Bauhaus-Luftfahrt-Jahrbuch 2012

Willkommen im Bauhaus Luftfahrt Welcome to Bauhaus Luftfahrt Zahlen und Fakten Facts and figures Vorwort des Beiratsvorsitzenden Foreword of the Chairman of the Advisory Board . . . . . . . . . . . . 7 Finanzen Financial figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Über das Bauhaus Luftfahrt About Bauhaus Luftfahrt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Personal Personnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Vorwort der Vorstände Foreword of the Directors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Wissenschaftliche Veröffentlichungen / Patente Scientific publications / Patents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Neue Wege in der Luftfahrt – drei Forschungsschwerpunkte New ways in aviation – Three focus areas . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Medien / Vorträge Media / Lectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Impressum Imprint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Impuls: Zukünftigen Anforderungen gerecht werden – Ansätze mit Hebelwirkung Impulse: Meeting future requirements – Solutions with leverage effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Impuls: Visionäre Flugzeugkonzepte – Innovative Lösungen für ambitionierte Ziele Visionary Aircraft Concepts – Innovative solutions for ambitious goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Impuls: Sonnenenergie im Fokus von Zukunftstechnologien und Ökologie der Luftfahrt Impulse: Solar energy in the focus of future technologies and ecology of aviation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 ACARE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Munich Aerospace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 aireg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 3

Inhalt Contents 4 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 1 Neue Wege durch die Treiber der Luftfahrt 1 New ways through the drivers of aviation Szenarioprozess 2040: Luftverkehrswachstum, Energie- und Umweltfragen Scenario process 2040: Air traffic growth, energy and the environment . . . . . . . . . . . . . 20 Alternative Kraftstoffpfade: Vergleich langfristiger, ertragreicher Optionen Alternative fuel paths: Comparison of long-term high-yield options . . . . . . . . . . . . . . . 22 Qualitätssicherung und Nachhaltigkeit von Biokraftstoffen für die Luftfahrt (QuaNaBioL) Securing the quality and sustainability of biofuels for aviation (QuaNaBioL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Abschätzung des globalen Bioenergiepotenzials: Erste Ergebnisse Assessment of the global bioenergy potential: First results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Elektrische Energiespeicher und -wandler: Skalierungsverhalten hybrider Antriebssysteme Electric energy storage and conversion: Hybrid power system scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Materialkarten: Zukunftssichere Maßstäbe für Leichtbauwerkstoffe Material maps: Future-proof benchmarks for lightweight design materials . . . . 30

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 Methoden zur Auslegung und Leistungsbetrachtung elektrischer Flugzeuge Unique sizing and performance methods for Universally-Electric Aircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Bestimmung der Produktlebenszykluskosten Estimation of product life cycle cost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Skalierbare Entscheidungsfindung in großen Gruppen Scalable decision making in large groups . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Integriertes Datenmanagement mit OpenCDT Integrated data management in OpenCDT . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Die Verteilung von Entwicklungsaufwand durch Open-Source-Software Open source software and the distribution of development effort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Der Ce-Liner The Ce-Liner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Untersuchung adaptiver Systeme selbstgetrimmter, nicht planarer Flügel Preliminary investigation of self-trimming, non-planar wings using adaptive utilities . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Designbetrachtungen für universell-elektrische Flugzeugsystemarchitekturen Design considerations for universally-electric aircraft systems architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Elektrische Flugantriebe: Metriken für den Vergleich mit Gasturbinen Electric propulsion systems: Metrics for comparison with gas turbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Flugleistungsberechnung und Auslegung unter Verwendung verteilter elektrischer Antriebe Performance and sizing of electrically powered distributed propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Multidisziplinäre Auslegung und Machbarkeitsstudie zu verteilten Antriebssystemen Multi-disciplinary design and feasibility studies of distributed propulsion systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Untersuchung neuartiger Antriebssysteme auf Basis hybrider Energiequellen Assessment of novel propulsion systems based on hybrid energy sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Aktive variable Änderung der Spannweite Active variable span adjustment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Fliegende Kommunikationsnetzwerke Airborne communication networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Zukunftskonzepte für Kabinenprozesse und Bodenabfertigung Future concepts for cabin processes and ground servicing . . . . 74 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 5

Vorwort des Beiratsvorsitzenden Foreword by the Chairman of the Advisory Board Dr. Detlef MüllerWiesner Sehr geehrte Damen und Herren, ein Blick in den Luftverkehr zeigt viele positive Indikatoren für die Zukunft. Das Passagieraufkommen wächst unvermindert stark und damit auch der Bedarf an neuen Flugzeugmustern. Dabei gilt es nicht nur, die steigende Nachfrage zu decken, sondern auch die Erneuerung existierender Flotten vorantreiben zu können. Neue Technologien, vor allem im Antriebsbereich, verspre- chen zwar erhebliche Reduktionen im Kraftstoffverbrauch und in den Emissionen, jedoch werden langfristig trotz dieser Weiterent- wicklungen vollständig neue Ansätze notwendig, um die ambitio- nierten Ziele der Luftfahrt und ihre gesellschaftliche Akzeptanz zu erreichen. Letzteres gilt insbesondere für die Versachlichung der Diskussion über den Flugzeuglärm im Bereich von Flughäfen. Neue Ansätze im Bereich alternativer Kraftstoffe und Energien, aber auch bei der Integration des Flugzeuges in den Flughafen waren daher Schwerpunkte der Ausstellung des Bauhaus Luft- fahrt auf der Internationalen Luftfahrtausstellung (ILA) in Berlin. Ein Schlüsselelement war das Konzept des Ce-Liners, der in einer Konzeptstudie den Pfad für ein vollelektrisches Verkehrsflugzeug aufzeigt. Das hohe Interesse von Politik, Industrie, Medien und internationalen Experten zeigt, dass es dem Bauhaus Luftfahrt erfolgreich gelingt, Möglichkeiten einer langfristigen Entwicklung des Luftverkehrs aufzuzeigen. Auch organisatorisch war das Jahr 2012 sehr erfolgreich für das Bauhaus Luftfahrt. Der Freistaat Bayern hat sich durch die Ge- währung einer institutionellen Förderung ab dem Jahr 2013 für einen langfristigen Ausbau der interdisziplinären Forschungsein- richtung ausgesprochen. Für diese und weitere erfolgreiche Leistungen im Jahr 2012 und die Perspektiven für die Zukunft danke ich dem Team des Bau- haus Luftfahrt und der Leitung, Herrn Prof. Dr. Hornung und Frau Dr. Linseisen, im Namen des Beirats und persönlich ganz herzlich. Ihr / Your Dr. Detlef Müller-Wiesner Beiratsvorsitzender / Chairman of the Advisory Board Dear Sir or Madam, A look at the aviation sector reveals a high number of positive indi- cators for the future. Passenger numbers are constantly increasing and thus the need for new aircraft types. Apart from covering the increasing demand, we also need to be able to drive the renewal of existing fleets. New technologies, mainly in the field of propulsion systems, promise a substantial reduction of fuel consumption and emissions for future aircraft types. Despite those technological evolutions, novel approaches will be required to achieve the ambitious long- term goals of aviation and increase its acceptance by society. The latter aspect is gaining importance especially in the objectification of the airport noise discussion. Novel technological approaches in the area of alternative fuels and energies, as well as concepts of aircraft-airport integra- tion have been key elements of Bauhaus Luftfahrt's exhibition at the the ILA Berlin Airshow in 2012. One key element of the pres- entation was the concept of the Ce-Liner, showing a possible pathway for a fully electric transport aircraft. The great interest of politics, industrial representatives, media and international experts showed that Bauhaus Luftfahrt successfully provides valid ideas for the long-term development of aviation. The year 2012 was also very successful for the organisation itself. The Free State of Bavaria, through granting institutional funding for Bauhaus Luftfahrt from 2013 onwards, has established the basis for the long-term development of Bauhaus Luftfahrt. On behalf of the Advisory Board I would like to thank the team of Bauhaus Luftfahrt and the management, Professor Hor- nung and Dr Linseisen, for this and numerous other outstanding achievements in the year 2012 and for the perspectives they have opened up for the future. 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. Das Bauhaus Luftfahrt arbeitet unabhängig und im öffent- lichen Interesse. Innovative Ideen müssen dort nicht per se markt- orientiert reifen. Vielmehr gibt das Bauhaus Luftfahrt Antworten auf die Frage, welche Alternativen für die Anforderungen der Zu- kunft denkbar sind. Dabei bestehen für die Wissenschaftler des Kreativzentrums kaum gedankliche Tabus. Allerdings wird streng darauf geachtet, dass visionäre Konzepte und Strategien stets auch anwendungsorientiert und technisch machbar sind. Grund- lage zur Entwicklung tragfähiger Lösungen bilden somit immer die klassischen Disziplinen der Physik und der Ingenieurwissenschaft. Bauhaus Luftfahrt was created in November 2005 by the three aerospace companies EADS, Liebherr-Aerospace and MTU Aero Engines as well as the Bavarian Ministry for Economic Affairs, 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. Bauhaus Luftfahrt works independently and in the interest of the public. Here, innovative ideas do not need to be develo- ped to commercial maturity. Rather, Bauhaus Luftfahrt provides answers to the question of which alternatives could conceiva- bly 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, kann die Luftfahrt emissionsfrei operieren? Dies war die wesent- liche Fragestellung, mit der sich die unterschiedlichen Teams des Bauhaus Luftfahrt in einem Gruppendesignprojekt auseinanderge- setzt haben . Das Ergebnis ist die Konzeptstudie Ce-Liner . Dahinter verbirgt sich die Idee eines vollständig elektrisch betriebenen Ver- kehrsflugzeuges für den Betrieb nach 2035. Unter Einbindung der breiten Expertise des Bauhaus Luftfahrt wurde ein Flugzeugkonzept abgeleitet, das wesentliche Fragen von der Flugzeuggröße über notwendige Energiesysteme bis hin zum Betrieb adressieren soll . Der Ce-Liner war auch das zentrale Element des ersten eigen- ständigen Auftritts des Bauhaus Luftfahrt auf der Internationalen Luftfahrtausstellung in Berlin . Neben dem Ce-Liner wurden dort auch alternative Kraftstoffe, neue Systemtechnologien und Flug- hafenkonzepte sowie Fragestellungen der Kooperation in Entwick- lungsprojekten vorgestellt . Die Zusammenarbeit mit der IABG als neues Mitglied des Bau- haus Luftfahrt hat in 2012 neue Forschungsschwerpunkte aufgezeigt. Die thematische Weiterentwicklung wird zudem maßgeblich durch die Entscheidung des Freistaats Bayern unterstützt, das Bauhaus Luftfahrt künftig institutionell zu fördern und damit dauerhaft zu sichern. Die Erfolge des Jahres 2012 sind auf das Zusammenwirken vieler zurückzuführen. Daher gilt unser besonderer Dank den Bei- ratsmitgliedern des Bauhaus Luftfahrt für ihre nachhaltige Unter- stützung. Darüber hinaus möchten wir uns ganz herzlich bei unse- ren Mitarbeitern bedanken, die auch im Jahr 2012 unermüdlichen Einsatz und großartige Leistungen gezeigt haben . Dear Sir or Madam, will aviation be able to operate emission-free? In their first group design project, the various scientific teams of Bauhaus Luftfahrt comprehensively dealt with this very question, finally resulting in the so-called Ce-Liner . This concept study envisions the idea of a fully electric airliner that could be operating from the year 2035. Making extensive use of their broad scientific expertise, resear- chers at Bauhaus Luftfahrt derived an aircraft concept that finally addresses the essential questions from overall aircraft dimensions, its necessary energy systems up to operational aspects . The Ce-Liner also took the center stage in Bauhaus Luftfahrt's first standalone appearance at ILA Berlin Air Show. Besides Ce- Liner, research results ranging from alternative fuels, novel aircraft systems technologies and future airport concepts up to collabora- tion aspects in the development process have been presented . The cooperation with IABG as the most recent member of Bauhaus Luftfahrt highlighted many new focus areas for research in 2012. The advancement in key scientific fields is moreover fos- tered by the decision of the Free State of Bavaria to grant Bauhaus Luftfahrt institutional funding, thereby securing the institution's long-term development . The success in 2012 is closely linked to the cooperation of many . We would especially like to express our gratitude to the members of Bauhaus Luftfahrt's advisory council for their endur- ing support, and moreover to all our employees, who in 2012 have again demonstrated a strong commitment and a marvelous per- formance . Mit den Themen dieses Jahrbuchs möchten wir Sie dazu an- regen, über neue Ideen und Konzepte für die Luftfahrt mit uns in den Dialog zu treten. Allen Lesern wünschen wir im Namen des Bauhaus Luftfahrt viel Freude an unserem Jahrbuch 2012. We hope the topics of this yearbook encourage you to en- gage with us in an active dialogue on novel ideas and concepts . On behalf of Bauhaus Luftfahrt we wish all readers a good time with our yearbook 2012. Ihre / Your Prof . Dr . Mirko Hornung Vorstand Wissenschaft und Technik / Executive Director Research and Technology Dr . Anita Linseisen Vorstand Finanzen und Organisationsentwicklung / Executive Director Finance and Organisation 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

Zukünftigen Anforderungen gerecht werden: Ansätze mit Hebelwirkung Meeting future requirements: Solutions with leverage effect Sehr geehrte Damen und Herren, Dear Sir or Madam, die gesamte Transportbranche stellt sich der großen Herausfor- derung, in Zukunft effizienter, schneller und umweltfreundlicher zu operieren. Als Komponente eines zukünftigen Netzwerks aus nahtlos ineinandergreifenden Transportprozessen profitiert der Luftverkehr von seinen Stärken – Geschwindigkeit und Reich- weite – besonders auf der Mittel- und Langstrecke. Doch wie kann die europäische Luftfahrt der steigenden Nachfrage gerecht werden, wenn sich ein Ausbau der Infra- struktur geographisch wie politisch schwierig gestaltet und eingesetzte Flugzeugtypen sowie verfügbare Slots die Kapazität begrenzen? Eine Steigerung der Kapazität durch den Einsatz größerer Flugzeuge und die damit einhergehende Reduzierung der angebotenen Frequenz ist ein oft genannter Lösungsansatz. Solche Maßnahmen beeinträchtigen jedoch die Flexibilität der Passagiere und verringern damit die Attraktivität der Flugge- sellschaft. Eine weitere Möglichkeit, drohenden Engpässen zu begegnen, ist, Kurzstrecken auf bodengebundenen Transport zu verlagern. Hierfür wären jedoch erhebliche Investitionen in entsprechende Infrastruktur erforderlich. Zudem würde dieses Vorgehen den Einzugsbereich des Drehkreuzes Flughafen erhö- hen, wodurch eine zusätzliche Nachfrage generiert wird. Um Kapazitätsengpässe nachhaltig zu beseitigen, muss entlang der gesamten Transportkette nach Entwicklungs- möglichkeiten mit Hebelwirkung gesucht werden. Zukunfts- weisende Lösungen könnten beispielsweise in der land- und luftseitigen Prozessoptimierung, einer Verbesserung der Schnittstelle Flughafen-Flugzeug oder der Koordinierung ver- schiedener Transportmodi liegen. The entire transport chain is faced with the major challenge of operating in a more efficient, environmentally friendly and faster way in the future. As part of a future network of seam- lessly integrated transport processes, air transport is benefit- ing from its strengths – speed and range – especially on me- dium and long-haul routes. But how can the European aviation system meet the in- creasing demand if infrastructure expansion continues to be geographically and politically challenging, and if capacity is constrained by operated aircraft types and available airport slots? A frequently proposed solution addresses the opera- tion of larger aircraft and the resulting reduction of flight fre- quency. This approach has a negative impact on passenger flexibility, though, and hence an airline’s attractiveness. Another possibility to tackle imminent bottlenecks in the avia- tion system is the shift of short-distance flights to ground transport. This would, however, require high investments in the respective infrastructure. What's more, this approach would increase the airport’s catchment area, thus generating higher demand for air transport. In order to sustainably alleviate capacity bottlenecks, potential solutions and developments have to be evaluated along the entire transport chain. Future-oriented approaches could, for example, address landside and airside process op- timisation, the improvement of the interface between airport and aircraft, or the efficient coordination of different transport modes. Challenge the traditional dependencies and use the Stellen Sie traditionelle Abhängigkeiten in Frage und nut- resulting freedom to develop innovative solutions! zen Sie entstehende Freiheitsgrade für innovative Lösungen! Ihre / Your Mara Cole Kommissarische Leiterin Ökonomie und Verkehr / Acting Head of Economics and Transportation Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 19

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Szenarioprozess 2040: Luftverkehrswachstum, Energie und Umweltfragen Scenario process 2040: Air traffic growth, energy and the environment Das Spannungsfeld zwischen Klimawandel, Ressourcenknappheit und Wachstum ist einer der zentralen Treiber für die Luftfahrt der Zukunft. Sich hier optimal zu positionieren, stellt eine Herausfor- derung für die verschiedenen Interessengruppen im Luftverkehr dar. Ein in Kooperation von Bauhaus Luftfahrt, Airbus Operations GmbH (Cabin Innovation and Design) sowie dem Lehrstuhl für Luftfahrtsysteme der Technischen Universität München durchge- führter Szenarioprozess erlaubt es, verschiedene Zukunftspfade in diesem Bereich abzubilden und Implikationen für unterschiedliche Interessengruppen abzuleiten. Die systematische Analyse entscheidender Umfeldfaktoren und deren Interaktion zeigt ein Spektrum möglicher Ausprägungen auf, das von einem starken Anstieg der Passagierkilometer, von großer politischer Stabilität und einer starken Mittelklasse bis hin zu geringem Luftverkehrswachstum, politischen Instabilitäten und einer inhomogenen Einkommensverteilung reicht. So kann zum Beispiel ein starkes Wachstum erhöhte Anpassungen und Erwei- terungen im Hinblick auf die infrastrukturellen Gegebenheiten not- wendig machen. Der in allen Szenarien relevanten Ölabhängigkeit wird zum einen durch vermehrte Innovationen, zum anderen aber durch den Einsatz alternativer Kraftstoffe begegnet. Eine weitere Möglichkeit stellt die Entwicklung neuer Antriebssysteme dar, die eine Unabhängigkeit von fossilem Kerosin sicherstellen soll. Wach- sende und aufstrebende Märkte eröffnen zwar neue Handlungs- felder, verstärkte Restriktionen im Energiebereich machen aber auch neue Lösungsansätze erforderlich. The tradeoff between climate change, resource scarcity and growth is one of the main drivers shaping the future of aviation. The different stakeholders in the aviation system face the chal- lenge to position themselves in the best possible way. The sce- nario process conducted by Bauhaus Luftfahrt in cooperation with Airbus Operations GmbH (Cabin Innovation and Design) and Tech- nische Universität München (Institute of Aircraft Design) makes it possible to depict different paths of future development in this par- ticular area and to derive implications for different stakeholders. The systematic analysis of crucial drivers and how they in- teract illustrates an array of possible future developments ranging from a steep increase in passenger kilometres, a high level of po- litical stability and a strong middle class to low air traffic growth, political instabilities and inhomogeneous income distribution. Strong growth, for example, may necessitate adjustments and ex- pansion with regard to the existing air transport infrastructure. The dependency on oil, which is relevant in all scenarios, is addressed by different measures including an increased level of innovation and the deployment of alternative fuels. Another possibility is the development of new propulsion systems that help to ensure the independence from oil and fossil kerosene. Growing and emerging markets do open up new opportunities, intensified restrictions in the energy sector, on the other hand, require new and appropriate solutions. 20 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

Revenue passenger kilometres (RPK) Gross domestic product (GDP) Asia/Pacific North America Europe RPK (billions) 20,000 18,000 16,000 14,000 12,000 10,000 8 .000 6,000 4,000 2,000 0 1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation GDP (billion US$) 100,000 90,000 80,000 70,000 60,000 50,000 40,000 30,000 20,000 10,000 0 1 1 0 2 2 1 0 2 3 1 0 2 4 1 0 2 5 1 0 2 6 1 0 2 7 1 0 2 8 1 0 2 9 1 0 2 0 2 0 2 1 2 0 2 2 2 0 2 3 2 0 2 4 2 0 2 5 2 0 2 6 2 0 2 7 2 0 2 8 2 0 2 9 2 0 2 0 3 0 2 1 3 0 2 2 3 0 2 3 3 0 2 4 3 0 2 5 3 0 2 6 3 0 2 7 3 0 2 8 3 0 2 9 3 0 2 0 4 0 2 Gegenüberstellung der Entwicklung des Bruttosozialprodukts (Gross Domestic Product, GDP) und der geflogenen Passagierkilometer (Revenue Passenger Kilometres, RPK): Im Szenarioprozess beschäftigten sich die Kooperationspartner, darunter das Bauhaus Luftfahrt, beispielsweise mit den Auswirkungen des wirt- schaftlichen Wachstums auf den Luftverkehr in bestimmten Weltregionen. (Quelle RPK: Boeing Market Outlook 2012-2031, Quelle GDP: United States Statistics Division) Comparison of developments in gross domestic product (GDP) and revenue passenger kilometres (RPK): In the scenario process, the partners, including Bauhaus Luftfahrt, dealt with the impact of economic growth on the aviation sector in certain regions of the world, for example. (Source RPK: Boeing Market Outlook 2012-2031, source GDP: United States Statistics Division) Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 21

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Alternative Kraftstoffpfade: Vergleich langfristiger, ertragreicher Optionen Alternative fuel paths: Comparison of longterm highyield options Im Rahmen seiner Forschung zu ökologischen Perspektiven des Luftverkehrs führte das Bauhaus Luftfahrt 2012 eine vergleichen- de Bewertung dreier vielversprechender Kraftstoffpfade durch; der thermochemischen Konversion von Biomasse aus schnellwachsen- den Hölzern, der Hydroprozessierung von Mikroalgenöl und der so- lar-thermochemischen Konversion von Wasser und Kohlendioxid. Die Bewertung der alternativen Luftfahrtkraftstoffe erfolgte im Rahmen eines am Bauhaus Luftfahrt speziell für diesen Zweck entwickelten Systems, das die wichtigsten Vor- und Nachteile jeder Alternative in Bezug auf technologische Reife, Produktionspoten- zial und -kosten, Treibhausgasbilanz und den benötigten Einsatz von Süßwasser und Nährstoffen offenlegt. Alle drei betrachteten Alternativen zeigten sich dabei als vielversprechende Optionen für eine langfristige Implementierung. Als solche müssen sie die Konkurrenz zur Produktion von Nahrungs- und Futtermitteln ver- meiden und trotzdem hohe Erträge erzielen. Nur der Pfad ohne Umweg über Biomasse demonstrierte eine Kombination von akzeptablen Produktionskosten bei gleichzeitig geringem Süßwasserbedarf. Diese beiden Kriterien entschieden die Gesamtbewertung zu Gunsten der solar-thermochemischen Herstellung, trotz ihrer relativ geringen technologischen Reife. Au- ßerdem ist sie nicht durch die niedrige Effizienz der zum Aufbau von Biomasse notwendigen Photosynthese limitiert. Dieser Vorteil, ihr geringer Reifegrad und die insgesamt höchste Gesamtbewer- tung sprechen deutlich für eine weiterhin hohe Priorität der For- schung an „solaren“ Kraftstoffen im Bauhaus Luftfahrt. As part of its ongoing research on the ecological perspectives of aviation, Bauhaus Luftfahrt in 2012 conducted a detailed compara- tive assessment of three promising production pathways for re- newable aviation fuels; the thermochemical conversion of woody biomass from fast-growing trees or shrubs, hydroprocessed micro- algal oil and the solar-thermochemical conversion of water and carbon dioxide. The assessment framework applied has been specifically designed at Bauhaus Luftfahrt for the comparison of alternative aviation fuels and reveals the major advantages and drawbacks of each assessed alternative with respect to technology readiness, production potential and costs, greenhouse gas balance and re- quired input of water and nutrients. Therein, each of the three selected pathways represents a viable long-term implementation option. As such, they need to avoid competition with food or feed production yet yield high returns. Only the non-biogenic pathway without biomass-production demonstrated a combination of acceptable production cost with low fresh water requirements, two criteria that are decisive for the overall ranking of the pathways and outweighing the main draw- back of relatively low technological maturity. In addition, the solar- thermochemical pathway is not limited by the comparably low efficiency of photosynthesis used for the cultivation of biomass. This advantage together with the low technical maturity and the highest overall score in the assessment underlines a clear priority for further research on such “solar” fuel technologies at Bauhaus Luftfahrt. Woody crops Microalgae Solar fuels Solar fuels: low technological maturity Algae: high production costs High diversity in water consumption 10 10 10 9,9 10 10 8,8 8 7 7 2 6,1 7,2 5,7 5,1 6,8 2,2 Fuel readiness level Production potential 0 Production costs Greenhouse gas emissions Fresh water consumption Nutrient requirements 10 8 6 4 2 0 22 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. Bewertung der vom Bauhaus Luftfahrt betrachte ten Produktionspfade nach einzelnen Kriterien: Die Produktion aus Mikroalgenöl ist durch hohe Produkti- onskosten benachteiligt; der solar-thermochemische Pfad zeichnet sich aufgrund der Unabhängigkeit von biogenen Rohstoffen durch einen geringen Verbrauch von Süßwasser aus. Assessment of production pathways selected by Bauhaus Luftfahrt with respect to specific criteria: The main drawback of the production from microalgal oil lies in its high production costs, while the solar- thermochemical pathway combines this advantage with the benefits of low fresh water requirements.

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Qualitätssicherung und Nach haltigkeit von Biokraftstoffen für die Luftfahrt (QuaNaBioL) Securing the quality and sustainability of biofuels for aviation (QuaNaBioL) Die Produktion alternativer Kraftstoffe für die Luftfahrt stellt Her- ausforderungen an die Qualitätssicherung des Endprodukts sowie die Einhaltung von Nachhaltigkeitskriterien. Zum einen werden für die Herstellung der Kraftstoffe verschiedenste Rohstoffe und Kon- versionsprozesse verwendet. Zum anderen erfolgt die Produktion nicht ausschließlich durch die stark zentralisierte Petroleumindu- strie, sondern auch durch eine Vielzahl kleiner und mittelgroßer Anbieter, die jeweils unterschiedliche Verfahren verwenden. Im Forschungsprojekt QuaNaBioL arbeitet das Bauhaus Luft- fahrt gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicher- heits- und Energietechnik UMSICHT, der Technischen Universität Berlin (Fachgebiet Flugführung und Luftverkehr) und der Lufthan- sa an den erforderlichen Rahmenbedingungen für die Sicherung von Qualität und Nachhaltigkeit alternativer Kraftstoffe in der Luftfahrt. Aus der Analyse der Wertschöpfungs- und Prozesskette sowie geeigneter Nachhaltigkeitskriterien werden mögliche Zielkonflikte einer nachhaltigen Biokraftstoffproduktion identifiziert. Diese kön- nen einen einzelnen Produzenten zum Beispiel in Bezug auf die Ein- haltung von Nachhaltigkeitsstandards betreffen oder auch zwischen zwei oder mehreren Akteuren entlang der Logistikkette auftreten, zum Beispiel zwischen einem Biomasseproduzenten und dem Ab- nehmer des Biokraftstoffes. In QuaNaBioL soll noch bis Ende 2013 ein Anreizsystem entwickelt werden, das die Einhaltung verbindli- cher Nachhaltigkeitskriterien sowie die Gewährleistung bestimmter Qualitätsmerkmale des Endprodukts fördert. The production process of alternative fuels entails challenges regarding the compliance of the final product with quality standards and sustainability criteria. On the one hand, the specific production of these fuels integrates different types of feedstock and conversion processes. On the other hand, the production is not only provided by the centrally operated petroleum industry but also by many small and medium-sized suppliers which each employ distinct procedures. As part of the research project QuaNaBioL Bauhaus Luft- fahrt, Fraunhofer Institute for Environmental, Safety, and Energy Technology (UMSICHT), the Technical University Berlin (Flight Guidance and Air Transportation) and Lufthansa aim to develop requirements to ensure the compliance of alternative fuels for aviation with quality and sustainability standards. The analysis of the entire value and process chain as well as appropriate sustainability criteria can reveal conflicting goals in terms of the sustainable production of biofuels. These conflicting objectives can affect a single producer when it comes to adhering to sustainability standards. Conflicts can also emerge between two or more stakeholders along the value chain, for example, between a feedstock producer and the end customer. Until the end of 2013 the partners develop an incentive system within QuaNaBioL. The intention of this particular approach is to foster the compliance with compulsory sustainability criteria and guarantee a certain level of quality of the final product. 24 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Inputs and outputs of a sustainable value chain Inputs Co-production Positive effects on agriculture and soil Negative externalities on the environment Social effects Fossil and other energy sources Agro-chemical production (fertilisers, pesticides, etc .) Agro-chemical transport CO² sequestration in crops and soil Water (irrigation) More efficient and cleaner farming Better soil management Animal feed, glycerine, . . . Electricity Transport Transport Transport Transport Land conversion Cultivation of energy crops Harvesting First gathering point Warehouse Producer Supplier End user Greenhouse gas emissions Deforestation Soil erosion Eutrophication Groundwater depletion Biodiversity loss Soil acidification Human and ecological toxicity Evapotranspiration Industrial scale plant for algae cultivation Land use of land which is unsuitable for agriculture Improved access to basic services and livelihoods Average wages Exclusion of small producers from access to land Food source and water competition Große Herausforderung: Entlang der Wertschöp- fungskette von Bio-Flugkraftstoffen entstehen zahlrei- che In- und Outputs, die auf die Qualität des Endpro- duktes Einfluss nehmen oder sogar ein Risiko für die Einhaltung von Nachhaltigkeitsstandards darstellen können. Anhand einer Matrix können die In- und Out- puts den Nachhaltigkeitskriterien gegenübergestellt und adäquate Anreize zur Einhaltung dieser abgelei- tet werden. (Quelle: Basierend auf Soolgaard A., L. Rucevska, M. Otto, P. Leagnavar (2011) Biofuel Vital Graphics · Powering a Green Economy, UNEP) A big challenge: Numerous inputs and outputs arise along the value creation chain of aviation biofuels that could possibly influence the product quality or even pose a fundamental risk to its compliance with sus- tainability standards. A matrix can be used to bring in- and outputs face to face with sustainability criteria in order to derive suitable incentives for complying with the sustainability principles. (Source: Based on Soolg- aard A., L. Rucevska, M. Otto, P. Leagnavar (2011) Bio- fuel Vital Graphics · Powering a Green Economy, UNEP) Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 25

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Abschätzung des globalen Bioenergiepotenzials: Erste Ergebnisse Assessment of the global bioenergy potential: First results Der neuartige Ansatz des Bauhaus Luftfahrt zur Bestimmung des technischen Biomassepotenzials auf Basis von georeferenzierten Daten und unter Berücksichtigung von Nachhaltigkeitskriterien hat 2012 erste Ergebnisse hervorgebracht. Ausgehend von der Gesamtfläche jedes Landes schließt das Verfahren zunächst alle Oberflächen aus, die für eine landwirt- schaftliche Nutzung nicht geeignet oder nicht zugänglich sind. Es verbleibt die potenziell verfügbare landwirtschaftliche Nettoflä- che. Unter Bezugnahme auf drei Ernährungsmodelle wird diese dann um den Flächenbedarf für eine angemessene Herstellung von Nahrungsmitteln reduziert. Eine erste Analyse zeigt, dass welt- weit 1,36 Milliarden Hektar zur Kultivierung von Biomasse für die Kraftstoffproduktion verwendet werden könnten. Würde diese Fläche, rein theoretisch, ausschließlich dem Anbau von Hölzern (Eukalyptus, Pappeln oder Weiden) mit einem mittleren Jahresertrag von 8,4 Tonnen pro Hektar dienen, so er- gäbe sich ein jährliches Produktionspotenzial von 11,4 Milliarden Tonnen. Durch die Umwandlung des Holzes in synthetisches Kero- sin (SPK) könnten weltweit etwa 1.970 Millionen Tonnen an SPK im Jahr produziert werden – das etwa Achtfache des derzeitigen globalen Kerosinbedarfs von 243 Millionen Tonnen pro Jahr. Da diese Abschätzung nur einen ersten Eindruck über das Potenzial von Biokerosin geben kann, wird das Bauhaus Luftfahrt seine Forschung in diesem Bereich fortführen, um detailliertere Daten über nationale und regionale Potenziale, die Perspektive für 2050 sowie für eine größere Auswahl an Energiepflanzen und Um- wandlungsprozessen zu gewinnen. In 2012, Bauhaus Luftfahrt`s novel approach to estimate the tech- nical potential for bioenergy based on spatially explicit data and considering sustainability criteria has yielded its first results. Starting from the total area of each country, the procedu- re excludes all surfaces not suitable or not accessible in order to calculate the remaining net area available for agriculture. Subse- quently, the land area required for sufficient food supply is taken into account referring to three distinct food consumption patterns. This yields an estimate of the surplus of agricultural land potenti- ally available for energy crop cultivation. A first global analysis in- dicates that 1.36 billion hectares of land could be used to cultivate biomass for fuel production. Making the strictly theoretical assumption that the surplus agricultural land is exclusively cultivated with woody biomass (eu- calyptus, poplar or willow) with an average annual yield of 8.4 ton- nes per hectar, this would result in an annual production potential of 11.4 billion tonnes of biomass. The Fischer-Tropsch conversion of this woody biomass into synthetic kerosene would result in an an- nual total of 1,970 million tonnes, roughly eight times the current global demand of 243 million tonnes of jet fuels per year. While this estimate gives a first impression of the technical potential for bio-derived jet fuel, Bauhaus Luftfahrt will continue its research efforts, aiming for more detailed results in terms of na- tional and regional bioenergy potentials, their perspective for 2050 and a broader range of energy crops and conversion processes. 26 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Total area of Germany: 357,100 km2 Exclusion of: Inland water bodies Water bodies that are not suitable for agriculture Forest areas Woods need to be protected, hence they are not accessible for agriculture Constrained habitats Areas not suitable for agriculture such as high-altitude mountain ranges Conservation zones Areas with protected biodiversity, not accessible for agriculture Settlement areas Dominated by human-constructed objects, not accessible for agriculture Net area for agriculture: (Different area categories may overlap) 8,430 km2 110,760 km2 4,291 km2 13,553 km2 24,504 km2 204,780 km2 Die Kalkulation der Nettoflächen für die Landwirt schaft auf Basis hochauflösender Satellitendaten am Beispiel der Bundesrepublik Deutschland: Die farblich markierten Bereiche sind ungeeignet oder nicht zugänglich für die Landwirtschaft und werden von den 357.100 Quadratkilometern der Gesamtfläche Deutschlands abgezogen, nur die übrig bleibenden Flächen (weiß) stehen für den landwirtschaftlichen Anbau zur Verfügung. Von diesen 204.780 Quadrat- kilometern ziehen die Forscher des Bauhaus Luftfahrt anschließend unter Zuhilfenahme eines Ernährungs- modells den Flächenbedarf für eine angemessene Nahrungsmittelherstellung ab. Nur die übrige, nicht für die Nahrungsproduktion benötigte landwirtschaft- liche Fläche stünde für einen nachhaltigen Anbau von Rohstoffen für die Kraftstoffproduktion zur Verfügung. The calculation of net areas for agriculture, based on highresolution satellite imagery, by way of example illustrated for the Federal Republic of Germany: The coloured areas are not suitable or not accessible for agriculture and hence are subtracted from Germany's overall land area of 357,000 square kilometres. Only the remaining area (white) is availab- le for agriculture. Of these 204,780 square kilometres, researchers at Bauhaus Luftfahrt further subtract the land area that is required for sufficient food supply, referring to a distinct food consumption pattern. Only the remaining land area not required for food produc- tion would be available for a sustainable cultivation of feedstocks for biofuels. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 27

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Elektrische Energiespeicher und wandler: Skalierungsverhalten hybrider Antriebssysteme Electric energy storage and conversion: Hybrid power system scaling Mit Hilfe voll- oder hybridelektrischer Antriebssysteme werden umfangreiche Ressourcen an erneuerbarer Primärenergie nutzbar und gleichzeitig lassen sich die Emissionen erheblich verringern. Innovationspotenziale auf System- und Subsystem-Ebene elektri- scher Komponenten treffsicher auszumachen ist eine Herausfor- derung, der das Bauhaus Luftfahrt in der Zukunftstechnologieana- lyse begegnet. Ein „schwerer“ Energiespeicher wie eine Batterie schneidet zum Beispiel beim Verhältnis „Leistung zu Masse“ besser ab als ein System aus „leichtem“ Tank und einer hocheffizienten, aber pro Gewicht weniger leistungsfähigen Brennstoffzelle. Kombiniert man beide zu einem Hybridsystem, können sich Vorteile für be- stimmte Missionsprofile ergeben. Das Systemverhalten wird allgemeingültig am besten durch dimensionslose Parameter beschrieben, das heißt, die Metriken des Systems werden auf einen geeigneten Bezugspunkt hin ska- liert. So kann in einer ersten Näherung zum Beispiel die erforder- liche Spitzenleistung in Beziehung zur Leistung im Reiseflug ge- setzt werden. Deren Quotient hat dann keine physikalische Einheit mehr. Erkenntnisse aus dem dimensionslosen Modell können dann auf alle Fälle mit ähnlichem Skalierungsverhalten übertragen wer- den. Als Ergebnis erhält man charakteristische Schwellenwerte für Zeitskalen und Leistungsverhältnisse, für die ein Gewichtsvorteil hybridelektrischer Architekturen gegenüber den Einzelsystemen zu erwarten ist. Für das Bauhaus Luftfahrt stellt diese Analyse zukünftige Innovationspotenziale und Schlüsselanforderungen an Energiespeicher und -wandler in Hybridsystemen klar heraus. Fully electric or hybrid-electric motive power systems have the potential to tap into a vast resource of renewable primary energy in combination with a significant reduction of emissions. The un- erring identification of innovation potentials, enabled by electri- cal systems and subsystems, is a challenge that is fundamentally addressed by Bauhaus Luftfahrt in the future technology analysis of power systems. For example, the combination of a battery as a “heavy” elec- trical energy carrier with a superior power-to-mass ratio and a fuel cell subsystem consisting of a “light” fuel reservoir with a highly efficient fuel cell but with lower power-to-mass ratio may result in a system benefit within certain mission envelopes. The general behaviour of the system is best modelled with metrics scaled to a useful benchmark value such that the spe- cific metric has no physical units or dimensions. For example, in a first approximation, the peak power demand can be scaled to the cruise power demand which renders the power ratio, a value without units. The fully dimensionless model and its results then apply to all real cases that share this scaling similarity. As a consequence, a characteristic break-even timescale and peak-to-cruise power ratio is derived for which a mass benefit can be expected for hybrid electrical architectures as compared to a single-module system. This analysis provides Bauhaus Luftfahrt with the necessary insights into future innovation potentials for hybrid systems and the key requirements for their energy storage and conversion technologies. 28 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation t e m s y s l c e l F u e l 1 i d s y s t e m H y b r crit μ o i t a r s s a M 2 1 0 1 Power ratio ψ 0.5 0.5 i o r a t T i m e 0 Darstellung der Leistungsanforderungen von Brennstoffzellen und Hybridsystem während einer Flugmission: Aus der hellblauen Schnittlinie zwischen beiden crit. Das Hybridsystem zeigt einen Gewichtsvorteil, solange die hohe Leistungsanforderung relativ kurz ist Flächen ergibt sich der charakteristische Schwellenwert im Vergleich zur gesamten Missionszeit ( crit). In der Grafik wird dieser Zustand dort sichtbar, wo die schräge Fläche des Hybridsystems die Referenzebene des Brennstoffzellensystems (transparente Fläche) unterschreitet. < Depiction of the varying power demand of a fuel cell and a hybrid system during a flight mission: The bright blue line at the intersection of the two surfaces crit. The hybrid system shows a weight benefit for relatively short peak power demand relative to the total mission resembles a characteristic break-even threshold time ( crit). This condition is noticable where the inclined surface depicting the hybrid system reaches below the reference plane (transparent area) representing the fuel cell system. < Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 29

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Materialkarten: Zukunftssichere Maßstäbe für Leichtbauwerkstoffe Material maps: Futureproof benchmarks for lightweight design materials Im Flugzeug der Zukunft werden an die verwendeten Materialien stetig wachsende Anforderungen gestellt. So müssen neue Werk- stoffe immer leichter und fester sein und möglichst mehrere Funk- tionen auf einmal erfüllen. Die Breite und Komplexität der dafür zur Verfügung stehenden Technologien nimmt ständig zu. For- schungsaktivitäten im Bereich der Nanotechnologie, aber auch bioinspirierte Materialien wie beispielsweise künstliche Spinnen- seide, erweitern den Katalog an Werkstoffen, die für verschiedene Anwendungen zukünftig in Frage kommen. Um das Zukunftspotenzial und den Stand der Technik neuer Materien anschaulich zu beurteilen, nutzt das Bauhaus Luftfahrt sogenannte Materialkarten. Dazu werden die charakteristischen Werkstoffeigenschaften ermittelt und in einer aussagefähigen Metrik gegeneinander aufgetragen. Im Leichtbau sind beispielsweise kombinierte Kenngrößen aus Elastizitätsmodul und Dichte von besonderer Bedeutung. Die notwendige Wandstärke eines Bauteils und die Knickstabilität können beispielsweise aus solchen spezifischen Werten abgeleitet werden. In der Materialkarte zeigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf- grund des sehr hohen theoretischen Potenzials die Leitplanken für bestehende Materialien und deren Herstellungsverfahren. Eine umfassende Zukunftstechnologie-Analyse neuer Materi- alien wird im Bauhaus Luftfahrt zudem durch zusätzliche komplexere Maßstäbe, wie zum Beispiel Herstellungskosten oder funktionale Gütezahlen, ergänzt. In the aircraft of the future consistently rising demands are made on the used materials. New materials therefore need to be more lightweight, harder and generally more multifunctional. The broad- ness and complexity of technologies available for these purposes is also increasing. Research activities in the area of nanotechnol- ogy, but also bio-inspired materials like artificial spider silk are en- larging the catalogue of materials which come into consideration for future applications. In order to assess the future potential and the state of the art of new material technologies graphically, Bauhaus Luftfahrt uses so-called material maps. Therein, the characteristic material pa- rameters are collected and plotted in a meaningful metric. In lightweight design, combined parameters of Young’s mod- ulus and density are of special importance. The wall thickness of a device and the buckling stability can be deduced from such spe- cific values, for example. In the material map, carbon nanotubes represent the benchmark for existing materials and their produc- tion processes due to their high theoretical potential. At Bauhaus Luftfahrt, the extensive future technology analy- sis of new materials is further enhanced by additional complex metrics such as production costs or functional figures of merit. 30 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

R C C N O C N H O R C O C N H O C N R C C N O C N H O H C C C N O C N H R C C N O C N H R H C C C N O C N H R H C C C N H R C N C O H C R R O H C N C O H C R R O H C R R O 1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation R C O C N H H C R O R C Ausschnitt aus einem Spinnenseidenprotein mit einer faltblattähnlichen Sekundärstruktur: Dieses Strukturmotiv tritt in Spinnenseide wiederholt als struktur- verstärkendes Element auf und verhilft dem Material zu einer enorm hohen Reißfestigkeit in Relation zum Gewicht. R = H Glycin (Gly oder G) R = CH Alanin (Ala oder A) Detail of a spider silk protein depicting its folding secondary structure: This configuration occurs repeatedly in spider silk as a reinforcing element and is respon- sible for the material's unusually high tensile strength in relation to its weight. ) ³ m c / g / a P M 1,000,000 ( ρ σ / 100,000 10,000 1,000 spider silk nanotubes aluminium 2024 kevlar diamond carbon fibers 100 polymer resins wood // grain + alumina (Al²O³) steel 10 1 1 titanium wood grain ┴ 10 100 1,000 10,000 E/ρ (GPa/g/cm³) Materialkarte aus dem Bauhaus Luftfahrt: Carbon-Nanoröhren gelten als Maßstab in der Auftragung von spezifischer Festigkeit (σ / ρ) gegen den spezifischen Elastizitätsmodul (E/ρ), die sehr aussagekräftig ist für die Eignung neuer Materialien im Leichtbau von Flugzeugteilen. Material map developed at Bauhaus Luftfahrt: Carbon nanotubes show the benchmark for the specific strength (σ / ρ) versus specific modulus (E / ρ) plot, a valuable metric with regard to the suitability of novel materials for lightweight aircraft structures. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 31

Visionäre Flugzeugkonzepte: Innovative Lösungen für ambitionierte Ziele Visionary Aircraft Concepts: Innovative solutions for ambitious goals Sehr geehrte Damen und Herren, Dear Sir or Madam, the year 2012 provided many opportunities to reflect, con- solidate and apply renewed focus concerning research into advanced engineering solutions. Taking cues from industry and utilising the ACARE Strategic Research & Innovation Agenda (SRIA) as a guide, categories of Airframe, Propulsion and Power, and, Airline Operations were examined. One example is that of distributed propulsion, an ap- proach that tightly couples propulsion and airframe with a potential to realise significant vehicle efficiency gains. The most effective manner in bringing such concepts to fruition is by performing systems optimisation at a multi-disciplinary level. Integrating such a system solution into an operational concept requires expertise well beyond the multidiscipli- nary design and optimisation of a technical system. For in- stance, an in-flight, zero-emission concept not only requires aero-propulsion-systems-airframe coupling, but also, for the electrification strategies towards technical feasibility, related to components and sub-systems, need to be generated. This performance outcome then needs to be gauged against a set of requirements that address economics, operability, dispatch- ability and airline / passenger appeal. Within the overarching search for novel system solu- tions a variety of other research topics also were covered in 2012: cabin and ground servicing; gas-turbines and hybrid propulsion; adaptive structures; and, life-cycle cost prediction methods. The yearbook provides a good overview of possible approaches in delivering Flightpath 2050 and SRIA goals. auch im Jahr 2012 wurden viele Ansätze zu fortschrittlichen technischen Lösungen präsentiert. Unter der Berücksichtigung sowohl der von der Industrie gesetzten Ziele als auch der ACARE Strategic Research & Innovation Agenda (SRIA) konzentrierten sich diesmal viele Forschungen auf die Bereiche Flugzeugzelle, Systeme und Antriebe und schlossen sowohl Energiesysteme als auch Einflüsse auf den Betriebsablauf mit ein. Ein Beispiel sind sogenannte „verteilte“ Antriebe. Dieser Ansatz führt zu einer direkten Integration der Vortriebserzeu- gung in die Flugzeugzelle, die mit einer signifikanten Effizienz- steigerung einhergeht. Derartige Verbesserungen lassen sich nur durch Systemoptimierungen auf multi-disziplinärer Ebene realisieren. Die Integration dieser Systemlösung auf Gesamt- flugzeugebene erfordert ein ganzheitliches Wissen, welches weit über den bekannten multidisziplinären Optimierungsansatz hinausgeht. Zum Beispiel erfordert ein elektrisch angetriebe- nes, emissionsfreies Flugzeug nicht nur die Kopplung von Ae- rodynamik, Antrieben, Systemen und Zelle, sondern auch eine Strategie für die Elektrifizierung einzelner Komponenten und Subsysteme. Solche Integrationsstudien müssen wiederum in Bezug auf eine Vielzahl von Anforderungen seitens der Ökono- mie, des Flugbetriebs, der Zuverlässigkeit und der Akzeptanz bei Fluggesellschaften und Passagieren bewertet werden. Im Bereich neuer Systeme wurden 2012 zudem viele wei- tere Themenfelder bearbeitet: Flugzeugkabine und Bodenabfer- tigung, neuartige Gasturbinen und hybride Antriebe, adaptive Strukturen sowie Methoden zur Abschätzung der Lebenszyk- luskosten. Das Jahrbuch vermittelt einen guten Überblick über diese vielversprechenden Ansätze zur Erfüllung der Ziele von Flightpath 2050 und der ACARE SRIA. Ihr / Your Dr. Askin T. Isikveren Leiter Visionäre Flugzeugkonzepte / Head of Visionary Aircraft Concepts Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 35

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Der CeLiner: Vom interdisziplinären GruppenDesignprojekt zur Konzeptstudie eines potenziell emissionsfreien Airliners The CeLiner: From an interdisciplinary group design project to the concept study for a potentially emissionfree airliner Im seinem Jahrbuch 2011 hat das Bauhaus Luftfahrt bereits um- fassend das Gruppen-Designprojekt Concept 002 behandelt, an dessen interdisziplinärer Entwicklung erstmals alle vier For- scherteams der Institution beteiligt waren. Im Laufe des Jahres 2012 wurde das Projekt konsequent zu einer detaillierten Kon- zeptstudie für ein potenziell emissionsfreies Fluggerät weiterent- wickelt: den Ce-Liner, der im September 2012 auf der Internatio- nalen Luft- und Raumfahrtausstellung (ILA) in Berlin erstmals der Öffentlichkeit vorgestellt wurde. Im Ce-Liner setzte das Bauhaus Luftfahrt die in Concept 002 ermittelten Technologien und Anforderungen des Jahres 2035 in ein kompaktes Großraumflugzeug um, das von zwei elektrischen Triebwerken am Heck angetrieben wird. Ein weiteres auffälliges Merkmal des Ce-Liners ist der markante C-Flügel (siehe Seite 42). Dieser erlaubt eine hohe aerodynamische Effizienz, die zur teil- weisen Kompensation der höheren Masse des Flugzeugs, bedingt durch die Batterien, benötigt wird. Diese Konfiguration ermöglicht dem Ce-Liner die in Concept 002 geforderte Reichweite von 900 nautischen Meilen (1.667 Ki- lometer) und eine Reisefluggeschwindigkeit von Mach 0,75 (808 Kilometer pro Stunde) in einer Flughöhe von 33.000 Fuß (zehn Ki- lometer). Die notwendige Crew besteht aus zwei Piloten und fünf Besatzungsmitgliedern in der Kabine. Diese wurde in der Basisva- riante in einer Ein-Klassen-Bestuhlung mit Platz für 189 Passagiere ausgelegt, wobei das Familienkonzept des Ce-Liners sowohl eine verlängerte Version für bis zu 233 Passagiere als auch eine verkürz- te Variante für 140 Passagiere vorsieht. Die größte Neuerung des Ce-Liners im Vergleich zu heutigen Verkehrsflugzeugen liegt in seinem elektrischen Antrieb, mit dem die in Concept 002 zugrunde gelegten Emissionsziele von Flight- path 2050 sogar übertroffen werden könnten. Zwei ummantelte Fans werden durch Hochtemperatur-supraleitende Elektromotoren angetrieben, deren Energie allein aus fortschrittlichen Lithium- Ionen-Batterien stammt und mittels einer sogenannten universell- elektrischen Systemarchitektur (UESA, siehe Seite 46) verteilt wird. Die notwendige Energiedichte der Batterien wurde in Concept 002 mit 2.000 Wattstunden pro Kilogramm angenommen, was > In its 2011 yearbook, Bauhaus Luftfahrt has already outlined the comprehensive contributions of all four research groups to the development of a first interdisciplinary group design project, then internally designated as Concept 002. Over the course of 2012, this project consequently evolved in a detailed concept study towards a possible zero-emission aircraft solution. It was given the name Ce-Liner when it was publicly presented for the first time during ILA Berlin Air Show in September 2012. In the Ce-Liner concept, Bauhaus Luftfahrt implemented both the requirements and the technologies identified in Con- cept 002 for the year 2035 into a wide-body aircraft propelled by two electric engines mounted on the rear fuselage. Another eye- catching feature of the Ce-Liner is its prominent C-wing design (see page 42) that ensures high aerodynamic efficiency, one of the key requirements to partly compensate for the significantly higher weight of an all battery-powered electric aircraft. The proposed configuration allows the Ce-Liner to meet the performance requirements defined in Concept 002: a range of 900 nautical miles (1,667 kilometres), a cruising altitude of 33,000 feet (ten kilometres) and a cruise speed of Mach 0.75 (808 kilometres per hour). The required onboard personnel would consist of two pilots and five cabin crew for the standard version seating 189 passengers in an all-economy class layout. Moreover, a stretched version for up to 233 passengers and a shortened version for 140 passengers have also been considered by Bauhaus Luftfahrt. The most significant novelty of the Ce-Liner lies in its all-elec- tric propulsion system which enables the concept to potentially exceed even the ambitious emission targets of Flightpath 2050 considered to be the main requirements behind Concept 002. Its two ducted fans are driven by high-temperature superconducting electric motors fed through a universally electric systems architec- ture (UESA, see page 46) with energy from advanced lithium-ion batteries. The required energy density for the latter was estimated with 2,000 Watt-hours per kilogram, roughly eight to ten times as much as state-of-the-art batteries achieve today. A number of bat- tery modules would be installed in specially adapted LD3 cargo containers, the so-called Charge Carrying Containers (3C). > 36 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Self-trimming, non-planar C-wing » Designed according to limited ground space requirements (ICAO Annex 14 Code C) Continuous window belts » Transparent and stressed structures » Novel experience for passengers » Reduced formation of wake vortices » High lift-to-drag ratio » Innovative flight controls and logic » No horizontal tail required Electric propulsion system » High-temperature superconducting (HTS) electric motors » Integrated cryocooler » Reversible rotation for thrust reverse » Silent Advanced Ducted Fans (SAFE) » Translating nozzle plug Power electronics and supply » Direct current (DC) power supply systems » Alternate current (AC) engine controllers » Solid State Power Controller (SSPC) » Converter 3000V-540V DC (subsystems) » Direct current (DC) actuator controllers Actuation systems » Electric mechanical actuators » Redundancy according to ETOPS requirements Charge Carrying Containers (3Cs) » Specially modified containers, dimensions and handling like conventional LD3 cargo containers » Advanced lithium-ion battery technology » Capacity: 2000 Wh / kg » Replaced, not recharged during turnaround Cabin layout » Widebody cabin in twin-aisle configuration » Seven-abreast seating (2-3-2) » Sideward folding seats for boarding flexibility and increased passenger comfort » Centre door for rapid boarding / deboarding Technische Höhepunkte des CeLinerKonzepts: Die Wissenschaftler des Bauhaus Luftfahrt haben ihr Augenmerk nicht allein auf die universell-elektrische Systemarchitektur und die aerodynamisch optimierte Flugzeugzelle gelegt, sondern ganz bewusst auch Ideen zur Verbesserung des Flugerlebnisses für die Passagiere einfließen lassen. Letztere profitieren unter anderem von großflächigen Fenstern und einem innovativen Sitzkonzept. Technical highlights of the CeLiner concept: Researchers at Bauhaus Luftfahrt not only placed emphasis on the universally-electric systems architecture and an aerodynamically optimised airframe, they also kept an eye on the passengers' experience that benefits from large-scale windows and an innovative seating concept. 38 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions dem Acht- bis Zehnfachen heutiger Batterietechnik entspricht. Die einzelnen Module der Batterien würden in speziell angepasste LD3-Frachtcontainer, die sogenannten Charge Carrying Containers (3C), integriert. Die Flugsteuerung des Ce-Liners beinhaltet ein fortschritt- liches Fly-by-Wire-System zur Einhaltung der zulässigen Flugbe- reichsgrenzen. Dazu trägt auch der neuartige, selbst trimmende Flügel bei, der sich im Vergleich zu heutigen Flugzeugen stärker aktiv verformen und somit optimal an verschiedene Flugzustände anpassen kann, das sogenannte Morphing (siehe Seite 42). Um Bodenstandzeiten von weniger als 30 Minuten zu garan- tieren und gleichzeitig die großen Batterien unterzubringen, wurde für den Ce-Liner ein besonders breiter Rumpfquerschnitt gewählt. Dieser ermöglicht eine Passagierkabine mit zwei Gängen und die Unterbringung von sieben Sitzen in einer Reihe. Im Unterdeck fän- den jeweils zwei 3C- oder LD3-Container nebeneinander Platz. Zudem flossen die im Rahmen von Concept 002 ermittelten veränderten Passagieranforderungen im Jahr 2035 in die Ausle- gung der Kabine ein. Diese trägt somit nicht nur den steigenden Körpergrößen und Durchschnittsgewichten der Fluggäste Rech- nung, sie wartet auch mit einigen interessanten technischen Neuerungen auf. Mithilfe eines flexiblen Sitzkonzepts könnte der Ce-Liner zum einen den Boardingprozess hocheffizient gestalten (siehe Seite 74). Zum anderen bietet das Konzept der faltbaren Sit- ze bei einem geringen Sitzladefaktor auch ein enormes Potenzial in der Steigerung des Passagierkomforts, der den Passagieren zu- sammen mit der spektakulären Aussicht durch großflächige Fens- terbänder ein völlig neues Flugerlebnis vermitteln könnte. In seinem möglichen zukünftigen Marktumfeld müsste der Ce-Liner jedoch nicht nur attraktiv für die Fluggäste sein, sondern auch Luftfahrtbehörden zufriedenstellen und die kostensensitiven Fluggesellschaften von einer Investition überzeugen. Den größ- ten Anteil an den Betriebskosten haben auch beim Ce-Liner die Energiekosten, hier in Form von Elektrizität. Mit Hilfe von Studien über zukünftige Strompreise im Vergleich zu erdölbasierten > Flight control of the Ce-Liner would consist of an advanced fly-by-wire system with full flight envelope protection. Another im- portant aspect is its novel, self-trimming wing that unlike today's aircraft generation constantly adapts its shape to varying flight con- ditions utilising so-called morphing techniques (see page 42). To ensure the 30 minute turnaround time defined in Concept 002 and to provide enough storage for the large battery packs, the Ce-Liner was designed to have a comparably large fuselage cross-section. This allows for a cabin with seven-abreast seating in a twin-aisle configuration. The cargo deck below would offer enough room for two 3C or LD3 containers positioned side by side. The Ce-Liner’s cabin configuration was also strongly influ- enced by the passenger requirements determined in Concept 002. Thus, it is not only designed to account for the increased body dimensions and weight of travellers in 2035 and their baggage but it also features technical innovations. These can, on the one hand, be found in the flexible seat concept potentially speeding up the boarding process by temporarily providing additional aisle space (see page 74). On the other hand, the idea of sideward folding seats provides opportunity to increase passenger comfort in case the load factor is less than 100 percent. In combination with the spectacular view through the Ce-Liner’s panoramic window belts, this feature could offer passengers an entirely new flying experi- ence . However, in its potential future market, the Ce-Liner would not only have to win over passengers’ appeal, but it would also have to convince regulatory authorities and cost-sensitive deci- sion-makers in the airline business. With the Ce-Liner, too, the largest share on operating cost is represented by energy expenses, in this case electrical energy. Based on a comparison of future electricity prices to those of fossil-oil based fuels, researchers at Bauhaus Luftfahrt have estimated a cost-neutral operation of an electric airliner in comparison with an evolutionary development of today`s aircraft technology. Moreover, the Ce-Liner might benefit from an exclusion from environmental surcharges, which for > Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 39

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Kraftstoffen konnte das Bauhaus Luftfahrt abschätzen, dass ein kostenneutraler Betrieb für das Jahr 2035 im Vergleich zu einer evolutionären Weiterentwicklung heutiger Flugzeugtechnologien möglich wäre. Zusätzlich böte der Ce-Liner eventuell den Vorteil, dass für seinen emissionsfreien Betrieb keine zusätzlichen Um- weltgebühren anfallen würden, beispielsweise am Flughafen oder durch das Europäische Emissionshandelssystem. Mit der Präsentation der Ergebnisse des Gruppendesignpro- jektes fördert das Bauhaus Luftfahrt die öffentliche Diskussion um eine mögliche zukünftige Elektromobilität in der Luftfahrt und er- öffnet zahlreiche neue Möglichkeiten zur Zusammenarbeit mit der Industrie und der Forschung. Die überaus positive Resonanz aus Wissenschaft, Luftfahrtbranche, Presse und breiter Öffentlichkeit im Rahmen der öffentlichen Ausstellung des Ce-Liner-Konzepts auf der ILA bestärkt das Bauhaus Luftfahrt zudem, weitere interdiszipli- näre Entwurfsprojekte zur Luftfahrt der Zukunft zu erarbeiten und zu präsentieren. example could be levied at airports or by the European emissions trading scheme. With the dissemination of the group design project's results in industry, academia, media and general public, Bauhaus Luft- fahrt aims to actively drive the discussion of a possible future for electro-mobility in aviation and to open up new possibilities for cooperation. The overwhelmingly positive feedback received dur- ing the public exhibition of the Ce-Liner at ILA Berlin Air Show has strongly encouraged the researchers to proceed with the further development and presentation of novel interdisciplinary concepts for future air travel. Messestand von Bauhaus Luftfahrt auf der Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung (ILA): Der Ce-Liner wurde im September 2012 in Berlin erstmals öffentlich ausgestellt und stieß dort auf eine durchweg positive Resonanz. Exhibition booth of Bauhaus Luftfahrt at the ILA Berlin Air Show: The Ce-Liner concept was publicly presented for the first time in September 2012 and received overwhelmingly positive feedback. 40 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Untersuchung adaptiver Systeme selbstgetrimmter, nicht planarer Flügel Preliminary investigation of selftrimming, nonplanar wings using adaptive utilities Das Ce-Liner-Konzept des Bauhaus Luftfahrt fällt optisch vor allem durch seinen ungewöhnlichen C-Flügel auf, der die aerody- namische Effizienz des gesamten Flugzeugs für alle Flugphasen verbessert und optimiert. Der C-Flügel besitzt drei nicht planar an- geordnete Elemente, bestehend aus einem Seitenflügel und einem oberen Flügel, die an der Spitze des Hauptflügels montiert sind. Diese Konfiguration ermöglicht den Verzicht auf ein Höhenleit- werk und bietet damit eine Möglichkeit zur signifikanten Reduk- tion des Gesamtwiderstands und des Gewichts eines Flugzeugs. In der Konsequenz muss der C-Flügel eine ausreichende statische Längsstabilität und Steuerbarkeit ausschließlich durch seine in- novative nicht planare Flügelform garantieren. Inspiriert davon haben Forscher am Bauhaus Luftfahrt einen selbstgetrimmten Flügel entworfen. Weiter wurden adaptive Systeme in Form des sogenannten Morphings eingeführt, um die vorhandenen System- funktionalitäten zu verstärken und die Effizienz und Autorität für Stabilität und Steuerung zu verbessern. Im Grunde genommen besteht die Funktion des nicht plana- ren Flügels nicht nur in der Sicherstellung der statischen Längs- stabilität sondern auch in der Längstrimmung im Langsam- und Reiseflug. Weiter muss er eine ausreichende Steuerautorität beim Abheben und bei der Landung sowie beim Durchstarten mit maxi- malem Schub liefern. Seine Längs- und Rollachse sind gekoppelt, was bedeutet, dass der obere Flügel die Rollsteuerung über eine Kopplung mit den Querrudern und den äußeren Bremsklappen un- terstützt. Der obere Flügel ist als komplett bewegliche Fläche mit kontinuierlicher Hinterkantenklappe ausgeführt, ähnlich wie ein sogenannter Stabilator, bei dem das gesamte Höhenleitwerk als Steuerfläche dient. Diese Auslegung liefert aber zusätzlich zur Sta- bilator-Funktion noch vier zusätzliche Freiheitsgrade. Zwei dieser Freiheitsgrade ermöglichen eine aktive Änderung der Verwindung und der Wölbung und damit eine Möglichkeit zur Optimierung der aerodynamischen Effizienz für jede Flugbedingung durch Anpas- sung des lokalen Auftriebs am oberen Flügel. Einen weiteren Frei- heitsgrad liefert die Möglichkeit, den Hebelarm des oberen Flügels durch horizontale Translation zu ändern. Dies ermöglicht die > Bauhaus Luftfahrt's Ce-Liner concept features an unusual C-wing layout that aims at enhancing and optimising the aero- dynamic efficiency of the whole aircraft for all flight phases and modes of operation. The C-wing concept is a three-element, non-planar wing assembly comprising side wings and top wings mounted at the tip of the main wing. Such a tailless configuration can provide opportunities due to the absence of a conventional horizontal empennage to significantly reduce the overall drag and weight of the aircraft. As a consequence, the tailless aspect of this design implies that the whole wing system must be capable of guaranteeing satisfactory longitudinal stability and control relying only upon this innovative, compound, non-planar wing planform. Inspired by this challenge, researchers at Bauhaus Luftfahrt pro- posed the notion of procuring a self-trimming wing solution. To further enhance the C-wing`s system-inherent attributes, adaptive utilities in the form of morphing systems were suggested in order to augment existing wing functionalities, and to improve the ex- tent of efficiency and authority for stability and control purposes. Specifically, the function of the non-planar wing is to provide static stability in pitch and trim for low-speed and high-speed op- erations, and to ensure adequate control authority for situations such as take-off rotation, de-rotation during landing and full-thrust go-around manoeuvres. Pitch and roll axes are cross-coupled, hence the top wing is intended to augment roll control through an inter-connection with ailerons and outboard wing spoilerons. The top wing is an all-moving surface with a plain trailing edge flap that is akin to a stabilator. Also, it is designed as an ac- tive poly-morphing device that can deliver four additional degrees of freedom to that of the stabilator-like function. Two of these provide active twist and camber tailoring, thus allowing for op- portunity to optimise the aerodynamic performance for any given flight condition of the complete non-planar wing through localised lift customisation of the top wing. Another degree of freedom is afforded by the ability to manipulate the moment arm of the top wing through in-line translation (stagger). Beneficial by-products of this translation feature are the ability to augment the aircraft's neutral point together with the centre of gravity, thereby > 42 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Top wing variable sweep xMain wing Top wing Top wing translation Fixed configuration Morphing configuration Studie zum Einsatz von Morphing am nicht planaren Flügel: Das Bauhaus Luftfahrt untersuchte unter anderem kontinuierliche Veränderungen des vertikalen und horizontalen Abstands zwischen dem oberen Flügel und dem Hauptflügel sowie eine veränderliche Pfeilung des oberen Flügelsegments. Die Ergebnisse zeigten ein großes Potenzial zur Verbesserung der Handling-Eigenschaften auf. Benefit analysis of morphing techniques on a non-planar wing: Among other ideas, Bauhaus Luftfahrt investigated continuous variations of the main and top wing's gap and stagger as well as a variation in the top wing's sweep. The results highlighted a significant potential for an improvement of handling characteristics. 44 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Verschiebung des Neutralpunktes im Verhältnis zum Schwerpunkt und erleichtert dadurch die Anpassung des Stabilitätsmaßes. Der letzte Freiheitsgrad ist die Variation des vertikalen Abstands zwi- schen dem oberem Flügel und dem Hauptflügel. Durch die horizon- tale und vertikale Verschiebung werden die Handling-Eigenschaf- ten, vor allem während des Langsamflugs und bei Seitenwind, verbessert. Der obere Flügel besitzt eine flexible Struktur mit variabler Steifigkeit, in der elektrostriktive Aktuatoren in einer Fachwerk- struktur eingebaut sind, welche flexible und bewegliche Befes- tigungspunkte aufweist. Die diskrete Hinterkantenklappe des oberen Flügels wird mit zwei elektromechanischen Aktuatoren pro Fläche betätigt, um die Steuerbarkeit zu verbessern und eine Redundanz zu gewährleisten. Wissenschaftler im Bauhaus Luft- fahrt rechnen damit, dass die zukünftigen Bestrebungen nach elek-trischer Mobilität, mit elektrischer Energie als einziger Quelle für Kraftübertragung, die Verwendung solcher flexiblen Materia- lien, strukturellen Lösungen und neuartigen Aktuatoren unter- stützen werden. Eine mögliche Folge wäre beispielsweise das Wegfallen der integralen Treibstofftanks im Flügel, was wiederum das für elektromechanische Aktuatoren verfügbare Volumen im Flugzeug vergrößert. facilitating variability in the aircraft`s static margin. The final degree of freedom involves variation in the gap represented by the height of the top wing relative to the main wing. The option to vary gap and stagger is envisaged to improve handling qualities particularly during low-speed operations and where cross-wind conditions become unfavourable. The top wing`s lifting surface design is a variable stiffness, compliant structural system comprising embedded and specially designed two-way electro-strictive actuators within a truss ar- rangement employing a combination of flexural and articulated joints. The discrete trailing edge surface of the top wing is actu- ated with two electro-mechanical actuators installed on each lift- ing surface to augment control and ensure system redundancy. Researchers at Bauhaus Luftfahrt postulate that the usage of such advanced materials, unconventional structural morphologies and novel actuator technologies complements future aspirations of de- livering electro-mobility solutions. Electrical power being the only source of force transmission could possibly maximise the available net volume for electro-mechanical actuators on board, as aircraft would no longer require integral fuel tanks. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 45

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Designbetrachtungen für universellelektrische Flugzeugsystemarchitekturen Design considerations for universallyelectric aircraft systems architectures Um zukünftige, ehrgeizige Umweltziele zu erfüllen, sucht das Bau- haus Luftfahrt ständig nach neuen Technologien und vielverspre- chenden neuen Systemkonzepten. Radikale Ansätze sind erfor- derlich, um diese Ziele zu erreichen. Eine mögliche Lösung bietet das Universal-Electric Aircraft (UEA). Diese Flugzeugkonfiguration verfügt über ein vollelektrisches Antriebssystem und benötigt eine universell-elektrische Systemarchitektur (UESA). Die Machbarkeit und Umsetzbarkeit einer solchen Konfiguration wurde bereits mit dem Flugzeugkonzept Ce-Liner demonstriert (siehe Seite 36). Der Aufbau der UESA basiert auf einem herkömmlichen elek- trischen Systemlayout, erweitert um die Schuberzeugung. Jede UESA lässt sich in fünf Unterkategorien aufteilen: Leistungser- zeugung; Energiespeicherung; Leistungsmanagement und -vertei- lung; sowie in primäre und sekundäre Verbraucher. Ferner umfasst diese Architektur nun ein Hoch-, Mittel- und Niederleistungsseg- ment. Das Hochleistungssegment beinhaltet das Antriebssystem einschließlich der elektrischen Motoren und der Hochleistungs- elektronik. Die Sekundärverbraucher (Mittel- und Niederleistungs- systeme) repräsentieren alle erforderlichen elektrischen Systeme und die konventionelle Avionik. Diese Subsysteme werden weiter in diverse Gruppen unterteilt, je nach ihrer Bedeutung während des Fluges. Diese Aufteilung ermöglicht in einem Notfall eine Trennung von nicht essentiellen Verbrauchern, um die Gesamtsys- temlast zu reduzieren. Darüber hinaus ist die gesamte UESA durch Hochleistungsschalter, sogenannte Solid State Power Controller (SSPC), geschützt, die fehlerhafte Komponenten vom restlichen System isolieren können. Dieser vorgeschlagene Aufbau und die modulare Integration der Komponenten ermöglicht auch die Kreuz- kopplung zwischen den installierten Systemen. Eine intelligente und optimierte Verschaltung kann die Redundanz deutlich erhö- hen, bei gleichzeitig geringerer Anzahl der erforderlichen Kompo- nenten und damit der Systemmasse. Bei Berücksichtigung einer UESA im Flugzeugvorentwurf ergeben sich zusätzliche Freiheitsgrade bei der Auslegung eines Flugzeugs. Der wesentliche Unterschied im Vergleich zu einem herkömmlichen Flugzeug sind die entkoppelten Leistungs- und Schuberzeugungssysteme. In einem herkömmlichen System > In order to fulfil ambitious future environmental targets, Bau- haus Luftfahrt is constantly searching for new technologies and promising novel system designs. Radical approaches are required to reach such targets and one possible solution was identified with the Universally-Electric Aircraft (UEA). This aircraft configuration includes a fully electric propulsion system and requires a Univer- sally-Electric Systems Architecture (UESA). The feasibility and ca- pabilities of such a configuration have already been demonstrated with the Ce-Liner aircraft concept (see page 36). The design of the UESA is based upon a conventional elec- tric system layout extended to include a propulsion system. Each UESA can be partitioned into the typical set of five sub-categories: power generation; energy storage; power management and dis- tribution; as well as in primary and secondary power consumers. Furthermore, this architecture includes a high, medium and low power segment. The high power segment represents mainly the propulsion system including electric motors and high power elec- tronics. The secondary power consumers (medium and low power segment) include all required electrical systems and conven- tional avionics. These subsystems are further allocated to differ- ent groups according to their importance during flight operation. This allocation allows disconnection of non-essential components in case of a failure in order to reduce the total power demand. Moreover, the entire UESA is protected by high power switches, so called Solid State Power Controllers (SSPC), which would isolate damaged components from the rest of the electrical system. This proposed design of the UESA and the modular integration of the components also enable cross-coupling between the installed sys- tems. An intelligent and optimised system interconnection can sig- nificantly increase the system redundancy whilst simultaneously minimising the bill of material and the system mass. Considering an integrated UESA in conceptual design results in additional degrees of freedom for sizing an aircraft. The major difference compared to conventional aircraft are the decoupled power and thrust generation systems. In a conventional system both functions are fulfilled by a gas turbine. In UEA,the thrust generation system is currently taken over by a propeller or fan, > 46 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Propulsion system Subsystems Avionics AC DC GPU AC DC SSPC SSPC SSPC 540 VDC non-essential 28 VDC non-essential SSPC BTB Motor Bus DC DC 540 VDC essential DC DC 28 VDC essential SSPC SSPC SSPC SSPC BTB SSPC SSPC SSPC SSPC Hot. Bat SSPC DC DC DC DC SSPC SSPC BCU BCU BCU BCU 540 VDC flight controls 540 VDC flight controls SSPC SSPC BCU SSPC BCU BCU = Battery control unit BTB = Bus type breaker 28 VDC vital BTB Detaillierung einer Systemarchitektur: In einer vom Bauhaus Luftfahrt entwickelten universell-elektrischen Auslegung werden alle Bestandteile verschiedenen Untergruppen zugewiesen und untereinander verbunden, um eine hohe Redundanz zu gewährleisten. Detailed system architecture design: In Universally-Electric Systems Architectures developed by Bauhaus Luftfahrt all components are allocated to different groups and are cross-connected to ensure high redundancy. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 47

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Battery module concept 1 Cell 1 Cell 2 ... Cell n Battery module concept 2 Battery module concept 3 Cell 1 Cell 2 ... Cell m Cell 1 .2 Cell 2 .2 ... Cell n .2 ... Cell 1 .m Cell 2 .m ... Cell n .m Cell 1 .1 Cell 2 .1 ... Cell n .1 Kombinatorik von Energiespeichern: Das Bauhaus Luftfahrt untersucht verschiedene Verschaltungen von Batterien und ermittelt ihre Auswirkungen auf eine universell-elektrische Systemarchitektur. Energy storage combinatorics: Bauhaus Luftfahrt investigates different battery cell interconnections and assesses their impact on a Universally-Electric Systems Architecture. 48 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions werden beide Funktionen von Gasturbinen übernommen. In einem UEA wird der Schub derzeit von Propellern oder Fans er- zeugt, die durch fortschrittliche Elektromotoren angetrieben werden. Für die Energiebereitstellung kommen hauptsächlich Brennstoffzel- len oder Batterien zum Einsatz, die das System mit der erforderlichen elektrischen Energie versorgen. Batterien übernehmen hierbei die doppelte Funktion der Stromerzeugung und Energiespeicherung und ermöglichen darüber hinaus einen komplett emissionsfreien Flug. Das Bauhaus Luftfahrt hat im Jahr 2012 seine Simulations- und Optimierungsfähigkeiten universell-elektrischer Systeme auf die Komponentenebene und um ihren Einfluss auf die Gesamtar- chitektur erweitert. Beispielsweise wird die Modulkonfiguration der Batteriepacks für ein gegebenes Missionsprofil optimiert. Die treibenden Parameter für solche Optimierungen sind hauptsächlich die Systemeffizienz und -masse für eine bestimmte Anzahl von ins- tallierten Batteriezellen. Diese Packs sind so ausgelegt, dass elektro- chemische Grenzen der Zellen, wie ihre maximale Entladeschwelle, berücksichtigt werden. Außerdem können unterschiedliche Ent- ladecharakteristiken verschiedener Batterietypen analysiert wer- den, um den besten Batterietyp für eine erforderliche Anwendung zu identifizieren. which is powered by advanced electric motors. Power is mainly generated by fuel cells or batteries, which are able to supply the system with the required electrical power. Batteries have the dual capability of power generation and energy storage. Furthermore, batteries could reduce inflight emissions to zero. Bauhaus Luftfahrt in 2012 has increased its simulation and optimisation capability of such systems also at component level and in regard to the identification of their impact to the entire architecture. For example, the module configuration of the bat- tery packs is optimised for a given mission profile. The driving parameters of such optimisations are mainly the overall electrical system efficiency and system mass for a certain number of in- stalled battery cells. The battery packs are designed in such a way that electro-chemical boundaries of the battery cells, like maxi- mum discharge threshold, are considered. Furthermore, different discharge behaviours of various battery types can be analysed to identify the best battery type for a required application. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 49

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Elektrische Flugantriebe: Metriken für den Vergleich mit Gasturbinen Electric propulsion systems: Metrics for comparison with gas turbines Vor dem Hintergrund der Flightpath 2050-Ziele der Europäischen Kommission und der Fortschritte wichtiger elektrischer Technolo- gien wurde eine zukunftsweisende Vorkonzeptstudie am Bauhaus Luftfahrt durchgeführt, um die theoretischen Potenziale bei der Realisierung elektrisch basierter Flugantriebe in der Zukunft zu identifizieren. In einer Reihe erster Studien wurde das Konzept elektrisch angetriebener Fans mit fortschrittlicher Gasturbinen- technologie auf Ebene des Energie- und Antriebssystems sowie auf Flugzeugebene gegenübergestellt. Für einen konsistenten Vergleich der konventionellen und der elektrisch angetriebenen Antriebe wurden einheitliche Definitionen für die Systemgrenzen und Kontrollvolumina sowie die beteiligten Wirkungsgradketten eingeführt. Konventionelle Flugantriebssysteme, beispielsweise Tur- bofan- oder Turboprop-Triebwerke, sind durch den spezifischen Kraftstoffverbrauch (TSFC) vergleichbar, der als Verhältnis von Brennstoffmassenstrom und Netto-Schub definiert ist. Für eine Untersuchung elektrisch basierter Antriebssysteme ist die TSFC- Metrik aber nicht geeignet. Daher wurde eine Erweiterung der TSFC-Metrik vorgeschlagen, nämlich die Schubspezifische Leis- tungsaufnahme (TSPC), welche die von der Energiequelle zuge- führte Leistung auf den produzierten Netto-Schub bezieht. Die TSPC-Metrik ist unabhängig von der Art der Leistung, etwa des Brennstoffenergiestroms oder der elektrischen Leistung, und be- inhaltet die komplette Wirkungsgradkette des Energie- und An- triebssystems. Bei herkömmlichen Antrieben kann TSPC durch den Heizwert des Brennstoffs direkt mit dem klassischen TSFC in Bezug gesetzt werden. Für eine Antriebssystembewertung auf Flugzeugebene wur- de die bekannte Metrik der Spezifischen Reichweite (SAR) zur Energiespezifischen Reichweite (ESAR) erweitert. Die ESAR-Metrik beschreibt die Änderung der Flugzeugreichweite pro verbrauch- ter Energieeinheit statt pro Einheit verbrauchter Kraftstoffmasse. Somit stellt sie eine bequeme Gütezahl für Flugzeugstudien mit unterschiedlichen Energieformen dar. Mit Hilfe der TSPC- und ESAR-Metriken kann das Bauhaus > Luftfahrt die Effizienzeigenschaften eines Elektrofan-Konzepts In the context of the European Commission`s Flightpath 2050 goals and the observed progress and perspectives in key electrical technologies, Bauhaus Luftfahrt performed a forward-looking, pre- concept review in order to identify the theoretical potentials in re- alising electrically based aircraft propulsion in the future. In an ar- ray of initial studies, the concept of electrically driven ducted fans was compared and contrasted to advanced gas turbine technology at the energy, propulsion system and aircraft level. For a consistent treatment of the conventional and the electrically driven power plant architectures, unified definitions for the system control vol- umes and the efficiency chains involved were introduced. Conventional flight propulsion systems like turbofan or turbo- prop type power plants can be compared by measuring the Thrust Specific Fuel Consumption (TSFC) which is defined as the ratio of fuel flow and net thrust. When performing an assessment for electrically based propulsion systems, the TSFC metric is no longer appropriate. Therefore, an enhancement of the TSFC metric was proposed, namely, the Thrust Specific Power Consumption (TSPC) which directly relates the power supplied by the energy source to the net thrust produced. The TSPC metric is independent from the type of power, that is fuel energy flow or electrical power, and incorporates the complete efficiency chain of the energy and pro- pulsion system. In case of conventional heat engine cycles, TSPC can be directly correlated to TSFC through the fuel heating value property. For propulsion system assessments at aircraft level, the well- known Specific Air Range (SAR) metric was extended to an Energy Specific Air Range (ESAR). The ESAR metric is simply defined as the change of aircraft range per expended unit of energy instead of unit mass of fuel, and thus, represents a convenient figure of merit for aircraft-level studies involving different types or mix of energy. Using the TSPC and ESAR metrics, Bauhaus Luftfahrt in- vestigated the efficiency characteristics of an Electrical Fan (EF) concept relative to advanced turbofan technology. At flow path sizing conditions, the EF concept showed a TSPC improvement 43 percent over an advanced direct drive turbofan and 39 per- > 50 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions V0 Turbofan Electric fan Fan and drive system Gas turbine Electric motor TSPC = V0 nec · ntr· npr Control volumes Power supply system Power transmission system Propulsion system Efﬁciencies nec Energy conversion efficiency ntr Transmission efficiency npr Propulsion efficiency Die im Jahrbuch 2011 eingeführte Schnittdarstellung der konventionellen und elektrischen Triebwerksarchitektur ist hier durch anschauliche Darstel lung der den einzelnen Systemwirkungsgraden zugehörigen Kontrollvolumina ergänzt: Die Schubspezifische Leistungsaufnahme (TSPC) kann mit Hilfe dieser Wirkungsgrade unmittelbar berechnet werden und bietet somit eine aussagekräftige Vergleichsmöglichkeit für diese sonst völlig unterschiedlichen Antriebskonzepte. The sectional view of conventional and electrically driven engine architectures introduced in the yearbook 2011 has been amended by a demonstrative depiction of system control volumes and their respective efficiencies: The latter allow for a direct calculation of the Thrust Specific Fuel Consumption (TSPC) as a meaningful metric for the comparison of these two completely different propulsion concepts. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 51

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions TSPC [W/N] 650 600 550 500 450 400 350 Bypass ratio = 18 DD-TF 16 14 13 12 11 10 10 G-TF Bypass ratio = 40 30 25 20 18 12 14 16 39 % 43% Fan diameter = 5 .53m 1 .82 m 1 .97 m Electric fan 2 .17 m 3 .59 m 2 .86 m 2 .45 m 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Design-specific thrust (F N/Wdes ) [m/s] Study settings Streamtube sizing thrust 30kN Conditions: ISA, MO .78, 35,000 feet Fan polytropic efficiency: 0.94 Das Bauhaus Luftfahrt hat fortschrittliche direkt angetriebene Turbofan (DDTF), Getriebefan (GTF) und elektrisch angetriebene FanArchitekturen in Bezug auf ihre Schubspezifische Leistungsaufnahme (TSPC) miteinander verglichen: Das Ergebnis verdeutlicht das hohe Einsparpotenzial des Elektro-Fans, der im Vergleich der jeweiligen Optima zwischen 39 und 43 Prozent weniger Leistung zur Erzeugung des gleichen Schubs benötigen würde. Bauhaus Luftfahrt compared advanced directdriven Turbofan (DDTF), geared Turbofan (GTF) and electrically driven fan architectures with regard to their Thrust Specific Power Consumption (TSPC): The results indicate the high savings potential of the electric fan which in comparison of the respective optima would require between 39 and 43 percent less power to generate the same amount of thrust. 52 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions (EF) mit fortschrittlicher Turbofan-Technologie vergleichen. Bei Aus- legungsbedingungen des Strömungskanals zeigte das EF-Konzept eine TSPC-Verbesserung von 43 Prozent gegenüber einem fortge- schrittenen, direkt angetriebenen Turbofan sowie eine 39-prozenti- ge Verbesserung gegenüber einem fortgeschrittenen Getriebefan. Die Eigenschaften des EF-Konzepts deuten auf mögliche weitere Lärmsenkungspotenziale hin, noch über jene von fortschrittlichen Turbofan-Triebwerken hinaus. Die optimale Flugleistung, das heißt die maximale ESAR, eines universell-elektrischen Kurzstrecken- flugzeugs mittlerer Kapazität übertraf den entsprechenden Wert eines vergleichbaren Flugzeugs mit Getriebefan um mehr als zehn Prozent, trotz eines erhöhten Flugzeuggesamtgewichts aufgrund der universell-elektrischen Auslegung. Die energieoptimalen Be- triebsbedingungen lagen jedoch bei niedrigeren Flughöhen und leicht reduzierten Flug-Machzahlen. Zukünftige Arbeiten zur Beurteilung möglicher elektrisch betriebener Flugantriebe am Bauhaus Luftfahrt werden genauere Untersuchungen der Abstimmung zwischen Propulsorauslegung, Elektromotor-Dimensionierung und -Teillastscharakteristik umfas- sen. Besonderes Augenmerk wird auf die rigorose Analyse mög- licher Freiheitsgrade zur Reduktion der notwendigen installierten elektrischen Leistung, einschließlich operativer Verfahren für mini- malen Energiebedarf, gelegt werden. cent improvement over an advanced geared turbofan architecture, respectively. Evidence was found that the EF concept may reduce propulsion system noise even further than advanced turbofan en- gines. Optimum vehicular performance, namely maximum ESAR, of a universally-electric, short range, medium capacity aircraft application was found to exceed the corresponding value of an advanced geared turbofan powered aircraft by more than ten per- cent, despite the significant aircraft weight penalties owing to the universally-electric systems architecture. Optimum energy condi- tions, however, appeared at lower flight levels and slightly lower Mach numbers. Bauhaus Luftfahrt's future work in assessing the potential applicability of electrically powered propulsion systems will involve more detailed investigations of the best and balanced matching of propulsor design, electric motor sizing and part power character- istics. Particular emphasis will be placed on performing rigorous analyses of potential degrees of freedom for the reduction of air- craft installed electric power, including operational procedures for minimum power demand. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 53

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Flugleistungsberechnung und Auslegung unter Verwendung verteilter elektrischer Antriebe Performance and sizing of electrically powered distributed propulsion Universell-elektrische Flugzeuge (Universally Electric Aircraft, kurz: UEA) haben den Wissenschaftlern im Bauhaus Luftfahrt bereits zahlreiche neue Freiheitsgrade im Flugzeugvorentwurf aufge- zeigt, insbesondere in Bezug auf das Antriebssystem. Dazu zählt auch eine zusätzliche Flexibilität in Bezug auf Möglichkeiten zur Integration der elektrischen Antriebseinheiten. Im Gegensatz zum klassischen Ansatz mit zwei oder vier Triebwerken können vollelek- trische Flugzeuge mit einer größeren Anzahl von Antriebselemen- ten ausgestattet werden, beispielsweise sechs oder noch mehr. Dies wiederum führt zu einer Minimierung des kritischen Szena- rios eines Triebwerksausfalls während des Langsamfluges (One Engine Inoperative, kurz: OEI) und als Folge zu einer reduzierten installierten Gesamtleistung. Dieser Effekt wird durch entkoppelte Leistungs- und Schuberzeugungssysteme in einer universell-elek- trischen Systemarchitektur (UESA) verstärkt. In einem konventio- nellen Flugzeug werden beide Funktionen hauptsächlich von einer Gasturbine übernommen, was bedeutet, dass im Falle eines Trieb- werksausfalls der verfügbare Schub und die verfügbare Leistung reduziert werden. In einem UEA bleibt die gesamt verfügbare Ma- ximalleistung auch nach einem Fehler in einer Antriebseinheit vor- handen und kann auf die restlichen Antriebseinheiten übertragen werden. Aufgrund dieser erhöhten Leistungsbereitstellung an den Elektromotoren ist der verfügbare Schub pro Antriebseinheit höher als im Nominalfall. Im Bauhaus Luftfahrt wurden darüber hinaus Studien durch- geführt, um kritische Auslegungsfälle für die Dimensionierung der Antriebseinheiten und Elektromotoren zu identifizieren und den potenziellen Nutzen bei der Erhöhung der Anzahl der Elektromo- toren abzuschätzen. Vier, sechs, acht und zehn Antriebseinheiten wurden dabei untersucht und mit einem Referenzdesign mit zwei Antriebselementen verglichen. Das Referenzdesign basierte auf dem Ce-Liner-Konzept, dessen zwei Antriebseinheiten vom Rumpf- heck unter die Flügel verlegt wurden. Es wurde gezeigt, dass mit mehreren installierten Antriebseinheiten die kritischen OEI-Anfor- derungen bei reduzierter installierter Leistung für das Antriebssys- tem sichergestellt werden können. Um eine bessere Abschätzung des möglichen Nutzens zu erhalten, wurden Trends für die > Research on Universally-Electric Aircraft (UEA) has already shown many new degrees of freedom in aircraft conceptual design, espe- cially concerning the propulsion system. This also allows for addi- tional flexibility with respect to the possibilities of integrating elec- tric propulsors. As opposed to the classical approach with two to four combustion engines, fully electric aircraft could be equipped with a greater number of propulsors, that is six or more, which would in turn minimise the criticality of the low-speed One Engine Inoperative (OEI) scenarios and, as a consequence, reduce the to- tal installed power. This effect is possible due to the decoupled power and thrust generation systems of a Universally-Electric Sys- tems Architecture (UESA). In a conventional aircraft both functions are mainly taken on by a gas turbine, which means that in case of an engine failure the available thrust and power will be reduced. In UEA the maximum available power still remains even after a propulsion failure, and can be advantageously transferred to the remaining propulsion units. Due to the increased input power at each electric motor the available thrust generated per propulsor is higher compared to nominal operation. At Bauhaus Luftfahrt, studies were performed in order to identify the critical design cases for propulsor and electric motor sizing and estimate the potential benefit of increasing the number of engines. Four, six, eight and ten engines were investigated and compared to a conventional reference design with two engines. The reference design was based on a derivative of the Ce-Liner concept with its two engines relocated in underwing pods. It was shown that with more propulsors installed the critical OEI require- ments can be satisfied with a reduced amount of installed power for the electric motor system. In order to get a better estimation of the possible benefit, trends for an optimal number of propulsors with respect to range and aircraft mass were shown based on an integrated aircraft performance simulation model. It has been shown that by increasing the number of propul- sors to four, the required power-to-weight ratio can be significant- ly reduced. A further increase of the number of propulsors does not lead to further power reductions. For six, eight and ten propul- sors, the All Engines Operative take-off requirement becomes > 54 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions 2 engines 4 engines 6 engines 8 engines 10 engines Skizze der vom Bauhaus Luftfahrt untersuchten Konfigurationen mit verteiltem Antrieb: Auslegungen mit vier, sechs, acht und zehn Triebwerken unter den Flügeln wurden mit einem zweimotorigen Referenzflugzeug auf Basis des Ce-Liner-Konzepts aus dem Bauhaus Luftfahrt verglichen. Sketches of the distributed propulsion concepts investigated at Bauhaus Luftfahrt: Configurations of four, six, eight and ten wing-mounted electric engines were compared to a twin-engined reference aircraft derived from Bauhaus Luftfahrt's Ce-Liner concept. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 55

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions optimale Anzahl von Antriebselementen in Bezug auf Reichweite und Flugzeugmasse in einem integrierten Flugleistungssimulati- onsmodell dargestellt. Aufgrund der geringeren installierten Antriebssystemmasse bietet das Flugzeug mit vier Antriebseinheiten eine Steigerung von rund zehn Prozent in der Reichweite gegenüber dem Referenz- flugzeug, obwohl es einen aerodynamischen Nachteil aufgrund der zusätzlich installierten Antriebseinheiten unter dem Flügel aufweist. Mit sechs, acht und zehn Antriebseinheiten reduziert sich die Reichweite wieder aufgrund erhöhter aerodynamischer Interferenzen und der stetig steigenden Massen für Antriebs- und elektrische Systeme. Zukünftige Forschungen im Bauhaus Luftfahrt sollen das Po- tenzial solcher Antriebskonfigurationen für die Unterstützung der Flugsteuerungssysteme untersuchen, um die Anzahl der aerody- namischen Steuerflächen und deren Gewichte zu reduzieren. In Kombination mit einer UESA kann die Leistungsübertragung sowie die Überwachung im Vergleich zu einem herkömmlich betriebenen Hydrauliksystem vereinfacht werden. Das wiederum würde auch das Gewicht aufgrund einer reduzierten Anzahl von Systemkom- ponenten senken. the critical sizing case. Therefore, there is no benefit from further increasing the number of propulsors. Due to the lower installed propulsion system mass, the four- engine aircraft has an increase of approximately ten percent in range compared to the reference aircraft, although it has an aero- dynamic degradation due to the additional installed propulsors un- der the wing. With six, eight and ten engines, the range is reduced again due to aerodynamic interference and a significant increase of the propulsion and electrical system masses. Future research at Bauhaus Luftfahrt will also address the potential of such configurations for assistance of the flight con- trol systems in order to reduce the number of aerodynamic control surface areas and weights. In combination with UESA the power transfer and control can be simplified compared to a conventional fully powered hydraulic system, which in turn will also reduce the system mass due to a reduced system bill of material. 56 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Integrated aircraft study + 6 % + 10 % Original Ce-Liner configuration Reference aircraft The range of the Ce-Liner derivative with underwing engines would be slightly shorter than the original Ce-Liner configuration with aft-mounted engines 4 6 8 10 Original Ce-Liner configuration Number of underwing podded engines () ) m n ( e g n a R 960 940 920 900 880 860 840 2 Im Bauhaus Luftfahrt durchgeführte Vergleichsstudie zur Reichweite elektrisch angetriebener Flugzeuge: Die Nutzung von vier elektrischen Triebwerken verspricht einen Reichweitengewinn von circa sechs Prozent im Vergleich zum zweimotorigen Referenzflugzeug. Eine weitere Erhöhung der Triebwerksanzahl würde dagegen wieder mit verringerten Reichweiten einhergehen, da das Gewicht des Vortriebs- und des elektrischen Systems immer weiter ansteigt. Reference aircraft configuration with aft-mounted engines A tradeoff study of aircraft range conducted at Bauhaus Luftfahrt: Increasing the number of electric engines to four yields a range increase of six percent over the twin-engined reference aircraft. However, an even further increase is projected to cause a reduction in range due to the significant increase of the propulsion and electrical system masses. Integrated aircraft study AEO take-off boundary The installed power loading must never fall short of the minimum power AEO take-off boundary The installed power loading must never fall short of the minimum power loading required for take-off with All Engines Operative (AEO) . i ) g k / W k ( g n d a o l r e w o P 0 .45 0 .40 0 .35 0 .30 0 .25 0 .20 0 .15 0 .10 0 .05 0 .00 2 4 6 8 10 Number of underwing podded engines () Darstellung des installierten LeistungsGewichtsVerhältnisses für eine unterschiedliche Anzahl von Triebwerken: Die Analyse im Bauhaus Luftfahrt hat gezeigt, dass ein signifikanter Vorteil nur durch die Verdoppelung von zwei auf vier Vortriebserzeuger erreicht werden kann. Eine weitere Vervielfachung würde keine weitere Reduktion der benötigten Leistung mit sich bringen. Projection of the installed powertoweight ratio for different numbers of engines: Bauhaus Luftfahrt's analysis indicated that a benefit can only be achieved by increasing the number of propulsors from two to four. Further increases do not allow for a further power reduction. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 57

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Multidisziplinäre Auslegung und Machbarkeitsstudien zu verteilten Antriebssystemen Multidisciplinary design and feasibility studies of distributed propulsion systems Flugzeugkonzepte mit verteilten Antrieben sind ein Beispiel, wo die klassische Trennung von Flugzeugzelle und Triebwerk be- wusst außer Acht gelassen wird, um die Synergieeffekte aus ei- ner engen Kopplung zwischen Vortriebserzeugern und Zelle voll auszuschöpfen. Solche Synergien können sich positiv auf die Ae- rodynamik auswirken, aber auch auf Antriebssystemaspekte so- wie strukturelle Verbesserungen. Darüber hinaus ermöglicht die Trennung von Energieerzeugung und -verbrauch ein erhöhtes Maß an Flexibilität während der multidisziplinären Flugzeugauslegung und bildet somit eine Schlüsseltechnologie zur Einhaltung der von der Europäischen Kommission gesetzten Flightpath 2050-Ziele zur Emissionsreduktion. Zusätzlich motiviert wird diese Entwicklung durch die projizierten Leistungssteigerungen von elektrischen Komponenten, welche im Fall einer hybriden oder sogar vollstän- digen Elektrifizierung Vorteile für das gesamte Flugzeugsystem mit sich bringen würden. Im Bereich der verteilten Antriebe hat das Bauhaus Luftfahrt bereits mehrere Integrationsansätze in Betracht gezogen. Ein Bei- spiel ist die Verteilung des Schubs aus einer einzelnen Quelle über die gesamte Flügelhinterkante, entweder mittels eines zweidimen- sionalen Gebläses, des sogenannten Cross-Flow Fans, oder über die direkte Ausblasung von Triebwerksabgasen aus sogenannten Jet Flaps. Eine andere Möglichkeit ist die mechanische, pneuma- tische oder elektrische Verteilung der Energie aus einer begrenz- ten Anzahl von Kerntriebwerken auf eine größere Anzahl von Vor- triebserzeugern. Ein vergleichsweise simpler Ansatz sieht dagegen lediglich die Verteilung multipler kleiner, aber konventioneller Triebwerke vor, die noch aus ihrer eigenen Energiequelle angetrie- ben werden. Eine elegante Idee stellt der sogenannte Propulsive Fuselage dar, bei dem einfach oder gegenläufig rotierende Fans um den gesamten hinteren Flugzeugrumpf herumlaufen. Die Forscher am Bauhaus Luftfahrt haben einen umfassen- den Auswahlprozess aller Ansätze durchgeführt, um jene Konzepte zu bewerten und zu identifizieren, die maximal von den Vorteilen eines verteilten Antriebs profitieren. Dazu wurde eine Prozedur angewandt, welche die weitreichend anerkannten Methoden der sogenannten Pugh Matrix mit eigenen Verfahren zur > Aircraft concepts utilising distributed propulsion are one instance where the classic separation of airframe and engine is dis- regarded with the express aim to fully exploit synergy effects by closely coupling propulsors with the airframe. Such synergy effects may relate to more efficient aerodynamics as well as propulsion system aspects and structural improvements. In addition to these benefits, a separation between energy generation and propulsion offers an enhanced level of flexibility during multi-disciplinary air- craft design so that it is seen as one of the key technology enablers for meeting the European Commission`s Flightpath 2050 emission goals. This development is further encouraged by projected perfor- mance increases in electrical components, which may enable net benefits at aircraft system level via power system hybridisation, or even complete electrification strategies. For distributed propulsion, researchers of Bauhaus Luftfahrt have already considered numerous different design approaches. One example is the distribution of thrust from a single source along a wing's trailing edge, either by means of an integrated two- dimensional propulsor, the so-called cross-flow fan, or by directly blowing engine exhaust out of so-called jet flaps. Another possibil- ity is the transmission of power, either pneumatically, mechanical- ly or electrically, from a limited number of core engines to a greater number of fans or other propulsive devices. A more elementary approach simply suggests the distribution of multiple discrete en- gines that are all driven by their own power source. One elegant idea envisages a single-rotating or counter-rotating fan encircling the entire fuselage, the so-called Propulsive Fuselage. Bauhaus Luftfahrt has performed a formal and sufficiently comprehensive down-selection process in order to assess and identify those concepts that maximise the potential benefits af- forded by distributed propulsion. A qualitative down-selection pro- cedure to estimate the target service entry year involves the widely recognised Pugh Matrix method approach in combination with an in-house developed technology maturity assessment. The subse- quent comparison with a reference concept, which was selected to be a conventional twin with under-wing podded propulsion system, included assessment criteria such as power system > 58 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Fan cowling Outer casing Air intake Rotor blade Rotor shroud Stator vane Nozzle Fuselage contour Rotor bearing support Rotor ring Levitation coils Permanent magnets Inner casing Z X Schematische seitliche Schnittansicht eines Propulsive FuselageKonzeptes: Basierend auf seiner wachsenden Erfahrung mit elektrischen Systemarchitekturen für Flugzeuge hat das Bauhaus Luftfahrt ein Propulsive Fuselage-Konzept entwickelt, bei dem Magnetschwebetechnik den vortriebsgebenden Propulsor-Ring um den hinteren Rumpf rotieren lässt. Principal arrangement of a Propulsive Fuselage concept in crosssectional side view: Based on its burgeoning expertise in electric systems architectures for air- craft, Bauhaus Luftfahrt envisaged a Propulsive Fuselage concept that utilises the principles of magnetic levitation to rotate a propulsor ring around the rear fuselage. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 59

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Numerische aerodynamische Analyse eines neuartigen Propulsive FuselageKonzepts: Studien am Bauhaus Luftfahrt zeigten, dass ein solches Konzept eine bis zu zehn Prozent größere Reichweite im Vergleich zu einem konventionellen Referenzflugzeug mit zwei Triebwerken unter den Flügeln ermöglichen könnte. Numerical aerodynamics analysis of a novel propulsive Fuselage Concept: Studies conducted at Bauhaus Luftfahrt yielded up to a ten percent range increase for this concept in comparison to a conventional reference aircraft with two wing-mounted engines. 60 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions integration, noise, system weights, in-flight operability, passenger appeal, dispatchability and overall vehicle efficiency potential. Upon completion of the down-selection the researchers con- cluded that the Propulsive Fuselage fared best out of all candi- dates, especially from the perspective of vehicle efficiency as it entrains the fuselage boundary layer and distributes the thrust along the viscous wake generated by the fuselage. A subsequent analysis performed on the Propulsive Fuselage concept yielded just over ten percent improvement in range compared to the refer- ence aircraft. By utilising a set of high-end, low-fidelity and inter- laced fidelity numerical tools, one major finding of this study was that boundary layer ingestion is able to increase aircraft efficiency not just simply through propulsive efficiency improvements, but also by shifting the optimum fan pressure ratio to higher values, hence allowing for a smaller propulsor size, and thus, lower weight and drag of the propulsion system. Bestimmung des Technologiereifegrads für das Jahr der Inbetrieb- nahme kombiniert. Für den anschließenden Vergleich mit einem konventionellen Referenzflugzeug mit zwei Triebwerken unter den Flügeln wurden folgende Bewertungskriterien einbezogen: Leistungs-Systemintegration, Lärmentwicklung, Systemgewichte, operationelle Verfügbarkeit, Attraktivität für Passagiere sowie Ge- samtflugzeugeffizienz. Nach Abschluss der Bewertung zeigte sich, dass das Propul- sive Fuselage-Konzept, vor allem unter Gesamteffizienzaspekten, am besten abschnitt, da es die Fähigkeiten besitzt, die rumpfnahe Grenzschicht abzusaugen und die durch die Rumpfreibung verzö- gerte Strömung im Nachlauf wieder auf Fluggeschwindigkeit zu beschleunigen. Eine detailliertere Analyse des Konzepts ergab eine zehnprozentige Steigerung der Reichweite im Vergleich zum Referenzflugzeug. Durch den Einsatz verschiedener Software- Werkzeuge kam die Studie zu dem Ergebnis, dass die mittels Grenzschichteinsaugung erreichte Steigerung der Gesamteffizienz nicht nur auf der Steigerung des Vortriebswirkungsgrades, son- dern vielmehr auch auf einer Verschiebung des optimalen Fan- druckverhältnisses zu höheren Werten beruht, die mit niedrigeren Eintrittsdrücken einhergeht. Die Folge sind kleinere Fandurchmes- ser, ein geringeres Gewicht und ein verkleinerter Widerstand des Antriebssystems. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 61

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Untersuchung neuartiger Antriebssysteme auf Basis hybrider Energiequellen Assessment of novel propulsion systems based on hybrid energy sources Ein aktuell sichtbarer Trend in der Luftfahrtindustrie beschreibt den Versuch, durch die Hybridisierung konventioneller Verbrennungs- kraftmaschinen auf Basis elektrischer Energiequellen die strate- gischen Ziele zur Emissionsreduktion zu erreichen. Die Einführung von elektrischen Energiequellen in das klassische Gasturbinen-ba- sierte Antriebskonzept bedarf jedoch neuer Bewertungsmethoden, um thermische mit nicht thermischen und hybriden Energiewand- lungsprozessen konsistent vergleichen zu können. Alle heute bekannten Maschinentypen, die Arbeit verrichten, wie beispielsweise bei der Erzeugung von Schubleistung, sind an mindestens einen Energiewandlungsprozess gekoppelt. Die Quali- tät des Wandlungsprozesses, auch bezeichnet als Wirkungsgrad, wird typischerweise ermittelt als Verhältnis der jeweiligen Energie- mengen vor und nach der Wandlung. Verbrennungskraftmaschi- nen, beispielsweise Kolbenmotoren oder Gasturbinen, wandeln die chemisch gebundene Energie des Kraftstoffes zuerst in thermische und anschließend in mechanische Energie. Elektrische Motoren nutzen dagegen Elektrizität als Energiequelle. Neuartige Konzepte wie beispielsweise hybride Antriebssysteme bestehen üblicher- weise aus einer Serie von Wandlungsprozessen mit jeweils unter- schiedlichen Wirkungsgraden. Darüber hinaus kann sich auch die Qualität der genutzten Energiequellen unterscheiden. Das Bauhaus Luftfahrt nutzt zur Ermittlung der Qualität von Energie daher das physikalische Konzept der sogenannten Exergie. Diese beschreibt dabei den Anteil von Energie, welcher unter Be- rücksichtigung des Umgebungszustandes vollständig in nutzbare Arbeit, zum Beispiel mechanischer Art, umgewandelt werden kann. Durch die Verwendung des Exergie-Konzeptes zum Vergleich von konventionellen Gasturbinen mit elektrischen Antriebssyste- men werden zwei wichtige Aspekte herausgestellt: Zum einen ist die Nutzarbeit, die aus dem Verbrennungsprozess von Kraftstoff in konventionellen Gasturbinen gewonnen werden kann, deutlich geringer als die Nutzarbeit aus der gleichen Menge elektrischer Energie, beispielsweise aus Batterien zum Betrieb von Elektromo- toren. Zum anderen ist der Anteil an Nutzarbeit, der im Abgas- strahl eines Verbrennungskraftmaschinenprozesses verloren geht, signifikant größer als die Abwärme eines elektrischen Motors. > A current trend in aviation shows the attempt to reduce in-flight emissions of conventional combustion engines through hybridisa- tion via electrical energy sources in order to meet, or rather exceed, strategic goals of future emission reduction targets. The introduc- tion of electrical energy sources within classical combustion-based propulsion systems, however, requires the capability to allow for a consistent comparison of thermal, non-thermal and hybrid energy conversion processes. All known types of propulsion systems in their generation of propulsive power are intrinsically tied to at least one process of energy conversion. Typically, the overall quality of this conversion process, also known as process efficiency, is measured by com- paring the specific amount of provided energy before and after the conversion. Combustion machines such as piston engines or gas turbines convert chemically bonded fuel energy into thermal energy and further into mechanical energy; electrical motors in- stead utilise electricity as their energy source. Novel concepts such as hybrid engines are based on a series of such conversion processes. This may result in the fact that the quality of the con- version process of novel engine concepts and the quality of the underlying energy sources might actually differ. Therefore, Bauhaus Luftfahrt applies the physical method of exergy to measure the energy quality. Exergy describes the share of energy which, under consideration of the environment, allows for a complete conversion into fully usable work such as mechani- cal work. The application of exergy analysis for the comparison of gas turbine engines and electric propulsion systems accounts for two important facts: first of all, the share of exergy resulting from fuel combustion is significantly lower within the total thermal energy budget than the potential exergy of electrical energy which, for example, is stored in batteries. On the other hand, the share of exergy in the exhaust gases of a combustion engine is significantly higher than the exergy of waste heat produced by an electric mo- tor. Both facts directly affect the net efficiency of the machinery while, in addition, the second fact directly correlates with its capa- bility to reduce emissions. An application of exergy analysis to > 62 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Turbofan engine (TF) Cooling air flow Fuel energy Parallel hybrid Turbofan (PHTF) Cooling air flow Electric energy Fuel energy Integrated hybrid Turbofan (IHTF) Cooling air flow Electric energy Fuel energy Schematische Halbschnitte dreier vom Bauhaus Luftfahrt untersuchter Triebwerksarchitekturen: Die Wissenschaftler untersuchten (von oben nach unten) einen konventionellen Zwei-Wellen-Turbofan (TF), einen parallel-hybriden Turbofan mit Elektromotor auf der Niederdruckwelle (PHTF) und einen integriert-hybriden Turbofan mit elektrisch angetriebenem Hochdruckverdichter (IHTF). Für Letzteren hat das Bauhaus Luftfahrt im Jahr 2012 ein Patent angemeldet. Schematic halfsectional views of three different engine architectures investigated by Bauhaus Luftfahrt: The researchers investigated (top to bottom) a conventional two-spool Turbofan engine (TF), a parallel hybrid Turbofan with an electrically supported low-pressure spool (PHTF) and an integrated hybrid Turbofan utilising an electrically powered high-pressure compressor (IHTF). The latter concept was submitted for patent by Bauhaus Luftfahrt in 2012. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 63

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Darstellung der inneren Wirkungsgradverlus te der drei vom Bauhaus Luftfahrt vergliche nen Triebwerksarchitekturen im Auslegungs punkt: Es zeigt sich, dass beide Hybridlösungen nicht nur die Verluste der Kraftmaschine deutlich verringern (bunte Segmente), sondern auch dass sie von der höheren Verfügbarkeit der genutzten Energiequellen (dunkelblaues Segment) im Ver- gleich zu dem herkömmlichen Turbofan-Trieb- werk profitieren. Visualisation of the inner efficiency losses of the three engine architectures compared by Bauhaus Luftfahrt at the design point: The analysis shows that hybrid solutions are not only capable of reducing the losses within the power machine (coloured segments). They also benefit from the higher availability of the energy source (dark blue segment) compared to a conventional Turbofan engine. i ] [ ζ s e s s o l y c n e i c fi f e r e n n I 0 .6 0 .5 0 .4 0 .3 0 .2 0 .1 0 .0 TF PHTF IHTF Losses: Exhaust residual kinetic energy losses Exhaust residual thermal energy losses Low pressure system losses High pressure system losses Inlet ram air losses Electric energy transfer losses Chemical energy transfer losses Un-availability (anergy) of the propulsion system energy source Study settings: ISA, MO .78, 35,000 feet 30kN thrust class 64 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Beide beschriebenen Aspekte spiegeln sich direkt im Maschinen- wirkungsgrad wider. Der zweite Aspekt ist zusätzlich ein Maß für die Fähigkeit einer Maschine, Emissionen zu reduzieren. Wird die Exergieanalyse auf die gesamte Energiewandlungskette eines Sys- tems angewandt, vom Antriebssystem über das Flugzeug bis zum Energieerzeugungsprozess, wird eine ganzheitliche Untersuchung der Verbesserungspotenziale von neuartigen Antriebskonzepten ermöglicht. Darüber hinaus ermöglicht die Exergieanalyse dem Bauhaus Luftfahrt eine einheitliche Bewertung von neuartigen integrierten hybriden Antriebskonzepten. Parallel-, seriell- oder kombiniert- hybride Konfigurationen verbessern die operationelle Charakte- ristik der gesamten Maschine durch optimale Kombination ihrer Einzelcharakteristiken. Jedoch werden die Wirkungsgrade der in- dividuellen Maschinen dadurch nicht verbessert, so dass der nied- rigere Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine weiterhin problematisch bleibt. Hierdurch motiviert, arbeiten die Forscher am Bauhaus Luftfahrt weiter an integrierten hybriden Konzepten, welche die effiziente elektrische Energiewandlung nutzen, um den thermodynamischen Wirkungsgrad deutlich zu steigern. the overall energy conversion chain, which includes all conversion processes from the propulsive system and the used transport vehi- cle to the energy generation process, allows for a holistic assess- ment of the actual improvement potentials of novel concepts. Furthermore, exergy analysis enables Bauhaus Luftfahrt to consistently assess novel hybrid energy propulsion concepts such as integrated hybrid engines. Commonly known concepts such as parallel, serial or combined hybrid concepts promise improved overall operational characteristics due to optimal combination of the individual characteristics of existing machinery. However, the efficiencies of the individual machines are not improved, and thus, the lower efficiency of the combustion engine remains problematic. Hence, the researchers at Bauhaus Luftfahrt are continuously work- ing on integrated hybrid engine concepts that utilise the higher electrical conversion efficiency in order to boost thermodynamic engine cycles and therefore avoid efficiency impediments. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 65

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Aktive variable Änderung der Spannweite: Eine integrierte Designstudie Active variable span adjustment: An integrated conceptual design study Der ständige Bedarf an einer Verbesserung der Flugleistungen und Steuerautorität hat das Interesse der Flugzeugdesigner auf die Erforschung aktiver, variabler Spannweiten gelenkt. Flügel mit großer Spannweite haben eine hohe Reichweite, eine lange Flug- dauer und eine gute Treibstoffeffizienz, aber schlechte Manövrier- eigenschaften sowie eine relativ geringe Reisefluggeschwindig- keit. Im Gegensatz dazu sind Flugzeuge mit geringer Spannweite schneller und besser manövrierbar, haben aber auch eine schlech- tere aerodynamische Effizienz. Ein Flügel mit variabler Spannweite könnte somit alle Vorteile in einem einzigen Flugzeug vereinen. Als Beispiel für fortgeschrittene Forschung in einem inter- nationalen Umfeld haben das Bauhaus Luftfahrt, die Swansea University und die University of Bristol eine detaillierte Machbar- keitsstudie zur aktiven variablen Spannweite durchgeführt. Dabei war es ihr Ziel, die Flugleistungen eines unbemannten Fluggeräts (Unmanned Aerial Vehicle, kurz: UAV) mit mittlerer Flughöhe und großer Flugdauer (Medium Altitude Long Endurance, kurz: MALE) zu verbessern und seine Rollsteuerung zu unterstützen. Es wurde untersucht, inwieweit eine variable asymmetrische Spannwei- tenänderung die Funktion der Querruder innerhalb der gesamten Flugbereichsgrenzen eines Luftfahrzeugs übernehmen kann. Um Synergien zu nutzen, wurde dasselbe System auch für eine sym- metrische Betätigung zur Verbesserung der Flugleistungen wäh- rend der „Loiter“-Phase, des Langsamfluges und in Transitionspha- sen verwendet. Für diese Studie wurde als Referenz ein MALE UAV ausge- wählt, das ein Gewicht von 800 Kilogramm besitzt und bis zu 18 Stunden lang bei einer Geschwindigkeit von Mach 0.16 (180 Ki- lometer pro Stunde) in einer Höhe von 20.000 Fuß (6.100 Meter) fliegen kann. Für unterschiedliche Gewichte und Anstellwinkel des Flugzeugs wurden Analysen durchgeführt, um den Einfluss der Spannweitenänderung auf das Rollmoment zu bestimmen. Geeignete Modelle für die Beschreibung der Kinematik der aktiven variablen Spannweite und ihres dynamischen Verhaltens wurden ebenfalls entwickelt. Diese beinhalten den Einfluss auf das Bie- gemoment in der Flügelwurzel, die Eigenschaften von Aktuatoren und die zeitliche Variation der Massenträgheitsmomente. Zusätz- Continuous demands to enhance flight performance and control authority have focused the interest of aircraft designers on active variable span systems. Wings with large spans have good range, endurance and fuel efficiency, but lack manoeuvrability and have relatively low cruise speeds. In contrast, aircraft with low aspect ratio wings can fly faster and become more manoeuvrable, but show poor aerodynamic efficiency. A variable span wing could potentially combine the advantages of both design goals into a single aircraft. As an example of advanced research collaboration in an in- ternational setting, Bauhaus Luftfahrt, Swansea University and the University of Bristol jointly performed a detailed conceptual design study on the feasibility of active variable span technologies to provide roll control and enhance the operational performance of a Medium Altitude Long Endurance (MALE) Unmanned Aerial Vehicle (UAV). The use of continuously variable asymmetric span extension was posited to suitably replace ailerons and maintain roll control over the entire flight envelope of the vehicle. In order to maximise synergy and functionality, the same span-morphing system to be operated asymmetrically for roll control was also con- sidered for symmetrical actuation serving to enhance flight perfor- mance during loiter, and to improve the operational performance during low speed transitional flight phases. For the study, an exemplary MALE UAV was considered which takes off with a weight of 800 kilograms and is capable of a maximum loiter of 18 hours at a speed of Mach 0.16 (180 kilometres per hour) at 20,000 feet (6,100 metres) altitude. Analy- ses were performed to establish the sensitivity of rolling moments generated by span morphing for different flight parameters, name- ly, instantaneous vehicular weight and angle of attack. Pertinent models to account for kinematics of the active variable span sys- tem and dynamic response of the aircraft were produced includ- ing effects of wing root bending moments, actuator attributes and corresponding time-dependent variation in moments of inertia. In addition, for purposes of examining operational characteristics in a coherent manner and to maximise vehicular performance, meth- ods were devised to identify optimal speed schedule strategies 66 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Aileron deflection (10 degrees) Port wing 0% Starboard wing +43% Port wing -22% Starboard wing +22% Port wing -43% Starboard wing +4% Schematische Darstellung verschiedener asymmetrischer Spannweitenkonfigurationen (von oben nach unten) zur Erzeugung eines erforderlichen Rollmo ments auf das Flugzeug: Das erste Beispiel repräsentiert zum Vergleich ein konventionelles Flugzeug mit gleichbleibender Spannweite, bei dem lediglich die Querruder um zehn Grad ausgelenkt werden. Die zweite Darstellung sieht eine Verlängerung des rechten Flügels um 43 Prozent vor, bei gleichbleibender Länge des linken Flügels. Im dritten Beispiel wird der rechte Flügel um 22 Prozent verlängert und der linke Flügel um den gleichen Prozentsatz verkürzt. Die vierte Konfiguration sieht lediglich eine vierprozentige Verlängerung des rechten Flügels vor, verkürzt den linken Flügel jedoch um 43 Prozent. Schematic depiction of various asymmetric wing span configurations (top to bottom) for the generation of a required aircraft roll moment: The first design resembles a conventional reference aircraft with invariable wing span simply deflecting its ailerons by ten degrees. The second example envisages a constant span of the port wing while the starboard wing is extended by 43 percent. In the third configuration, the starboard wing is extended by 22 percent while the port wing is shortened by the same percentage. The fourth example depicts only a slight extension of the starboard wing by four percent, but a dramatic shortening of 43 percent on the port wing. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 67

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions lich wurden auf Basis der durchgeführten numerischen Experi- mente Methoden zur Optimierung der Betätigungszeit entwickelt, die für eine optimierte Flugleistung sorgen sollen. Es wurde festgestellt, dass für das benötigte Rollmoment eine Spannweitenerweiterung von 22 Prozent auf der einen sowie eine Spannweitenreduktion von 22 Prozent auf der anderen Seite nötig wären. Dies berücksichtigt auch die Forderung nach einem ähnlichen Transitionsverhalten im Vergleich zum konventionellen Querruder. Ein sehr interessantes Ergebnis dieser Studie ist, dass es für die Rollsteuerung effizient ist, den Anstellwinkel des Flug- zeugs zu erhöhen und gleichzeitig den Flügel auszufahren. Solche Manöver, die eine Anstellwinkeländerung und das Rollen verbin- den, können für Flugzeuge, die kurzzeitig ein hohes Rollmoment und eine hohe Rollrate benötigen, sehr interessant sein. Solche Flugeigenschaften sind für Flugzeuge mit konventionellen Quer- rudern nicht realisierbar. Mit Hinblick auf Effizienz könnte eine Erhöhung der Spannweite um 22 Prozent den Gesamtwiderstand um 13 Prozent verringern und damit die Flugdauer um 6,5 Prozent erhöhen. Gleichzeitig würden die Startbahnlänge um 28 Prozent und die Landebahnlänge um zehn Prozent reduziert. corresponding to the various symmetric variable span numerical experiments performed. It was concluded that a target maximum constant rolling moment, including checks for similarity in transient response, af- forded by conventional ailerons would be adequately matched by a variable span strategy wherein one side of the wing is extended by 22 percent and the other retracted by 22 percent. A very interest- ing outcome of this initial study indicated that it is efficient to pitch and extend the wing span simultaneously in order to maximise the rolling authority of the vehicle. Such manoeuvres that involve cou- pling of pitch and roll can be of great interest for aircraft requir- ing on those occasions larger rolling authority, such as moment and rate. This aspect is not available for exploitation on aircraft employing conventional aileron control surfaces. Alternatively, in the context of operational performance a symmetrical variable span schedule of +22 percent was found to reduce total drag by 13 percent, enhance the endurance capability by 6.5 percent, and reduce the take-off field length and landing distance by 28 and ten percent respectively. 68 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions ) s / d a r ( e t a r l l o R 0 .8 0 .6 0 .4 0 .2 0 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 Time (s) Aileron (10 deg/s) Starboard wing +22% Port wing 22% Starboard wing +43% Port wing 0% Starboard wing +4% Port wing 43% Darstellung der mit den zuvor aufgeführten Konfigurationen in einer bestimmten Zeit erreichbaren Rollrate des Flugzeugs: Die Analyse macht deutlich, dass mit einer 22-prozentigen Verlängerung des rechten Flügels und einer ebenso großen Verkürzung des linken Flügels (grün) die gleichen Rollraten erzeugt werden könnten wie beim konventionellen Referenzflugzeug, das bei gleichbleibender Spannweite lediglich seine Querruder um zehn Grad auslenkt (hellblau). Depiction of aircraft roll rates achievable in certain time frames with the aforementioned asymmetric span configurations: The analysis highlights that a 22 percent extension of the starboard wing combined with a shortening of the same percentage on the port wing (green) would allow for the same roll rate characteris- tics as the conventional reference aircraft simply deflecting its ailerons by ten degrees (light blue). Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 69

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Fliegende Kommunikations netzwerke: Treiber, Elemente und Perspektiven Airborne communication networks: Drivers, elements and perspectives Die Luftfahrt von morgen braucht neue Informations- und Kommu- nikationstechnologien, um den Anforderungen an ihr zukünftiges Datenaufkommen gerecht zu werden. Maßgebliche Treiber dafür sind unter anderem das wachsende Luftverkehrsaufkommen mit gestiegenen Anforderungen an die Flugverkehrskontrolle (ATC), das Bestreben nach optimierter Flugführung, um Emissionen und Betriebskosten zu minimieren, sowie mobile Onboard-Kommuni- kationsdienste für Passagiere. Um die Flugsicherheit zu wahren, werden im Rahmen von Kooperationen wie SESAR (EU) und NextGen (USA) effiziente Flugsicherungskonzepte entwickelt, in denen auch Flugüberwa- chungssysteme eine wichtige Rolle spielen. Die dafür notwendige digitale Datenübertragungstechnik benötigt Kapazitäten im aero- nautisch nutzbaren, begrenzten Funkspektrum. Neben dem sicherheitsrelevanten Flugfunk stellen mobile Dienste für Passagiere einen starken Wachstumsmarkt dar, da die Verbreitung mobiler Endgeräte stetig zunimmt und ortsunabhän- gige Konnektivität Marktanteile am Passagieraufkommen sichern kann. Hierfür werden wesentlich höhere Kapazitätsanforderun- gen abgeschätzt, als für die Flugverkehrskontrolle notwendig sind. Eine weitere Anwendung sind Datenlinks zur Flugsteu- erung, die für unbemannte Fluggeräte (UAS) notwendig sind und in Zukunft zur Realisierung des Ein-Personen-Cockpits für Transportflugzeuge führen könnten. Die für die ATC reservierten Frequenzen stehen für diese Anwendungen nicht zur Verfügung, weswegen hier oft auf teure und mit langen Laufzeiten behaftete Satellitenverbindungen zurückgegriffen wird. Zur Erfüllung zukünftiger Anforderungen wurde am Bau- haus Luftfahrt ein Konzept entwickelt, welches auf existierenden Forschungsarbeiten aufbaut und sich als fliegendes Netzwerk be- zeichnen lässt. Das Flugzeug ist hier nicht bloß Nutzer von Kom- munikationsdiensten, sondern wird Teil einer Kommunikationsin- frastruktur. Dies hat zur Folge, dass die bereitgestellte Kapazität nicht nur den jeweiligen Eigenbedarf decken, sondern auch auf die Durchleitung großer Datenströme ausgelegt sein muss. Die Untersuchung des Konzepts am Bauhaus Luftfahrt berücksichtigt dabei unterschiedliche Netzwerkaspekte, die klassifiziert > Tomorrow`s aviation will require novel information and communi- cation technologies in order to be able to cope with future data processing requirements. Main drivers for the growth trends in- clude the increasing commercial air traffic with rising demands on air traffic control (ATC), striving to optimize flight guidance in order to minimise emissions and operating cost, as well as in-flight con- nectivity services for passengers. In order to maintain air traffic safety, research and develop- ment collaborations like SESAR (EU) and NextGen (USA) are devel- oping efficient ATC concepts, which are based especially on digital radio communication. Here, aerial surveillance equipment is also an important component. All systems mentioned will require commu- nication capacity within the limited aeronautical radio communica- tion frequency spectrum. Apart from safety-relevant aeronautical radios, in-flight con- nectivity offerings represent a fast-growing market due to the omnipresence of personal mobile and entertainment devices, and the added business value of ubiquitous connectivity for air travel- lers. It is estimated that such services will require much higher communication bandwidth capacity as compared to ATC service requirements. Another application are data links for flight control, which are required for unmanned aircraft systems (UAS) and may in the fu- ture enable the realisation of single pilot flight decks for transport aircraft. The frequencies that are reserved for ATC are not available for this application, which is why costly and delay-ridden satellite communication links are often resorted to in this case. In order to meet future requirements, a concept is being de- veloped at Bauhaus Luftfahrt which builds on existing research results and can be described as a flying network. The aircraft in this case is not a mere subscriber to communication services, but itself serves as an element of the communication infrastructure. In effect, the available capacity not only has to suffice for a single aircraft, but must be designed to support much higher network throughput traffic. The investigation of this concept considers dif- ferent aspects of networking, which need to be classified and may be subject to national and international regulations. Its imple- > 70 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions May be buffered – network sharing uncritical Bandwidth 1 Gbit/s 1 Mbit/s S c i e n t i fi c E q u p m e n t i 1 kbit/s Stored locally > 100 s l t n a r e o t y c n e t a L Cross connect Communication system requirements W e ath er d ata In-flight connectivity U A S A T C Must be „realtime“ (safetycritical) Health Monitoring < 1 s l a c i t i r c e m T i Response time Schematische Darstellung der Anforderungen an Bandbreite und Reaktionszeit verschiedener aeronautischer Telekommunikationsdienste: Es wird deutlich, dass unterschiedliche Dienste sehr verschiedene Anforderungen an die Qualität der Kommunikationstechnologie besitzen. Schematic illustration of requirements on bandwidth and response time of different aeronautical telecommunication services: It is found that different servi- ces exhibit differing requirements on the characteristics of the communication system. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 71

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions werden müssen und nationalen und internationalen Reglemen- tierungen unterliegen können. Maßgeblich für die Realisierung sind insbesondere Technologien wie Funk-Antennen, welche die technologische Nutzung physikalischer Effekte ermöglichen, aber auch begrenzenden Randbedingungen unterliegen. Die Vernet- zung einzelner Systeme, in diesem Fall zum Beispiel Flugzeuge, wird beschrieben durch Netzwerktopologien, in denen Kommu- nikationsprotokolle die Regeln des elektronischen Datenverkehrs festlegen. Letztlich beschreiben Infrastrukturen die praktische Implementierung der einzelnen Netzwerkaspekte in eine nutzba- re Architektur, die aus verschiedenen Teilnehmern mit entspre- chenden Kommunikationseinrichtungen, Netzwerkstrukturen und definierten Verfahren besteht. Das vom Bauhaus Luftfahrt erarbeitete Konzept eines flie- genden Kommunikationsnetzwerks nutzt einen hybriden Ansatz, der auf zwei wesentlichen Technologien basiert: Photonische Datenverbindungen (Laser-Links) werden genutzt, um ein weit- gehend interferenzfreies Basisnetz hoher Bandbreite aufzubauen und dieses an das terrestrische Internet anzubinden. Gerichtete Funk-Antennen im Gigahertz-Bereich ermöglichen kleineren Flug- zeugen mit geringerem Datenaufkommen den Zugang zum flie- genden Netzwerk und bieten zusätzliche Redundanz. Das Konzept hat das Potenzial, eine großflächige Breitband-Internetversor- gung für Flugzeuge bereitzustellen, welche nur durch die Dyna- mik des weltweiten Flugverkehrs und atmosphärische Einflüsse beschränkt ist. mentation strongly depends on technologies like radio antennas, which enable the technical exploitation of physical effects, but are also limited by physical boundary conditions. The structure of net- works of individual systems, like aircraft, is described by network topologies, whereas communication protocols define the rules of electronic communication. Lastly, infrastructures describe the implementation of the aforementioned concepts into a useful ar- chitecture, which consists of individual network participants with their respective communication facilities, network structures and pre-defined procedures. The concept of an airborne communication network devel- oped at Bauhaus Luftfahrt is based on a hybrid approach that mainly consists of two technologies: photonic data links (laser links) are used in order to realise a largely interference-free back- bone network with high transmission capacity and to inter-con- nect the network with the terrestrial internet, while directive radio antennas working in the Gigahertz-range enable smaller and less data-hungry aircraft to hook up to the flying network and may also offer backup connectivity. This offers the potential of long-range, broadband internet access to aircraft, bounded only by the dynam- ics of worldwide air traffic and atmospheric influence. 72 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Am Bauhaus Luftfahrt entwickeltes hybrides Netzwerkkonzept für aeronautische Breitbandverbindungen: Die wesentlichen Elemente sind permament nach- geführte Laserlinks, die genutzt werden um ein Basisnetz mit hoher Datenübertragungsrate aufzubauen (hellblaue Flugzeuge). Höhenplattformen (HAPS) stellen eine Möglichkeit dar, den Zugang zum terrestrischen Internet mit hoher Ausfallsicherheit zu gewährleisten. Durch diese werden die gesammelten Datenströme zu Bodensta- tionen mit Anbindung ans terrestrische Internet geleitet. Flugzeuge, die nicht Teil des Basisnetzes sind (dunkelblau), werden über Funkantennen mit Richtcharakteristik an das laserbasierte Basisnetz angebunden. Depiction of the hybrid network concept for aeronautical broadband communication developed at Bauhaus Luftfahrt: The integral elements are permanently tracked laser links which are used to set up a backbone network with large data transmission capacity (light blue aircraft). High Altitude Platform Stations (HAPS) repre- sent a possible solution to provide ground connectivity with low outage probability in order to route aggregated data streams to the terrestrial internet. Aircraft which do not participate in the photonic backbone (dark blue) join the network by directive radio antennas. S P A H H A P S Directive radio transmission Tracked laser links Terrestrial internet Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 73

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Zukunftskonzepte für Kabinenprozesse und Bodenabfertigung Future concepts for cabin processes and ground servicing Der Rumpf ist enorm wichtig für moderne Flugzeuge, da in ihm die Nutzlast in Form von Passagieren und Fracht, und damit die Einnahmequelle der Airlines, untergebracht ist. Bei herkömmli- chen Transportflugzeugen entfallen rund 50 Prozent der benetz- ten Oberfläche auf den Rumpf und 21 Prozent des Betriebsleer- gewichts auf die Rumpfstruktur. Die Größe der Kabine ist somit ein entscheidendes Kriterium für potenzielle Flugzeugkäufer. Der aktuelle Trend geht zu immer größeren Kabinenquerschnitten: Der Rumpf des neuen Airbus A350 XWB wird es ermöglichen, zehn Passagiere nebeneinander unterzubringen, gegenüber acht Sitzen im Vorgängermodell A330. Dennoch ist der Rumpfquerschnitt der einzige Teil eines Flugzeugs, der über die gesamte Laufzeit eines Flugzeugprogramms nicht verändert wird. Im Kabinendesignprozess werden schon früh verschiedene Anforderungen an das Passagierkomfortniveau oder die Zertifi- zierung berücksichtigt. Das Kabinenlayout wird durch die Anzahl der Buchungsklassen und ihre entsprechenden Sitzabstände bestimmt. Darüber hinaus sind die Anzahl und Position von Kabi- nenmonumenten, beispielsweise Toiletten und Bordküchen, und daraus resultierende operationelle Beschränkungen während des Fluges zu berücksichtigen. Weiterhin muss der Laderaum die An- forderungen des Passagiergepäcks und der Fracht erfüllen. Anforderungen an Bodenabfertigungsprozesse werden oft als Zielzeit für den Turnaround-Prozess formuliert, welche die Serviceabwicklungszeit des Flugzeugs am Boden beschreibt. Nor- malerweise ist die Bodenabfertigung in einzelne Arbeitsschritte untergliedert und wird von Subunternehmern ausgeführt. Ziel ist es, die zeitliche Abfolge der notwendigen Prozesse optimal zu gestalten. Jegliche Verzögerung in diesen Prozessen würde eine Verlängerung der Turnaround-Zeit bedeuten. Während der Boden- zeit wird die Fracht umgeladen und die Passagiere steigen ein und aus. Darüber hinaus wird das Flugzeug betankt und mit Wasser aufgefüllt, das Catering eingeladen und die Kabine gereinigt. Die erforderlichen Zugänge für diese Tätigkeiten, wie Türen und Wartungsklappen, müssen bereits während des Kabinendesigns berücksichtigt werden. Mit einem Blick auf die Kabinenarchitektur des Ce-Liners erkennt man ein Zwei-Gang-Design mit sieben > The fuselage is of great importance for modern aircraft, as it houses the payload in terms of passengers and freight, which ul- timately generate the airline's revenue. In conventional transport aircraft, the fuselage accounts for approximately 50 percent of the wetted area and its structure has roughly a 21 percent share of the Operating Empty Weight (OEW). The size of the cabin is hence a crucial purchasing criterion for potential aircraft buyers. The cur- rent trend is towards wider cross-section layouts. For instance, the new Airbus A350XWB fuselage allows a ten-abreast seating configuration compared to its predecessor A330 with eight seats. However, the fuselage cross-section is the only part of an aircraft that is not changed during its programme life. During the cabin design process, various requirements re- garding the level of passenger comfort or certification have to be considered very early on. The cabin layout is affected by the num- ber of booking classes and their corresponding seat pitch. More- over, the number and position of monuments such as lavatories and galleys adheres to operational constraints during the flight. In addition, the cargo compartment has to fulfil the requirements for passenger luggage and freight storage. Requirements for the ground processes are often formalised as a targeted turn-around time that defines the servicing period of an aircraft while it is on the ground. Usually, ground handling is subdivided into individual processes executed by sub-contrac- tors. The aim is to minimise the time required for the critical path which describes mandatory processes that must be completed in sequence. Any delays to them would hence increase the total time of the turn-around. During ground time the passengers board and deboard, the freight is loaded on and off. Furthermore, the aircraft is replenished with fuel and water, the catering is loaded and the cabin is cleaned. The required interfaces, such as doors and pan- els, already have to be considered at the cabin design stage. Looking at the cabin architecture of Bauhaus Luftfahrt`s Ce- Liner, one recognises a twin-aisle, seven-abreast concept. This results from the requirements of a family concept with 140-189- 233 passengers and a turn-around time of less than 30 minutes. Time-efficient boarding processes are ensured by a centre > 74 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Kabinenquerschnitt des CeLinerKonzepts aus dem Bauhaus Luftfahrt: Die seitlich ver- schiebbaren Sitze ermöglichen zeitweise eine bessere Ausnutzung des verfügbaren Platzes in den Gängen, da sie es den Passagieren erlau- ben, sich nebeneinander im Gang zu bewegen. Dadurch wird das Ein- und Aussteigen deutlich beschleunigt. Cabin crosssection of Bauhaus Luftfahrt's CeLiner concept: The sideward folding seat concept temporarily allows a better utilisation of aisle space with an opportunity for passengers to pass each other during the boarding and de- boarding process, which in turn is significantly accelerated. No seats folded Seat B folded (85% load factor Seat B & Seat C folded (71% load factor (100% load factor, during cruise) or during boarding/deplaning) or during boarding/deplaning) FG CDE AB 95% percentile US male 50% percentile US male 95% percentile US male 95% percentile US male 50% percentile US male 50% percentile US male 95% percentile US male 95% percentile US male Centre boarding door Type A Darstellung des Ein und Aussteigevorgangs, der im CeLiner durch eine zentrale Tür in der Mitte der Kabine durchgeführt wird: Durch diesen vereinfachten Zugang verkürzt sich die durchschnittliche Wegstrecke eines Passagiers zu seinem zugewiesenen Sitz und minimiert die für das Ein- und Aussteigen notwendige Zeit. Depiction of the centre boarding principle used in the CeLiner concept: Passengers entering the aircraft via the centre door are provided with easier access and shorter walking distances to their assigned seats. This minimises the boarding time. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 75

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Lights front / back Pick-ups Toothed wheel transmission Electric motor Gyroscope Lights front / back Telescope arm Still elements: frame and rim Moving elements: solid tread Battery segments Induction loop for charging Der sogenannte ElDeeDee (Electronic Load Device Delivery Boy, oben) stellt eine Containertransporteinheit dar, deren innovativer Antrieb auf dem selbst stabilisierenden gyroskopischen Prinzip der bekannten Segway-Roller aufgebaut ist: Mit Hilfe dieses Fahrzeugs könnten sowohl die Fracht- als auch die speziell im Ce-Liner verwendeten Batteriecontainer autonom zum Flugzeug transportiert werden. The socalled ElDeeDee (Electronic Load Device Delivery Boy, above) resembles a container transportation unit, whose drivetrain is based on the self stabilising gyroscopic principle utilised in the wellknown Segway personal transporters: This autonomously operating vehicle could provide for safe transport of both cargo as well as the Ce-Liner's special battery containers to the aircraft. 76 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Sitzen nebeneinander. Dies ergibt sich aus den Erfordernissen ei- nes Familienkonzepts mit Platz für 140, 189 oder 233 Passagiere und einer anvisierten Turnaround-Zeit von unter 30 Minuten. Sie wird gewährleistet durch das Ein- und Aussteigen über eine zent- rale Tür in der Flugzeugmitte und seitlich verschiebbare Sitze. Ein weiterer Treiber für das Zwei-Gang-Design war der erforderliche Platz im Frachtraum für die Batterien. Diese werden in speziell mo- difizierten LD3-Containern ähnlich den heutigen Fracht-Containern untergebracht. Aufgrund schwerer Batterien und Elektronik sind Elektromobilitätskonzepte sehr gewichtssensitiv. Daher wurden herkömmliche Frachttüren anstatt schwerer schwenkbarer Front- oder Heckladetüren vorgesehen. Ein weiteres wichtiges Thema ist seit jeher die Vorfeldsicher- heit. Dortige Unfälle kosten Fluggesellschaften weltweit rund zehn Milliarden Dollar pro Jahr. Allein an den Frachttüren entstehen 20 Prozent aller Flugzeugschäden. Um diese zu reduzieren, hat das Bauhaus Luftfahrt in Kooperation mit der Fachhochschule Pforz- heim Designstudien für eine autonome Bodenabfertigung ent- wickelt. Diese bestehen aus drei multifunktionalen Fahrzeugen für den Umschlag von Fracht- und Batteriecontainern, das Boarding so- wie für den Transport von Passagieren und Catering zum Flugzeug. boarding door arrangement and sideward foldable seats. An- other driver for the twin-aisle design was the large space in the freight compartment required for energy storage. The batteries are housed in specially modified LD3-type containers, which are simi- lar to standard freight containers used today. Due to the signifi- cant weight of batteries and supporting power management and distribution, concepts reflecting electromobility are highly weight sensitive. Hence, standard cargo doors were preferred over heavy nose-swivelling or tail-loading door designs. Ramp safety has always been another major issue. Accidents on the apron amount to an annual cost of roughly ten billion US dollars for airlines worldwide. Cargo doors alone account for 20 percent of aircraft damage. With this in mind, Bauhaus Luftfahrt in cooperation with the Pforzheim University of Applied Sciences, de- veloped design studies on how to reduce this aspect using autono- mous ground handling concepts. This novel ground service equip- ment consists of three multifunctional vehicles that autonomously take care of loading and unloading batteries and cargo containers, boarding and deboarding, and the safe transport of passengers and catering boxes to the aircraft. Zeitsparende Abfertigung des CeLiners am Boden: Drei multifunktionale Servicefahrzeuge aus einer vom Bauhaus Luftfahrt in Kooperation mit der Fachhoch- schule Pforzheim entwickelten Designstudie könnten sich vollkommen autonom auf dem Vorfeld bewegen und somit die Bodenzeiten des universell-elektrischen Flugzeugkonzepts minimieren. Timesaving ground servicing of the CeLiner: Three multifunctional service vehicles developed in a design study of Bauhaus Luftfahrt in cooperation with the Pforzheim University of Applied Sciences autonomously move around the apron and thus minimise turn-around times of the universally-electric airliner concept. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 77

Sonnenenergie im Fokus von Zukunftstechnologien und Ökologie der Luftfahrt Solar energy in the focus of Future Technologies and Ecology of Aviation Sehr geehrte Damen und Herren, Dear Sir or Madam, der besondere Augenblick, in dem man sich im Steigflug über eine geschlossene Wolkendecke erhebt, gewährt unerwar- tet klare, weitreichende Perspektiven. Im übertragenen Sinne scheint dies auch für die Zukunft der Luftfahrt so einzutreten. Energietechnologien gehören weiterhin zu den wichtigs- ten Zukunftstechnologien zur Sicherung des Wachstums der Luftfahrt auf lange Sicht. Es gibt jedoch noch keinen „grünen“ Kraftstoff, der alle Voraussetzungen für Kompatibilität, Nach- haltigkeit und ökonomische Skalierbarkeit gleichzeitig in hohem Maße erfüllt. Daher war es notwendig, grundsätzlich „neue Wege“ zu gehen, woraus sich jetzt eine sonnenklare Perspek- tive (siehe Seite 22) abzeichnet, die in der Energiediskussion zuvor so nicht in Erscheinung trat. Es sind Aufgaben wie diese, die das Team aus Physikern, Chemikern, Informatikern, Ingenieuren, Geographen und Mate- rialwissenschaftlern angeht, um die wichtigsten Innovationspo- tenziale der Luftfahrt zu identifizieren und zu erforschen, in den Bereichen der Energietechnologien, Materialien, Informations- technologien ebenso wie auf neuen Wegen des Wissensma- nagements und der Zukunftstechnologieanalyse. Die direkte und effiziente Umwandlung von stark fokus- sierter Sonnenenergie, Wasser und Kohlendioxid in drop-in- fähigen Kraftstoff steht in einem internationalen Forschungs- verbund mit den Fördermitteln der Europäischen Kommission kurz vor der ersten Technologiedemonstration. Prinzipiell gin- ge das auch für kohlenstoffbasierte Hochleistungsmateriali- en. Als wichtiger Erfolg gilt bereits jetzt die wissenschaftlich fundierte Perspektive solarer Kraftstoffe, die in der zukünf- tigen Diskussion über klimaneutrales Fliegen einen festen Platz einnehmen wird. the instant you rise above the clouds during a flight opens up unprecedented views, a special moment of clear and far- reaching perspectives. In a metaphorical sense, this seems to become a reality for the future of aviation. Energy technologies are still among the most signifi- cant future technologies to study for securing the long-term growth of the aviation industry. So far, however, there is no single “green“ fuel production path that scores high in all three criteria of suitability, sustainability and economic scal- ability. Going “new ways“ became a necessity, with the posi- tive result that a new perspective as clear as daylight emerged (see page 22), which had been missing entirely in the energy discussion so far. This is the nature of tasks which the team of physicists, chemists, information scientists, engineers, geographers and material scientists is coping with in order to identify and ana- lyse the most impactful innovation potentials for aviation. The team researches the areas of energy technologies, materials, information technologies, knowledge management and the methodology of future technology analysis. The direct and efficient transformation of tightly focused solar energy, water and carbon dioxide for the production of “drop-in” capable fuel is just about to undergo its first technol- ogy demonstration, to be performed within an international research consortium funded by the European Commission. The principles also apply to the production of renewable high- performance carbon materials for aviation. The scientifically sound analysis of solar fuels is already a significant achieve- ment in the sense that solar fuels are now permanently on the map of climate-neutral aviation. Ihr / Your Dr. Andreas Sizmann Leiter Zukunftstechnologien und Ökologie der Luftfahrt / Head of Future Technologies and Ecology of Aviation Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 81

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Methoden zur Auslegung und Leistungsbetrachtung elektrischer Flugzeuge Unique sizing and performance methods for UniversallyElectric Aircraft Im Vergleich zu mit Kerosin betriebenen Flugzeugen wird die Un- tersuchung vollständig elektrisch angetriebener Flugzeuge (UEA) im Bauhaus Luftfahrt durch drei interessante Aspekte beeinflusst: Erstens müssen UEA mit einer niedrigeren Energiedichte im Ver- gleich zu Kerosin auskommen, heutzutage sowie in absehbarer Zukunft. Hinzu kommt, dass ihr Gewicht während der gesamten Mission gleich bleibt. Ein dritter Aspekt ist die konstante Leistung von E-Motoren, die weder von der Höhe noch von der Flugge- schwindigkeit beeinflusst wird. Der letztgenannte Aspekt hat entsprechende Konsequenzen in der Dimensionierung von UEA. Der Start, vor allem unter Be- rücksichtigung eines Triebwerksausfalls, ist ausschlaggebend für den Auslegungspunkt und das elektrische System. Die Leistungs- anforderung im „Top-of-Climb“ ist nicht mehr kritisch. Aus diesem Grund ist die Reduktion der Leistungsanforderung beim Start der Schlüssel für jedes UEA-Design. Die geringere Energiedichte der Batterien führt dazu, dass die Reichweite ein treibender Faktor wird. Dadurch wird das Ab- fluggewicht deutlich höher, obwohl die Wandlung von elektrischer Leistung in Schub für UEA viel effizienter ist im Vergleich zu einem mit Kerosin betriebenen Flugzeug. Aufgrund des konstanten Gewichts während der gesamten Mission wird ein flacher Reiseflug als die optimale Flugtrajektorie angesehen. Schnelleres und höheres Fliegen bedeutet nur gerin- ge Nachteile für den Energiebedarf. Im Umgang mit diesen Be- sonderheiten baut das Bauhaus Luftfahrt seine Aktivitäten in der Forschung an UEA weiter aus. In comparison to conventional fuel energy based aircraft, the as- sessment of Universally-Electric Aircraft (UEA) at Bauhaus Luftfahrt is influenced by three interesting aspects: firstly, UEA are prone to a lower energy density in comparison to kerosene-fuelled aircraft, now and in the foreseeable future. Additionally, the weight of a UEA stays constant during its entire mission. A third aspect is the constant power of a UEA`s electric motor which remains uninflu- enced by both altitude and speed. The third aspect has dramatic consequences on the sizing of UEA. The design point is driven by take-off, especially when con- sidering the requirement for the One Engine Inoperative (OEI) sce- nario, which sizes the electrical system. The power required at top of climb is no longer critical as enough power is available. There- fore, any means of reducing requisite take-off power becomes key for any successful UEA design concept. The lower energy density of batteries leads to a higher air- craft weight, although the conversion of electrical power into available thrust is more efficient for UEA compared to kerosene- based concepts. Therefore, the range becomes a driver in the de- sign at higher maximum take-off weights compared to kerosene- based aircraft. Due to the constant weight during the entire mission, a flat cruise phase is seen as the optimum flight technique. Flying faster and higher produces minor to modest penalties for energy con- sumption. In dealing with the unique characteristics of UEA, Bau- haus Luftfahrt is constantly expanding its activities in this field of research. 82 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

3 Methoden und Prozesse Methods and processes ) g k / W k ( t h g i e w o t r e w o P Design point Target range = 900nm Landing field length at sea level and ISA standard atmosphere 2nd segment climb 5000ft with one engine inoperative (ISA standard atmosphere +20 °C) Take-off field length at sea level and ISA standard atmosphere Wing loading (kg/m2) Auslegungsdiagramm für den vom Bauhaus Luftfahrt entwickelten CeLiner: Die farbigen Flächen stellen die operationellen Anforderungen dar, die von den besonderen Charakteristiken von UEA in Bezug auf Startfall und Reichweite resultieren. Als Auslegungspunkt wurde folglich eine Flächenbelastung von 635 kg/m² bei einer spezifischen Leistung von 0,407 kW / kg festgelegt. Performance constraint chart for Bauhaus Luftfahrt's CeLiner concept: The coloured areas represent operational constraints resulting from the unique charac- teristics of UEA such as take-off and range requirements. The design point was hence selected at a wing loading of 635 kg/m² and a power-to-weight ratio of 0.407 kW / kg. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 83

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Bestimmung der Produktlebenszykluskosten: Ein einheitlicher Ansatz Estimation of product life cycle cost: A unified method Rund 65 Prozent der gesamten Produktlebenszykluskosten eines Flugzeugs (LCC) werden während der konzeptionellen Entwurfs- phase festgelegt. In der zivilen Luftfahrt weisen die gesamten ope- rationellen Kosten, also direkte (DOC) und indirekte (IOC) Betriebs- kosten, den mit Abstand größten Anteil an den LCC auf. Auf der anderen Seite entsteht in dieser initialen Phase nur ein Bruchteil der Kosten. So ist die Einbeziehung der LCC in den konzeptionellen Flugzeugentwurf notwendig, um Auswirkungen von alternativen Flugzeugentwürfen auf die unterschiedlichen Kosten erfassen zu können. Erst ein detailliertes Verständnis der LCC sowie ihrer unterschiedlichen Anteile und Einflussfaktoren ermöglicht dem Flugzeugentwickler daher das Aufzeigen wesentlicher Kostenre- duktionspotenziale alternativer Konzepte. Der Forschungsansatz des Bauhaus Luftfahrt zielt auf die Entwicklung eines einheitlichen Ansatzes zur Bestimmung der fi- xen (COO) und variablen (COC) Flugzeugkosten, der Zusatzkosten (ADOC) durch Umweltauflagen sowie der Entsorgungskosten im Flugzeugvorentwurfsprozess. Dieser einheitliche Ansatz vereinigt etablierte Methoden zur Bestimmung der Kosten, deren Funktio- nen aber durch aktuelle Daten angepasst worden sind. Gerade die verstärkte Einführung von Umweltabgaben wie Lärm- und Emissi- onsentgelten macht eine Berücksichtigung notwendig. Der einheitliche Ansatz wird am Bauhaus Luftfahrt daher kontinuierlich weiterentwickelt, um Aussagen zu den Lebenszy- kluskosten für unterschiedliche Entwicklungen durch Szenarien oder für neue Flugzeugkonzepte treffen zu können. Around 65 percent of an aircraft's total life cycle cost (LCC) is fixed during the conceptual design phase. For civil transport applica- tions, total operating costs consisting of direct operating costs (DOC) and indirect operating costs (IOC) have the largest share of the LCC. However, only a minor fraction of the total LCC is actu- ally spent during that initial phase. Thus, the inclusion of LCC as- sessment in the conceptual design process is essential to capture the cost impact of alternative aircraft designs and to allow for the quantification of their impact on the predicted LCC. Detailed know- ledge about aircraft LCC and their respective shares and influence factors hence provides design engineers with opportunities to sub- stantially reduce the cost of alternative aircraft concepts. The research approach followed by Bauhaus Luftfahrt results in a method covering costs associated with aircraft cost of owner- ship (COO), cash operating costs (COC) and additional direct oper- ating cost (ADOC) as well as disposal costs where all required in- put parameters are available during the conceptual design phase. This unified method builds upon existing cost estimation methods with recalibration according to more recent data. An enhancement of available methods was deemed necessary especially for envi- ronmental charges like noise or emission surcharges. The unified cost estimation method is subject to continuous development at Bauhaus Luftfahrt due to application for novel aircraft concepts and coupling with future scenario analyses. 84 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

Programme cost - Reseach and development - Tests and certification - Production: materials, manufacturing, quality control - Tests and certification - Freight - Passengers - Fixed costs and administration - Crew (cabin and cockpit) - Fuel - Maintenance - Ground handling - Navigation charges - Fees - Depreciation - Interest/leasing - Insurance ADOC (Additional direct operating cost) - Environmental airport charges - Emission trading scheme 3 Methoden und Prozesse Methods and processes Cost of ownership (COO) Cash operating cost (COC) Indirect operating cost (IOC) Direct operating cost (DOC) Operating cost Disposal cost 0% 25% 50% 75% 100% Typische Verteilung der Produktlebenszykluskosten eines heutigen Langstrecken-Verkehrsflugzeugs: Das Diagramm verdeutlicht, dass die Betriebskosten mit Abstand den größten Anteil an den gesamten Produktlebenszykluskosten eines Flugzeugs haben. Typical values of life cycle cost distribution for a stateofthe art longrange aircraft: The diagram shows that operating costs have by far the highest share of an aircraft`s overall life cycle cost. Share of LCC (%) Impact on LCC (%) 95% 85% 65% 100% 80% 60% 40% 20% 0% Conceptual design Preliminary design and system integration Detailed design Manufacturing and acquisition Operation and support Disposal Aircraft life cycle Einfluss der Programmphasen auf die Festlegung der späteren Lebenszykluskosten (orange, Daten basierend auf Willcox 2004) als auch auf den Anteil der aufgewendeten Kosten während eines Flugzeuglebens (blau): Das Diagramm zeigt die Notwendigkeit einer detaillierten Kostenmodellierung bereits während des konzeptionellen Flugzeugvorentwurfs. Impact of aircraft programme phases on the determination of an aircraft's life cycle cost (orange, data based on Willcox 2004) and their share of expenditure during an aircraft life (blue): The diagram underlines the necessity of advanced cost estimation methods as early as the conceptual design phase. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 85

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Skalierbare Entscheidungsfindung in großen Gruppen Scalable decision making in large groups Zu den Kernkompetenzen des Bauhaus Luftfahrt gehören die inter- disziplinäre Bewertung und strategische Priorisierung von zukünf- tigen Luftfahrtforschungsthemen. Dies erfordert die Einbindung einer großen und heterogenen Gruppe von Interessenvertretern, die jeweils ihre unterschiedlichen Bewertungskriterien anwenden. Bauhaus Luftfahrt untersucht die Marktmetapher zur skalierenden Erfassung der Expertenmeinungen dieser Zielgruppe. Bei diesem Ansatz kaufen die Teilnehmer Aktien ihrer favorisierten Themen und verkaufen Aktien der weniger favorisierten Themen auf einem Markt. Hohe oder niedrige Preise, ausgelöst durch starke oder schwache Nachfrage, zeigen dabei den Zustimmungsgrad zu dem jeweiligen Thema an. Trotz der vielversprechenden Markteigenschaften ist es not- wendig, die Vertrauenswürdigkeit der Marktergebnisse für ihre nützliche Verwendung sicherzustellen. Dies erfordert ein wohl- überlegtes Design der Marktanwendung. Im Jahr 2012 entwarf das Bauhaus Luftfahrt daher ein Marktmodell, bestehend aus den Schlüsselfaktoren Teilnehmermotivation, Entscheidungstyp und Marktanreize, um vertrauenswürdige Marktergebnisse erzielen zu können. Bauhaus Luftfahrt untersucht zudem die Anwendbarkeit der Marktmetapher für die Konzeptualisierung von zukünftigen The- men. Als vielversprechende Anwendung der Marktmetapher wurde dabei die Auflösung von widersprüchlichen Beziehungen zwischen Themen identifiziert. Potenzielle Lösungsmöglichkeiten werden da- bei als Aktien gehandelt, wobei der höchste Aktienpreis die gegen- wärtig bevorzugte Lösung im fortlaufenden Markt angibt. Among the core competencies of Bauhaus Luftfahrt is the interdis- ciplinary assessment and strategic prioritisation of future aeronau- tic research topics. This requires the incorporation of a large and heterogeneous group of stakeholders all applying their different sets of evaluation criteria. Bauhaus Luftfahrt examined the mar- ket metaphor as a scalable way of gathering expert opinions from such stakeholder groups. With this approach, people buy shares in topics they favour and sell shares of unfavoured topics on a mar- ket. Strong demand causes prices of topics to rise whereas a lack thereof lowers them, indicating the level of consent for the topics. Despite its promising capabilities, ensuring the trustworthi- ness of the market results is a prerequisite for a beneficial applica- tion of the market metaphor. This requires a careful design of the market application scenario. In 2012, Bauhaus Luftfahrt elaborated a market model comprising the key factors of participants’ motiva- tion, decision type and market incentives that allow for producing trustworthy market results. Bauhaus Luftfahrt also investigates the applicability of the market metaphor to the conceptualisation of future topics. The resolution of conflicting relations between topics has been iden- tified as a promising application of the market metaphor in this context. Potential conflict resolutions are traded as shares with the highest ranking share defining the currently preferred resolution in the continual market. 86 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

Emerging markets Stability Globalization Regulations Charges Urbanisation Economy ? ? Politics Technology Society 3 Methoden und Prozesse Methods and processes Alternative fuels New materials Innovation Income Migration Konflikt in der Kategorisierung eines Konzepts (gestricheltes Rechteck): In diesem Beispiel darf ein Konzept nur einer Kategorie (dunkelblaues Rechteck) zugewie- sen sein. Bauhaus Luftfahrt untersucht, inwiefern die Marktmetapher zur Lösung solcher Konflikte anwendbar ist. Conflict in the assignment of a concept (dotted box) to a category (dark blue box): In this example, a concept may be assigned to only one category. Bauhaus Luftfahrt investigates the application of the market metaphor for resolving such conflicts by trading shares of the two assignments. Involvement Motivation Incentives Behaviour Participation Strategic Market Result Forecast Preference Decision type Schlüsselfaktoren für das Marktdesign: In der Anwendung der Marktmetapher werden diese Faktoren identifiziert, um das Teilnehmerverhalten und somit das Marktergebnis im Hinblick auf eine skalierbare Entscheidungsfindung in größeren Gruppen zu beeinflussen. Key market design factors: In the application of the market metaphor, these factors are identified in order to influence the behaviour of the participants and thus the market result, hence enabling scalable decision making within larger groups. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 87 AssignmentAltruismInterestStrategicOperationalSincereIndecisiveSpeculativeQualityEffectivenessDecisionAcceptanceConsensusPerformanceReputation

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Integriertes Datenmanagement mit OpenCDT Integrated data management in OpenCDT Der Entwurf von Flugzeugkonzepten ist eine multidisziplinäre Ak- tivität, welche die Koordination von Beiträgen mehrerer Fachrich- tungen erfordert. Es ist üblich, diese Beiträge in fachspezifischen Software-Werkzeugen zu modellieren. Durch diese Vorgehenswei- se ist das Gesamtkonzept über mehrere Datenmodelle verteilt. Aus Sicht des Datenmanagements hat dieser Ansatz den Nachteil, dass die Erkennbarkeit von Inkonsistenzen zwischen den Daten- modellen erschwert wird. Ein integrierter Datenmanagement-Ansatz vermeidet diese Nachteile, da er alle Datenmodelle an ein integriertes Datenmo- dell anschließt. Bauhaus Luftfahrt benutzt diesen Ansatz bei sei- ner Arbeit an OpenCDT, einem Open-Source-Werkzeug für ein inte- griertes Datenmanagement. Während dieser Ansatz einen positi- ven Einfluss auf die Erhaltung der Konsistenz des Datenmodells hat, führt er, wenn er ohne Anpassungen übernommen wird, zu einer geringeren Benutzerfreundlichkeit, da Größe und Komplexi- tät des Datenmodells stark ansteigen. Um die Benutzerfreundlichkeit des integrierten Datenmo- dells zu erhöhen, sucht Bauhaus Luftfahrt daher nach Möglich- keiten, die Fachbenutzer in der Handhabung dieser Komplexität zu unterstützen. Ein vielversprechender Ansatz ist der Einsatz von Filtern. Diese definieren eine Untermenge des Datenmodells durch die Angabe von Auswahlkriterien. Der Fachexperte hat somit die Möglichkeit, eine handhabbare Untermenge des Datenmodells auszuwählen, die er im Kontext einer bestimmten Disziplin bear- beitet. Designing a conceptual aircraft model is a multi-disciplinary ac- tivity that requires the coordination of contributions from several discipline experts. Usually these contributions are created by using discipline specific software tools, a practice that results in an over- all design that is fragmented into several data models. From a data management point of view, the use of fragmented data models has several disadvantages, including the lack of effective means to ensure the overall designs’ consistency. The use of an integrated data management approach, where all data models are merged into a single integrated data model, avoids these disadvantages. Bauhaus Luftfahrt is applying this ap- proach in its work on OpenCDT, an open source tool for integrated data management. While this approach has a positive impact on ensuring the data models’ consistency, it will, when applied with- out further refinements, reduce the usability for discipline-specific users due to the data models’ increased size and complexity. In order to increase the usability of integrated data sets, Bauhaus Luftfahrt in 2012 has looked at how to support discipline experts in handling this complexity. A promising approach that has been implemented and tested in OpenCDT is the use of filters. A filter defines a subset of the integrated data model by specifying selection criteria. A discipline expert can, thus, define manageable subsets that are manipulated in a given discipline context. 88 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

Data model A 3 Methoden und Prozesse Methods and processes Subset A2 Subset A1 Beispielhafte Darstellung des vom Bauhaus Luftfahrt angewandten Ansatzes zur Filterung: Das Datenmodell A enthält sieben Elemente mit Attributen, die durch unterschiedliche Formen visualisiert sind. Zwei Untermengen werden durch zwei Filter erzeugt, die jeweils eine Eigenschaft der Formen, welche die Attribute visuali- sieren, als Selektionskriterium benutzen: einen Winkel und einen Bogen. Die Untermenge A1 besteht aus allen Elementen, deren Attribute durch eine Form visualisiert sind, die zwei oder mehrere Winkel enthält. Die Untermenge A2 besteht aus Elementen mit Formen, die mindestens einen Bogen enthalten. Exemplary depiction of the filtering approach employed by Bauhaus Luftfahrt: Data model A contains seven elements with attributes that are visualised by individual shapes. Two subsets are produced by applying different filters, using two characteristics of the shapes that visualise the attributes as the selection criteria: an angle and an arc. Subset A1 contains all elements the attributes of which are visualised by shapes containing two or more angles. Subset A2 contains all elements with shapes containing at least one arc. Eine Bildschirmansicht aus OpenCDT, welche die Verwendung von Filtern zeigt: Das integrier- te Datenmodell ist links in der Ansicht „Naviga- tor“ zu sehen. Eine Untermenge, die nur aus den Komponenten Flügel und Triebwerk mit all ihren Attributen besteht, wird in der Ansicht „wing and engine“ in der Mitte des Bildschirms gezeigt. Die Ansicht „Properties“ im unteren Bereich des Bildschirms zeigt die Definition eines Filters für die Selektion der Komponente Flügel und all ihrer Attribute. OpenCDT ist unter www.opencdt.org zum Download verfügbar. A screenshot showing filters in OpenCDT: The integrated data model is shown in the “Navigator” view on the left. A subset containing only attrib- utes that describe the wing and the engine com- ponent is shown in the “wing and engine” view in the middle. The definition of a filter for selecting all attributes that belong to the component “wing” is shown in the “Properties” view at the bottom. OpenCDT is available for download from www.opencdt.org . Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 89

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Die Verteilung von Entwicklungsaufwand durch OpenSourceSoftware Open source software and the distribution of development effort Der Entwurf und die Bewertung von flexiblen und unkonventionel- len Flugzeugkonfigurationen sowie die Kollaboration im multidiszi- plinären Entwurfsprozess treiben die Entwicklung von neuen Soft- warewerkzeugen für den konzeptionellen Flugzeugentwurf voran. Die nachhaltige Entwicklung derartiger Softwarewerkzeuge überschreitet die Kapazitäten und Fähigkeiten vieler Forschungs- einrichtungen und Unternehmen. Bauhaus Luftfahrt wirbt daher für eine breite Zusammenarbeit in der Entwicklung neuer Soft- warewerkzeuge zur Aufteilung des Aufwands und zur Vereinigung der jeweiligen Kompetenzen. Einen ersten Schritt auf dem Weg dorthin stellt die Etablie- rung eines standardisierten Frameworks für Flugzeugentwurfssoft- ware dar. Dieses Framework sieht die Trennung von Softwarewerk- zeugen in Basisdienste wie Daten- oder Prozessmanagement und separate Module mit erweiterter oder proprietärer Funktionalität vor. In einem zweiten Schritt folgt die kollaborative Entwicklung der Basisdienste sowie anderer geteilter Module und deren Ver- öffentlichung als Open-Source-Software (OSS). Die gemeinschaft- liche Entwicklung und Pflege von OSS erlaubt dabei die Verteilung des Aufwands und die Vereinigung der jeweiligen Kompetenzen. Diese Vorgehensweise, für die sich das Bauhaus Luftfahrt einsetzt, ermöglicht es Organisationen, eine besonders nachhal- tige Strategie für die Entwicklung von Softwarewerkzeugen zu bil- den. Die Wiederverwendung von Basisdiensten hat das Potenzial, deren Entwicklungsaufwand zu reduzieren und die so frei gewor- denen Entwicklungsressourcen für die jeweiligen Kernkompeten- zen aufzuwenden. The trends that drive the development of new software tools for conceptual aircraft design include the demand for increased flexibility to model unconventional aircraft configurations, and for collaborative design features supporting multi-disciplinary design approaches. The development of software tools that sustainably address these trends exceeds the capacities and capabilities of many or- ganisations, both in industry and academia. Therefore, Bauhaus Luftfahrt promotes a broad collaboration in the development of software tools for the mutual benefit of distributed effort and shared competencies. In the first step of this approach a standard framework for software tools for aircraft design is established. This framework aims for the separation of software tools into basic services such as general data management or process management, and sepa- rate modules enclosing advanced or proprietary functionality. In a second step, basic services and other shared modules are devel- oped collaboratively and released as open source software (OSS). The community-driven development and maintenance of OSS ena- bles the distribution of effort and pooling of competencies. This approach, which is promoted by Bauhaus Luftfahrt, ena- bles organisations to develop a truly sustainable strategy for soft- ware tool development. Reusing basic services has the potential to reduce their development effort and to spend the freed develop- ment resources on their respective core competencies. 90 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Module 1 … Module n Module library Process management Data management Model and process library Ein standardisiertes Framework für Flugzeugentwurfssoftware: Dieses Framework ermöglicht die kollaborative Entwicklung von Open-Source-Software und geteilten Modulen für Basisdienste sowie die Entwicklung von Modulen mit proprietärer Funktionalität. A standard framework for software tools used in conceptual aircraft design: The framework supports the collaborative development of basic services that are released either as open source or as shared modules, and of modules enclosing advanced proprietary functionality. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 91

ACARE: Eine Strategie für Luftfahrt-Forschung und Innovation in Europa ACARE: A strategic agenda for aviation research and innovation in Europe In dem sogenannten Flightpath 2050Dokument haben hochrangige Vertreter der europäischen Luftfahrt ihre Vision formuliert, unterstützt von der Europäischen Kommission. Highlevel aviation representatives have published their longterm vision for European aviation in the socalled Flightpath 2050 document supported by the European Commission. Zentrale Ziele sind die Erfüllung der Mobilitätsbedürfnisse der Ge- sellschaft sowie die Beibehaltung der globalen Führungsrolle der europäischen Luftfahrtindustrie. Auf der Basis dieser Vision hat ACARE (Advisory Council for Aviation Research and Innovation in Europe) auf der Luftfahrtschau ILA 2012 in Berlin ihre Strategic Re- search & Innovation Agenda (SRIA) veröffentlicht. Die SRIA stellt Entwicklungen dar, die es ermöglichen, die Flightpath 2050-Ziele zu erfüllen, gegliedert in kurz- (bis 2020), mittel- (bis 2035) und langfristige Ziele (bis 2050). Bauhaus Luftfahrt war an allen fünf ACARE-Arbeitsgruppen zur Erstellung der SRIA aktiv beteiligt und hat zudem das Cluster „Gesellschaftliche Erwartungen“ der Arbeitsgruppe „Safety and Security“ geleitet. Die Arbeitsgruppen waren analog zu den in Flightpath 2050 identifizierten Herausforderungen strukturiert: » » » Erfüllung von gesellschaftlichen und Marktanforderungen Beibehaltung und Erweiterung der industriellen Führungsrolle Schutz der Umwelt sowie Sicherstellung der Energieversorgung » Gewährleistung von Safety und Security » Priorisierung von Forschung, experimentellen Fähigkeiten und Ausbildung. Durch seine besondere Erfahrung im Hinblick auf langfristige Ent- wicklungen der Luftfahrt sowie die Expertise in verschiedensten Disziplinen konnte das Bauhaus Luftfahrt zur erfolgreichen Gestal- tung der Strategie beitragen. The main objectives identified in Flightpath 2050 are to serve so- ciety’s needs for air transport and to maintain global leadership in the aviation sector. Drawing on this vision, the Advisory Council for Aviation Research and Innovation in Europe (ACARE) launched a Strategic Research & Innovation Agenda (SRIA) at the ILA Berlin Air Show 2012. The SRIA outlines developments that will en- able the vision to be achieved, structured according to three time scales: short-term (to 2020), medium-term (to 2035) and long-term (to 2050). Bauhaus Luftfahrt actively contributed to all five working groups developing the SRIA and led the cluster “Societal Expecta- tions” in the working group “Safety and Security”. The working groups were structured according to the major challenges identi- fied in Flightpath 2050: » Meeting market and societal needs » » » » Maintaining and extending industrial leadership Protecting the environment and the energy supply Ensuring safety and security Prioritising research, testing capabilities and education. Bauhaus Luftfahrt’s specific experience regarding long-term deve- lopments within the air transport system as well as its expertise in multiple disciplines contributed to the successful realisation of the roadmap. 94 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

Munich Aerospace: Leitthema Aviation Management erfolgreich etabliert Munich Aerospace: Core topic Aviation Management successfully established Munich Aerospace ist auch 2012 wieder kontinuierlich gewachsen. Munich Aerospace experienced continuous growth in 2012 as well. Neben ihren mittlerweile über 20 Stipendiaten vernetzt die Fakul- tät für Luft- und Raumfahrt nun insgesamt elf Forschergruppen an 23 Instituten und Lehrstühlen. Sie arbeiten an den nunmehr fünf etablierten Leitthemen von Munich Aerospace. Das Bauhaus Luftfahrt ist unter anderem im Rahmen des Leit- themas Aviation Management aktiv und leitet hier die Forscher- gruppe „Operationelle Modellierung, Simulation und Optimierung intermodaler Knoten im Luftverkehr“. Als Partner beteiligen sich zudem der Lehrstuhl für Luftfahrtsysteme der Technischen Uni- versität München sowie das Institut für Theoretische Informatik, Mathematik und Operations Research der Universität der Bundes- wehr München an dieser Forschergruppe. Ziel ihres Vorhabens ist der Aufbau einer operationellen Bewertungsfähigkeit für neue Flughafenkonzepte und -prozesse. Vor dem Hintergrund einer zunehmenden Vernetzung von strategi- schen Entwicklungen mit operationellen Aspekten des Flughafen- betriebs können Potenziale entwickelter Lösungsansätze nur auf Gesamtsystemebene erforscht und beurteilt werden. Die Arbeiten der Forschergruppe gliedern sich in drei Bereiche: die strategische, die operationelle sowie die Technologie-Ebene. Im Rahmen des Leitthemas werden interdisziplinäre Lösungsansätze entwickelt, welche die verschiedenen Bereiche inhaltlich sowie methodisch verbinden. Auf diese Weise wird der sukzessive Aufbau einer Ge- samtprozesssicht für das Flughafenumfeld ermöglicht und so ein Beitrag zur Prozessoptimierung und Entscheidungsfindung geleistet. Besides its more than 20 scholars the faculty for aerospace now closely links eleven research groups within a network of 23 insti- tutes and university chairs. Their research work is centred around five core topics established for Munich Aerospace. Among others, Bauhaus Luftfahrt plays an active role in the core topic Aviation Management in which it leads the research group “Operational Modelling, Simulation and Optimisation of Intermodal Nodes in Aviation“. The other partners within this group are the Institute for Aircraft Design of Technische Univer- sität München as well as the Institute for Theoretical Computer Science, Mathematics and Operations Research of Universität der Bundeswehr München. The purpose of this group is to establish assessment capabili- ties for new airport concepts and processes. The increasing level of interconnections between different aspects of airport opera- tions such as strategic developments and operational structures requires an integrated system approach. This ensures a thorough analysis and assessment regarding the potential of developed so- lutions. The activities of the research group are split in the stra- tegic, operational and technological level. Within these areas, interdisciplinary solutions are developed which link the diverse technical and methodological competencies of the research group. This facilitates the successive build-up of an integrated system ap- proach for the airport environment. It hence contributes to the optimisation of processes and supports informed decision making. 96 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

Strategic level Anaylsis of drivers and development of scenarios to specify requirements for the air transport system Socio-economic drivers and air transport scenarios Derivation of requirements for the air transport system Today Future Operational level Analysis and modelling of processes of different stakeholders as well as operational aspects within the air transport system Passenger and cargo processes Fleet developments and route networks Business models (airline and airport) Technological level Analysis and assessment of innovative technologies for the optimisation of the air transport system Economic sustainability (cost) Ecologic sustainability (noise and emissions) Airport capacity (landside and airside) Integrated system approach … … Die Arbeitsebenen der Forschergruppe „Operationelle Modellierung, Simulation und Optimierung intermodaler Knoten im Luftverkehr“: Das Bauhaus Luft- fahrt und seine Projektpartner entwickeln interdisziplinäre Lösungsansätze, welche die verschiedenen inhaltlichen sowie methodischen Kompetenzen der Forscher- gruppe zu einer Gesamtprozesssicht verbinden. The different assessment levels of Munich Aerospace's research group “Operational Modelling, Simulation and Optimisation of Intermodal Nodes in Aviation“: Bauhaus Luftfahrt and its project partners work on interdisciplinary solutions which combine the diverse technical and methodological competencies of the research group into an integrated system approach. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 97

aireg: Bauhaus Luftfahrt leitet den Arbeitskreis Nachhaltigkeit aireg: Bauhaus Luftfahrt leading the sustainability working group Auch 2012 hat aireg wieder viele Schritte unternommen, um das führende deutsche Netzwerk im Bereich alternativer Kraftstoffe aufzubauen. In 2012, aireg has advanced further on its way to becoming the leading network in the field of alternative fuels in Germany. In der 2011 ins Leben gerufenen „Aviation Initiative for Renewable Energy in Germany e.V.“ (aireg) sollen nationale Anstrengungen in Wissenschaft und Forschung gebündelt und die Expertise ent- lang der gesamten Wertschöpfungskette vereint werden. In seiner Rolle als Gründungsmitglied der Initiative, als Mitglied in allen Arbeitskreisen und durch den Vorsitz im Arbeitskreis Nachhaltig- keit hat sich auch das Bauhaus Luftfahrt 2012 wieder aktiv in die Entwicklung von aireg eingebracht. So war es für die Ausarbeitung der Themen „Ökologische Herausforderungen und Reduktionsziele“ sowie „Nachhaltigkeits- kriterien und die wesentlichen Prämissen der Nachhaltigkeit“ des aireg-Strategiepapiers 2012 verantwortlich. Außerdem leistete das Bauhaus Luftfahrt einen starken Beitrag zu einem aireg-For- schungsantrag, in dem der Einsatz von Biokraftstoffen und deren Beitrag zur Senkung der CO2-Emissionen im Luftverkehr abge- schätzt werden. Das hieraus entstandene Forschungsprojekt wird durch das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwick- lung (BMVBS) seit Ende 2012 gefördert. Zudem vertritt das Bauhaus Luftfahrt auch international die Interessen von aireg in der ICAO SUSTAF (Sustainable Alternative Fuels for Aviation) Expertengruppe, die Empfehlungen zur Unter- stützung der weltweiten Entwicklung und des Einsatzes nachhalti- ger alternativer Flugkraftstoffe erarbeitet. Since its foundation in 2011, national efforts in research and de- velopment as well as expertise of different stakeholders along the entire value chain have been pooled in the “Aviation Initiative for Renewable Energy in Germany e.V.“ (aireg). In its role as a foun- ding member of the initiative, its representation in all of the five working groups and its leading role in the sustainability working group, Bauhaus Luftfahrt again played an active part in the deve- lopment of aireg in 2012. Among many other things, it was responsible for elaborat- ing the key topics for the aireg strategy paper published in mid- 2012, namely “Ecological challenges and reduction targets” and “Sustainability principles and premises of sustainability”. Bauhaus Luftfahrt also played a key role in the development of a project proposal for aireg, aiming at estimating the impact of biofuels to CO2 emission reductions in aviation. This project is funded by the Federal Ministry of Transport, Building and Urban Development (BMVBS) since the end of 2012. Furthermore, Bauhaus Luftfahrt represents aireg internation- ally in the ICAO SUSTAF (Sustainable Alternative Fuels for Avia- tion) expert group, supporting the development of recommenda- tions to further facilitate the global development and deployment of sustainable alternative fuels for aviation. 98 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

C02 life cycle of fossil fuels Extraction Transport Refining Transport Distribution at airport Flight C02 life cycle of biofuels Flight Feedstock growth (crops and algae) Transport Distribution at airport Refining Processing In der vom Bauhaus Luftfahrt geleiteten airegArbeitsgruppe „Nachhaltigkeit“ wird die CO2Produktion über den gesamten Lebenszyklus eines Kraftstoffes betrachtet: Bei der Produktion von fossilem Kerosin wird derzeit an jedem Schritt der Wertschöpfungskette Kohlendioxid emittiert. Der große Vorteil von Bioflugkraftstoffen ist, dass diese Emissionen zu Beginn der Wertschöpfung, das heißt beim Anbau der Biomasse, in den Pflanzen gespeichert und somit absorbiert werden können. Somit entstünde ein geschlossener Kreislauf, bei dem kein zusätzliches fossiles CO2 in die Atmosphäre gelangt. In aireg's sustainability working group led by Bauhaus Luftfahrt, the complete life cycle of aviation fuels is taken into account when analysing the overall CO2 emissions: In the production of fossil kerosene, carbon dioxide is emitted at every stage of the supply chain. The advantage of biofuels is that these emissions are reabsorbed when feedstock is cultivated as a renewable biomass. In this case, a closed loop would be created in which no additional fossil CO2 is released into the atmosphere. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 99

102

Finanzen Financial figures Das Bauhaus Luftfahrt konnte sich im Geschäftsjahr 2012 stabil entwickeln. Die IABG als neues Mitglied erhöhte die Mitgliedsbei- träge auf nunmehr 876.000 Euro. Darüber hinaus sind die Erträge aus Aufträgen und Kooperationen mit den Industriepartnern auf 1,48 Mio. Euro angestiegen. Aufgrund des ausgefallenen nationa- len zivilen Luftfahrtforschungsprogramms des Bundes (LuFo) und der deutlichen Überzeichnung bei EU-Projektanträgen haben sich die Erträge aus EU- und bundesgeförderten Projekten um 189.000 Euro auf 149.000 Euro rückläufig entwickelt. Für das Jahr 2013 plant das Bauhaus Luftfahrt mit einer Zunahme bei den Drittmit- teleinnahmen aus Förderprojekten auf rund 810.000 Euro sowie aus Kooperations- und Verbundforschungsprojekten auf rund 1,9 Mio. Euro. During the fiscal year 2012, Bauhaus Luftfahrt once again experi- enced a solid development. As a result of IABG joining the ranks as the newest partner, membership fees increased to 876,000 euros. Moreover, the earnings from projects and cooperations with the industrial partners rose to 1.48 m euros. Due to the postponement of the German federal civil aviation research programme (LuFo) and an explicit oversubscription in research calls to the European Union, earnings from European and federally funded projects have dropped by 189,000 euros to 149,000 euros. For the year 2013, Bauhaus Luftfahrt expects an increase in third-party funds to roughly 810,000 euros alongside 1.9 m euros from cooperations and integrated research projects. Umsatzerlöse / Revenues 5 .000 .000 4 .500 .000 4 .000 .000 3 .500 .000 3 .000 .000 2 .500 .000 2 .000 .000 1 .500 .000 1 .000 .000 500 .000 0 Forschungsaufträge Research contracts (€) Bund / EU Federal / European funds (€) Mitgliedsbeiträge Membership fees (€) 2010 2011 2012 1 .401 .705 1 .436 .420 1 .480 .204 508 .254 338 .202 148 .956 750 .600 750 .600 875 .600 Zuschüsse Freistaat Bayern Grants from the Free State of Bavaria (€) 1 .500 .000 1 .500 .000 1 .500 .000 2010 2011 2012 102 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

103

Personal Personnel Die stabile finanzielle Entwicklung ermöglichte es dem Bauhaus Luftfahrt, auch im Jahr 2012 gezielt in hochqualifiziertes wissen- schaftliches Personal zu investieren. So konnten im Jahresverlauf zusätzliche acht Mitarbeiter für das Bauhaus Luftfahrt gewonnen werden. Dieser Personalaufbau erfolgte schwerpunktmäßig in den wissenschaftlichen Teams. Das Bauhaus Luftfahrt konnte dadurch seine Kompetenzen deutlich stärken. Im Jahresdurchschnitt wa- ren am Bauhaus Luftfahrt 40 Mitarbeiter beschäftigt. Hinzu kamen insgesamt 25 Studenten, die ihre Semester-, Bachelor- oder Dip- lomarbeit in Zusammenarbeit mit dem Bauhaus Luftfahrt geschrie- ben haben. Der Anteil der Wissenschaftlerinnen blieb mit rund 21 Prozent konstant. In Abhängigkeit von der finanziellen Entwicklung des Bauhaus Luftfahrt sollen auch im Jahr 2013 selektiv Nach- wuchskräfte gewonnen werden. The solid financial development in 2012 allowed Bauhaus Luftfahrt to invest systematically in highly qualified academic personnel. Hence, another eight additional employees could be recruited. This personnel ramp-up mainly took place in the scientific teams, help- ing Bauhaus Luftfahrt to further expand its competences in this field. On annual average, 40 persons were employed at Bauhaus Luftfahrt, amended by an overall 25 students working on their term papers, bachelor or diploma theses. The percentage of female sci- entists remained stable at approximately 21 percent. Depending on the funding situation, Bauhaus Luftfahrt is planning to selec- tively acquire additional researchers in 2013. Mitarbeiter (Jahresdurchschnitt) / Employees (year average) Vorstand Executives Verwaltung Administration Wissenschaftler Scientists Studenten Students 2010 2 5 22 13 2011 2 6 21 29 2012 2 9 29 25 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 103

104

Wissenschaftliche Veröffentlichungen / Patente Scientific publications / Patents Zeitschriftenaufsätze / Journal articles 2012 03.2012 04.2012 05.2012 07.2012 10.2011 12.2012 Futures | Vol. 44, No. 4 A Scenario-Based Approach to Airport Security M. Cole, A. Kuhlmann Canadian Aeronautics and Space Journal | Vol. 58, No. 1 | DOI: 10.5589/q12003 Integrated Flight Control System Development using CEASIOM C.S. Beaverstock, T.S. Richardson, A. Maheri, A.T. Isikveren Aircraft Engineering and Aerospace Technology | Vol. 84, No. 3 The Case for Open Source Software in Aeronautics S. Ziemer, G. Stenz AIAA Journal of Aircraft | Vol. 49, No. 4 | DOI: 10.2514/1.C031499 Multi-objective Optimization for the Multi-Phase Design of Active Polymorphing Wings D.D. Smith, R.M. Ajaj, A.T. Isikveren, M.I. Friswell Journal of Intelligent Material Systems and Structures | DOI: 10.1177/1045389X12444493 Dynamic Modelling and Actuation of the Adaptive Torsion Wing R.M. Ajaj, M.I. Friswell, W.G. Dettmer, G. Allegri, A.T. Isikveren The Aeronautical Journal | Vol. 116, No. 1184 Performance and Control Optimization of a UAV Using the Adaptive Torsion Wing R.M. Ajaj, M.I. Friswell, W.G. Dettmer, G. Allegri, A.T. Isikveren Aerospace Science and Technology Journal | DOI: 10.1016/j.ast.2012.12.002 The Zigzag Wingbox for a Span Morphing Wing R.M. Ajaj, E.I. Saavedra Flores, M.I. Friswell, A.T. Isikveren, G. Allegri, W.G. Dettmer, B.K.S. Woods Buchbeiträge / Book contributions 2012 05.2012 S.D. Eppinger, T.R. Browning, Design Structure Matrix Methods and Applications | MIT Press | ISBN 9780262017527 Airport Security System M. Cole, M. Maurer Konferenzbeiträge / Conference papers 2012 03.2012 IEEE Aeronautics 2012 / Big Sky Towards a Continuous Build-up Process of a Reusable Requirements-based System Model M. Glas, S. Sartorius On the Adoption of Open Source Software in Aeronautics S. Ziemer On Development Environments for Aircraft Modeling S. Prochnow, G. Stenz, S. Ziemer 104 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

105

04.2012 53rd AIAA Structures, Structural Dynamics, and Materials and Colocated Conferences | Honolulu Optimum Design of a PID Controller for the Adaptive Torsion Wing Using GA R.M. Ajaj, M.I. Friswell, W.G. Dettmer, G. Allegri, A.T. Isikveren Span Morphing: A Conceptual Design Study R.M. Ajaj, M.I. Friswell, E.I. Saavedra Flores, O. Little, A.T. Isikveren Hierarchical Approach for Conceptual Design of Morphing Devices M. Pleißner, M. Trapani, A.T. Isikveren, M. Hornung, R. Ajaj, M. Friswell, J. Wittmann, H. Baier 09.2012 ÖkobilanzWerkstatt 2012 | Stuttgart Alternatives to Conventional CFRP O. Boegler Mikroalgenkultivierung zur Produktion alternativer Kraftstoffe für die Luftfahrt C. Endres Zweistufiger solarer thermochemischer Prozess zur Herstellung nachhaltiger Kraftstoffe für die Luftfahrt C. Falter 09.2012 61. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress | Berlin Future Developments Regarding the Air Cargo Market – A Scenario-based Analysis A. Reinhold, A. Kuhlmann, A. Becker, P. Phleps Drivers and Elements of Future Airborne Communication Networks K.-D. Büchter, A. Reinhold, G. Stenz and A. Sizmann Renewable Aviation Fuels - Assessment of Three Selected Fuel Production Pathways C. Endres, C. Falter, A. Roth, F. Riegel, A. Sizmann Fundamental Prerequisites for Electric Flying H. Kuhn, A. Sizmann Challenges for Collaborative Data Management in an MDAO Process D. Böhnke, E. Moerland, D. Seider, M. Kunde, M. Litz, S. Ziemer, G. Stenz Modelling Approach with Versatile Filtering Capabilities S. Ziemer Application of Agile Methods in Conceptual Aircraft Design M. Glas, A. Seitz Preliminary Investigation of a Self-trimming Non-planar Wing Using Adaptive Utilities M. Trapani, M. Pleißner, A.T. Isikveren, K. Wieczorek Performance and Sizing of Transport Aircraft Employing Electrically-Powered Distributed Propulsion H.-J. Steiner, P. Vratny, C. Gologan, K. Wieczorek, A.T. Isikveren, M. Hornung Electrically Powered Propulsion: Comparison and Contrast to Gas Turbines A. Seitz, O. Schmitz, A.T. Isikveren, M. Hornung Conceptual Studies of Universally-Electric Systems Architectures Suitable for Transport Aircraft A.T. Isikveren, A. Seitz, P. Vratny, C. Pornet, K.O. Plötner Influence of Aircraft Parameters on Aircraft Market Price K.O. Plötner, M. Cole, M. Hornung, A.T. Isikveren, P. Wesseler, C. Essling 28th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences | Brisbane Shielding Cosmic Radiation in Air Traffic L. Schrempp, A. Sizmann Progress and Perspectives of Electric Air Transport H. Kuhn, A. Seitz, L. Lorenz, A.T. Isikveren, A. Sizmann Multi-disciplinary Design and Feasibility Study of Distributed Propulsion Systems H.-J. Steiner, A. Seitz, K. Wieczorek, K.O. Plötner, A.T. Isikveren, M. Hornung 3rd Aircraft Structural Design Conference | Delft Panoramic Passenger Windows Applied to Transport Aircraft D. Empl, R. Wehrle, M. Trapani, M. Pleißner, K. Plötner, N. Hofheinz, H. Baier 09.2012 10.2012 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 105

106

Wissenschaftliche Veröffentlichungen / Patente Scientific publications / Patents Studienarbeiten / Diploma or bachelor theses and term papers Visionäre Flugzeugkonzepte / Visionary Aircraft Concepts Wingbox Mass Prediction Considering Quasi-Static Nonlinear Aeroelasticity K. Seywald / 01.2012 > Diplomarbeit / Diploma thesis > Semesterarbeit / Term paper Evaluation of the CFD Code OpenFoam with Respect to Incompressible and Compressible Airfoil Analysis J. Trosky / 03.2012 > Masterarbeit / Master's thesis Analysis and Design Study of a Boundary Layer Ingesting Propulsive Fuselage Concept Using OpenFOAM L. van Dyck / 08.2012 > Diplomarbeit / Diploma thesis Scenario-Based Life-Cycle-Cost Assessment of Future Air Transport Concepts M. Schmidt / 10.2012 > Semesterarbeit / Term paper Techno-economic Analysis of Jet Fuel Production from Phototrophic Microalgae C. Soyk / 07.2012 Zukunftstechnologien und Ökologie der Luftfahrt / Future Technologies and Ecology of Aviation Dissertationen / Dissertations > Technische Universität München Advanced Methods for Propulsion System Integration in Aircraft Conceptual Design A. Seitz / 01.2012 106 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

107

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 B4 > Deutsches Patent- und Markenamt, München > „Flugzeugantriebssystem“ > Erfinder / Inventor: A. Seitz Status: Erteilungsbeschluss vom 5. Oktober 2010 DE 102012015104.7 > Deutsches Patent- und Markenamt, München > „Fahrzeugtriebwerk, Fahrzeug mit diesem Fahrzeugtriebwerk und Verfahren zum Betrieb dieses Fahrzeugtriebwerkes“ > Erfinder / Inventor: O. Schmitz Status: Patentanmeldung am 30. Juli 2012 / Submitted July 30th, 2012 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 107

111

Impressum Imprint Bauhaus Luftfahrt Jahrbuch 2012 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 Kubinska & Hofmann, München Petra Rödl, Ingolstadt Johannes Wolko, Pforzheim ediundsepp Gestaltungsgesellschaft, München Seite 21: © Lars Lindblad; shutterstock.com Seite 23 (oben): © PHOTOERICK, fotolia.de Seite 23 (mitte): © Bos11, shutterstock.com Seite 23 (unten): © raulbaenacasado, iStockphoto.com Seite 25: © virtua73, fotolia.de Seite 64: © Photographer: Jens Görlich, Lufthansa AG Seite 91: © Fineas, fotolio.de Gestaltung / Layout ediundsepp Gestaltungsgesellschaft, München Lektorat / Lectorate Beate Warcholik (MCIL) (BDÜ) BW Translations Druck / Print Druckerei Johannes Walch GmbH Auflage / Circulation 750 Exemplare / 750 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. 111