting fossil resources and the necessity to reduce its climate impact, aviation considers alternative fuels an important measure to meet the globally growing mobility demand in a sustainable way. Consequently, a large number of technolo- gies for feedstock production and conversion are currently under development. The growing technological variety creates a need for generally applicable metrics that allow the objective and transpar- ent assessment and prioritisation of different fuel options. Bauhaus Luftfahrt has developed such an assessment scheme, based on the principle of a weighted decision matrix. The list of criteria includes technical, economic and ecological aspects, for instance feedstock availability, production costs and life-cycle greenhouse gas emissions. Specific weighting factors are assigned to each of the criteria according to the boundary conditions of the assessment. As part of its effort to improve the assessment scheme, Bau- haus Luftfahrt further conducted a survey to develop a picture of the weight of the individual criteria from the viewpoint of a num- ber of stakeholders from all over the aviation sector, for example from science, the aviation industry and fuel-producing companies. The survey’s results show that with respect to an implementation by 2020, aspects of technical compatibility are considered most important. In contrast, when the focus moves towards application by 2050, the highest weights shift to criteria focused on sustain- ability, for example emissions and water consumption. The assessment scheme is subject to continuous develop- ment and application at Bauhaus Luftfahrt. The build-up of a com- prehensive compendium of the rapidly broadening field of fuel pro- duction pathways represents an important part of this work. 76 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Starch-containing Biomass Cellulosic Biomass HO HO HO O HO O OH OH OH O O HO O OH OH HO O HO OH O OH Polymeric Glucose (Cellulose and Starch) Gasification / Fischer-Tropsch synthesis Enzymatic or chemical cleavage OH HO HO O H OH OH Glucose Fermentation OH OH Alcohols Paraffines (Alkanes) Synthetic Kerosene Dehydratisation / Polymerisation OH O HO O OH O HO HO HO Saccharose OH Sugar-containing Biomass O O O O O O ( )n ( )m ( )l Oils and fat (Triglycerides) Oilseeds Fermentation Hydroprocessing (HEFA) Beispiele von Prozesswegen zur Produktion synthetischen Kerosins aus Biomasse: Die Umsetzung des Rohstoffs erfolgt oft in mehreren fermentativen und/oder chemischen Schritten. Trotz der teils sehr verschiedenen Rohstoffe führen die Prozesswege zu einem Produkt, nämlich zu synthetischem Kerosin. Examples of process pathways for the production of synthetic kerosene from biomass: Feedstock conversion is carried out through multiple fermentative and/or chemical steps. Despite the different feedstocks and processes, the pathways result in the same product: synthetic kerosene. Criteria 2020 2050 Suitability Fuel readiness level Technical compatibility Sustainability Greenhouse gas emissions Local air quality Demand for fresh water Nutrient demand Demand for pesticides Geographical distribution of resources Scalability Production costs Substitution potential Total reserves left 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 Relative weight Die expertenbasierte Gewichtung der Be wertungskriterien: Die Befragung zeigte eine signifikante Verschiebung der Prioritäten von der kurzfristigen Implementierung bis 2020, wo vor allem die technischen Aspekte als wichtig erachtet werden, hin zu denen des langfristigen Einsatzes bis beispielsweise 2050, wo vor allem Kriterien der Nachhaltigkeit, wie Emissionen und Wasserverbrauch, höher gewichtet werden. The expertbased weighting of the assess ment criteria: The survey showed a significant shift of priorities from the short-term view by 2020, where aspects of technical compatibility are considered most important, towards long- term applications, for example for the year 2050, with a higher weight of sustainability criteria like emissions and water consumption. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 77

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Methoden und Überlegungen für den Konzeptentwurf voll elektrischer Luftfahrzeuge Methods and system design considerations for fullelectric aircraft Das Bauhaus Luftfahrt betreibt verstärkt Forschung an vollelektri- schen und damit lokal emissionsfreien Luftfahrzeugkonzepten. Da- bei führen die Wissenschaftler Machbarkeitsstudien zu verschie- denen Technologien wie neuartigen Antriebssystemen und ihrer Versorgung aus elektrischen Energiequellen durch, beispielsweise basierend auf Brennstoffzellen- und neuen Batterie-Entwicklun- gen. Diese theoretischen Betrachtungen werden anhand von physikalischen Eigenschaften und Grenzen sowie experimentellen Daten entwickelt. Um eine hohe Genauigkeit und zuverlässige Analysen während des Konzeptentwurfs sicherzustellen, werden aus der Theorie semiempirische Methoden abgeleitet. Diese er- lauben es den Wissenschaftlern, nichtlineare Abhängigkeiten der an Bord gespeicherten Energie bei einem bestimmten benötigten Leistungsbedarf zu modellieren. Die Arbeiten legen ein besonderes Augenmerk auf die ganz- heitliche Integration der erwähnten Komponenten in die Flugzeug- Systemarchitektur. Ist Letztere vollkommen elektrisch ausgelegt, kann sie in ein Hochleistungs-Antriebssystem und Mittelleistungs- Subsysteme unterteilt werden. Innerhalb dieser beiden Systeme werden die Komponenten in drei verschiedene Gruppen unterteilt: „vitale“, „essentielle“ und „nichtessentielle“ Systeme. Diese De- signphilosophie erlaubt eine optimale Nutzung der elektrischen Energie durch den Transfer von einem System in ein anderes. De- ren Anordnung und Aufbau können somit auch in Bezug auf die Flugleistung untersucht werden, wodurch sich eine Schnittstelle mit weiteren Forschungsaktivitäten am Bauhaus Luftfahrt ergibt. Bauhaus Luftfahrt actively embraces the research of full-electric and zero-emission aircraft concepts. Ongoing research involves feasibility studies of different technologies concerning the usage of novel propulsion systems, transmission and energy sources based on emerging fuel cell and battery technologies. Theoretical approaches are tuned according to the investigation of physical be- haviours, recommended system limitations and experimental data. In order to enhance and ensure confidence in analysis performed during the conceptual design phase, semi-empirical methods are derived. These allow researchers to model non-linear dependen- cies associated with the energy stored on-board; for instance total battery capacity for a specific power demand. Research also focuses on the integration of the above-men- tioned components in terms of the entire aircraft system architec- ture. The systems on board a full-electric aircraft can be classified as a high-power propulsion system and medium-power subsys- tems. Components included in these groups are further deducted as “vital”, “essential” and “non-essential” systems. This distinction is part of a design philosophy that leads to more efficient onboard power management and usage of the electrical energy by transfer- ring it from one system to another. Novel layouts and concept de- signs of the latter can hence be investigated in relation to aircraft performance, allowing for synergies with other research activities carried out at Bauhaus Luftfahrt. 78 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

3 Methoden und Prozesse Methods and processes n o r e l i A s r o t a u t c a g n i c i - e D g n i c i - e D r o t a v e E l s r o t a u t c a s c i n o i v A Landing gear Lights Thermal management Fire extinguisher ECS Cabin PMAD g n i c I - e D n o r e l i A s r o t a u t c a g n i c i - e D r o t a v e E l s r o t a u t c a g n i c i - e D g n i c i - e D HTS Motor controller Motor controller HTS Rudder actuators 3000 VDC 540 VDC 28 VDC Non-essential Essential Vital Batteries PMAD = Power management and distribution HTS = High temperature superconducting motor ECS = Environmental control system Beispiel für den Aufbau von Systemarchitekturen: Die Systeme eines unkonventionellen, vollelektrisch angetriebenen Flugzeugkonzepts werden in Bezug auf Redundanz und optimale Flugleistung angeordnet und positioniert. Exemplary architecture: Systems of all-electric unconventional aircraft concepts are allocated and positioned in regard to redundancy and optimal flight performance. 4 .2 4 3 .8 3 .6 3 .4 3 .2 3 2 .8 V(95%) Linear model V(20%) Ohmic resistance Losses Solid phase diffusion 0 0 .05 0 .4 0 .15 0 .2 0 .25 0 .3 Methodology Entwicklung semiempirischer Methoden: Von physikalischen Grenzen und experimentellen Daten leitet das Bauhaus Luftfahrt effektive Me- thoden für den Konzeptentwurf von elektrischen Systemarchitekturen ab. Developing semiempirical methods: Based on physical limits and experimental data, Bau- haus Luftfahrt derives methods of high accuracy for the conceptual design of electric aircraft sys- tem architectures. + – Ri M Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 79

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Methoden zur Untersuchung neuartiger Kreisprozesse für Gasturbinen Assessment methods for novel gas turbine engine cycles Mit Ausnahme von Lärm entstehen fast alle Emissionen wäh- rend des Fluges im Antriebssystem eines Flugzeuges. Stand in den Anfängen der Luftfahrt noch die Steigerung der spezifischen Leistung, also der Antriebsleistung pro Gewichtseinheit, im Mit- telpunkt der Forschung und Entwicklung, so rückt heutzutage die Anforderung zur Reduktion von Emissionen immer stärker in den Vordergrund. Dabei untersucht das Bauhaus Luftfahrt neben hy- briden oder vollelektrischen Antriebsarchitekturen auch neuartige Kreisprozesse für Gasturbinen. Letztere sind sowohl in ihrer verfügbaren spezifischen Leis- tung als auch in der Menge der Emissionen abhängig von der Ge- samteffizienz der zugrundeliegenden Kreisprozesse. Diese ergibt sich wiederum aus der Fähigkeit einer Verbrennungskraftmaschi- ne, die im Kraftstoff enthaltende Energie in Nutzarbeit umzusetzen, die sogenannte thermische Effizienz, als auch diese Arbeit in Form von Schubkraft bereitzustellen, die sogenannte Vortriebseffizienz. Letztere wird heutzutage hauptsächlich durch zwei Tech- nologien zur Schuberzeugung bestimmt: ummantelte „Fans“ und offene Propeller. Trotz deren unterschiedlicher Charakteristika er- zielen moderne Anwendungen bis zu 90 Prozent des theoretischen Effizienzmaximums. Die thermische Effizienz ist grundsätzlich abhängig von dem Arbeitsprinzip der zugrunde liegenden Maschine, beispielsweise dem Joule/Brayton-, Humphrey-, Otto- oder Dieselprozess. Mo- derne Maschinen erreichen in etwa 60 Prozent des theoretischen Effizienzmaximums, des sogenannten Carnot-Vergleichsprozesses. Untersuchungen am Bauhaus Luftfahrt haben gezeigt, dass beispielsweise gekoppelte und hybride Kreisprozesse eine wei- tere Steigerung der thermischen Effizienz bewirken können. Die Erforschung und Umsetzung solcher Kreisprozesse in neuartige Antriebskonzepte ist daher ein elementarer Bestandteil der mul- tidisziplinären Antriebssystemanalyse am Bauhaus Luftfahrt. With the exception of noise, the bulk of aircraft in-flight emissions arise from the propulsion system. In the early days of aviation, the goal was to increase available power per unit weight – the so- called specific power. This aim dominated research and develop- ment, but today the reduction of emissions has become an increas- ingly important requirement. In this aim, Bauhaus Luftfahrt is not only assessing hybrid or full-electric propulsion architectures for future airliners, but also novel engine cycles for combustion en- gines. In every combustion engine, both the specific power and emissions production depend on the overall efficiency of the un- derlying cycle. The latter is determined as a product of the system capability to convert fuel energy into usable mechanical work, the so-called thermal efficiency, and to transform the mechanical work into thrust, referred to as propulsive efficiency. To achieve the latter, two types of propulsive devices are mainly used in modern aircraft: ducted fans and unducted propel- lers. Despite the differing characteristics between the two, the ef- ficiency of these devices achieves up to 90 percent of their respec- tive theoretical maxima. The thermal efficiency in general depends on the working principle of the underlying machine, for example Joule/Brayton, Humphrey, Otto or Diesel cycle. It should be noted that modern en- gines achieve only about 60 percent of their theoretical optimum, the so-called Carnot cycle. Research at Bauhaus Luftfahrt has indicated that, for in- stance, commingled and hybrid cycles offer great potential for improvements in thermal efficiency. The development and imple- mentation of such cycles into novel propulsion concepts is hence a fundamental part of the multidisciplinary analysis of motive power systems at Bauhaus Luftfahrt. 80 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Joule cycle Otto cycle 0 .60 0 .50 0 .40 0 .30 0 .20 0 .10 ) - ( y c n e i c fi f e l a m r e h T 0 .60 0 .50 0 .40 0 .30 0 .20 0 .10 0 200 400 600 800 0 200 400 600 800 Specific usable work (kJ/kg) Specific usable work (kJ/kg) Diesel cycle Humphrey cycle Vergleich von vier verschiedenen Arbeits prinzipien für Verbrennungsmaschinen: Das Bauhaus Luftfahrt analysiert eine Vielzahl dieser Prozesse in Bezug auf ihr Potenzial für zukünf- tige Verbesserungen der thermischen Effizienz. Comparison of four different working prin ciples for combustion machines: Bauhaus Luftfahrt analyses numerous processes in order to identify their potential for future improve- ments in thermal efficiency. 0 .60 0 .50 0 .40 0 .30 0 .20 0 .10 0 200 400 800 Specific usable work (kJ/kg) 600 ) - ( y c n e i c fi f e l a m r e h T 0 .60 0 .50 0 .40 0 .30 0 .20 0 .10 0 200 400 800 Specific usable work (kJ/kg) 600 ) - ( y c n e i c fi f e l a m r e h T ) - ( y c n e i c fi f e l a m r e h T Comparison point @ pressure ratio = 50, combustion temperature = 1600 K Temperatures 1400 K 1600 K 1800 K 2000 K Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 81

Munich Aerospace: Gründungsphase abgeschlossen Munich Aerospace: Startup phase completed Nach der Gründung von Munich Aero space e.V. im Juli 2010 unter aktiver Beteiligung des Bauhaus Luftfahrt hat die Fakultät für Luft und Raumfahrt im Jahr 2011 ihren operativen Geschäftsbetrieb aufgenommen. Following the foundation of Munich Aerospace e.V. in July 2010, in which Bauhaus Luftfahrt actively took part, the joint faculty for aerospace commenced its business operations in the year 2011. Dazu wurden die grundlegenden Kooperationsverträge zwischen den Partnern von Munich Aerospace im Bereich Forschung, Sti- pendien und Lehre aufgesetzt und unterzeichnet. For this purpose, the underlying cooperation agreements for re- search, scholarships and education were signed between the vari- ous partners of Munich Aerospace. Da für den Erfolg von Munich Aerospace in erster Linie der Bekanntheitsgrad im Kreis der Wissenschaftler entscheidend ist, wurde bereits im ersten Quartal 2011 eine eigene Internetpräsenz in deutscher und englischer Sprache entwickelt. Ebenfalls speziell für die wissenschaftliche Zielgruppe fanden Informationsveran- staltungen statt, bei denen vermittelt wurde, wie Forschungsanträ- ge bei Munich Aerospace gestellt werden können. Dies zahlte sich aus: In einer ersten Runde wurden zunächst vier Forschergruppen auf Empfehlung des wissenschaftlichen Beirats durch den Vor- stand von Munich Aerospace genehmigt. Mit der Bewilligung des Förderantrags im Rahmen der HGF-Allianz DLR@Uni haben sich vier weitere Forschergruppen etabliert. Das gesamte Projektbud- get für Munich Aerospace in den kommenden fünf Jahren umfasst acht Millionen Euro. Projektbeginn war am 1. Januar 2012. Im Bereich der Lehre konnte zum Wintersemester 2011/2012 ein durchgängiges Lehr- und Prüfungsangebot mit der TU Mün- chen und der Universität der Bundeswehr München gestartet werden. Dabei wurde ESPACE, ein Masterstudiengang an der Schnittstelle zwischen Raumfahrttechnologie und ingenieurwis- senschaftlicher Nutzung von Satelliteninformationen, als erster Studiengang in Munich Aerospace integriert. Mit der konstituierenden Sitzung des Kuratoriums am 3. No- vember ist die Gründungsphase von Munich Aerospace nunmehr abgeschlossen. Derzeit werden die ersten Stipendien an junge Wissenschaftler vergeben. As the success of Munich Aerospace is strongly dependent on its widespread recognition among researchers, a dedicated website in German and English was set up in the first quarter of 2011. Also strictly focusing on a scientific target audience, special informative events were organised, for example to explain the ap- plication process for research projects within Munich Aerospace. This active approach paid off: based on recommendations of the Scientific Advisory Board, four different research groups were ap- proved by the Executive Board in the first instance. Following the grant of support in line with the project DLR@Uni by the Helmholtz Association, a further four research groups could be established. The entire budget for research under the cover of Munich Aero- space sums up to eight million euros over five years. The official starting date was 1 January 2012. In the field of academic education, an integrated study and examination programme was launched in cooperation with Tech- nische Universität München and Universität der Bundeswehr München in the winter semester 2011/2012. Thereby ESPACE, a master’s program positioned between space technology and the utilisation of satellite data for engineering applications, was set up as the first graduate school programme within Munich Aerospace. With the constitutive session of the Board of Trustees on 3 November the start-up phase of Munich Aerospace was finally completed. At the moment, the first scholarships are being award- ed to young researchers. 84 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

Horst Rauck, gewählter Vorsitzender des Ku ratoriums, bei der Entgegennahme der Glück- wünsche von Dr. Anita Linseisen, geschäftsfüh- render Vorstand von Munich Aerospace. Horst Rauck, elected Chairman of the Board of Trustees, receives the congratulations of Dr. Anita Linseisen, Managing Director of Munich Aerospace. Mitglieder des Kuratoriums zusammen mit dem Vorstand von Munich Aerospace: Gruppenfoto nach der konstituierenden Kuratoriumssitzung am 3. November. Members of the Board of Trustees together with members of the Executive Board: Group photo following the constitutive session on 3 November. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 85

“Aviation Initiative for Renewable Energy in Germany e.V.” – aireg Die Implementierung alternativer Kraftstoffe in der Luftfahrt erfordert die Zusammenarbeit verschiedener Inter essenvertreter, wie Airlines, Flughafen betreiber, Kraftstoff und Biomassepro duzenten sowie Forschungsinstitute. Implementing alternative fuels in aviation requires the collaboration of numerous key stakeholders like airlines, airports, fuel and biomass producers as well as research institutes. Weltweit haben sich in jüngster Zeit zahlreiche nationale Initiati- ven gebildet, um die Bemühungen dieser Einrichtungen zu bün- deln. Der Vorreiter in diesem Bereich ist die 2006 gegründete US- amerikanische „Commercial Aviation Alternative Fuels Initiative“ (CAAFI). Nach dem Vorbild von CAAFI wurde in Deutschland 2011 die „Aviation Initiative for Renewable Energy in Germany e.V.“, (aireg), ins Leben gerufen mit dem Ziel die Entwicklung, Demonst- ration und Bewertung alternativer Kraftstoffoptionen auf zunächst nationaler Ebene voranzutreiben und Informationen rund um das Thema alternative Kraftstoffe für die Luftfahrt bereitzustellen. Mit der Gründung von aireg, an der das Bauhaus Luftfahrt aktiv beteiligt war, vereinigen neben Vertretern der Luftfahrtindus- trie, wie EADS Deutschland und Lufthansa, zahlreiche Institutio- nen ihre Expertise, um alle Bereiche der Wertschöpfungskette von der Biomasse bis zum Tank weiterzuentwickeln. Bauhaus Luftfahrt ist in allen fünf Arbeitskreisen zu den Themen „Rohstofferzeu- gung“, „Rohstoffverarbeitung“, „Kraftstoffnutzung“, „Qualität und Zulassung“ sowie „Nachhaltigkeit“ vertreten und hat im Letztge- nannten die Rolle des Koordinators übernommen. Ein wichtiger Aspekt der Arbeiten von aireg ist die enge Partnerschaft mit CAAFI. Das Bauhaus Luftfahrt unterstützt den aktiven Dialog auf Basis einer langjährigen Kooperation mit der amerikanischen Initiative. To this end, national initiatives have been founded in many coun- tries in recent years, similar to the role model of the “Commercial Aviation Alternative Fuels Initiative” (CAAFI), founded in the USA in 2006. Along the lines of CAAFI, the “Aviation Initiative for Re- newable Energy in Germany e.V.“ (aireg) was founded in 2011. It aims at promoting the development, demonstration and assess- ment of alternative fuel options for aviation, at first on a national level. A further goal is to actively provide the public with related information. Bauhaus Luftfahrt played a key role in the foundation of aireg. In cooperation with other founding members, like EADS and Lufthansa, a broad range of institutions pool their expertise and forces for further developments along the entire value chain from crop to tank. Bauhaus Luftfahrt is member of all five aireg work- ing groups; “Feedstock Production”, “Feedstock Conversion”, “Fuel Utilisation”, “Quality and Certification” and finally “Sustainability”, where it has taken the coordinating role. Cooperating closely with CAAFI is a key aspect of aireg’s activities. Based on its long-standing cooperation with the Ameri- can initiative, Bauhaus Luftfahrt actively supports this regular dialogue. 86 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

Provision of feedstock Technologies of fuel production Fuel utilisation Quality and certification Sustainability Five working groups cover the core areas from crop to tank Übersicht der Arbeitskreise der Initiative aireg e.V.: Das Bauhaus Luftfahrt ist in allen Arbeitskreisen vertreten und nimmt zudem im Arbeitskreis „Nachhaltigkeit“ die Rolle des Ko- ordinators ein. Overview of the working groups of aireg: Bauhaus Luftfahrt is actively engaged in all five groups and is moreover acting as coordinator in the working group “Sustainability”. Prof. Dr. Mirko Hornung auf der Gründungsveranstaltung von aireg im Juni 2011 in Berlin: Das Bauhaus Luftfahrt ist eines von 20 Gründungsmitgliedern der Initiative. Prof. Dr. Mirko Hornung at the foundation meeting of aireg in June 2011 in Berlin: Bauhaus Luftfahrt is one of the initiative’s 20 founding members. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 87

Finanzen Financial figures Das Bauhaus Luftfahrt hat sich im Jahr 2011 aus finanzieller und personeller Sicht stabil entwickelt. Die Zuschüsse des Freistaates Bayern und die Beiträge der Mitglieder sind wie geplant konstant geblieben. Während die Erträge aus EU- und bundesgeförderten Projekten bei rund 340.000 Euro lagen und damit leicht rückläufig waren, stiegen die Erträge aus Aufträgen und Kooperationen mit den Industriepartnern auf rund 1,44 Mio. Euro an. Für das Jahr 2012 plant das Bauhaus Luftfahrt mit einer weiteren Zunahme bei den Drittmitteleinnahmen aus Kooperations- und Verbundfor- schungsprojekten auf insgesamt etwa 1,8 Mio. Euro. In the year 2011, with regard to the financial sector as well as to human resources, Bauhaus Luftfahrt saw a stabilisation of its posi- tive development. As planned, the grants from the Free State of Bavaria and the financial contributions of the members were kept constant. While the earnings of projects promoted by the EU and the German Federation slightly dropped to 340.000 euros, earnings from cooperation with industry in the research sector increased to around 1.44 m euros. For 2012 Bauhaus Luftfahrt is planning with another progression of third-party funds from cooperations and in- tegrated research projects to around 1.8 m euros. Finanzmittel / Funds Euros 5 .000 .000 4 .000 .000 3 .000 .000 2 .000 .000 1 .000 .000 2009 2010 2011 90 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. Forschungsaufträge Research contracts (€) Bund / EU Federal / European funds (€) Mitgliedsbeiträge Membership fees (€) 2009 2010 2011 669 .000 1 .401 .705 1 .436 .420 261 .403 508 .254 338 .202 750 .600 750 .600 750 .600 Zuschüsse Freistaat Bayern Grants from the Free State of Bavaria (€) 1 .500 .000 1 .500 .000 1 .500 .000

Personal Personnel The positive financial development of recent years allowed Bau- haus Luftfahrt in 2011 to invest systematically in highly qualified academic employees. Hence another nine researchers could be recruited, taking the overall scientific workforce to 32. The person- nel ramp-up mainly took place in the fields of “Visionary Aircraft Concepts” as well as “Future Technologies, Innovation, Alterna- tive Energy and Ecology of Aviation”, helping Bauhaus Luftfahrt to further expand its competences in the fields of new technologies as well as aircraft and system design. The percentage of female scientists remained stable at roundabout 19 percent. Depending on the funding situation, Bauhaus Luftfahrt is planning to selec- tively acquire additional researchers in 2012. Die positive finanzielle Entwicklung der vergangenen Jahre er- möglichte es dem Bauhaus Luftfahrt, auch im Jahr 2011 gezielt in hochqualifiziertes wissenschaftliches Personal zu investieren. So konnten im Jahresverlauf wie geplant weitere neun wissen- schaftliche Mitarbeiter für das Bauhaus Luftfahrt gewonnen und damit der Bestand an wissenschaftlichem Personal auf 32 erhöht werden. Der Personalaufbau ist schwerpunktmäßig in den Teams „Visionäre Flugzeugkonzepte“ sowie „Zukunftstechnologien, In- novationspotenziale und ökologische Perspektiven“ erfolgt. Das Bauhaus Luftfahrt konnte dadurch seine Kompetenzen auf den Gebieten neuer Technologien, des Flugzeugentwurfs und der Sys- temauslegung weiter verstärken. Der Anteil der Wissenschaftle- rinnen blieb mit rund 19 Prozent stabil. In Abhängigkeit von der fi- nanziellen Entwicklung des Bauhaus Luftfahrt sollen im Jahr 2012 selektiv Nachwuchskräfte gewonnen werden. Mitarbeiter (am Jahresende) / Employees (year end) Vorstand Executives Verwaltung Administration Wissenschaftler Scientists Studenten Students 2009 2 5 23 5 2010 2 4 23 13 2011 2 9 32 10 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 91

Wissenschaftliche Veröffentlichungen / Patente Scientific publications / Patents Zeitschriftenaufsätze / Journal articles 2011 01.2011 05.2011 06.2011 10.2011 10.2011 The Aeronautical Journal / Vol. 115, No. 1163 A Conceptual Design Methodology for Acoustic Fatigue Mitigation R. M. Ajaj, G. Allegri, A. T. Isikveren AIAA Journal of Guidance, Control, and Dynamics / Vol. 34, No. 3 Analysis of Flexible Aircraft Dynamics Using Bifurcation Methods N. Baghdadi, M. H. Lowenberg, A. T. Isikveren The Aeronautical Journal / Vol. 115, No. 1168 Emission Comparison Of Turbofan And Open Rotor Engines Under Special Consideration Of Aircraft And Mission Design Aspects A. Seitz, S. Donnerhack, D. Schmitt Progress in Aerospace Sciences / Vol. 47 Analysis of Conventional and Asymmetric Aircraft Configurations using CEASIOM T. S. Richardson, C. McFarlane, A. T. Isikveren, K. Badcock, A. Da Ronch Analysis of the Boeing 747-100 using CEASIOM T. S. Richardson, C. S. Beaverstock, A. T. Isikveren, A. Maheri, K. Badcock, A. Da Ronch Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science Design of a Single DOF Kinematic Chain Using Hybrid GA-Pattern Search and Sequential GA A. Maheri, A. T. Isikveren Konferenzbeiträge / Conference papers 2011 03.2011 04.2011 04.2011 05.2011 06.2011 IEEE Aeronautics 2011 / Big Sky A Conceptual Design Tool for Multi-Disciplinary Aircraft Design S. Ziemer, M. Glas, G. Stenz 7th AIAA Multidisciplinary Design Optimization Specialist Conference / Denver Multiobjective Optimization for the Multi-Phase Design of Active Polymorphing Wings D. D. Smith, R. M. Ajaj, A. T. Isikveren, M. I. Friswell Roll Control of a UAV using an Adaptive Torsion Structure R. M. Ajaj, M. I. Friswell, D. D. Smith, G. Allegri, A. T. Isikveren 19th AIAA/ASME/AHS Adaptive Structures Conference / Denver Conceptual Modeling of an Adaptive Torsion Wing Structure R. M. Ajaj, M. I. Friswell, W. G. Dettmer, G. Allegri, A. T. Isikveren Software & Systems Engineering Essentials / Frankfurt Some observations from an OSS project for a conceptional aircraft design tool S. Ziemer International Conference of the European Society for Ecological Economics / Istanbul Biofuels, Food Prices and the Carbon Cycle – Cleaning up with a Dirty Rag? A. Kuhlmann, C. Stoeckle 92 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

06.2011 Air Transport Research Society World Conference / Sydney Sensitivity Analysis for a Future-Oriented Optimization of Airport Security M. Cole, M. Maurer Identification of Key Aircraft Parameters Related to Airport Charge Quantification K. O. Plötner, P. Wesseler, P. Phleps Air Transport Development in a Volatile Market Environment – A scenario-based approach O. Schwetje, A. Becker, P. Phleps 09.2011 Deutscher Luft und Raumfahrtkongress / Bremen Outsourcing Decisions and Product Characteristics Regarding Commercial Aircraft Integrators A. Kuhlmann, A. Reinhold, A. T. Isikveren, C. Stoeckle Structured Approach towards Designing Passenger Friendly Airport Terminals A. Reinhold, A. Hillebrand Towards Efficient Development Methods for Aircraft System Models S. Prochnow Alternative Fuels for Aviation: Progress, Prioritization & Perspectives S. Naundorf, A. Roth, C. Endres, A. Sizmann 10.2011 3rd International Conference of the European Aerospace Societies / Venice Ethical Aspects in Airport Security M. Cole, A. Kuhlmann Bioenergy in Aviation: The Question of Land Availability, Yields and True Sustainability F. Riegel, J. Steinsdörfer 10.2011 10.2011 10.2011 10.2011 12.2011 Renewable energy perspectives for aviation H. Kuhn, C. Falter, A. Sizmann 41. Jahrestagung der Gesellschaft für Informatik / Berlin Do They Really Mean It? Assessing Decision Markets Outcomes F. Bry, S. Leutenmayr, T. Schiebler, F. Brodbeck SAE 2011 AeroTech Congress & Exhibition / Toulouse Holistic Granular Programming: A Novel Approach for Modeling Aircraft A. T. Isikveren, S. Ziemer, G. Stenz, M. Hornung Avionics, FiberOptics and Photonics Technology Conference 2011 / San Diego Feasibility of Airborne Large Baseline Antennas K.-D. F. Büchter, A. Sizmann 22nd International Conference on Adaptive Structures and Technologies / Corfu Performance and Control Optimization using the Adaptive Torsion Wing R. M. Ajaj, M. I. Friswell, G. Allegri, W. G. Dettmer, A. T. Isikveren Dynamic Modelling of an Adaptive Torsion Wing R. M. Ajaj, M. I. Friswell, G. Allegri, W. G. Dettmer, A. T. Isikveren 13th International Conference on Information Integration and Webbased Applications & Services / HoChiMinh City Liquid Decision Making: An Exploratory Study F. Bry, S. Leutenmayr Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 93

Wissenschaftliche Veröffentlichungen / Patente Scientific publications / Patents Studienarbeiten / Diploma or bachelor theses and term papers Visionäre Flugzeugkonzepte / Visionary Aircraft Concepts Comprehensive Assessment of Aerodynamic Technologies at the Aircraft System Level W. Salhi / 04.2011 > Diplomarbeit / Diploma thesis > Semesterarbeit / Term paper Anwendung und Bewertung des Softwaretools CEASIOM G. Herdt / 04.2011 > Diplomarbeit / Diploma thesis Comprehensive Assessment of Structure Technologies at the Aircraft System Level B. Lalanne / 05.2011 > Diplomarbeit / Diploma thesis Conceptual Design of an All-Electric Regional Aircraft powered by Battery P. Vratny / 09.2011 > Diplomarbeit / Diploma thesis Conceptual Design of a Fuel Cell Powered All-Electric Regional Aircraft G. Gradwohl / 09.2011 > Diplomarbeit / Diploma thesis Determination of aircraft life-cycle cost during conceptual design phase P. Wesseler / 10.2011 > Bachelorarbeit / Bachelor thesis Entwicklung einer standardisierten Schnittstelle zur parametrischen Visualisierung neuer Flugantriebskonzepte N. Busch / 12.2011 94 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

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. 95

Impressum Imprint Bauhaus Luftfahrt Jahrbuch 2011 Herausgeber / Publisher Bauhaus Luftfahrt e.V. Lyonel-Feininger-Straße 28 80807 München www.bauhaus-luftfahrt.net Redaktion / Editor Michael Lagemann Bildnachweise / Picture Credits Romy Bonitz, München EADS Innovation Works ediundsepp Gestaltungsgesellschaft, München Andreas Heddergott, München Martina Kaindl & Hanna Ruck & Peter Frank, München Kubinska & Hofmann, München Christiane Trabert, Berlin Seite 23: Brasil2; Seite 71: lappes, iStockphoto.com Seite 29: steffne, photocase.de Seite 60: Alison Bowden, fotolia.de Gestaltung / Layout ediundsepp Gestaltungsgesellschaft, München Lektorat / Lectorate Beate Warcholik (MCIL) (BDÜ) BW Translations Druck / Print Druckerei Johannes Walch GmbH 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. 99