04 foreword chairman of the board - - Dr. Rainer Martens Beiratsvorsitzender Chairman of the Board Sehr geehrte Damen und Herren Mein ganz persönlicher Rückblick auf Bauhaus Luftfahrt im Jahr 2015 ist geprägt vom Abend des 8. Oktober. An diesem Abend feierten wir das 10-jährige Bestehen dieser in Europa einzigartigen interdisziplinären Luftfahrt- Forschungseinrichtung. Die Feierlichkeiten fanden auf dem Ludwig Bölkow Campus in Ottobrunn bei München auf dem Gelände der IABG Industrieanlagen-Betriebs- gesellschaft in Anwesenheit zahlreicher hochrangiger Vertreter aus Wissenschaft, Politik und Industrie statt. Ebenfalls unter den Gästen waren die aktiven und ehe- maligen Mitarbeiter von Bauhaus Luftfahrt, denen der Festredner Dr. Thomas Enders, CEO der Airbus Group und Mitbegründer von Bauhaus Luftfahrt, nicht nur seinen besonderen Dank für das Erreichte aussprach, sondern auch den Gründungsgedanken „die Art zu fliegen neu zu denken“ noch einmal in Erinnerung rief. Ganz in diesem Sinne soll Bauhaus Luftfahrt auch in Zukunft das komplexe System des Luftverkehrs aus verschiedenen Perspektiven betrachten und als Impuls- geber für wesentliche Trends und Entwicklungen fun- gieren. Ich bin überzeugt, dass sein interdisziplinärer

08 mission statement 06 foreword directors Insa Ottensmann Vorstand Finanzen und Organisation Executive Director Finance and Organisation Prof. Dr. Mirko Hornung Vorstand Wissenschaft und Technik Executive Director Research and Technology Max Mustermann Fachbereich Lorem ipsum dolorset

08 contents energy technologies & power systems alternative fuels technology radar systems & aircraft technologies operations editorial Vorwort Beiratsvorsitzender Vorwort Vorstände Highlights 2015 Mission 04 06 10 12 Foreword Chairman of the Board Foreword Directors Highlights 2015 Mission Statistiken 60 Facts and figures Impressum 70 Imprint technology radar Strategien zur Entwicklung erneuerbarer Hochleistungscarbonfasern Topologieoptimierung fliegender Kommunikationsnetzwerke 16 18 Strategies for developing renewable high-performance carbon fibres Topology optimisation of airborne communication networks

10 mission statement highlights 2015 Im Oktober 2015 feierte Bauhaus Luftfahrt auf dem Ludwig Bölkow Campus in Ottobrunn bei München sein 10-jähriges Bestehen als interdisziplinäre Luftfahrt- Forschungseinrichtung. Unter den 200 Festgästen waren auch zahlreiche Spitzenvertreter aus Wissenschaft, Politik und Industrie. Die 10-jährige Jubiläums- veranstaltung fand im Rahmen des 2. Bauhaus-Luftfahrt-Symposiums in den Räumen der IABG Industrieanlagen- Betriebsgesellschaft statt. Unter dem Titel der Konferenz „Luftfahrt 2050: Die Zukunft gestalten“ erörterten 200 Wissenschaftler und Luftfahrtexperten aus über 15 Nationen anderthalb Tage lang die zentralen Herausforderungen, wesentlichen Entwicklungen und mögliche Lösungskonzepte für den Luftverkehr in den kommenden Jahrzehnten. In October 2015, Bauhaus Luftfahrt celebrated its 10th anniversary as an interdisciplinary research institution for aviation on Ludwig Boelkow Campus in Ottobrunn near Munich. Among the 200 ceremony guests were also numerous top representatives from the worlds of academia, politics and industry. The 10th anniversary ceremony was held during the 2nd Bauhaus Luftfahrt Symposium in the premises of IABG Industrieanlagen- Betriebsgesellschaft. With its title “Aviation 2050: Shaping the Future”, the conference convened 200 scientists and aviation experts from over 15 nations to discuss the key challenges, key developments and possible solutions for the aviation sector in the coming decades for a day and a half. 1 0 Y E A R S B A U H A U S L U F T F A H R T

12 mission Über Bauhaus Luftfahrt Was treibt die Mobilität von morgen? Welche alternativen Energieoptionen werden langfristig für die Luftfahrt zur Verfügung stehen? Welche Antriebs- und Systemtech- nologien werden die Effizienz zukünftiger Flugzeug- entwürfe weiter verbessern, und werden diese zu voll- ständig neuen Designs führen? Welchen Einfluss werden Informationstechnologien auf zukünftige Produkte und deren Entwicklungsprozesse haben? Entlang dieser und weiterer Fragestellungen analysiert Bauhaus Luftfahrt als Forschungseinrichtung wesentliche Treiber, neue technologische Ansätze sowie innovative Ideen und integriert diese in ganzheitliche Lösungen für die Luftfahrt. Seit mehr als zehn Jahren betrachtet Bauhaus Luftfahrt im Sinne eines Thinktanks Themen aus sehr unterschiedlichen Blickwinkeln: Die 35 Wissenschaftler mit fachlicher Expertise aus Sozialwissenschaft und Ökonomie, Natur- und Ingenieurwissenschaft sowie Infor- matik identifizieren und bewerten erfolgversprechende Ansätze und entwickeln diese, häufig in Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Partnern, als Grund- lage für neue Produktideen und -konzepte weiter. Damit nimmt Bauhaus Luftfahrt eine wichtige Vorreiterrolle ein – als Ideenschmiede, Forschungseinrichtung und Impulsgenerator für Fachwelt, Öffentlichkeit und Politik. Die Luftverkehrsflotte wird sich allen Prognosen nach bis 2050 verdreifachen. Die Ziele 75 % weniger CO2- Ausstoß, deutlich geringere NOX- und Lärmemissionen gegenüber dem Jahr 2000 sind im „Flightpath 2050“ formuliert. Aus dem Luftverkehrswachstum, den „Flightpath 2050“-Zielen und den langen Produktlebens- zyklen von Flugzeugen von bis zu 60 Jahren leitet Bauhaus Luftfahrt seinen Auftrag ab, über die Grenzen herkömmlicher Technologien und Materialien weit hinauszublicken und neue Aspekte zu betrachten. Dabei sollen und können keine Voraussagen getroffen werden, welches das nächste Produkt sein wird. Die Wissen- schaftler erforschen vielmehr neue Technologien und Materialien, zeigen deren Relevanz für zukünftige Ent- wicklungen und schaffen ein Bewusstsein, worin die Potenziale für die Luftfahrt liegen. Die so gewonnenen Erkenntnisse liefern zahlreiche Denk- und Diskussions- anstöße – und das außerhalb der vorhandenen konven- tionellen Forschungs- und Entwicklungslandschaft. Die Herangehensweise, zunächst eine Idee in einem interdisziplinären kreativen Prozess entstehen zu lassen und diese anschließend auf ihre Anwendbarkeit wissen- schaftlich zu überprüfen, macht Bauhaus Luftfahrt als Forschungseinrichtung einzigartig in Deutschland und Europa. Gegründet wurde Bauhaus Luftfahrt e. V. im November 2005 von den drei Luft- und Raumfahrtunter- nehmen Airbus Group, Liebherr-Aerospace und MTU Aero Engines sowie dem Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie. Namensgebend war das „Staatliche Bauhaus“, die fachübergreifende Kunst-, Design- und Architekturschule von Walter Gropius im Weimar und Dessau der 1920er- Jahre. Seit 2012 ergänzt die IABG Industrieanlagen- Betriebsgesellschaft den Kreis namhafter Industriepart- ner. Bauhaus Luftfahrt ist seit 2015 auf dem Ludwig Bölkow Campus in Taufkirchen bei München angesiedelt, dessen Gründungspartner es ist.

14 technology radar echnology radar

16 technology radar Strategien zur Entwicklung erneuer- barer Hochleistungs- carbonfasern In der Luftfahrtindustrie wird mit einem deutlich zunehmenden Bedarf an Carbonfasern für den Flugzeugbau gerechnet. Die Herstellung dieses innovativen Materials über die Schlüsselverbindung Acrylnitril erfolgt derzeit jedoch aus fossilen Roh- stoffen. Die Produktion von Carbonfasern über Acrylnitril aus nachwachsenden Rohstoffen eröffnet hier eine vielversprechende Möglichkeit, indem neue Verfahren zur Acrylnitril-Synthese mit der eta- blierten Faserproduktion kombiniert werden. Dieser Ansatz bietet den Vorteil, dass die eigentliche Her- stellung des Endprodukts unverändert bleibt. Ziel der Untersuchungen hierzu bei Bauhaus Luftfahrt ist es, Entwicklungsstrategien im Bereich erneuerbarer Faserchemie zu erarbeiten. Nachdem eine Anzahl technisch gangbarer Verfahren zur Produktion erneuerbaren Acrylnitrils identifiziert werden konnte, wurden drei Optionen zur näheren Analyse ausgewählt: Glycerol ist ein Nebenprodukt der Biodiesel- herstellung aus Pflanzenölen und daher ein in großen Mengen verfügbarer Rohstoff, der chemisch zu Acrylnitril umsetzbar ist. Ethanol ist ein erneuerbares Massenprodukt, das sich in wenigen Schritten zu Propen umsetzen lässt, einem Ausgangsstoff in der Acrylnitril- Synthese. Eine erste Analyse zeigt jedoch, dass die Konversion von Ethanol zu Propen einen relativ hohen Energieaufwand erfordert. Eine Variante des Ethanol-Pfads ergibt sich aus der Umsetzung von Synthesegas (einer Mischung aus Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid) zu Propen. Synthesegas kann aus einer Vielzahl erneuerbarer Materialien gewonnen werden. Dieser Prozesspfad bietet somit eine hohe Rohstoff-Flexibilität. Im weiteren Verlauf des Vorhabens wird das technologische Potenzial dieser Verfahren im Hin- blick auf Energiebedarf, Emissionen und Kosten evaluiert. 10 um Hochleistungs- carbonfasern sind dünner als ein menschliches Haar (Bild) oder typische Pflanzenfasern. High-performance carbon fibres are thinner than human hair (image) or typical plant fibres. Strategies for developing renewable high-performance carbon fibres The demand for carbon fibres in aircraft development is expected to grow. However, state-of-the-art pro- duction of this innovative material via the key com- pound acrylonitrile is still based on fossil resources. In this context, synthesis via acrylonitrile from renewable resources represents a promising per- spective: It combines novel synthetic routes towards acrylonitrile with the established produc- tion of carbon fibres, thereby leaving the actual production of the final product unchanged. Assess- ment of this approach at Bauhaus Luftfahrt aims at the identification of environmentally and economically viable strategies for the renewable production of carbon fibres. After identification of several technically fea- sible processes yielding renewable acrylonitrile, three most promising options were selected for detailed analysis: Glycerol is a by-product of biodiesel produc- tion from vegetable oil and, hence, available in large quantities. It can be chemically converted into acrylonitrile. Ethanol is a renewable mass commodity and convertible into propene in a few synthesis steps. Propene, in turn, represents the key educt in conventional synthesis of acrylonitrile. However, initial analyses indicated that propene production from ethanol is relatively energy-intensive. An interesting variation of the ethanol path- way results from converting synthesis gas (a mixture of hydrogen and carbon monoxide) into propene. Synthesis gas can be produced from a broad variety of renewable sources, including many types of biomass. Therefore, this process path offers high feedstock flexibility. Future work will focus on the in-depth assess- ment of the performance potentials of these path- ways in terms of energy demand, associated emissions and costs.

18 technology radar Topologieoptimierung fliegender Kommunikations- netzwerke Prognosen der Kommunikationsindustrie sagen weiterhin eine jährliche Verdoppelung des Daten- aufkommens im Mobilfunk voraus. Damit Daten- dienste für die Flugzeugkabine mit der technischen Entwicklung Schritt halten können, werden künftig Lösungen notwendig, die weitaus größere Kapazi- täten als heutige Datenverbindungen bieten. Aus dieser Motivation heraus werden bei Bauhaus Luftfahrt fliegende Kommunikationsnetzwerke mit Laserverbindungen untersucht. Im Konzept sind Flugzeuge nicht nur Datennutzer, die senden und empfangen, sondern sie bilden ein großflächiges Netzwerk, um Daten untereinander zu verteilen. Während das Konzept revolutionäre Verbesserun- gen bezüglich Konnektivität, Bandbreite und Kosten verspricht, stellt die Optimierung der Topologie eine wesentliche Herausforderung dar, insbesondere im Hinblick auf Robustheit und die Anbindung an das Internet. Design und Optimierung dieser Netzwerke setzen ein genaues Verständnis von Technologie- potenzialen und Architekturen voraus. Innerhalb der Rahmenbedingungen, die das Luftverkehrssystem vorgibt, muss das Netzwerk unter Berücksichtigung von Verbindungsdynamik und Datenvolumina auf Konnektivität und Durchsatz optimiert werden. Da sich die räumliche Verteilung der Teilnehmer ständig verändert und Verbindungen aufgrund von Reichweite-Limitierungen und Wettereinflüssen dynamisch wechseln, ist Robustheit eine wesent- liche Voraussetzung, die durch die geschickte Plat- zierung von Internetgateways unterstützt werden kann. Die Auswertung von Bitrate-Entfernungs- statistiken („Flugzeug-zu-X“) zeigt, dass die Umver- teilung von Gateways entlang einer Luftstraße sowohl die Konnektivität als auch Technologie- anforderungen optimieren kann. Das Ergebnis ebnet den Weg zu optimierten Technologie- und Architek- turentscheidungen für zukünftige Implementierungen. Lay Flugzeuge ver- teilen Daten in einem Kommunika- tionsnetzwerk- Cluster, sodass jedes Internet- zugang hat. Data is routed between aircraft forming a commu- nication network cluster, so that all have internet access. Topology optimisation of airborne communication networks Global mobile data traffic continues to double every year according to communication industry’s forecasts. For data services to be available in the aircraft cabin at the future scale of demand, high-bandwidth internet connectivity far beyond today’s capabilities is needed. Therefore, Bau- haus Luftfahrt analyses airborne communication networks based on laser communication. Here, aircraft not just send and receive, but also com- bine, relay and route data traffic, with various modes of ground connection of aggregated data streams. While this concept promises step- change improvements in connectivity, bandwidth and cost, the network topology optimisation remains a major challenge, especially with respect to resilience and terrestrial internet access. Design and optimisation of such networks require a profound understanding of the perfor- mance potentials of technologies and architec- tures. Within the boundaries set by the air traffic system, the network must be optimised with regard to connectivity and throughput, consider- ing link dynamics and data volumes. As the node distribution changes continuously and links may break due to range limitations and weather influ- ence, network resilience is a crucial requisite for the concept, and by careful arrangement of net- work access stations, this requirement can be achieved. The evaluation of bitrate-distance sta- tistics (i. e. air-to-X links) shows that the reloca- tion of access stations along a flight corridor opti- mises connectivity and requirements on individual links. This result provides guidance towards optimised technology and architecture decisions for future implementations.

20 operations

22 operations Entwicklung der Passagiernachfrage und von Airline- Geschäftsmodellen Seit Beginn der kommerziellen Luftfahrt wurden Passagiere in Geschäfts- und Privatreisende unter- teilt. Eine solche Klassifizierung ist jedoch nicht mehr ausreichend, da das Spektrum an Passa- gierbedürfnissen stetig wächst. Dieses wird unter anderem getrieben von aufstrebenden Schwellen- ländern, einer alternden Gesellschaft und einer zunehmenden Digitalisierung des Privat- und Arbeitslebens. Heutzutage werden Passagiere in „urban hoppers“, „culture seekers“ oder „screen- agers“ gruppiert. Die Einteilung basiert nicht länger auf dem Reisegrund, sondern auf unterschiedlichen Bedürfnissen entlang der Reisekette. Eine Studie bei Bauhaus Luftfahrt untersucht diesen Bedürfnis- wandel, definiert neue Passagiergruppen und analysiert daraus resultierende Anforderungen für die verschiedenen Stakeholder in der Luftfahrt. Fluglinien verändern ihre Geschäftsmodelle kontinuierlich, um diesen Ansprüchen gerecht zu werden und neue Einnahmequellen zu erschließen. Beispielsweise erfordert die erfolgreiche Anwen- dung des Low-Cost-Modells auf die Langstrecke eine Fokussierung auf Verbindungen mit hoher Nachfrage, den Einsatz eines einzelnen Flugzeug- typs und eine Kapazitätsoptimierung. Veränderte Passagieranforderungen tragen unter anderem zu einer stärkeren Differenzierung von Geschäfts- modellen im Hinblick auf Angebote, die geogra- fische Abdeckung oder Netzwerkstruktur bei. Eine Bauhaus-Luftfahrt-Studie verwendet viel- fältige Parameter, um neue Geschäftsmodelle wie das des „global niche network carrier“ zu identifizie- ren: Verglichen mit traditionellen Fluggesellschaften wie Lufthansa oder United Airlines wird es von kleineren Fluglinien mit einer auf einen bestimmten Markt ausgerichteten Hub-and-Spoke-Netzwerk- struktur verwirklicht. Zukünftige Reisen sind stärker auf individuelle Passa- gierbedürfnisse zugeschnitten. Future passenger journeys are more tailored to individual expectations. Evolving passenger demand and changing airline business models From the early days of commercial air transport, passengers were mainly classified into business and leisure travellers. However, these traditional distinctions started to blur over the past years and will continue to do so in the future. This is driven, for example, by newly emerging markets, an ageing society and an increasing digitalisation in private and business life. Today, passenger groups are called “urban hoppers”, “culture seek- ers” or “screenagers” and are no longer charac- terised by the purpose of travel but by the varying requirements along their journey. Bauhaus Luft- fahrt investigates these developing future needs and expectations, defines new passenger groups and analyses the resulting requirements for stakeholders in the aviation sector. Airlines continuously evolve their business models to meet these needs and establish new revenue sources. Applying the low-cost model to long-haul routes, for example, requires focusing on routes with high demand, operating a single aircraft type with only one seating class and maxi- mising capacity utilisation as critical success factors. Furthermore, changing passenger require- ments and external conditions lead to an increas- ing differentiation of business models in terms of offered service level, geographical focus or net- work structure. A study at Bauhaus Luftfahrt uses a range of parameters to identify new business model clus- ters such as the “global niche network carrier”: Compared to traditional network carriers like Lufthansa or United Airlines, the cluster comprises smaller airlines operating a hub and spoke net- work and focusing on a particular geographical market.

24 operations Operationelle Schlüssel- faktoren, die zum „Flightpath 2050“ beitragen Key operational enablers of Flightpath 2050 Das prognostizierte Wachstum des weltweiten Passagierverkehrs fordert die beteiligten Akteure, Lösungen für das heutige Luftverkehrssystem zu finden, um die angestrebten langfristigen Ziele zu erfüllen. „Flightpath 2050“- oder ACARE-Ziele sind unter anderem, dass 90 % aller Reisenden inner- halb von vier Stunden ihr Reiseziel erreichen und die Bodenstandzeiten von Flugzeugen um 40 % bis 2050 reduziert werden sollen. Des Weiteren sollen alle Flüge innerhalb einer Minute der geplan- ten Zeit landen bzw. abheben. Besonders große Flughäfen, die sich weit entfernt vom Stadt- zentrum befinden, haben lange Anreisezeiten von Passagieren zur Folge. In Kombination mit einge- planten Pufferzeiten für ungewisse Prozessdauern bei der Sicherheitsüberprüfung erhöht sich die Gesamtreisezeit für den Passagier. Daher ist es notwendig, die Flughafen-Anreisezeit zu reduzieren und eine bessere Vorhersagbarkeit der Prozess- dauern im Terminal zu erreichen. Besonders große internationale Flughäfen operieren während der Stoßzeiten nicht nur an der maximalen Kapazität der Lande- und Startbahn, sondern auch das Vorfeld und die Terminals gelan- gen an die Grenzen ihrer Auslastung. Jede Verzöge- rung durch Störungen in den Bodenprozessen kann zu einer erheblichen Beeinträchtigung des gesam- ten Flughafenbetriebs führen. Rund 45 % der Verspätungen in Europa im Jahr 2013 sind Folgeverspätungen von vorangegangenen Flügen, z. B. durch die verzögerte Ankunft des Flug- zeugs oder der Besatzung. Ein mit 17 % erheblicher Teil der Verspätungen hat seine Ursache im Boden- betrieb, etwa durch Störungen in der Flugzeugab- fertigung, der Passagier- und Gepäckabfertigung, durch Schäden an Flugzeugen oder Verzögerungen im Flugbetrieb. Eine verbesserte Effizienz der Bodenprozesse liefert daher das größte Potenzial, Verspätungen im Flugverkehr auszugleichen. Langfristige Luft- fahrt-Forschungs- ziele: kurze Anreisezeiten zum Flughafen, Pünktlichkeit und Zuverlässigkeit Long-term research goals for aviation: short airport access times, punctuality and reliability The projected uptick in world passenger traffic challenges the stakeholders involved to optimise the current aviation system and find new solutions being able to cope with the promoted goals of international regulators such as Flightpath 2050 and ACARE. Targets are four hours door-to-door for 90 % of travellers, a 40 % reduction of turn-around times by 2050, and the arrival and departure of each aircraft should be accomplished within one minute of the scheduled time. Especially large air- ports are located far from the city centre, resulting in long airport access times for passengers com- bined with buffer times for uncertainties of dura- tions for airport processes like security checks or even unpredictability of airport access times. Therefore, key enablers to reduce overall travel times are a reduction in airport access times, a higher predictability of times accessing the airport and process times inside the terminal. Larger airports, especially hub airports, are not only operating at their maximum runway capacity, also taxiway and gate utilisation reaches its limits, especially during peak hours. Each schedule disrup- tion due to late arrival of aircraft or unreliable and inefficient ground operation processes causes a significant impairment of airport operations. Around 45 % of European delays in 2013 are cascading delays caused by late arrival of aircraft or crew from another flight. With 17 %, a con- siderable amount of delays is caused by ground operation disruptions including aircraft and ramp handling, passenger and baggage handling, resulting damage to aircraft and flight operations. Delays can be most effectively compensated by means of improved ground process efficiency.

26 operations Passagierfluss- simulation PAXelerate in OpenCDT In den frühen Phasen des konzeptionellen Flugzeug- vorentwurfsprozesses ist es wichtig, eine ganzheit- liche Sichtweise auf die treibenden Designpara- meter zu ermöglichen. Die Open-Source-Entwurfs- plattform OpenCDT ermöglicht die Zusammenfüh- rung von Flugzeugdaten und der Funktionalität bestehender Softwaretools. Dies erleichtert die Zusammenarbeit zwischen Teams und bietet große Flexibilität, um auch unkonventionelle Flugzeugkon- zepte entwickeln zu können. Ziel ist die Unterstüt- zung eines kompletten Vorentwurfsprozesses mit variablem Detailgrad durch den flexiblen Einsatz von internen und externen Berechnungsmethoden. Da- rüber hinaus sollen weitere Werkzeuge für Analysen direkt am und um das entworfene Flugzeug nahtlos eingebunden werden können. Die in OpenCDT eingebettete Open-Source- Passagierflusssimulation PAXelerate erlaubt die Bewertung von Flugzeugkabinen als wesentlichem Designfaktor bei der Rumpf- und Flugzeugent- wicklung. Die Simulation basiert auf einem mikros- kopischen Ansatz und nutzt agentenbasierte Model- lierungstechniken. Insbesondere fortschrittliche Flugzeugkonzepte und Kabinenlayouts wurden bislang nicht quantitativ auf ihre operativen Eigen- schaften bewertet, auch wenn diese große Ver- besserungspotenziale in Bezug auf die Gesamt- prozesszeit versprechen. Vergleichsstudien von Passagiergruppen und deren anthropometrischen Eigenschaften, von verschiedenen Boardingstra- tegien und konzeptionellen Flugzeugänderungen, wie der Optimierung der Türdimension und -position, können mit PAXelerate durchgeführt wer- den. Die Simulationsergebnisse erlauben erste Identifikationen von optimalen Kabinenarchitekturen in Bezug auf Ein- und Ausstiegszeiten von Passa- gieren schon während der frühen Phase des konzep- tionellen Flugzeugvorentwurfs. OpenCDT ist eine Open-Source- Software für den Flugzeug- vorentwurf. OpenCDT is an open-source framework for conceptual aircraft design. Passenger flow simulation PAXelerate in OpenCDT During the early stages of conceptual aircraft design processes, it is essential to enable a holistic view on driving design parameters. OpenCDT, as an open-source framework, allows the integration of design data and functionality from existing soft- ware tools, supporting the collaboration between discipline teams and being flexible enough to be adapted for designing unconventional aircraft concepts. As an ultimate goal, a complete design process with a variable grade of detail due to the flexible embedding of internal and external methods is supported. In addition, seamless integration of additional tools is provided to enable analyses in direct communication with the aircraft design task. Fully embedded into the OpenCDT framework, the open-source passenger flow simulation PAXelerate assesses cabin layouts as one of the major aircraft design drivers. The simulation bases on a microscopic approach applying agent-based modelling techniques. Especially advanced aircraft concepts and cabin layouts have not been put under a quantified assessment regarding their operational performance, even if they offer huge potentials for improvement with respect to overall process time. Trade studies regarding passenger composition, anthropometric diversity, airline boarding strategies and aircraft conceptual modifi- cations, such as the optimisation of door dimen- sions and positions, becomes feasible. The simula- tion results permit insights into different cabin design approaches in terms of passenger ingress and egress performance during the early stage of a conceptual aircraft design process.

28 operations Szenarioanalysen zur Cyberabwehr im Luftverkehrssystem Die Nutzung von digitalen Daten und Vernetzung von Computersystemen nimmt auch in der zivilen Luftfahrt kontinuierlich zu. Damit sind Luftverkehrs- akteure wie Fluggesellschaften, Flughäfen und die Flugsicherung über Datenschnittstellen vermehrt miteinander vernetzt und vom sicheren Austausch ihrer Daten zunehmend abhängig. Bauhaus Luftfahrt entwickelt im Rahmen des bayerischen Luftfahrt- forschungsprojekts „Air Traffic Resilience“ (ARIEL) verschiedene Bedrohungsszenarien, um mögliche Auswirkungen auf die operationellen Prozesse des Luftverkehrssystems zu untersuchen. Vier umfassende Szenarien betrachten jeweils unterschiedliche Teilbereiche des Luftverkehrssys- tems und dienen als Grundlage zur Analyse spezi- fischer Angriffsvektoren und Einfallswinkel, sowohl von internen als auch externen Aggressoren. Bei- spielsweise befasst sich ein Szenario mit der inkor- rekten Repräsentation des Luftraums bei Trans- atlantiküberquerungen und an Flughäfen. Dies kann zu einer Beeinträchtigung der Positionsbestimmung eines oder mehrerer Flugzeuge führen, womit die Integrität des betroffenen Luftraums nicht mehr gegeben wäre. Ein zweites Szenario adressiert die potenzielle Verfälschung von im operationellen Kontext relevanten Informationen beim Austausch zwischen zwei Akteuren und den resultierenden Einflüssen auf das gesamte Luftverkehrsnetzwerk. Im Projektkonsortium werden detailliert beschrie- bene Subszenarien anhand ihres Bedrohungs- und Risikopotenzials bewertet. Diese werden zudem in einen Demonstrator überführt, um zu analysieren, wie die Widerstandsfähigkeit des Luftverkehrs in Bezug auf die untersuchten Bedrohungen erhöht werden kann. Cyber resilience scenario analyses for the air transport system The use of digital data and the level of intercon- nection of IT systems are strongly increasing in civil aviation. Consequently, stakeholders of the air transport system like airlines, airports and air traffic control are more and more interlinked and, thus, depend on secure means of data exchange. Within the Bavarian aviation research project “Air Traffic Resilience” (ARIEL), Bauhaus Luftfahrt is developing different cyber-threat scenarios to ana- lyse potential impacts on operational air transport processes. Four comprehensive scenarios address differ- ent segments of the air transport system and serve as a basis for the analysis of specific attack vectors from internal or external aggressors. One scenario, for example, considers an incorrect representation of the airspace during transatlantic flights or near airports. In such a case, the determination of the position of one or more aircraft could be impaired, which would lead to a loss of integrity of the respective airspace. Another scenario addresses a spoofed data link between two air transport stakeholders in an area relevant for safe operation. Here, the entire air transport system could be impacted due to contagion effects. Based on these potential threat scenarios, the project consortium is able to assess potential threats and risks for the air transport system. In the remaining duration of the project the developed scenarios will be transferred to a demonstrator for the purpose of analysing how air traffic resilience could be improved with respect to potential cyber threats. Die zunehmende Nutzung digitaler Daten führt zu einem hohen Vernetzungsgrad des Luftverkehrs- systems. The increasing use of digital data leads to a high level of intercon- nection within the air transport system.

30 alternative fuels

32 alternative fuels Mikroalgen: Standortspezifische Temperatur-Modellierung in Photobioreaktoren Microalgae: Site-specific temperature modelling of photobioreactors Die energetische Nutzung von Mikroalgen ist Gegenstand intensiver Forschungsarbeiten. Neben der Licht- und Nährstoffverfügbarkeit ist die Kulti- vierungstemperatur für das Algenwachstum maß- geblich. Insbesondere das Über- oder Unterschrei- ten der Schwellenwerte 40 °C und 0 °C kann zu signifikanten Produktionseinbußen führen. Die Kenntnis des zeitlichen Verlaufs der Kultivierungs- temperatur ist daher von großer Bedeutung. Wissenschaftler bei Bauhaus Luftfahrt haben ein detailliertes Temperaturmodell für ein Feld verti- kaler Flachplatten-Photobioreaktoren entwickelt. Die Anwendung des Modells auf Standorte in den USA über den Verlauf eines ganzen Jahres und unter Verwendung lokaler Wetterdaten zeigte, dass die Algen starken Temperaturschwankungen ausge- setzt sind. Standorte mit mediterranem Klima (zum Beispiel Santa Barbara, CA) bieten gute Wachs- tumsbedingungen. Im Gegensatz dazu stellen häufig auftretende Temperaturspitzen von über 40 °C in sehr sonnigen und heißen Gegenden eine Heraus- forderung dar (zum Beispiel Phoenix, AZ). Weiterhin zeigte sich als zentrales Ergebnis der Simulation, dass die gegenseitige Abschattung der Reaktoren einen großen Einfluss auf die Reaktortemperatur hat: Temperaturspitzen werden abgeschwächt, was zu einem gleichmäßigeren Temperaturprofil führt. Gleichzeitig bewirkt die Abschattung jedoch eine Verringerung der Lichtintensität im photosynthetisch nutzbaren Spektralbereich. Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Koppe- lung des entwickelten Temperaturmodells mit einem spezifischen Wachstumsmodell für Mikroalgen konzentrieren, um eine Abschätzung der potenziel- len Erträge in Abhängigkeit von Standort, Reaktor- design und Anlagenkonfiguration zu ermöglichen. Flachplatten- Photobio- reaktoren im Algentechnikum auf dem Ludwig Bölkow Campus, Taufkirchen (Foto: Mit freundlicher Genehmigung der Technischen Universität München) Flat panel photobioreactors in the Algen- technikum (algae research facility) on Ludwig Boelkow Campus, Taufkirchen (Photo: Courtesy of Technische Universität München) Cultivation of microalgae as biofuel feedstock is subject to international R&D efforts. In addition to light intensity and nutrient concentration, algal cell growth crucially depends on the temperature of the cultivation medium, and values exceeding 40 °C or below 0 °C can result in heavy yield losses. Detailed knowledge of the cultivation temperature as function of reactor dimensions and geographic location is therefore required. Researchers at Bauhaus Luftfahrt have devel- oped a temperature simulation model for an array of vertical flat panel photobioreactors (PBRs). This model is based on a balance of all relevant heat fluxes, including first-order reflections and mutual shading of reactor panels. Application of the model for potential cultiva- tion sites in the U.S., using local weather data covering an entire year, showed that algae culti- vated in outdoor PBRs are exposed to strong tem- perature variations. Locations with Mediterra- nean climates (for example, Santa Barbara, CA) offer favourable growth conditions. In contrast, frequent occurrence of temperature peaks above 40 °C during summer times renders cultivation at very sunny and hot locations challenging (for example, Phoenix, AZ). It is important to note that mutual shading of reactor panels was found to have a great impact on the reactor temperature: High-temperature peaks are mitigated, resulting in a more homogeneous temperature profile. However, at the same time, shading reduces the intensity of photosynthetically relevant light in the reactor. Future work will focus on coupling the devel- oped temperature model with a specific growth model for microalgae in order to assess potential biomass yields as function of location, reactor design and plant configuration.

34 alternative fuels Ökonomie und Emissionsbilanz solarthermischer Kraftstoffe Im Rahmen des EU-Forschungsprojekts SOLAR-JET1 ist es gelungen, das weltweit erste „solare“ Kerosin zu produzieren. Unter der Leitung von Bauhaus Luftfahrt, das auch das gesamte Projekt koordiniert hat, wurde das ökonomische und ökologische Potenzial des Kraftstoffpfads untersucht.2 Als wichtigste Einflussgrößen auf die Ökonomie und Ökologie der solarthermischen Kerosinherstel- lung wurden ein geeigneter Standort mit hoher Sonneneinstrahlung und die Steigerung des thermo- chemischen Wirkungsgrads identifiziert. Weiterhin haben die Aufwendungen für Konstruktion und Betrieb der Anlage einen großen Einfluss auf die Produktionskosten. Für eine Anlage zur Herstellung von 1000 bbl. solaren Kerosins pro Tag, die ausschließlich Solar- energie nutzt und CO2 aus der Luft gewinnt, werden Produktionskosten von 2,2 € pro Liter Kerosin bei einem Ausstoß von 0,5 kg CO2-Äquivalenten abgeschätzt, was einer Treibhausgasreduktion von 80 % gegenüber konventionellem Kerosin ent- spricht. Dient ein modernes Gaskraftwerk als CO2- Quelle, können die Kosten zwar leicht gesenkt wer- den, die Emissionsbilanz des Kraftstoffs ist dann jedoch schlechter als die der konventionellen Refe- renz. Bei weiteren Effizienzsteigerungen der Techno- logien und optimalen Standortbedingungen erschei- nen Produktionskosten von 1,3 € pro Liter für einen nahezu CO2-neutralen Kraftstoff erreichbar. Es konnte somit gezeigt werden, dass solare Kraftstoffe ein hohes ökonomisches und ökolo- gisches Potenzial besitzen. Die Weiterentwicklung des Prozesses erfolgt im Rahmen des EU-geförder- ten Folgeprojekts SUN-to-LIQUID.1 1 Das Projekt SOLAR-JET (Solar chemical reactor demonstration and Optimization for Long-term Availability of Renewable JET fuel) wird von der Europäischen Union im 7. Forschungsrahmenprogramm (FP7/2007- 2013) unter der Fördernummer 285098 gefördert und das Projekt SUN-to- LIQUID (Integrated solar-thermochemical synthesis of liquid hydrocarbon fuels) im Horizon-2020-Rahmenprogramm für Forschung und Innovation unter der Fördernummer 654408. 2 C. Falter, V. Batteiger, A. Sizmann, „Climate Impact and Economic Feasibi- lity of Solar Thermochemical Jet Fuel Production“, Environmental Science and Technology, 50(1), pp 470-477, 2016 Das SOLAR-JET- Konsortium wurde als Preisträger des 1. aireg-Awards ausgewählt. The SOLAR-JET consortium has been selected as laureate of the 1st aireg Award. Economics and greenhouse gas emissions of solar- thermochemical fuels Within the EU-funded research project SOLAR- JET,1 the worldwide first “solar” kerosene has been produced. Under the leadership of Bauhaus Luftfahrt, which also acted as project co-ordina- tor, the economic and ecological potential of the fuel production pathway was investigated.2 A suitable location with a high solar irradia- tion and the enhancement of the thermochemical energy conversion efficiency were identified to have the largest influence on both economics and environmental footprint of solar-thermochemical kerosene production. Furthermore, expenditures for the construction of the production facility and its operation have a large effect on production costs. For a facility with a daily production of 1,000 bbl. of solar kerosene, and solely using solar energy and CO2 captured from the atmosphere, production costs of 2.2 € per litre kerosene at specific greenhouse gas emissions of 0.5 kg CO2 equivalents are estimated, corresponding to a reduction of 80 % in emissions, compared to con- ventional kerosene. If CO2 is captured from a modern natural gas power plant, production costs may be slightly reduced, however, emissions rise to values higher than that of conventional fuel. If the process effi- ciency can be further enhanced, and at optimal conditions at the chosen location, production costs of 1.3 € per litre at specific emissions near zero seem achievable. It could, thus, be shown that solar fuels have a large economic and ecological potential. Fur- ther development of the process is performed in the EU-funded follow-up project SUN-to-LIQUID.1 1 The project SOLAR-JET (Solar chemical reactor demonstration and Optimization for Long-term Availability of Renewable JET fuel) receives funding from the European Union’s 7th Framework Programme (FP7/2007–2013) under grant agreement no. 285098 and the project SUN-to-LIQUID (Integrated solar-thermochemical synthesis of liquid hydrocarbon fuels) from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement no. 654408. 2 C. Falter, V. Batteiger, A. Sizmann, “Climate Impact and Economic Feasibility of Solar Thermochemical Jet Fuel Production”, Environmental Science and Technology, 50(1), pp 470-477, 2016

36 alternative fuels CORE-JetFuel: Europäische F&E-Landschaft zu erneuerbaren Flugkraftstoffen Im Zuge einer sich rasch entwickelnden F&E-Land- schaft zu erneuerbaren Flugkraftstoffen ergeben sich wichtige Fragen: Sind die techno-ökonomi- schen und ökologischen Potenziale einerseits und die ehrgeizigen politischen Ziele andererseits kon- sistent? Und wie verhalten sich der aktuelle Ent- wicklungsstand und der betriebene F&E-Aufwand zu diesen Potenzialen? Das EU-Projekt CORE-JetFuel1 verbindet die Expertisen von Partnern aus Spanien, Frankreich und Deutschland, um diesen Fragen nachzugehen. Der Fokus der Arbeiten von Bauhaus Luftfahrt liegt dabei auf - der Analyse der europäischen F&E-Landschaft zu erneuerbaren Flugkraftstoffen und - der Bewertung der technologiespezifischen techno-ökonomischen und ökologischen Potenziale. Zur Analyse der komplexen F&E-Landschaft werden die identifizierten Aktivitäten entsprechend ihrer Ausrichtung (zum Beispiel Generierung von Wissen, Produktentwicklung oder beides) in einem Quadran- tenschema „kartografiert“. So wird verdeutlicht, ob ein F&E-Portfolio zu einer bestimmten Technologie im Sinne von grundlegender und angewandter Forschung ausgewogen ist. Die techno-ökonomischen und ökologischen Potenziale von Produktionspfaden werden anhand spezifischer Metriken, wie etwa Treibhausgas-Emissi- onen, Produktionskosten oder Rohstoff-Verfügbarkeit, ganzheitlich bewertet. In einer Risk-/Reward-Analyse wird untersucht, ob Risiken und Aufwand der Ent- wicklung in einem akzeptablen Verhältnis zum spezi- fischen Potenzial eines Produktionspfads stehen. Das Projekt CORE-JetFuel wird in 2016 abge- schlossen. Die Ergebnisse werden die Europäische Kommission bei der Implementierung einer kohären- ten F&E-Strategie unterstützen. www.core-jetfuel.eu CORE-JetFuel analysiert Forschung von mikroskopischer bis makroskopi- scher Skalierung. CORE-JetFuel evaluates research on microscopic to macroscopic scales. CORE-JetFuel: European R&D landscape of renewable aviation fuels In view of the rapidly developing R&D landscape focused on renewable aviation fuels, important questions arise: How do the technical, economic and environmental potentials of different pathways compare in the light of ambitious targets? And how do the current state of development and the associated R&D efforts relate to these potentials? The EU-funded project CORE-JetFuel1 com- bines the strengths of partners from Spain, France and Germany in the pursuit of these questions. Specifically, the tasks of Bauhaus Luftfahrt are - analysis of the European R&D landscape relat- ed to renewable aviation fuels, and - assessment of the technical, economic and environmental performance potentials. The complex landscape of R&D activities is best understood through the mapping of identified activities according to their general scope, such as knowledge creation, product development or a combination of both. The quadrant scheme shows if a portfolio of projects connected to a certain technology is well-balanced in terms of “basic” and “applied” efforts. The technical, economic and environmental performance potentials of fuel production path- ways are evaluated based on criteria such as life-cycle greenhouse gas emissions, production costs and the European production potential within a holistic multiple-criteria framework. A risk-reward analysis shows whether the overall risk is well-balanced and the expected R&D effort matches the potential benefit of the technology under consideration. The project CORE-JetFuel will be completed in 2016. The results will support the European Commission in its dynamic and informed imple- mentation of a coherent R&D strategy. www.core-jetfuel.eu 1Das Projekt CORE-JetFuel (COordinating REsearch and innovation of Jet and other sustainable aviation Fuel) wird durch das 7. Forschungsrahmen- programm der Europäischen Union (FP7/2007-2013) gefördert (Förder- nummer 605716). 1The project CORE-JetFuel (COordinating REsearch and innovation of Jet and other sustainable aviation Fuel) receives funding from the European Union’s 7th Framework Programme (FP7/2007-2013) under grant agreement no. 605716.

38 alternative fuels aireg e. V.: Analyse der Nachhaltigkeitsstandards für Biokraftstoffe aireg e. V.: Analysis of sustainability standards for biofuels Seit der Gründung der „Aviation Initiative for Renewable Energy in Germany“ (aireg e. V.) im Jahr 2011 stehen die Analyse von alternativen Kraftstoff- pfaden und die Entwicklung von Strategien zur Überwindung existierender Hürden für die Imple- mentierung nachhaltiger Kraftstoffe im Zentrum des Interesses aller Mitglieder. Die Heterogenität der national und international existierenden Nachhaltig- keitsstandards stellt eine solche Hürde dar. Als Basis einer Harmonisierung dieser Stan- dards wurde unter der Leitung von Bauhaus Luft- fahrt im aireg-Arbeitskreis „Nachhaltigkeit“ ein Katalog der aus Luftfahrtsicht relevanten ökologi- schen, ökonomischen und sozialen Nachhaltigkeits- kriterien entwickelt. Anschließend wurde eine umfassende Gap-Analyse durchgeführt, in der die Kriterien der Nachhaltigkeitsstandards mit dem aireg-Kriterienkatalog abgeglichen wurden. Die Analyse ergab, dass die Nachhaltigkeitsstandards zumeist nur die in der europäischen Erneuerbare- Energien-Richtlinie (EU RED) verankerten Mindest- anforderungen in Form von ökologischen Nachhal- tigkeitskriterien erfüllen. Von den insgesamt zehn untersuchten und von der Europäischen Kommission anerkannten Standards erfüllen derzeit nur fünf mindestens 50 % der Kriterien des anspruchsvolle- ren aireg-Kriterienkatalogs. Um auch die aus Sicht von aireg wichtige öko- nomische und soziale Nachhaltigkeit der Produktion von Biokraftstoffen zu gewährleisten, ist eine Erweiterung der bestehenden Standards erforder- lich. In 2016 soll auf Basis dieser Ergebnisse mit anderen europäischen und weltweiten Initiativen zu Flugkraftstoffen die Harmonisierung von Nachhal- tigkeitsstandards auf internationaler Ebene voran- getrieben werden. Weitere Hintergrundinformationen zum Bewertungsschema und den einzelnen Nachhaltigkeitsstandards sind auf der aireg-Webseite zu finden: http://www.aireg.de/de/pressemeldungen/397-biokraftstoffe-sind-besser- als-ihr-ruf.html http://www.aireg.de/images/downloads/aireg/150601_1218%20Hinter- grundBenchmarkingZertifizierungssysteme.pdf Die weltweit zu- nehmende Nutzung von Biokraftstoffen in der Luftfahrt erfordert hohe Nachhaltigkeits- standards. As utilisation of aviation biofuels is globally increasing, high sustainability standards are essential. Since its foundation in 2011, the efforts of the “Aviation Initiative for Renewable Energy in Ger- many” (aireg e. V.) have been focused on the analysis of production pathways towards sustain- able fuels and the development of strategies to overcome existing obstacles for their commercial implementation. A prominent example of such obstacles is the heterogeneity of existing national and international sustainability standards and certification schemes. In order to support the process of harmonis- ing sustainability standards, aireg Working Group “Sustainability”, led by Bauhaus Luftfahrt, has identified a set of criteria for ecological, eco- nomic and societal sustainability, which are most relevant from the aviation industry’s perspective. A comprehensive gap analysis has been per- formed, evaluating various sustainability stand- ards against the set of criteria selected by aireg. The analysis showed that most of the examined standards only fulfil the minimum requirements of the European Renewable Energy Directive (EU RED) in the form of ecological sustainability criteria. However, only five out of a total of ten examined standards, all being recognised by the European Commission, currently fulfil at least 50 % of the ambitious set of “aireg criteria”. In order to ensure a production of biofuels that is also economically and socially sustaina- ble, existing certification schemes have to be extended. Based on the described analysis and in close collaboration with other European and global initiatives, aireg will continue to support the pro- cess of harmonising sustainability standards and certification schemes at international level. Additional information on the performed analysis, the selected “aireg criteria” and the examined sustainability standards are available on the aireg web page: http://www.aireg.de/en/press-releases/400-biofuels-are-better-than- their-reputation-sustainability-is-verifiable.html http://www.aireg.de/images/downloads/aireg/150601_1218%20 HintergrundBenchmarkingZertifizierungssysteme.pdf

40 energy technologies & power systems i r e w o p c fi c e p s e v i t a e r l 50 40 30 20 10 10 10 5 5 15 Rotor thickness R2,1 R2,2R3,1R3,2 R4 S2 R5 S3 S1 R1,1 R1,2 Counter Rotator Axial Comp. 2 2 F O R S C H U N G S S C H W E R P U N K T R E S E A R C H F O C U S A R E A nergy techn ologies power 1 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 0.5 0.1 0.1

42 energy technologies & power systems Das „Composite Cycle Engine“-Konzept The composite cycle engine concept Kolbentriebwerke haben enorme Effizienzvorteile gegenüber Turbomaschinen: Während der Verbren- nung im abgeschlossenen Kolbenraum erfolgt ein Druckanstieg, und durch kurze Verweilzeiten werden sehr hohe Spitzentemperaturen ermöglicht. Im Gegensatz dazu bieten Turbomaschinen durch ihre stationäre Operationsweise ein überragendes Leistungsgewicht und Zuverlässigkeit. Ein neues Konzept, das die Vorteile beider Architekturen synergetisch kombiniert, wird bei Bauhaus Luftfahrt untersucht: die „Composite Cycle Engine“. Das Konzept erinnert auf den ersten Blick an eine konventionelle Turbomaschine, ersetzt aber den Hochdruckteil des Triebwerks durch ein Kolben- system. Auf diese Weise liefern die leichten Turbokomponenten den Schub, die Vorverdichtung für die Kolben und extrahieren die Energie aus dem Kernstrom. Das Kolbensystem setzt auf dem Turbo- zyklus auf und erlangt dabei Drücke und Temperatu- ren, die von konventionellen Turbofans unerreicht sind. Zwölf Kolbenmaschinen treiben 24 Kolben- verdichter in einer autonomen Einheit an. In dieser Konfiguration laufen die Kolben mechanisch entkop- pelt von den Turbowellen und können frei im Kern platziert werden. Gleichzeitig treibt die Nieder- druckturbine nur noch den Fan an und kann so kleiner ausgelegt werden. Dieses neuartige Konzept ermöglicht Spitzen- druckverhältnisse von über 300 im Vergleich zu nur etwa 60 bei modernsten Turbofan-Triebwerken. Dadurch sinkt der Kraftstoffverbrauch um 15 %, was die Erreichung der Effizienzziele für 2035 erlaubt, obwohl das Triebwerksgewicht moderat um 30 % steigt. Die Kerntriebwerksgröße kann beibe- halten werden. Ebenso können die NOx-Emissionen um 10 % im Vergleich zu modernen Mager-Brenn- kammern sinken. Die Arbeit wurde gefördert durch das 7. Europäische Forschungs- rahmenprogramm unter der Förder- nummer 283216 (LEMCOTEC). The work was funded by the European Union’s 7th Framework Pro- gramme under the grant agreement no. 283216 (LEMCOTEC). Piston engines feature combustion in a closed volume, leading to a pressure rise during heat addition, and allow for very high maximum tem- peratures due to short exposure times. This results in tremendous efficiency advantages over turbo engines. In contrast, the stationary mode of operation of turbo engines leads to superior power-to-weight ratio and reliability. A novel con- cept that synergistically combines the benefits of both is being investigated at Bauhaus Luftfahrt: the composite cycle engine. The concept resembles a conventional turbo- fan architecture at first glance, but replaces the high pressure section of the engine with a piston system. In this way, the lightweight turbo compo- nents provide engine thrust, pressurise the piston system and extract the energy from the core- engine flow. The piston system tops the turbo-en- gine cycle at pressures and temperatures unseen in turbofan engines. Twelve piston engines drive 24 piston compressors in a self-contained unit. With this implementation the piston system runs mechanically independently from the turbo shafts and can be placed freely within the engine core. At the same time, the low pressure turbine provides power for the fan only and gets smaller. This novel concept makes it possible to achieve peak pressure ratios of over 300, com- pared to about 60 of advanced turbofan engines. This reduces fuel consumption of the aircraft by 15 %, allowing to meet engine efficiency targets for year 2035, although engine weight increases by 30 %. The engine core size remains constant compared to a turbofan. NOx emissions can also be reduced by 10 %, compared to advanced lean-burn combustion technology.

44 energy technologies & power systems Die Grenzen der Batterietechnologie Exploring the frontiers of battery technology Batterien sind die Schlüsseltechnologie vollelektri- scher Antriebe und der wesentliche Bestandteil hybrid-elektrischer Leistungs- und Antriebssysteme. Zentrale Aspekte für Anwendungen an Bord eines Flugzeugs sind jedoch neben der Sicherheit auch ihre Leistungs- und Massencharakteristiken. Maß- nahmen zur Erhöhung der Sicherheit auf Zell- und Batterieebene funktionieren, was sich im relativ zuverlässigen Betrieb mobiler und stationärer Anwendungen zeigt. Generell sind elektrische Fahr- und Flugzeuge effizienter und benötigen weniger Energie pro zurückgelegter Strecke, bieten jedoch nicht die Reichweite und Nutzlast-Möglichkeiten von verbrennungsbasierten Antrieben. Folglich stellt sich die alles beherrschende Frage nach den Ent- wicklungsgrenzen der Batterietechnologie und den realistischen Zielen, die für das zukünftige elektri- sche Fliegen bezüglich Flugzeuggröße und Reich- weite gesetzt werden. Prognostizierte mittelfristige theoretische spezi- fische Energien liegen zwischen 200 und 250 Wh/kg für ein Lithium-Batteriesystem einschließlich Gehäuse und Batteriemanagement. Aktuelle Ent- wicklungen der Lithium-Batterie zeigen realistische spezifische Energien von 350 bis 500 Wh/kg auf Zellebene, das 1,5- bis 2-Fache der heutigen Zell- technologie. Höhere spezifische Energien könnten mit neuen Elektrolyten erzielt werden. Nichtsdesto- weniger wird sich die Zunahme der spezifischen Energie nicht kontinuierlich fortsetzen, sondern reduzieren, obwohl sie sich zwischen 1994 und 2010 um circa 7 % pro Jahr erhöht hat. Zukünftige Machbarkeitsstudien von Batterien in voll- oder hybrid-elektrischen Leistungssystemen sollten sich auf die Identifizierung geeigneter An- wendungen und Synergieeffekte fokussieren, unter Berücksichtigung der zukünftig eingeschränkten Technologie-Aussichten von Batterien. Lithium-Batterien bieten das größte Potenzial bezüglich spezifi- scher Energien und Leistungen. Lithium batteries have the potential for highest specific energies and powers. Batteries are the key technology for fully-electric and a major component in hybrid-electric power and propulsion systems. However, besides safety aspects, their performance and mass characteris- tics are crucial for on-board applications. Meas- ures to increase the safety of cells and battery packs typically work very well, mirroring the rela- tively reliable operation of mobile and stationary applications. Electric vehicles generally outpace comparable combustion-based vehicles in terms of efficiency and energy consumption per dis- tance, but do not match their range or payload capabilities. Hence, the all-dominant question addresses the development limitations of battery technology and realistic targets that may be set for future electric flight with respect to aircraft size and range capacity. Projected medium-term theoretical specific energies range from 200 to 250 Wh/kg for a lithium battery system, including housing and the battery management system. Current lithium battery developments show reasonable specific energies of up to 350 to 500 Wh/kg at cell level, a factor of 1.5 to 2 larger, compared to today’s cell technology. Latest electrolyte trends reveal potentials for even higher specific energies. Nevertheless, the increase of specific energies for lithium batteries by an average rate of 7 % year-over-year between 1994 and 2010 will not be continued in years to come and is likely to be reduced in the future. Future battery feasibility studies in the field of fully- or hybrid-electric power systems should focus on the identification of reasonable applica- tions and synergy effects under the given con- straints of battery prospects.

46 energy technologies & power systems Elektrische System- architekturen für hybrid- elektrische Flugzeuge Electric power architectures for hybrid-electric aircraft Elektrische Energie- und Leistungssysteme für An- triebssysteme zukünftiger Transportflugzeuge erfor- dern ein optimiertes Design der elektrischen System- architektur (ESA) in Bezug auf Effizienz und Masse. Eine typische ESA für einen Antriebsstrang besteht aus Elektromotoren, Leistungsquellen in Form von Batterien sowie Leistungselektronik einschließlich Konverter oder Inverter, Übertragungskabel, Schutz- vorrichtungen und Kühlsystemen. Erhöhte Systemspannungen haben das Poten- zial, die gesamte Systemmasse auf Flugzeugebene zu reduzieren, fördern aber auch in typischen Reise- flughöhen die Bildung von Lichtbögen. Erste Unter- suchungen zeigen, dass hohe Spannungen auch aus Sicht der Übertragungseffizienz von Vorteil sind. Die höchste Sensitivität gegenüber der gewählten Systemspannung zeigt die Leistungselektronik, vor allem hinsichtlich der Leitungs- und Schaltverluste, die für eine bestimmte Auslegungsleistung opti- miert werden können. Einen weiteren Freiheitsgrad bietet auch die Wahl der Systemarchitektur. Zwei Auslegungsphilosophien der Architektur wurden untersucht, die konstante Systemspannungs- (KSSA) und die variable Systemspannungsarchitektur (VSSA). Die KSSA hält eine konstante Systemspan- nung über den Gesamtbetrieb aufrecht, während die VSSA eine Fluktuation des Spannungsniveaus, beispielsweise hervorgerufen durch eine Batterie, erlaubt. Für beide Architekturen wurde eine opti- male Systemspannung in der Nähe der Betriebs- spannung des Elektromotors ermittelt, die in diesem Szenario im niedrigen Kilovoltbereich lag. Bei die- sem Spannungsniveau und unter heutigen Technolo- gie-Annahmen konnten Gesamtsystem-Wirkungs- grade von 90 % bis 95 % erreicht werden. Aus Sicht der Effizienz ist es daher nicht notwendig, die Spannung in noch höhere Bereiche zu treiben. Hohe Spannungen können das Auftreten von Lichtbögen in Reiseflughöhen verstärken. Due to high voltages, the occurrence of arcing is increased in high altitudes. Electric energy and power systems for future transport aircraft propulsion systems require an optimised electric power architecture (EPA) design with regard to efficiency and mass. A typical EPA for power trains consists of electric motors, power sources, like batteries, and power electronics, including converters or inverters, transmission cables, protection devices and cool- ing systems. Increased system voltages may help to reduce overall system mass on transport aircraft level, but can cause arcing at typical cruise alti- tudes. Investigations indicate that high voltages are also preferable from a transmission efficiency point of view. Especially power electronics show the highest sensitivity in choosing the system voltage with regard to conduction and switching losses, leading to an optimisation between these losses at a required design power. An additional degree of freedom also offers the architectural layout. Two architecture design philosophies, the constant system voltage (CSVA) and the variable system voltage (VSVA) architecture, have been studied. The CSVA maintains a constant system voltage over the entire operation, while the VSVA allows for variations in the voltage level caused, for example, by a battery. For both architectures an optimum system voltage was identified near the operating voltage of the electric motor, which was, in this scenario, in the low kilovolt range. At this voltage level and with state-of-the-art technologies, overall system efficiencies of 90 % to 95 % can be achieved. From this study, it can be concluded that, from an efficiency point of view, it is not necessary to increase the voltage to higher levels.

48 energy technologies & power systems Zyklus-integriertes Parallel-Hybrid- Triebwerk Zur Realisierung hybrid-elektrischer Flugzeuge stehen verschiedene Topologien wie seriell, parallel oder seriell-parallel zur Verfügung, um unterschied- liche Energieträger wie Kerosin und Batterien miteinander zu kombinieren. Der klassische Parallel- Hybrid, bei dem in der Regel ein Elektromotor mechanische Energie an die Antriebswelle der Gas- turbine liefert, konnte bereits in den letzten Jahr- büchern als vielversprechender Ansatz für Luftfahrt- anwendungen identifiziert werden. Auf dieser Grundlage hat Bauhaus Luftfahrt eine besondere Variante entwickelt, nämlich den Zyklus-integrierten Parallel-Hybrid. In dieser speziellen Konfiguration treiben von Batterien gespeiste Elektromotoren eine Reihe von Verdichterstufen an, die dadurch von der Turbinen- sektion mechanisch entkoppelt werden können. Erste Potenziale hinsichtlich Kraftstoffeinsparung und Effizienzsteigerung wurden im Projekt E-BREAK (7. Europäisches Forschungsrahmenprogramm) untersucht. Hier hat Bauhaus Luftfahrt erste Kon- zeptstudien an Wellenleistungstriebwerken für Hubschrauberanwendungen durchgeführt. Dabei wurde insbesondere ein Potenzial im Teillastbereich für Hybridisierungsgrade – den Anteil der installier- ten elektrischen Leistung an der Gesamtleistung – von rund 20 % identifiziert. Erste Analysen zeigten, dass dieser zusätzliche Freiheitsgrad nahezu eine Effizienzverdoppelung im Vergleich zum konventio- nellen Triebwerk ermöglicht, was zu einer Verringe- rung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs von rund 45 % führt. Zwar reduzierte sich die Reichweite des hybriden Hubschraubers auf etwas weniger als die Hälfte, bedingt durch die hohe Batteriemasse, jedoch konnte bei dieser Missionsreichweite ein verringerter Treibstoffverbrauch und damit auch eine CO2-Reduktion von mehr als 40 % berechnet werden. Die Arbeit wurde gefördert durch das 7. Europäische Forschungs- rahmenprogramm unter der Förder- nummer 314366 (E-BREAK). The work was funded by the European Union’s 7th Framework Programme under the grant agreement no. 314366 (E-BREAK). Cycle-integrated parallel-hybrid power plant For the realisation of hybrid-electric aircraft, there are different topologies, for example, serial, parallel or serial-parallel available to combine energy carriers like kerosene and batteries. The classical parallel hybrid topology, where usually an electric motor assists a gas turbine in supply- ing mechanical power to the power shaft, could be shown in the last Yearbooks as a most promis- ing solution for aircraft applications. Based on this topology, Bauhaus Luftfahrt has investigated a special variant, specifically the cycle-integrated parallel hybrid. In this special configuration, electric motors supplied by batteries are powering an array of compressor stages of a power plant that are mechanically decoupled from the turbine section. The potentials with regard to fuel reduction and efficiency improvement were initially investigated within the 7th European Framework Programme project E-BREAK. In this project, Bauhaus Luftfahrt performed conceptual studies on a turboshaft platform for a helicopter application, where the highest potential for this arrangement was expected in part load for moderate degrees of power hybridisation – the share between installed electric power and total power – of around 20 %. The first assessment has revealed that this additional degree of freedom allows to almost double the efficiency, compared to a conventional power plant, and a reduction in power-specific fuel consumption of roughly 45 %. The range capability of a hybrid-powered helicop- ter has been decreased by more than 50 %, mainly driven by the battery mass. However, at decreased mission range, a fuel burn and, thus, CO2 reduction of more than 40 % has been found.

50 systems & aircraft technologies R E S E A R C H F O C U S A R E A ystems & technologies r e w o p 1  A A and B 

52 systems & aircraft technologies Bewertung von CO2-Emissions- reduktionspotenzialen für Regionalflugzeuge Der vorläufige Flugzeugentwurf ist ein komplexer interdisziplinärer Prozess, der viele verschiedene Technologien berücksichtigt. Daher sind aussagekräf- tige und schnelle Methoden nötig, um den Einfluss neuer oder alternativer Technologien zu untersuchen. Eine bereits entwickelte Methode zur Bewertung von Masse und Emissionen hybrid-elektrischer Antriebe wurde verfeinert und mit aktuellen high-end Flug- zeugdesign-Programmen (APD) verglichen. Bauhaus Luftfahrt gibt eine explizite Form zur Beurteilung von zum Beispiel Emissionsreduktions- potenzialen an, basierend auf dem Zusammenhang zwischen vereinfachtem Missionsprofil, Komponen- tenspezifikationen und Charakterisierung der Flug- zeugmasse. Das Missionsprofil wird durch ein mehr- stufiges Leistungsprofil, das die Spitzenleistung, eine mittlere Steigflugleistung und die Reiseflug- leistung berücksichtigt, angenähert und mithilfe von dimensionslosen Parametern beschrieben. Die Methode erlaubt die Charakterisierung von hybrid- elektrischen Antrieben und unterstützt, vorteilhafte Anwendungen zu identifizieren. Unter Verwendung dieser Methode konnte der benötigte Kraftstoff eines typischen Kurzstrecken- flugzeugs, verglichen mit dem APD-Flugzeugent- wurfsprogramm, auf circa 2 % Genauigkeit berech- net werden, was die hohe Validität des Vorgehens zeigt. Eine gute Übereinstimmung mit der Referenz ist die Voraussetzung für eine gründliche und schnelle Bewertung verschiedener hybrid-elek- trischer Antriebe. Daher hilft die hier beschriebene Methode, die am besten geeigneten hybriden Antriebssysteme zu identifizieren, und sorgt für eine transparente analytische Nachvollziehbarkeit des Einflusses von Technologien, um zukünftige Emissionsreduktions- ziele mit verschiedenen Energieträgern und -umwand- lern in Abhängigkeit der Leistung und Missionszeiten skaliert auf ein Bezugssystem zu erfüllen. Bewertung potenzieller Emis- sionsreduktionen hybrid-elektrischer Antriebe Assessment of potential emissions reductions of hybrid-electric propulsion systems Assessing CO2 reduction potential for regional aircraft Preliminary aircraft design is a complex interdis- ciplinary process combining technologies from a very diverse portfolio. Thus, reasonable and fast methods to evaluate the implications of new or alternative technologies are required. A previ- ously developed method to assess the mass and emissions impacts of various hybrid-electric propulsion systems has been refined and com- pared to state-of-the-art high-end aircraft design tools (APD). Bauhaus Luftfahrt therefore presents an explicit form for the evaluation of emission reduction potentials, for example, based upon a correlation between a simplified mission power demand profile, component specifications and aircraft mass characteristics. The mission profile is approximated by a multi-step power profile with the help of dimensionless parameters accounting for peak power, mean climb-out power and cruise power. The method character- ises hybrid-electric propulsion systems allowing for the identification of beneficial applications. Based on this method, the calculated trip fuel for typical state-of-the-art short-range aircraft is within 2 %, compared to the APD aircraft design tool, indicating a high fidelity of the as- sessment method. Ensuring a good agreement to the reference allows for a thorough and fast evaluation of different hybrid-electric propulsion systems. Therefore, the method described herein helps to identify the best-suitable hybrid power system and provides transparent analytical traceability for technology impact analysis in order to fulfil future emissions reduction goals with combi- nations of energy carriers and conversion devices depending on power levels and mission times scaled to a benchmark.

54 systems & aircraft technologies Konzeptionelle Studie für ein hybrid-elektrisches Regionalflugzeug Conceptual studies of a future hybrid-electric regional aircraft Die Forschung der letzten Jahre im Bereich hybrid- elektrischer Antriebskonzepte hat Bauhaus Luftfahrt auch 2015 fortgeführt und an konkreten Anwen- dungsfällen deren Potenzial auf Flugzeugebene untersucht. Für Kurzstreckenflugzeuge mit 70 und 180 Passagieren wurden in Studien die Umsetzbar- keit und die resultierenden technischen Anforderun- gen ermittelt. Die Untersuchung verschiedener Morphologien führte zu einem optimal aufeinander abgestimmten Leistungsverhältnis von elektrischen Motoren und konventionellen Triebwerken, wobei sowohl herkömmliche als auch supraleitende Moto- ren in Betracht gezogen wurden. Die elektrische Energie wird dabei aus mitgeführten Batterien bezo- gen, wodurch auf Generatoren zur Bereitstellung elektrischer Energie durch die Gasturbinen verzich- tet werden könnte. Die resultierende Konfiguration war ein Tri-Fan, ähnlich der Boeing 727. Unter dem Flügel befinden sich zwei konventionelle Trieb- werke, die durch einen elektrischen Motor am Heck unterstützt werden. Für die 180-Passagiere-Version konnte mit einer elektrischen Leistung von 8,5 MW und einer spezi- fischen Energiedichte der Batterien von 940 Wh/kg eine Treibstoffreduktion (block fuel) von 15 % ge- genüber einer konventionellen Referenzkonfigura- tion mit gleichem Technologiestandard erreicht werden. Die Reichweite liegt mit 1100 nm (2037 km) im Bereich heutiger Regionalflugzeuge. Eine weitere Verringerung der Auslegungsreichweite auf 900 nm (1667 km) würde den Treibstoffverbrauch um 20 % reduzieren. Alle Untersuchungen zeigten aber auch ein höheres maximales Abfluggewicht verglichen mit der konventionellen Referenzkonfiguration. M AC DC C P S S GT Motor bus C P S S BCU Bis zu 20 % weniger Treib- stoffverbrauch durch hybrid- elektrische Systeme möglich Up to 20 % less block fuel due to hybrid-electric architecture possible The research Bauhaus Luftfahrt conducted in recent years was continued and performed for several use cases on aircraft level. For a short- range aircraft seating 70 and 180 passengers, studies were performed to evaluate the feasibil- ity and technical requirements for realisation of hybrid propulsion. The analysis of different mor- phologies led to an optimised power distribution between electric motors and conventional engines. In case of electric motors, high-tempera- ture superconducting (HTS) motors were also considered. The required electric energy is pro- vided by batteries placed within the aircraft. Thus, generators at the gas turbines for power generation could be spared. Following these con- siderations, a tri-fan was the consequent configu- ration, similar to the Boeing 727. The configura- tion consists of two conventional under-wing engines supported by an electric motor mounted in the aft tail. The 180 passenger version operated with an electric power of 8.5 MW and a battery cell-level gravimetric specific energy of 940 Wh/kg. This resulted in a block fuel reduction of 15 %, com- pared to a conventional reference aircraft with the same technology standard. The design range of 1,100 nm (2,037 km) is close to that of modern regional aircraft. A further reduction of the design range to 900 nm (1,667 km) could further increase the fuel reduction potential to 20 %. However, the increased efficiency would come with a penalty of higher maximum take-off weight, compared to the conventional reference aircraft.

56 systems & aircraft technologies Fortschritte in der Optimierung des „Propulsive Fuselage“-Konzepts Progress in optimising the propulsive fuselage aircraft concept Das Konzept weist neben konventionell installierten Turbofans einen im Heck installierten Fan auf. (Bild: Mit freundlicher Genehmigung des DisPURSAL-Konsortiums) The concept features a boundary- layer-ingesting fuselage fan in conjunction with under- wing podded turbofans. (Image: Courtesy of DisPURSAL Consortium) Bauhaus Luftfahrt hat die Untersuchungen des vielversprechenden „Propulsive Fuselage“-Konzepts (PFC) zur Antriebsintegration fortgeführt. Das Kon- zept beruht auf der Einsaugung der Rumpf-Grenz- schicht zur Auffüllung des Impulsdefizits im Nach- lauf des Flugzeugs, was eine signifikante Reduktion der zu installierenden Antriebsleistung ermöglicht. Zu diesem Zweck ist in der untersuchten Konfigura- tion ein spezieller „fuselage fan“ im Rumpfheck integriert, für den eine potenzielle Markteinführung im Jahr 2035 angestrebt ist. Zwei konventionell unter dem Flügel installierte Turbofan-Triebwerke mit Technologiestand 2035 decken den restlichen Schubbedarf ab. Auf der methodischen Grundlage des DisPURSAL- Projekts1 (vgl. Jahrbuch 2014) wurden flugzeug- integrierte Auslegungsstudien durchgeführt. Abbil- dung 1 zeigt zum Beispiel die Implikationen, die sich aus einer Variation der Einlaufhöhe des „fuselage fan“ ergeben. Das Leergewicht (OEW) steigt auf- grund der Installation des Rumpf-Antriebssystems an. Der Missionskraftstoffverbrauch ergibt sich aus den kombinierten Effekten der Antriebsintegration und der Flugzeugaerodynamik. Im gewählten Aus- legungspunkt weist das Konzept eine Kraftstoffein- sparung von 9,2 % im Vergleich zu einem ähnlich fortschrittlichen, konventionellen Referenzflugzeug auf. Das maximale Abfluggewicht (MTOW) unter- scheidet sich kaum von der konventionellen Refe- renz. Als Alternative zum primär untersuchten mechanischen Antriebsstrang wurden auch erste Untersuchungen zu einer turbo-elektrischen Topolo- gie angestellt, bei der die nötige „fuselage fan“- Leistung aus den konventionell installierten Trieb- werken stammt (Abb. 2). Solch eine Lösung könnte die Antriebsintegration im Rumpfheck deutlich ver- einfachen und zu einem noch größeren Vorteil in der Gesamteffizienz des Flugzeugs führen. 1Das Projekt DisPURSAL wurde durch das 7. Forschungsrahmenprogramm der Europäischen Union gefördert (Fördernummer 323013). As a promising approach towards synergistic pro- pulsion-airframe integration, Bauhaus Luftfahrt has continued its analysis of the propulsive fuse- lage concept (PFC). The PFC utilises boundary- layer ingestion realised by an aft-installed fan in order to facilitate wake filling, thereby signifi- cantly reducing the required propulsive power demand. In the studied configuration, the PFC, targeting an entry-into-service year of 2035, features a fuselage fan primarily serving the pur- pose of wake filling, while two advanced wing- podded turbofans deliver any residual thrust. Building upon methods developed as part of the DisPURSAL project1 (see 2014 Yearbook), air- craft-integrated design studies were conducted. Figure 1 shows, for example, the implications of varying fuselage fan intake duct heights. The operating empty weight (OEW) increases mono- tonically due to the installation of the additional fuselage power plant, while the block fuel char- acteristic results from the combined impact of propulsion system integration and aircraft aero- dynamics. Having selected a best-and-balanced design, fuel savings of 9.2 %, compared to an equally advanced conventional reference aircraft, are obtained. The maximum take-off weight (MTOW) characteristic is not significantly in- creased over the conventional reference. As an alternative to the mechanical fuselage fan drive train, initial investigations on a turbo-electric layout with power off-takes from the under-wing podded engines were conducted (Fig. 2). Such a solution could simplify the aero-structural inte- gration of the fuselage fan, while potentially allowing for an even higher benefit in vehicular efficiency. 1The project DisPURSAL received funding from the European Union’s 7th Framework Programme under grant agreement no. 323013.

58 systems & aircraft technologies CDi = C 2 pe AR Die Formel beschreibt die Abhängigkeit des wirbelinduzierten Widerstands von der Flügel- streckung. The formula describes the dependency of the vortex- induced drag from the aspect ratio of a wing. Nachwachsende Rohstoffe als Option für Flügelstrukturen Mit den Zielen einer Reduzierung von CO2-Emissio- nen, der Unabhängigkeit von fossilen Ressourcen und einer größeren Autonomie gegenüber Preis- schwankungen werden Rohstoffe aus erneuerbaren Quellen für Luftfahrtanwendungen gesucht. Im Allgemeinen bieten mit Endlosfasern verstärkte Polymer-Verbundwerkstoffe gute mechanische Eigenschaften, die sie zu idealen Leichtbau-Kandi- daten machen, insbesondere im Vergleich zu „tradi- tionellen“ Materialien wie Aluminium. Innovative Faserverbundwerkstoffe aus nachwachsenden Roh- stoffen, die ähnliche mechanische Eigenschaften aufweisen wie herkömmlich hergestellte faserver- stärkte Polymere, könnten daher dazu beitragen, nicht nur den Treibstoffverbrauch, sondern auch den ökologischen Fußabdruck von Flugzeugen zu senken. Bauhaus Luftfahrt war imstande, Ramiefasern als ein geeignetes Material, das den Anforderungen der Luft- und Raumfahrt in Bezug auf die Material- festigkeit entspricht, zu identifizieren. Auf Flugzeugebene dürfen Flügel aus nachwach- senden Rohstoffen höchstens das gleiche Gewicht besitzen wie Flügel aus etablierten Luftfahrt-Mate- rialien. Durch die Erhöhung der Flügelstreckung kann die aerodynamische Effizienz im zweistelligen Prozentbereich verbessert werden, was aber zu einem erhöhten Flügelstruktur-Gewicht führt. Erste Abschätzungen ergaben, dass Flügel mit hoher Streckung und aus nachwachsenden Rohstoffen zu einem vergleichbaren Ergebnis in Bezug auf die Flügelgewichtsreduktion führen wie herkömmliche faserverstärkte Polymere. In weiteren Schritten sollen die Materialeigenschaften von nachwachsen- den Rohstoffen untersucht und mit den Anforderun- gen der Luftfahrt abgeglichen werden. Renewable materials options for aircraft wing structures Ambitious targets for the reduction of CO2, the pursuit of independence from fossil resources and the demand for cost control have driven ef- forts to search for raw materials from renewable resources for aeronautical applications. In gen- eral, polymer composites reinforced with endless fibres offer good mechanical properties, making them ideal candidates for lightweight design, compared to conventional materials such as alu- minium. Advanced fibre composites made from renewable resources, which have similar me- chanical properties to “traditionally” produced carbon fibres reinforced polymers, would there- fore contribute to lower fuel burn in operation due to lower structural weights than aluminium. Additionally, these composites have the potential to decrease an aircraft’s carbon footprint. Bau- haus Luftfahrt was able to identify ramie fibres as a suitable raw material meeting the requirements in aerospace in terms of material’s stiffness and strength. With an increase of wing’s aspect ratio, a double-digit improvement of the aerodynamic performance can be expected, but, consequently, at a higher structural wing weight. To maintain a benefit on overall aircraft level, high aspect ratio wings out of renewable materials have to be the same weight or lower, compared to estab- lished aerospace materials. A first assessment performed by Bauhaus Luftfahrt showed that, for high aspect ratio wings, renewable materials lead to a similar outcome in terms of wing weight reduction, compared to conventional carbon fi- bres reinforced polymers. As a next step, besides mechanical properties, further characteristics of renewable raw materials to sustain operational conditions must be studied.

60 facts and figures acts and

62 facts and figures Finanzen Finances Die auf neue Projekte innerhalb Horizont 2020 so- wie neue nationale Forschungsvorhaben begründete Zunahme der Drittmitteleinnahmen um +72 TEUR auf 843 TEUR konnte im Geschäftsjahr 2015 die negativen Effekte aufgrund eines Strategiewechsels der Industriepartner nicht kompensieren: Die Erträge aus Forschungsaufträgen und Kooperationen mit der Industrie halbierten sich auf 864 TEUR. Der Um- satzrückgang konnte durch die Entscheidung, fremd- bezogene Forschungsleistungen durch eigene zu ersetzen, teilweise aufgefangen werden. Wie erwartet sind in Summe die Umsatzerlöse im Vergleich zum Vorjahr um -722 TEUR (-15 %) gefallen. Für das Jahr 2016 erwartet Bauhaus Luftfahrt einen moderaten Anstieg der Erträge aus Industrie- projekten. Aufgrund neuer nationaler und interna- tionaler Forschungsvorhaben werden die Drittmittel- einnahmen aus Förderprojekten voraussichtlich deutlich über dem Vorjahresniveau liegen. New projects within Horizon 2020 as well as new national research projects increased third-party income by +72,000 € to 843,000 €, but could not compensate for the negative impacts of an industrial partners’ change in strategy: income generated from research contracts and co-opera- tion with industrial partners decreased by almost -50 % to 864,000 €. The decrease in sales has partially been compensated for by the decision to substitute third-party research services with in-house research work. As expected, the total turnover decreased by -722,000 € (-15 %), compared to the previous year. Bauhaus Luftfahrt expects a moderate increase in income generated from industrial projects for the fiscal year 2016. As a result of new national and international research projects, third-party income will be significantly above the previous year’s level. [€] 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 2013 2014 2015 Forschungsaufträge Industrie Industry research contracts Drittmittel-Förderprojekte (national/EU) Third-party-funded projects (national/EU) Mitgliedsbeiträge Membership fees Zuwendung Freistaat Bayern/Spenden Grants from the Free State of Bavaria/ donations

64 facts and figures Zeitschriftenaufsätze Journal articles 01.12.2015 20.11.2015 19.11.2015 11.10.2015 05.10.2015 25.09.2015 01.06.2015 15.04.2015 The Aeronautical Journal | Vol. 119, No. 1221, S. 1327–1376 Distributed propulsion and ultra-high by-pass rotor study at aircraft level Autoren/authors: A. T. Isikveren, A. Seitz, J. Bijewitz, A. Mirzoyan, A. Isyanov, R. Grenon, O. Atinault, J.-L. Godard, S. Stückl Progress in Aerospace Sciences | Vol. 79, S. 114 –135 Conceptual design of hybrid-electric transport aircraft Autoren/authors: C. Pornet, A. T. Isikveren Solar Energy | Vol. 122, S. 1296 –1308 Modular reactor model for the solar thermochemical production of syngas incorporating counter-flow solid heat exchange Autoren/authors: C. Falter, A. Sizmann, R. Pitz-Paal International Journal of Aviation Management | Vol. 2, Nos. 3/4 Scenario-based life-cycle cost assessment of future air transport concepts Autoren/authors: M. Schmidt, K. O. Plötner, G. Öttl, A. T. Isikveren, M. Hornung International Journal of Aviation Management | Vol. 2, Nos. 3/4 Air traffic growth, energy, and the environment 2040: drivers, challenges, and opportunities for aviation Autoren/authors: N. Randt, C. Jeßberger, K. O. Plötner, A. Becker CEAS Aeronautical Journal | Vol. 6, No. 4, S. 599 – 611 Impact of short- to medium-haul aircraft block time changes on airline yields Autoren/authors: K. O. Plötner, M. Schmidt, T. Röhm, M. Hornung Zeitschrift für Verkehrswissenschaft | Vol. 86, No. 1, S. 47 – 64 Theoretical foundations relevant for the analysis of hub airport competition Autor/author: A. Paul Energy & Fuels | Vol. 29, No. 5 Demonstration of the entire production chain to renewable kerosene via solar thermochemical splitting of H2 O and CO2 Autoren/authors: D. Marxer, P. Furler, J. Scheffe, H. Geerlings, C. Falter, V. Batteiger, A. Sizmann, A. Steinfeld

66 facts and figures Konferenzbeiträge Conference contributions 22.09.2015 22.09.2015 10.09.2015 07.09.2015 27.07.2015 05.07.2015 22.06.2015 22.06.2015 22.06.2015 22.06.2015 64. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2015 | Rostock TERA – energy recuperation for aviation project overview and potentials Autoren/authors: C. Bode, J. Friedrichs, R. Somdalen, J. Köhler, K.-D. Büchter, C. Falter, U. Kling, P. Ziolkowski, K. Zabrocki, E. Müller, D. Kozulovic SAE 2015 AeroTech Congress & Exhibition | Seattle Novel aircraft ground operation concepts based on clustering of interfaces Autoren/authors: M. Schmidt, P. Nguyen, M. Hornung COST Action IC1101 OPTICWISE MC Meeting | Istanbul Free-space optical links in airborne communication networks Autor/author: K.-D. Büchter 4th International Workshop on Optical Wireless Communication (IWOW) | Istanbul Modeling of high-capacity aeronautical communication networks with free-space optical links Autor/author: K.-D. Büchter AIAA Propulsion & Energy Forum and Exposition 2015 | Orlando A composite cycle engine concept with hecto-pressure ratio Autoren/authors: S. Kaiser, S. Donnerhack, A. Lundbladh, A. Seitz Air Transport Research Society World Conference 2015 | Singapore Towards seamless passenger transport: Performance of intermodal approaches Autoren/authors: M. Urban, A. Paul, M. Cole AIAA AVIATION 2015 | Dallas Determining airport airside capacity utilization: A demand-driven approach Autoren/authors: C. Schinwald, M. Schmidt, M. Hornung AIAA AVIATION 2015 | Dallas Estimating the fuel saving potential of commercial aircraft in future fleet-development scenarios Autoren/authors: N. Randt, C. Jeßberger, K. O. Plötner AIAA AVIATION 2015 | Dallas Potential technical pathways in realising low emissions aircraft Autor/author: A. T. Isikveren AIAA AVIATION 2015 | Dallas Selected array of technology and systems options for ecologically responsible aviation Autoren/authors: A. T. Isikveren, D. Empl, U. Kling, K. O. Plötner, C. Pornet

68 facts and figures Studienarbeiten Theses and term papers 30.11.2015 24.11.2015 20.11.2015 11.11.2015 30.09.2015 18.09.2015 01.09.2015 30.04.2015 27.04.2015 31.03.2015 Master-/Diplomarbeit an der Technischen Universität | München Operationelle Implikationen und Kosten von standardisierten Batterien für eine elektrifizierte Luftfahrt Autor/author: P. Duffner Master-/Diplomarbeit am Instituto Superior Técnico | Lisbon Enhanced methods development for high-end low-fidelity numerical wing weight and flutter prediction Autor/author: A. Carvalho de Paulo Master-/Diplomarbeit an der Technischen Universität | München Ökonomische Modellierung von Ein- und Ausflottverhalten von neuartigen Verkehrsflugzeugen Autor/author: K. Strohrmann Dissertation, University of Bamberg Press | Bamberg Knowledge-based decision making in complex environments – methodological aspects of proactive airport security management Autor/author: M. Cole Semesterarbeit an der Technischen Universität | München Bewertung von neuartigen Kabinenarchitekturen mithilfe von Agenten-basierter Simulation Autor/author: M. Engelmann Bachelorarbeit an der Ludwig-Maximilians-Universität | München An economic analysis of global air traffic Autor/author: G. Menacher Master-/Diplomarbeit an der Technischen Universität | München Konzeptionelle Auslegung eines hybridelektrischen Hubschraubers Autor/author: M. Shamiyeh Semesterarbeit an der Technischen Universität | München Bewertung von neuartigen Kabinenlayouts im Flugzeugentwurfsprozess Autor/author: S. Weber Master-/Diplomarbeit an der Technischen Hochschule | Wildau Analyse und Vergleich zukünftiger Low-cost-Langstreckengeschäftsmodelle von Fluggesellschaften und Auswirkungen auf europäische Flughäfen Autor/author: L. Hamann Master-/Diplomarbeit an der Technischen Universität | München Anforderungen an neuartige Flugzeugkonzepte auf Basis einer statistischen Analyse von Flugzeugoperationen Autor/author: S. Sommer

70 facts and figures Medienberichterstattung Media coverage Expertenvorträge (exkl. Konferenzen) Expert talks (excl. conferences) Nationale Expertenvorträge (ohne Konferenzen) National expert lectures (w/o conferences) Internationale Expertenvorträge (ohne Konferenzen) International expert lectures (w/o conferences) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 0 2 4 6 8 10 12 14 2013 2014 2015 2013 2014 2015 Pressemitteilungen von Bauhaus Luftfahrt Press releases issued by Bauhaus Luftfahrt Medienberichte über Bauhaus Luftfahrt Media reports on Bauhaus Luftfahrt Printmedien Print media Onlinemedien Online media Audiovisuelle Medien Audio-visual media 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Impressum Imprint Bauhaus-Luftfahrt-Jahrbuch 2015 Herausgeber /Publisher Bauhaus Luftfahrt e. V. Willy-Messerschmitt-Str. 1, 82024 Taufkirchen www.bauhaus-luftfahrt.net Bildnachweise /Picture credits S. 4: MTU Aero Engines, S. 6: Jan Greune, S. 10 –11: Tobias Tschepe, S. 14: Jan Greune/Fotolia (Anton Balazh)/German Wikipedia, original upload 29. Okt 2004 by Anton (selfmade), S. 16: German Wikipedia, original upload 29. Okt 2004 by Anton (selfmade), S. 18 –19: Fotolia (Anton Balazh)/Jan Greune, S. 20: Jan Greune/iStockphoto (encrier/Maxiphoto), S. 22: Fotolia (godfer), S. 24: iStockphoto (encrier), S. 28 – 29: iStockphoto (Maxiphoto)/Jan Greune, S. 30: Jan Greune, S. 32 – 33: Technische Universität München/d-maps.com, S. 34: Jan Greune, S. 36 – 37: Fotolia (Maksim Pasko/micro_photo)/Jan Greune, S. 38: iStockphoto (rebius), S. 40: Jan Greune/iStockphoto (pearleye), S. 43: Jan Greune, S. 44 – 45: Fotolia (Nyo009)/Jan Greune, S. 46: publicdomainvectors, S. 50: Jan Greune/Bauhaus Luftfahrt e. V., S. 52: Bauhaus Luftfahrt e. V., S. 55: Bauhaus Luftfahrt e. V., S. 56: DisPURSAL-Konsortium, S. 60: iStockphoto (Viktor Pryymachuk/nicoolay/acilo/adventtr/loveguli/NicoElNino) Redaktion /Editor Florian Riegel Autoren /Authors Julian Bijewitz Dr. Kai-Daniel Büchter Fabio Campisi Dr. Mara Cole Christoph Falter Philipp Heinemann Prof. Dr. Mirko Hornung Dr. Christoph Jeßberger Sascha Kaiser Ulrich Kling Dr. Lily Koops Dr. Holger Kuhn Insa Ottensmann Annika Paul Dr. Kay Plötner Florian Riegel Dr. Arne Roth Michael Schmidt Dr. Arne Seitz Dr. Andreas Sizmann Patrick Vratny Konzept, Layout, Grafiken /Concept, layout, graphics Jutta Dyhr Gerd Grieshaber GbR, Neufahrn, www.dyhrgrieshaber.de Druck /Print Kessler Druck + Medien GmbH & Co. KG, Bobingen Auflage /Circulation 500 Exemplare/500 copies Aus Gründen der Lesefreund- lichkeit verzichten wir auf die explizite Nennung der weiblichen Form. Wenn zum Beispiel von Mitarbeitern die Rede ist, sind selbstverständlich auch die Mitarbeiterinnen gemeint.

10 Jahre Bauhaus Luftfahrt 10 years Bauhaus Luftfahrt In 2015 feierte Bauhaus Luftfahrt sein 10-jähriges Bestehen als interdisziplinäre Luftfahrt-Forschungseinrichtung. In 2015, Bauhaus Luftfahrt celebrated its 10th anniversary as an interdisciplinary research institution for aviation. 20 2 0 5 k o o b r a e Y h c u b r h a J