04 foreword chairman of the board - - Dr. Rainer Martens Beiratsvorsitzender Chairman of the Board Sehr geehrte Damen und Herren Die Luftfahrtbranche unterliegt höchsten Qualitätsstan- dards, deren Einhaltung regelmäßig durch Behörden und Audits überprüft wird. Auch eine Forschungseinrichtung wie das Bauhaus Luftfahrt muss sich in regelmäßigen Abständen einer Qualitätsprüfung stellen. Im akademischen Umfeld ist die wissenschaftliche Evaluierung die dazu übliche Methode. Dabei untersuchen externe und unabhängige Gutachterkommissionen unter anderem Strategie, wissenschaftliches Profi l, interne Strukturen und Pro- zesse sowie Forschungsleistungen des Prüfl ings. Im Juli 2016 hat das Bauhaus Luftfahrt seine Evaluie- rung durch eine Kommission aus hochrangigen Vertretern anderer Forschungseinrichtungen, aber auch seitens der Wirtschaft mit sehr gutem Erfolg abgeschlossen. So hob die Kommission neben der allgemeinen Bedeutung des Bauhaus Luftfahrt für die Luftfahrtforschung besonders die Qualität seiner Forschungsarbeit zur Mobilität der Zukunft und Entwicklung des Luftverkehrs sowie die Ver- breitung der erzielten Forschungsergebnisse mit dem Ziel der Bewusstseinsbildung in Forschung, Industrie, Politik und Gesellschaft hervor. Es freut mich als Beiratsvorsitzender, gemeinsam mit meinen Beiratskollegen und dem Vorstand des Bauhaus

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

08 contents energy technologies & power systems alternative fuels technology radar systems & aircraft technologies operations editorial Vorwort Beiratsvorsitzender Vorwort Vorstände Mission 04 06 10 Foreword Chairman of the Board Foreword Directors Mission Statistiken 62 Facts & fi gures Impressum 73 Imprint centairstation & citybird Zukünftiger regionaler Luftverkehr zwischen Städten CentAirStation – ein zentrales, multimodales Verkehrsknotenkonzept CityBird – ein Flugzeug für den innerstädtischen Betrieb 14 16 18 Future regional air transport between cities CentAirStation – an inner-city, multimodal transport hub concept CityBird – an aircraft for inner-city airport operation

10 mission Über das 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 Effi zienz zukünftiger Flugzeug- entwürfe weiter verbessern, und werden diese zu voll- ständig neuen Designs führen? Welchen Einfl uss werden Informationstechnologien auf zukünftige Produkte und deren Entwicklungsprozesse haben? Entlang dieser und weiterer Fragestellungen analysiert das 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 das Bauhaus Luftfahrt im Sinne eines Thinktanks Themen aus sehr unterschiedlichen Blickwinkeln: Die 31 Wissenschaftler mit fachlicher Expertise aus Sozialwissenschaft und Ökonomie, Natur- und Ingenieurwissenschaft sowie Infor- matik identifi zieren und bewerten erfolgversprechende Ansätze und entwickeln diese, häufi g in Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Partnern, als Grund- lage für neue Produktideen und -konzepte weiter. Damit nimmt das Bauhaus Luftfahrt eine wichtige Vorreiterrolle ein – als Ideenschmiede, Forschungseinrichtung und Impulsgenerator für Fachwelt, Öffentlichkeit und Politik. Die Luftverkehrsfl otte 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 formu- liert. Aus dem Luftverkehrswachstum, den Flightpath- 2050-Zielen und den langen Produktlebenszyklen von Flugzeugen von bis zu 60 Jahren leitet das Bauhaus Luftfahrt seinen Auftrag ab, über die Grenzen herkömm- licher 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 Wissenschaftler erforschen vielmehr neue Technologien und Materialien, zeigen deren Relevanz für zukünftige Entwicklungen und schaffen ein Bewusstsein, worin die Potenziale für die Luftfahrt liegen. Die so gewonnenen Erkenntnisse liefern zahlreiche Denk- und Diskussionsanstöße – und das außerhalb der vorhandenen konventionellen Forschungs- und Entwicklungslandschaft. Die Herangehensweise, zunächst eine Idee in einem interdisziplinären kreativen Prozess entstehen zu lassen und diese anschließend auf ihre Anwendbarkeit wissenschaftlich zu überprüfen, macht das Bauhaus Luftfahrt als Forschungseinrichtung einzigartig in Deutschland und Europa. Gegründet wurde der Bauhaus Luftfahrt e. V. im November 2005 von den drei Luft- und Raumfahrtunter- nehmen Airbus, 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. Das Bauhaus Luftfahrt ist seit 2015 auf dem Ludwig Bölkow Campus in Taufkirchen bei München angesiedelt, dessen Gründungspartner es ist.

12 centairstation & citybird & A I R P O R T & A I R C R A F T C O N C E P T centairstation & citybird

14 centairstation & citybird & Zukünftiger regionaler Luftverkehr zwischen Städten Langfristige Prognosen gehen auch weiterhin von einem starken Wachstum der Luftverkehrsnach- frage aus. Getrieben vom Trend der Urbanisierung dehnen sich heutige Großstädte fl ächenmäßig stark aus und führen auch aufgrund von Fluglärm und Emissionen zu einer Verlagerung von Flughäfen weit außerhalb dieser Städte. Die resultierenden längeren Anfahrtswege und die erschwerte Anbindung an die bestehende Infrastruktur anderer Verkehrsträger wirken sich auf die Attraktivität der Luftfahrt hin- sichtlich eines Reisezeitvorteils gerade auf kürzeren Strecken zwischen Städten negativ aus. Aufbauend auf der Idee der Glasgow School of Art im Forschungsprojekt „FASCINATIONS“ von einem Innenstadtfl ughafen, der oberhalb von Bahn- gleisen entstehen könnte, bestätigte das Bauhaus Luftfahrt eine grundsätzliche Implementierbarkeit in den 100 größten Städten weltweit. Im letztjährigen Gruppendesignprojekt erarbeitete das interdiszipli- näre Team des Bauhaus Luftfahrt und der Glasgow School of Art unter Anwendung der agilen Projekt- managementmethode Scrum in kürzester Zeit das integrative Konzept eines Innenstadtfl ughafens im Zusammenspiel mit einem Regionalfl ugzeug: CentAirStation und CityBird. Die synergetische, in- termodale Integration des Lufttransportkonzepts CentAirStation und CityBird liefert somit eine Antwort für einen zeiteffi zienten Luftverkehr der Zukunft zwischen Städten. Darüber hinaus eröffnet das Konzept CentAirStation und CityBird neue Perspektiven für die Forschung im Bereich Technolo- gien hinsichtlich Lärm, Emissionen und Sicherheit sowie neue Wege einer intermodalen Integration der Luftfahrt. Zeiteffi zienz: ein Erfolgsfaktor für den regionalen Luft- verkehr zwischen Städten Time effi ciency: a success factor in regional air transport between cities Future regional air transport between cities Long-term aviation forecasts still foresee a strong growth in air travel demand. Driven by the trend of urbanisation, today’s large cities are spreading extensively, which leads to relocations of airports far outside these cities due to aircraft noise and emis- sions concerns. This results in longer access times and the growing challenge to connect the airports to the existing infrastructure of the other modes of transport. Both have a negative effect on the attrac- tiveness of aviation with regard to a travel time advantage, especially on shorter routes between cities. Building upon the idea of the Glasgow School of Art in the research project “FASCINATIONS” of an inner-city airport, which could be built above existing train tracks, Bauhaus Luftfahrt confi rmed a possible implementation in the 100 largest cities worldwide. In last year’s group design project, using the agile project management method Scrum, the interdisci- plinary team from Bauhaus Luftfahrt and the Glas- gow School of Art developed in a very short period of time the holistic concept of an inner-city airport in cooperation with a regional aircraft: CentAirStation and CityBird. The synergetic, intermodal integration of the air transport concept CentAirStation and City- Bird thus provides a response for a time-effi cient air transport between cities of the future. In addition, the concept CentAirStation and CityBird opens up new perspectives for research in the areas of noise, emissions, and safety as well as new ways of inter- modal integration of aviation.

16 centairstation & citybird & CentAirStation – ein zentrales, multimodales Verkehrsknotenkonzept Ziel des CentAirStation-Konzepts ist es, Flughäfen im Zentrum einer Stadt zu positionieren, um kürzere Verbindungen zum Flughafen und zu anderen Ver- kehrsträgern zu ermöglichen. Bahnhöfe liegen meist sehr zentral. Darüber hinaus bieten sie Verbindungen zu einer Vielzahl von Verkehrsträgern, zum Beispiel Fernverkehrszügen, öffentlichen Verkehrsmitteln oder Fahrrädern. All diese Merkmale begünstigen die Entscheidung für Bahnhöfe als günstig gelegene Orte für einen innerstädtischen Flughafen. Allerdings bietet ein stark bebautes und versiegeltes Stadt- zentrum nicht ausreichend Platz für den Bau eines solchen Flughafens, was zu der Überlegung führte, Flächen oberhalb eines Bahnhofsgebäudes und der Gleisanlagen zu nutzen. Analysen von potenziel- len Flächen weltweit haben eine Mindestlänge von 640 Metern und eine Mindestbreite von 90 Metern für das Flughafengebäude ergeben. Das Prinzip der vertikalen Prozessketten auf Flugzeugträgern diente als Blaupause für den Auf- bau des multimodalen CentAirStation-Gebäudes oberhalb eines Bahnhofs. Dieses vertikale Layout des Konzepts ermöglicht eine erhebliche Zeiterspar- nis in den Prozessen. Mit seinen Dimensionen ist das Konzept in der Lage, bei 30 Flugzeugbewegun- gen pro Stunde und einem Tagesbetrieb von 16 Stun- den 10,5 Mio. Passagiere im Jahr abzufertigen, was die derzeitige Kapazität von Inlandsdirektfl ügen von 91 Flughäfen in Nordamerika, Europa und Asien abdeckt. Das CentAirStation-Konzept zeigt damit ein hohes Potenzial, aktuelle Engpässe auf den Hub- Flughäfen durch frei werdende Kapazitäten von wegfallenden kontinentalen Strecken zu verringern, um Wachstum auf interkontinentalen Strecken zu ermöglichen. Das CentAirStation- Konzept nutzt freie Flächen über Bahn- höfen durch seine vertikale Bauweise. The CentAirStation concept utilises free space above railway stations with its vertical design. CentAirStation – an inner-city, multimodal transport hub concept The initial objective of the CentAirStation concept is to position airports more centralised within a city to enable shorter links to the airport and with other transport modes. Railway stations possess the main property of being located in the centre of the city. Furthermore, they provide linkages to a huge variety of transport modes, for example long-distance trains, public transport, or bikes. All these characteristics encourage a decision in favour of railway stations as well-situated places for an inner-city airport. One constraint is the available space, which is limited to the volume above the actual railway station and the railway tracks, leading to a vertical arrangement of an additional transport mode. Analyses of poten- tial space above railway tracks have revealed a mini- mum length of 640 metres and a minimum width of 90 metres for the airport building. The principle of vertical process chains imple- mented on aircraft carriers served as blueprint for the setup of the multimodal CentAirStation building on top of a conventional railway station. This vertical layout of the concept enables a signifi cant amount of saving time in the processes. With its dimensions, the concept is capable of operating 30 aircraft move- ments per hour at a targeted 16-hour daily operation resulting in 10.5 million annual passengers, which covers the current capacity of intra-country direct fl ights of 91 airports in North America, Europe, and Asia. Thus, the concept shows a high potential to mitigate congestion at conventional airports in order to allocate additional capacity for growth on inter- continental routes at hub airports.

18 centairstation & citybird & CityBird – ein Flugzeug für den innerstädtischen Betrieb CityBird – an aircraft for inner-city airport operation Die Konzeption eines Flugzeugs, das aus Stadtzen- tren heraus operieren kann, ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Eine breite Palette von Anforderungen, wie begrenzter Platz für den Betrieb und sehr res- triktive Lärmvorgaben, bedürfen eines fein ab- gestimmten Entwurfs, um allen Anforderungen gerecht zu werden. Auf einer Bahn mit 640 Metern Länge starten und landen zu können und auch einen möglichst geräuscharmen Lärmteppich zu schaffen, ist eine zentrale Herausforderung. Generell ermög- licht eine geringe Fluggeschwindigkeit niedrige Geräuschemissionen, aber ein effektives und kom- plexes Hochauftriebssystem, das notwendig ist, um geringe Fluggeschwindigkeiten zu erreichen, ist eine der Hauptquellen für Fluglärm. Um den Anfor- derungen gerecht zu werden, war ein Kompromiss zwischen der optimalen Reisefl ugeffi zienz und der Kurzstartfähigkeit des Flugzeugs erforderlich, der durch eine Verringerung der Flächenbelastung gelang. Des Weiteren wird das Flugzeug beim Start- vorgang durch ein elektromagnetisches Startsystem am Boden beschleunigt. Dies ermöglicht es, die Triebwerke für einen effi zienten Reisefl ug statt nur für den Start zu dimensionieren. Es ergibt sich eine konstante Beschleunigung während des Starts von 0,5 g, was der Beschleunigung eines Sportwagens entspricht. Die Flughafeninfrastruktur und das Flug- zeug müssen aufeinander abgestimmt sein, um den vorhandenen Platz effi zient zu nutzen. Aus die- sem Grund wurden die maximalen Abmessungen des Flugzeugs mit 28 Metern Spannweite und 24 Metern Länge defi niert. Das daraus resultierende Konzept kann 54 Passagiere (Auslastung 90 %) über 1500 nautische Meilen mit einer Reisegeschwindig- keit von Mach 0,65 befördern. Der Kraftstoffver- brauch von nur 1,68 Litern pro 100 Kilometer und Passagier ist dabei deutlich niedriger als heutzu- tage. Start aus der Innenstadt heraus mit deutlich kürzeren Reisezeiten für Passagiere. Taking off out of city centres reduces travel times to and from the airport as well as overall journey time. The design of an aircraft capable of operating out of the densely populated areas in city centres is a chal- lenging task. A wide range of constraints, such as restricted space for operation and noise limitations, call for a fi nely tuned trade-off in the design to cover all requirements. A key challenge of the concept was to be able to take off and land on a 640 metres (2,100 feet) runway and also to create a noise foot- print as low as possible. A low fl ight speed reduces the noise emissions, but an effective and complex high-lift system necessary to achieve low fl ight speeds is a major noise contributor. To fulfi l the requirements, a compromise was necessary. Opti- mum cruise performance was traded for fi eld per- formance provided by reducing the wing loading. Moreover, the take-off run is accelerated by a ground-based electromagnetic launch system, sup- porting the engines during take-off. This also enables the engines to be sized for an effi cient cruise thrust rather than simply for providing suffi cient thrust for take-off and provides a constant acceleration during take-off of roughly 0.5 g representing the accelera- tion of a sports car. Furthermore, the aircraft and the airport infrastructure have to go hand in hand to effi - ciently use the available space during turnaround procedures. For that reason, maximum dimensions of the aircraft were defi ned, which resulted in 28 metres of wingspan and 24 metres of length. The resulting design can travel 1,500 nautical miles car- rying 54 passengers (load factor 90 %) at a cruise speed of Mach 0.65. This can be done with a signifi - cantly reduced fuel consumption of just 1.68 litres per 100 kilometres and passenger.

20 technology radar Prospective concepts for aeronautics are based on the understanding of future technology options and their physical bounda- ries. For early identifica- tion of design-driving developments, Bauhaus Luftfahrt has established the “Technology Radar”, which includes the domains of energy, mate- rials, photonics, sensors, and information. The pur- sued approach to future technology analysis and assessment of innovation potentials rests upon an interdisciplinary culture and on a specially devel- oped methodology. This relies on the derivation of universal metrics and physical benchmarks as well as on an analysis of the scaling behaviour and disruptive potential of novel technologies. As guidance to the future development of sound overall concepts, perfor- mance potentials are determined in the aero- nautical context at various levels of complexity, from components, devices to integrated systems. Schlüssige Luftfahrtkonzepte von morgen basieren auf dem Verständnis zukünftiger Techno- logieoptionen und deren physi- kalischer Leitplanken. Zur Früherkennung designtreiben- der Entwicklungen hat das Bauhaus Luftfahrt das „Techno- logieradar“ etabliert, das die Domänen Energie, Materialien, Photonik, Sensorik und Infor- mation umfasst. Der verfolgte Ansatz zur Zukunftstechnologie- analyse und Bewertung von Innovationspotenzialen stützt sich auf eine interdisziplinäre Kultur und eine eigens entwi- ckelte Methodik. Diese beruht auf der Bestimmung universel- ler Metriken und physikalischer Grenzwerte sowie einer Ana- lyse des Skalierungsverhaltens und disruptiven Potenzials neuer Technologien. Als Leit- linie für die zukünftige Entwick- lung stimmiger Gesamtkonzepte werden Leistungspotenziale im Luftfahrtkontext auf unter- schiedlichen Komplexitäts- ebenen untersucht, von Kompo- nenten über Baugruppen bis hin zu integrierten Systemen. a) Brussels Abu Dhabi

22 technology radar Zukunftstechnologien für Zustandsüberwachung und Health Monitoring Future technologies for condition and health monitoring Effi zienz, Kosten und Sicherheit sind wesentliche Treiber für die technologische Entwicklung in der Luftfahrt. Verbesserungspotenziale mit transforma- tivem Einfl uss auf Design-, Betriebs- und Wartungs- paradigmen ergeben sich durch sensorgestützte, zusätzliche Information über den Zustand von Kom- ponenten und Strukturen. Das Triebwerk könnte zum Beispiel für optimierte Effi zienz ausgelegt und näher an der Betriebsgrenze betrieben werden. Außerdem bildet eine umfassende Systemzustands- information die Basis für den voranschreitenden Übergang von konventioneller, planmäßiger zu bedarfsorientierter Wartung. Zu den Schlüsselanforderungen für die Aus- schöpfung dieser Potenziale gehören robuste, zuver- lässige Sensorarchitekturen, die im Rahmen der Zukunftstechnologieanalyse am Bauhaus Luftfahrt untersucht werden. Dünnschichtsensoren sind als eine vielversprechende Sensortechnologie identifi - ziert worden. Der hohe Miniaturisierungsgrad erlaubt neben hoher Aufl ösung und geringem Leis- tungsverbrauch eine minimal-invasive Struktur- einbettung zum Vorteil von Beständigkeit und Lang- lebigkeit. Leichte, fl exible, drahtlose Sensornetzwerke mit geringen Installations- und Wartungskosten erhalten die Rohdaten von einer großen Anzahl von Sensoren, etwa zur Strukturüberwachung. Poten- ziale für den energieautarken Betrieb durch Energy Harvesting wurden identifi ziert (Abb. rechts oben). Der Energie- und Bandbreitenbedarf kann mit- hilfe von Netzwerk- und Computing-Architekturen optimiert werden, die lokale Datenauswertung und selektierte Informationsweitergabe innerhalb cyber- physischer Systemansätze implementieren. Die auf Flugzeug- und Flottenebene resultieren- den großen Datenvolumina lassen sich mithilfe von Big-Data-Ansätzen erschließen, deren Potenzial für eine bessere Entscheidungsfi ndung untersucht wird. 10 um Cyber-physische Systemoptimierung und Big-Data-Ver- fahren ermöglichen Health Monitoring in Echtzeit. Cyber-physical system optimisation and Big Data approaches enable real-time health monitoring. Effi ciency enhancement, cost reduction, and safety improvements are important drivers of technology developments in aviation. Novel sensor systems pro- vide additional information on the state of compo- nents and structures with potentially transformative impacts on design, operation, and maintenance paradigms. For instance, turbine engines may be designed for optimised effi ciency and for running closer to their operational limit. Furthermore, com- prehensive system state information is the basis for the ongoing transition from conventional, sched- ule-based to condition-based maintenance. Key requirements to realise these potentials involve robust and reliable sensing architectures, which are evaluated in the framework of Bauhaus Luftfahrt’s future technology analysis. Advanced thin-fi lm-based sensors were identifi ed as one prom- ising sensing technology. The high degree of minia- turisation enables minimally invasive structural embedding in favour of durability and survivability, high resolution and low power consumption. Lightweight and fl exible wireless sensor net- works acquire the raw data from a large number of sensors with low installation and maintenance cost, for example for structural health monitoring. Energy harvesting potentials for energy self-suffi cient opera- tion were identifi ed (Fig. top right). Energy and bandwidth demand may be opti- mised by means of network and computing architec- tures, which incorporate partial processing and exchange of locally collected data and information within a cyber-physical system approach. The emerging large data volumes on aircraft and fl eet level can be exploited by Big Data approaches, which are evaluated with regard to improved quality of decision making.

24 technology radar Zukunftstrends: Hyperschallmissionen und kosmische Strahlenbelastung Seit 2011 befasst sich das Bauhaus Luftfahrt mit der wachsenden Relevanz der kosmischen Strahlen- exposition und mit Synergiepotenzialen für nachhal- tiges, strahlungsarmes Fliegen. Die Reisezeitverkürzung stellt einen Schlüssel- treiber für die Luftfahrtentwicklung dar. Hyper- schallkonzepte versprechen direkte Verbindungen über die größten interkontinentalen Distanzen innerhalb weniger Stunden. Erhöhte Geschwindig- keit geht einher mit größerer Flughöhe und oft mit transpolaren Routen. Die Strahlungsintensität nimmt bis 20–25 Kilometer Höhe stark zu und ist maximal an den Polen. Gleichzeitig führt eine kür- zere Flugdauer zu geringerer Bestrahlungszeit. Während die jährliche Exposition von Flugperso- nal mit festen Blockstunden bei größeren Flughöhen wächst, kann die Dosis von Vielfl iegern durch kür- zere Flugzeiten sinken. Ob dies der Fall ist, wird laut einer aktuellen Journalpublikation1 von der Phase im Sonnenzyklus und der Flugroute bestimmt. So ergaben sich in Zeiten geringer solarer Aktivität für Passagiere auf transpolaren Hyperschallrouten ähnli- che oder höhere Werte als auf den heutigen Routen. Entgegen der Intuition wächst in Perioden hoher solarer Aktivität die Strahlungsrate schwächer mit der Höhe und geografi schen Breite. Hier führte die kürzere Exposition zu einer niedrigeren Dosis auf Hyperschallfl ügen. Diese könnten jedoch während Sonnenstürmen mit um eine Größenordnung höhe- rer Dosisrate nicht durchgeführt werden, was von wirtschaftlichem Nachteil wäre. In Vorarbeiten2, 3 ergaben sich für Nanokompo- site als Strukturmaterialien und für Wasserstoff als Kraftstoff wesentliche Synergiepotenziale für den Strahlenschutz. Sie könnten genutzt werden, um strahlungsarmes Fliegen bei großer Höhe unabhän- gig von der solaren Aktivität zu erlauben. 10 um Schneller und höher fl iegen – nicht immer vorteilhaft in Bezug auf die kosmische Strahlenbelastung Flying faster and higher – not always benefi cial in terms of cosmic radiation exposure Future trends: Hypersonic missions and cosmic radiation exposure Since 2011, Bauhaus Luftfahrt is concerned with the growing relevance of cosmic radiation exposure in aviation as well as with technical synergy potentials for sustainable and low-radiation fl ying. Travel time reduction is a key driver for air traffi c development. Hypersonic concepts promise direct connections over the largest intercontinental dis- tances within a few hours. Elevated speeds go along with higher fl ight altitudes and typically with trans- polar routes. Up to 20–25 kilometres above ground, radiation intensities strongly grow and are maximal at the poles. Simultaneously, shorter fl ight durations imply smaller irradiation times. While fl ying at high altitudes generally increases annual doses of aircrews with fi xed block hours, shorter fl ight duration may reduce passengers’ radia- tion burden. In a recent journal article1, an intricate dependence of route dose on the phase in the sun’s 11-year cycle and on fl ight trajectory was revealed. In periods of low solar activity, for passengers on transpolar hypersonic routes, similar or higher values emerged as on the present ones. In times of high solar activity, counterintuitively, the growth of radia- tion rates with altitude and latitude is less severe. Here, the shorter exposure on hypersonic missions allowed for lower doses than today. Yet, during occa- sionally occurring solar storms with order of magni- tude increased dose rates, hypersonic routes may not be served, leading to economic penalties. Important co-benefi ts for radiation protection were found in previous works 2, 3 for nanocomposites as novel structural materials and hydrogen as fuel. Exploiting these synergy potentials may allow for low-radiation fl ying at high altitudes irrespective of solar activity. 1L. Koops, “Cosmic Radiation Exposure of Future Hypersonic Flight Missions”, Radiation Protection Dosimetry (2016) 2A. Sizmann, L. Schrempp-Koops, “Shielding Cosmic Radiation in Air Traffi c”, ICAS 2012, Brisbane, Australia (2012) 3L. Schrempp-Koops, “Size Effects on the Effi ciency of Neutron Shielding in Nanocomposites – a full-range analysis”, International Journal of Nanoscience, 12 3 (2013)

26 technology radar Bewertung fl iegender Kommunikationsnetzwerke mit Wolkeneinfl uss und Integration von Satelliten Airborne network assessment with cloud impact and satellite integration Aeronautische Ad-hoc-Kommunikationsnetzwerke (AANET) sind ein neues Konzept für die Luftfahrt, das Konnektivität für Verkehrsfl ugzeuge mit Kapazi- täten weit über denen von Punkt-zu-Punkt-Verbin- dungen zu Satelliten verspricht. Die Bewertung von AANET in Bezug auf zukünftige Anforderungen, Ver- fügbarkeit von Internetzugangspunkten und atmo- sphärische Beeinträchtigungen stellt eine kritische Aufgabe dar. Am Bauhaus Luftfahrt wurde eine Simulations- umgebung entwickelt, die auf bis zu 50 000 Flüge pro Tag anwendbar ist. Die Simulationen werden genutzt, um AANET im Hinblick auf Verfügbarkeit, Übertragungskapazität und Dynamik zu optimieren. Dabei werden Datensätze von NASA-Erdbeobach- tungssatelliten genutzt, um den Wolkeneinfl uss auf die Verfügbarkeit zu untersuchen. Kompakte und schnelle Laserlinks zwischen Flugzeugen bieten um Größenordnungen verbes- serte Datenraten und ermöglichen den Fluglinien, Breitbanddienste für Passagiere, Bord- und War- tungspersonal bereitzustellen. Unsere Studien zei- gen, dass die Flugzeugdichten über Europa, Nord- amerika, nahe den Drehkreuzen des Nahen Ostens und in großen Teilen Asiens und Südamerikas hoch genug für fl ächendeckende AANET sind. Aufgrund des hohen Flugaufkommens können wenige terrestrische Internetzugangspunkte die meisten Flugzeuge über Land versorgen. Auf Lang- streckenfl ügen mit geringerem Verkehrsaufkommen können Laserterminals auf Satelliten und Höhen- plattformen die nötige Infrastruktur bieten. Obwohl die Anzahl von Terminals auf Satelliten aufgrund von Komplexität, Gewicht und Kosten in Zukunft eingeschränkt bleiben mag, können durch AANET viele Flugzeuge davon profi tieren. In naher Zukunft wird schnelle On-Board- Konnektivität ein integraler Bestandteil des Reiseerlebnisses der Passagiere sein. In the near future, fast on-board connectivity will be an integral part of the passenger travel experience. Aeronautical ad-hoc communication networking (AANET) represents a new paradigm in air transport, providing connectivity to airliners beyond the perfor- mance limits of one-on-one, plane-to-satellite links. A critical task is to evaluate the effectiveness of AANETs in relation to future bandwidth demand, internet gateway (IGW) availability, and atmospheric impairments. At Bauhaus Luftfahrt, a simulation environment capable of modelling large-scale AANETs, consider- ing worldwide air traffi c with typically up to 50,000 fl ights per day, has been developed. Simulations are used to optimise network performance in terms of connectivity, data capacity, and dynamics, and global cloud datasets from NASA earth observation satel- lites are used to evaluate weather impact on net- work availability. Compact and high-speed, plane-to-plane laser links provide orders-of-magnitude improvements in communication bandwidth, enabling airlines to offer broadband services to passengers, fl ight and maintenance crews. Our studies show that air traffi c is suffi ciently dense to support large-scale AANETs across Europe and North America, near Middle East- ern air traffi c hubs, and in large parts of Asia and South America. Due to the high frequency of domestic fl ights, terrestrial IGWs may provide data services to most aircraft even without satellite links. For long-range, oceanic routes with lower air traffi c density, laser terminals (LT) on satellites and high-altitude platform stations (HAPS) may provide necessary infrastruc- ture. Although the number of available LTs may be limited for reasons of complexity, weight, or cost, AANET allows many aircraft to benefi t.

28 operations With a profound under- standing of future scena- rios and trends impacting aviation, the research focus area “Operations” investigates the implica- tions for air transport based on future mobility conditions. Starting from a solid knowledge of the future drivers of the air transport system, research questions con- cerning future require- ments of passengers, air- lines, and airports as well as novel processes related to aircraft opera- tion are analysed. Promis- ing technologies and approaches, such as novel intermodal transport concepts, airside opera- tions, or business models, are implemented in the air transport system and eval- uated on an operational level. The results identify efficiency potentials and hence recommendations for different stakeholders of the air transport system can be given. Auf der Basis eines fundierten Verständnisses zukünftiger Szenarien und Trends befasst sich der Forschungsschwer- punkt „Operationelle Aspekte“ mit den veränderten Rand- bedingungen der Mobilität der Zukunft und den entspre- chenden Implikationen für den Luftverkehr. Neben Frage- stellungen zu zukünftigen Bedürfnissen von Passagieren, Fluggesellschaften und Flug- häfen werden auch neue Prozesse im Betrieb von Luft- fahrzeugen untersucht. Viel- versprechende Technologien und Ansätze, wie neuartige Transportkonzepte, Betriebs- abläufe oder Geschäftsmodelle, werden in das Lufttransport- system implementiert und ihr Effekt auf operationeller Ebene wie auch im Zusammen- spiel eines intermodalen Ver- kehrs bewertet. Auf dieser Grundlage werden Effizienz- potenziale identifiziert und Handlungsempfehlungen für die unterschiedlichen Akteure der Luftfahrt formuliert. ] % [ k e e w a g n i r u d s d e e p s s s e c c a t r o p r i a e g a r e v a – n o d n o L 70 60 50 40 30 20 Sunday Monday 00:00 12:00 00:00 12:00

30 operations Wer wartet da am Gate? Eine Analyse europäischer Passagiere Who is waiting at the gate? An analysis of European passengers Haben Sie sich auch oft gefragt, wer all diese Men- schen am Flughafen sind? Man wartet am Gate und beobachtet die vorbeilaufenden Passagiere, denn ein Flughafen ist ein Ort, wo Menschen mit unter- schiedlichsten Hintergründen zusammenkommen. Das Reiseverhalten von Passagieren, präferierte Reiseziele, das Reisebudget und die persönlichen Erfahrungen werden von einer Vielzahl von Faktoren beeinfl usst, wie beispielsweise verfügbares Ein- kommen, Alter, Geschlecht, Haushaltsstruktur, Her- kunft, Bildung, aber auch die Nutzung neuer Tech- nologien, das eigene Umweltbewusstsein und der Wert von Zeit. Das Bauhaus Luftfahrt analysiert diese Aspekte, um ein besseres Verständnis von aktuellen und zukünftigen Flugpassagieren zu bekom- men, die Nachfrage analysieren und Anforderungen an das europäische Transportsystem identifi zieren zu können. Dieser Ansatz wurde im „DATASET2050“-Pro- jekt angewendet, um zukünftige Passagierprofi le für das Jahr 2035 zu entwickeln. Der Environmental Traveller und der Digital Native Business Traveller sind zwei davon. Der erste Passagiertyp ist umwelt- bewusst und achtet auf die Reduktion von Flugrei- sen, versucht Reisen zu verbinden und möglichst wenig Gepäck mitzunehmen. Denkbar ist auch, dass für ein Carbon-Offset-Programm gezahlt wird. Der Digital Native Business Traveller repräsentiert die heutige digitalaffi ne Generation Y und Z in der Arbeitswelt. Er ist immer online, und Technologie wird als selbstverständlicher Teil der Reise genutzt. Da eine höhere Bildung zu einem Beruf mit hoher Reisetätigkeit führen kann, wird aufgrund des wachsenden Frauenanteils im tertiären Bildungs- sektor ein großer Anteil dieser Gruppe weiblich sein. „DATASET2050“ ist eine Coordination and Support Action der Europäischen Kommission. “DATASET2050” is a Coordination and Support Action funded by the European Commis- sion. Have you ever wondered about all the different people at the airport? Almost all of us have been waiting at the gate and watching passengers walking past. An airport is a melting pot where people with all backgrounds come together. Passengers’ travel behaviour, their prefer- ences regarding destinations, their travel budget and experience sought are influenced by various factors like income, age, gender, household struc- ture, country of origin, the educational level, but also their usage of information and communi- cation technologies, their environmental aware- ness, or their value of time. Bauhaus Luftfahrt examines these aspects to get a better under- standing of current and future air transport pas- sengers, indications of today’s air travel demand as well as expectations regarding the European transport system. Within the “DATASET2050” project, several future passenger types for 2035 have been devel- oped using this approach. The Environmental Traveller and the Digital Native Business Traveller are two of these passenger profiles. The first one is very environmentally conscious and part of a lifestyle that reduces air travel; he combines trips if possible and flies with as little luggage as possible. He might be willing to pay for a carbon offset scheme to compensate for his own air jour- ney. The latter one represents today’s digital- savvy generation Y and Z in the workplace, is hyperconnected, and technology is deeply embed- ded within his journey. Since higher education can lead to a profession with increasing travel, a large proportion of this group will be female due to the growing share of women in tertiary education.

32 operations Analyse von Reisezeiten zu und von europäischen Flughäfen Innerhalb eines europäischen Forschungsprojekts wurden Fahrtzeiten von und zu Flughäfen analysiert. Die Ergebnisse werden verwendet, um Schlüsse auf den Effekt der Ab- und Anreisezeiten von und zu Flughäfen auf die Gesamtreisedauer ziehen zu kön- nen. Die Europäische Kommission defi nierte eine maximale Gesamtreisedauer von vier Stunden inner- halb Europas als eines ihrer Flightpath-2050-Ziele. Die Reisezeiten wurden via Google Maps erho- ben. Reisezeiten von und zu Flughäfen wurden von einer Vielzahl von um die Flughäfen gelegenen Kno- tenpunkten abgefragt. Die Punkte unterscheiden sich in Distanz zum und Himmelsrichtung vom Flug- hafen und wurden zu verschiedenen Tages- und Wochenzeiten sowie mit unterschiedlichen Beförde- rungsarten (Pkw und öffentlichen Verkehrsmitteln) zur Reisezeitberechnung verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass Reisedistanz, Tageszeit und vor allem Transportart einen erhebli- chen Einfl uss auf die Reisegeschwindigkeiten von und zu Flughäfen haben. Im Vergleich zum Pkw sind die Geschwindigkeiten öffentlicher Verkehrsmittel durchweg niedriger und ihre Reisestrecken – gleich- zeitig – länger. So würden Passagiere bei einem 50 Kilometer entfernten Flughafen durchschnittlich 90 Minuten im Pkw verbringen. Mit öffentlichen Verkehrsmitteln steigt diese Zeit sogar auf 3,5 Stunden. Es ist daher offensichtlich, dass es Bedarf für Verbesserungen der Transportinfrastruktur und besonders der öffentlichen Verkehrsdienste von und zu Flughäfen gibt. In Anbetracht der ständig zuneh- menden Verstädterung werden neuartige Verkehrs- konzepte und Transporttechnologien benötigt, um sich dem Ziel der Europäischen Kommission von kürzeren Reisezeiten anzunähern. Driving Public transport In europäischen Großstädten sind Pkw mehr als doppelt so schnell wie öffentliche Verkehrsmittel. On average driving is more than twice as fast as travelling by public transport in large European cities. Analysis of European airports’ access and egress travel times Within the scope of a European aviation research project, door-to-kerb and kerb-to-door times from and to European airports have been analysed. The results are being used to draw conclusions on the effect of airport access/egress times on the overall duration of air travel chains, since the European Commission’s Flightpath 2050 seeks to enable four-hours, door-to-door, intra-European travel. The travel times have been retrieved by sam- pling Google Maps’ travel time data, using the Google Maps Distance Matrix API. Each airport was queried from an array of nodes, encircling the airport, at various distances, headings, week- days, times of day, and modes of transport (that is automotive and public transport). The results show that travel distance, time of day, and – especially – mode of transport have the most severe impacts on airport access/egress travel speeds. Public transport’s speeds are con- sistently lower and its routes, simultaneously, longer when compared to driving. Within an exem- plary air travel trip involving an airport, which is 50 kilometres away, passengers would already spend 90 minutes driving to and from the airport. The time required for airport access/egress would even amount to 3.5 hours when using public transport. It is, thus, evident that transport infrastruc- ture and especially public transport services from and to airports may require enhancements. In light of ever-increasing urbanisation and the sub- sequent rise of traffic congestion, novel transport concepts and technologies are required to con- verge on the European Commission’s goal of enabling four-hours, door-to-door, intra-European air travel.

34 operations Untersuchung von Passagier- einstiegszeiten mit agenten- basierten Simulationen Boarding process investigations using agent-based simulations Prozesse in der Kabine sind oft Grund für Verspä- tungen. Passenger processes in the cabin are often a reason for delays. Eine effi ziente Flugzeugabfertigung ist ein wesent- liches Element der Wettbewerbsfähigkeit von Fluggesellschaften. Das Ein- und Aussteigen der Passagiere ist im heutigen Kurz- und Mittelstre- ckenbetrieb ein wichtiger Prozess und bestimmt oft über die minimale Bodenstandzeit als kritischen Pfad. Dies wird durch den Trend zu kleineren Sitz- abständen und größeren Flugzeugtypen noch ver- stärkt. Daher sind neue, optimierte Konzepte für das Ein- und Aussteigen erforderlich, wie zum Beispiel die Veränderung von Türpositionen oder Kabinen- layouts, die Passagieren mehr Platz gewähren, ins- besondere während des Gepäckverstauens. Die am Bauhaus Luftfahrt entwickelte Passa- gierfl usssimulation PAXelerate identifi ziert die Reduk- tionspotenziale für Passagierprozesse durch die Erfassung der Agenteninteraktionen. Jeder Passa- gier wird als Agent mit individuellen Eigenschaften wie Körpermaßen, Gehgeschwindigkeit, Sitzplatz oder Art des Handgepäcks dargestellt. Erste Studien zeigen, dass die Einstiegszeiten um bis zu 47 % für Flugzeuge mit einem Gang und bis zu 44 % für Flugzeuge mit zwei Gängen reduziert werden können, wenn Türen im Bereich von 1/4 und 3/4 der Kabinenlänge anstatt einer Tür neben dem Cockpit genutzt werden. Darüber hinaus ermöglicht der Einbau von klappbaren Sitzen – ähnlich einem Kinositz – und seitlich einklappbaren Sitzen Effi zienz- steigerungen in der Einstiegszeit zwischen 28 % und 47 % in Abhängigkeit der verwendeten Tür- positionen. Diese Ergebnisse gestatten eine weiter- gehende Analyse hinsichtlich des Einfl usses auf direkte Betriebskosten wie auch in Bezug auf die Integration in operationelle Abläufe und Flugzeug- fl otten. An efficient aircraft turnaround is an essential element for airlines to be competitive. In current short- to medium-haul operation, passenger boarding and disembarking are key processes of an aircraft turnaround and often on the critical path. This gets amplified with the recent trend towards denser aircraft cabins and larger aircraft types. Hence, new concepts for optimised pas- senger processes are required, such as door posi- tion permutations or seat layouts, which provide more space for passengers’ movements, espe- cially during luggage stowing. The in-house developed passenger flow simu- lation framework PAXelerate aims to identify reduction potentials for passenger processes through capturing the agent interactions and the resulting complex system behaviour. Each pas- senger is represented as an agent with individual properties, such as body dimensions, walking speed, target seat, or type of carry-on luggage. First studies focusing on single- and twin- aisle aircraft revealed that a scenario using doors positioned at 1/4 and 3/4 of the cabin length could reduce the boarding time by up to 47 % for a single-aisle and up to 44 % for a twin-aisle configuration compared to a single door for pas- senger processes. Furthermore, the implementa- tion of two different foldable seats concepts – lifting seat pan and sideways foldable seat – into single-aisle configurations enables efficiency gains between 28 % and 47 %, depending on the doors used. Building upon these results, an evalu- ation of the operational integration into current operations and existing airline fleets based on a direct operating cost will be feasible.

36 alternative fuels Algae oil Open pond HEFA Jatropha For ecological and eco- nomic reasons, renewable alternatives to conven- tional jet fuel have moved into the focus of interest of the aviation industry. In this diverse thematic field, the research focus area “Alternative Fuels” at Bauhaus Luftfahrt addresses the following key questions: Which quantities could be pro- duced worldwide in a sus- tainable way? Which technical production path- ways are available for a long-term supply of renewable fuels? And how do these pathways per- form with respect to tech- nical, environmental and socioeconomic criteria? Currently less mature technology options with promising potentials for long-term applications are of particular interest for the work at Bauhaus Luftfahrt. Fuel production from unconventional types of biomass, such as microalgae, or nonbio- genic approaches, such as solar fuels and Power-to-Liquid (PtL), represent important research topics in this context. Erneuerbare Alternativen zu konventionellem Kerosin rücken aus ökologischen und ökonomischen Gründen zunehmend in den Fokus der Luftfahrt. In diesem vielfältigen Themenfeld konzentriert sich der Forschungsschwerpunkt „Alternative Kraftstoffe“ am Bauhaus Luftfahrt auf folgende zentrale Fragestellungen: Welche Mengen können in Zukunft weltweit auf nachhal- tige Weise produziert werden? Welche technischen Produk- tionspfade stehen für eine langfristige Versorgung zur Verfügung? Und wie sind diese Pfade im Hinblick auf ihre technischen, ökologischen und sozioökonomischen Potenziale zu bewerten? Langfristige, bislang weniger entwickelte Optionen spielen in den Betrachtungen eine besondere Rolle. Die Produk- tion aus unkonventionellen biogenen Rohstoffen, wie Mikroalgen, oder nichtbiogene Prozesse, wie solare Kraft- stoffe und Power-to-Liquid (PtL), stellen hierzu wichtige Forschungsansätze dar. PtL water demand compared to selected biofuels (Volume representation, PtL water demand 1.4 LH2O/Ljet fuel)

38 alternative fuels CORE-JetFuel: Empfehlungen für zukünftige F&E in erneuerbaren Flugkraftstoffen CORE-JetFuel: Recommendations for future R&D in renewable aviation fuels Die Nachhaltigkeitsstrategie der Luftfahrt enthält als zentralen Bestandteil die langfristige positive Wirkung erneuerbarer Kraftstoffe. Das EU-Pro- jekt „CORE-JetFuel“1 unterstützt die Europäische Kommission in der Implementierung eines For- schungs- und Innovationsprogramms, das zum Ziel hat, marktwirtschaftlich wettbewerbsfähige, klima- neutrale Drop-in-Kraftstoffe zu entwickeln, die in ausreichenden Mengen produziert werden können. Das Bauhaus Luftfahrt bewertete die techno- ökonomischen und ökologischen Potenziale von verschiedenen Produktionspfaden, die sich zurzeit in der Entwicklungsphase befinden. Die ganzheitliche Bewertung schloss die abwägende Risk/Reward- Potenzialanalyse und die Kosten-Nutzen-Verhältnisse in Bezug auf den ökologischen Fußabdruck ein. Ein Ergebnis war die Identifikation von Produkti- onspfaden, die herausragende Ökobilanz und höchs- tes Substitutionspotenzial miteinander verbinden. Diese basieren entweder auf lignozellulosehaltigen Rohstoffen (einschließlich Abfallstoffen) oder biomasseunabhängigen Produktionstechnologien. Letztere erfordern als Schlüsselelement weitere Forschung zur CO2-Gewinnung aus der Atmosphäre. Aufgrund eines zu erwartenden Kostennachteils von erneuerbaren gegenüber konventionellen Kraft- stoffen, zumindest in der mittelfristigen Zukunft, erfordert die Wettbewerbsfähigkeit erneuerbarer Kraftstoffe regulatorische und/oder wirtschaftliche Maßnahmen. Ausgehend vom aktuellen Stand von Forschung und technischer Reife wurden gemein- sam mit den Projektpartnern Empfehlungen und Zukunftspläne entwickelt2, die mit einem ausgewo- genen Ansatz sowohl mittel- als auch langfristig die höchsten Erträge versprechen. 1Das Projekt „CORE-JetFuel” (Coordinating research and innovation of jet and other sustainable aviation fuel, 2013 – 2016) wurde durch das 7. Forschungsrahmenprogramm der Europäischen Union (FP7/2007 – 2013) gefördert (Fördervertragsnummer 605716). 2Bericht zugänglich auf: http://www.core-jetfuel.eu Das Projekt berät die Europäische Kommission in Fragen der Forschungs- und Innovations- programme zu erneuerbaren Flugkraftstoffen. The project provides the European Commission with recommendations on its programmatic research and innovation agenda. Central to the aviation industry’s sustainability strategy is the positive impact of renewable low-carbon fuels in the long-term future. The EU-funded coordinating action “CORE-JetFuel”1 was dedicated to support the European Commis- sion in its implementation of a programmatic research and innovation agenda that develops sufficient quantities of carbon-neutral drop-in fuels in a cost-competitive manner. Bauhaus Luftfahrt’s task was to evaluate the technical, economic, and environmental perfor- mance potentials of various production pathways currently under development. A multiple-criteria framework was developed and applied, and trade-off relations between risk and reward as well as cost and benefit were analysed. As a result, high-impact production pathways were identified, which combine both superior life-cycle performance and substitution potential. Those are based either on lignocellulosic feed- stock (including waste streams) or on non-bio production technologies. For the latter, it is recom- mended to support research dedicated to CO2 extraction from air as key enabling technology. As a price gap between conventional jet fuel and renewable alternatives is likely to remain at least in the medium-term future, appropriate regulatory and/or economic measures will be needed to provide a market environment where renewable fuels can be competitive. Based on the state of research and technology readiness, a set of detailed recommendations and roadmaps was developed in cooperation with the project part- ners2 to reap both medium-term and potential long-term benefits in a balanced approach. 1The project “CORE-JetFuel” (Coordinating research and innovation of jet and other sustainable aviation fuel, 2013 – 2016) received funding from the European Union Seventh Framework Programme (FP7/2007– 2013) under grant agreement no. 605716. 2Report accessible at: http://www.core-jetfuel.eu

40 alternative fuels StL CO2, H2O CxHy Solarenergie treibt einen thermo- chemischen Kreis- prozess an, der Flüssigkraftstoff (CxHy) aus CO2 und H2O produziert. Solar energy is used to drive a thermo- chemical cycle to produce liquid fuels (Cx Hy) from CO2 and H2O. Effi zienzpotenziale solarthermochemischer Kraftstoffproduktion Solarenergie ist aufgrund ihrer weitverbreiteten Verfügbarkeit ein Grundpfeiler der Energiewende von fossilen zu erneuerbaren Quellen. Die Nutzung von Sonnenlicht für die thermochemische Produk- tion von erneuerbaren Flugkraftstoffen verspricht einen besonders hohen Konversionswirkungsgrad. Kohlendioxid und Wasser werden dabei in einem Solarreaktor, der zum Beispiel die Keramik Ceroxid als Reaktant nutzt, in Kohlenmonoxid und Wasser- stoff gespalten. Die Gasmischung wird anschlie- ßend in flüssige Kohlenwasserstoffe umgewandelt. Forscher des Bauhaus Luftfahrt zeigten auf, welch starken Einfluss die Umwandlungseffizienz auf die Kosten- und Ökobilanz des Kraftstoffpro- dukts hat, da sie die Größe des konzentrierenden Solarfelds bestimmt1. Als ein Teil des Engagements des Bauhaus Luftfahrt in der Erforschung des Inno- vationspotenzials von solarer Kraftstofftechnologie wurde ein generisches und modulares Modell für die Beschreibung einer großen Zahl von Reaktor- konzepten entwickelt2. In der Auswertung wurde die Bedeutung der Wärmerückgewinnung aus dem reaktiven Material für hohe Wirkungsgrade gezeigt, wobei bis zu 80 % Wärmetauscheffizienz in einer neuartigen Festkörper- Gegenstrom-Konfiguration möglich sind. Mit dem Modell ist es auch möglich, die Reaktorgeometrie für vorgegebene Betriebsparameter zu optimieren. Die Ergebnisse bilden einen wichtigen Beitrag zur Erforschung von Reaktortechnologien, wie sie im Rahmen des „SUN-to-LIQUID“-Projekts3 untersucht werden, um Sonnenlicht kosteneffizient für die nach- haltige und großtechnische Produktion von Flug- kraftstoffen zu nutzen. 1C. Falter, V. Batteiger, A. Sizmann, Environmental Science and Technology, 50 1 (2016) 2C. Falter, A. Sizmann, R. Pitz-Paal, Solar Energy, 122 (2015) 3Die Forschung zu diesen Ergebnissen wurde von der Europäischen Union im Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 unter der Förder- vertragsnummer 654408 gefördert. Effi ciency potential of solarthermochemical fuel production With its widespread availability, solar energy forms a cornerstone of the transition of the energy sector from a fossil to a renewable base. Regard- ing the production of renewable fuels for aviation, the use of sunlight in a thermochemical cycle promises a particularly high energy conversion efficiency. Carbon dioxide and water are split into carbon monoxide and hydrogen in a solar reactor using a metal oxide, for example cerium dioxide. The yielded gas mixture is then converted into liquid hydrocarbon fuels. As was shown by researchers at Bauhaus Luftfahrt, the conversion efficiency of the solar reactor has a decisive influence on the economic and ecological performance of the produced fuels, as it defines the required size of the solar concen- trator1. As part of the engagement of Bauhaus Luftfahrt in the assessment of the fundamental innovation potential of solar fuel technology, a generic and modular model for the description of a large number of possible reactor concepts has been developed 2. Application of this model showed that heat recuperation from the reactive material is essen- tial for the achievement of high efficiencies, with novel solid-state counter-flow heat exchangers potentially reaching about 80 % recuperation effi- ciency. The developed model also enables opti- misation of the reactor geometry for a given set of operating parameters. The outcomes represent an important contri- bution to R&D efforts on reactor technologies, such as performed in “SUN-to-LIQUID”3, to utilise sunlight cost-efficiently for sustainable large-scale production of aviation fuels. 1C. Falter, V. Batteiger, A. Sizmann, Environmental Science and Technology, 50 1 (2016) 2C. Falter, A. Sizmann, R. Pitz-Paal, Solar Energy, 122 (2015) 3The research leading to these results has received funding from the European Union Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement no. 654408.

42 alternative fuels Potenziale von Power-to-Liquid- Kraftstoffen in der Luftfahrt Der Einsatz von Power-to-Liquid-Kraftstoffen (PtL) könnte eine substanzielle Reduktion der Treibhaus- gasemissionen im Luftfahrtsektor ermöglichen, sofern im PtL-Prozess Strom und CO2 aus erneuer- baren Quellen eingesetzt werden. Das ist die Kern- botschaft einer Hintergrundstudie, die das Bauhaus Luftfahrt in Zusammenarbeit mit der Ludwig-Bölkow- Systemtechnik GmbH im Auftrag des Umweltbun- desamts durchgeführt hat. Die PtL-basierte Kraft- stoffproduktion umfasst drei wesentliche Schritte: 1) Wasserstoffproduktion aus erneuerbarem Strom über Elektrolyse von Wasser; 2) Konversion von CO2 mittels des erzeugten Wasserstoffs; 3) Synthese flüssiger Kohlenwasserstoffe und anschließende Raffination. PtL basiert auf industriell etablierten Prozessen, die Integration der individuellen Prozess- schritte ist jedoch noch Gegenstand aktueller Pro- jekte und erfordert weitere Forschungsarbeit. PtL-Kraftstoffe sind drop-in-fähig. Die größte Herausforderung ihrer Nutzung in naher Zukunft besteht in den vergleichsweise hohen Produktions- kosten. Positiv wirken sich dagegen vor allem die hohen Potenziale von Wind- und Sonnenenergie aus, die den gegenwärtigen und zukünftigen Bedarf bei Weitem übertreffen. Die vorteilhafte Ökobilanz von PtL-Kraftstoffen aus erneuerbaren Rohstoffen (Wasser, CO2, elektrischer Energie) ist evident, insbesondere im Hinblick auf Treibhausgasbilanz, Wasserbedarf und Landverbrauch und im Vergleich mit Biokraftstoffen. Die Hintergrundstudie ist über die Webseite des Umweltbundesamts frei verfügbar: http://bit.ly/ 2cowOyf Sonnen- und Wind- strom kann durch PtL in chemische Energie in Form von fl üssigen Kraftstoffen konver- tiert werden. Solar and wind energy can be converted via PtL into chemical energy in the form of liquid fuels. Potentials of Power-to-Liquid fuels in aviation If produced from renewable electricity and abundant CO2 captured from air, Power-to-Liquid (PtL) fuels could enable the aviation sector to substantially reduce its environmental footprint. This is a key message of a background study recently conducted by Bauhaus Luftfahrt in col- laboration with Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH and on behalf of the German Environment Agency. PtL-based fuel production comprises three main steps: 1) Hydrogen generation from renewable electricity through electrolysis of water; 2) Provision of renewable CO2 and its con- version along with the produced hydrogen; 3) Synthesis of liquid hydrocarbons with subsequent upgrading and refining. PtL fuels can be produced using established industrial-scale processes. However, full system integration of the individual process steps is subject to ongoing work and still requires further R&D efforts. PtL-derived jet fuel is drop-in capable. The key challenge for short-term deployment is disad- vantageously high cost of production. The main advantage of PtL fuels, however, is the huge potential of wind and solar power exceeding the total global energy demand of today and the future. The environmental benefits of PtL fuels produced from renewable feedstock (electricity, CO2, and water) are evident, with a low carbon footprint, negligible water demand, and much lower land requirements compared to biofuels. The background study on PtL fuels can be downloaded from the German Environment Agency website: http://bit.ly/2cowOyf

44 alternative fuels Die Ökobilanz des elektrischen Fliegens Während vollelektrische Antriebe einen lokal emissionsfreien Betrieb ermöglichen, erfordert die Bewertung des gesamten CO2-Fußabdrucks des elektrischen Fliegens eine vollständige Lebenszyklus- analyse. Diese umfasst sämtliche Produktphasen von der Produktion, einschließlich der elektrischen Energie, des Flugzeugs und der Batterien über die Nutzung bis zur Entsorgung. Eine Lebenszyklus- analyse von vollelektrischen Flugzeugen wurde am Bauhaus Luftfahrt beispielhaft für den Ce-Liner durchgeführt und zeigt, dass die Produktionsphase einen signifikanten Einfluss auf die Gesamtbilanz aufweist. Speziell die Herstellung der Batterien erzeugt Treibhausgase in gleicher Größenordnung wie die Produktion des Flugzeugs. Zur Erreichung einer insgesamt vorteilhaften Treibhausgasbilanz des elektrischen Fliegens ist ein sehr kleiner CO2- Fußabdruck der Nutzungsphase erforderlich. Die Betrachtung verschiedener Energieszenarien zeigt deutlich den Einfluss des Strommixes auf die Treibhausgasemissionen. Unter der konservativen Annahme eines durchschnittlichen Emissionsfaktors von 463 gCO2eq/kWh für den globalen Strommix im Jahr 2035 (verglichen mit 560 gCO2eq/kWh für Deutschland im Jahr 2014) ergibt sich im Vergleich zu einem konventionell weiterentwickelten Refe- renzflugzeug nur eine Treibhausgasreduktion von 10 % pro Passagierkilometer (PKM). Durch Nutzung von vollständig erneuerbarem Strom könnte eine Emissionsminderung um mehr als 85 % durch elek- trisches Fliegen erzielt werden. Die Bewertung der ökologischen und ökonomischen Implikationen des elektrischen Fliegens verbleibt auch in Zukunft eine wichtige Forschungsaufgabe am Bauhaus Luftfahrt. Der Ce-Liner: Konzept eines voll- elektrischen Flug- zeugs, entwickelt am Bauhaus Luftfahrt Bauhaus Luftfahrt’s Ce-Liner concept of a universally electric aircraft Environmental life-cycle assessment of universally electric aircraft While electric propulsion leads to zero local emissions during operation, a comprehensive life-cycle assessment (LCA) is required to evalu- ate the overall carbon footprint. Such an assess- ment includes the production phase, that is generation of electric energy and manufacturing of aircraft and batteries, the operational phase, and the final disposal. An LCA study on univer- sally electric aircraft, represented by the Ce-Liner, conducted at Bauhaus Luftfahrt has shown that the impact of the production phase is significant. Particularly the battery manufacturing causes greenhouse gas (GHG) emissions in the same order of magnitude as the aircraft production. A very low carbon footprint during the operational phase is required to enable a net benefit from electric flying. Examining scenarios defined by different sources of electricity clearly show the dominating impact of the electricity footprint on the total GHG emissions. Conservatively assum- ing utilisation of grid electricity in 2035 with an emission factor of 463 gCO2eq/kWh on global average (compared to, for example, 560 gCO2eq/ kWh for Germany in 2014) would result in less than 10 % GHG reduction per passenger kilo- metre (PKM) for a fully electric aircraft compared to the evolutionarily developed 2035 reference aircraft. In contrast, purely renewable electric energy would enable GHG savings of more than 85 % for fully electric operation. The assessment of potential environmental and economic implica- tions of electric flying and, in general, of utilising carriers of electric energy in aviation will remain an important research task at Bauhaus Luftfahrt.

46 energy technologies & power systems The interdisciplinary research focus area concentrates the research activities on novel combustion-based and alternative (hybrid-)electric motive power systems for aircraft. This extends the search for new aircraft energy options well beyond so-called drop-in solutions. The technolo- gical challenges associated with novel thermodynamic cycles as well as fully or hybrid-electric motive power systems are addressed from the basics upwards: Relevant key techno- logies are identified, future poten- tials for energy converters are assessed, and hybrid systems are conceptually designed and ana- lysed at aircraft level. Therefore, scientists and engineers search answers along the main research questions: 1) Energy and propulsion technologies: What are enabling key technologies? 2) Energy conversion devices: What are their future potentials? 3) Hybrid system architectures: How can the best of two worlds be combined? Der interdisziplinäre Forschungsschwer- punkt konzentriert die Forschungs- arbeiten zu neuartigen auf Verbrennung basierenden und alternativen (hybrid-) elektrischen Antrieben in der Luftfahrt. Dies erweitert die Suche nach neuen Energieoptionen im Flugzeug deutlich über sogenannte Drop-in-Lösungen hinaus. Die technologischen Heraus- forderungen durch neue Kreisprozesse wie auch voll- oder hybridelektrische Antriebstechnik werden von den Grund- lagen her aufbauend adressiert: Es werden relevante Schlüsseltechnolo- gien identifiziert, zukünftige Potenziale von Energiewandlern bewertet sowie hybride Antriebskonzepte entwickelt und auf Flugzeugebene analysiert. Dabei arbeiten die Wissenschaftler und Ingenieure entlang der wesentlichen Fragestellungen: 1) Energie- und Antriebstechnologien: Was sind die Schlüsseltechnologien? 2) Energiewandler: Was sind ihre zukünftigen Potenziale? 3) Hybride Systemarchitekturen: Wie lässt sich das Beste aus zwei Welten kombinieren? 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0 . 5 0.1

48 energy technologies & power systems Einheitliche thermo- dynamische Bewertung von Composite-Cycle- Triebwerken Das Composite-Cycle-Triebwerkskonzept integriert Kolbenmaschinen im Kern eines Turbofans. Dadurch steigt die Effi zienz gegenüber einem Turbofan deut- lich, allerdings um den Preis höheren Gewichts. Um nun das tatsächliche Verbesserungspotenzial zu bestimmen, wurden beide Konzepte konsistent ver- glichen. Hierzu wurde eine einheitliche Methodik entwickelt, bei der die wichtigsten Zyklusparameter, insbesondere Druckverhältnis und Brennkammer- temperatur, für eine Kurz- bis Mittelstreckenanwen- dung optimiert wurden. Die optimale Brennkammertemperatur ist mit 1400 K sehr niedrig, sodass der Großteil des Kero- sins in der effi zienten Kolbenmaschine verbrannt wird und nur ein kleiner Teil in der normalen Brenn- kammer. Die Effi zienz steigt monoton mit dem Druckverhältnis und wird beschränkt durch den Spit- zendruck im Kolben und seine Austrittstemperatur. Mit dem heutigen Technologieniveau kann der Kero- sinverbrauch auf einer Mission um 18 % gesenkt werden, unter Berücksichtigung von Kaskadeneffek- ten auf Flugzeugebene, trotz eines 24 % schwere- ren Triebwerks. Zukünftige Potenziale wurden unter der Annahme von evolutionärer Verbesserung der Kom- ponenten bis zum Jahr 2035 ebenfalls untersucht. Im Vergleich zu heute sinkt der Kerosinverbrauch des Turbofans um weitere 9 %. Das Composite- Cycle-Triebwerk verteidigt seinen relativen Vorteil bei ebenso verbesserten Komponenten und ist somit beständig gegenüber zukünftigen Entwicklun- gen. Insgesamt erreicht das Konzept eine Verbesse- rung von 37 % gegenüber dem Stand im Jahr 2000 und übertrifft so das Ziel für das Jahr 2035 (30 %). Zur weiteren Verbesserung wird auch der Einsatz von Wankel- statt Hubkolbenmotoren untersucht. Kolbenmaschinen könnten um das Kerntriebwerk herum angeordnet werden. Piston engines could be installed around the turbo engine core. Unifi ed thermodynamic evaluation of Composite Cycle Engines The Composite Cycle Engine concept introduces piston engines into the turbofan core. It promises signifi cantly improved thermal effi ciency over the conventional turbofan, but adds weight to the engine. Hence, both concepts need to be compa- red consistently to identify the true improvement potentials. To this end, a unifi ed set of methods was established. The main cycle parameters were optimised for a short- to medium-range applica- tion, in particular overall pressure ratio and com- bustor exit temperature. The optimum combustor exit temperature is rather low at 1,400 K. In this way, most of the fuel is burnt in the effi cient piston engine and only a small share in the conventional combustor. Effi ciency increases monotonically with increasing pressure ratio, but is restricted by permissible piston peak pressure and exit temperature. With today’s technol- ogy, mission fuel burn reduces by 18 % on aircraft level, including cascading effects through resizing, although engine weight increases by 24 %. Future benefi ts of the concepts were also analysed, assuming evolutionary improvement of component technology until year 2035. The turbo- fan mission fuel burn reduces by 9 % compared to modern turbofans. The Composite Cycle Engine with likewise improved technology retains its relative advantage. This shows that the advan- tage of the Composite Cycle Engine is persistent for future developments. The concept achieves a combined fuel burn reduction of 37 % against year 2000 technology standard, surpassing the year 2035 target (30 %). To improve the concept further, the use of a rotary engine instead of pistons is being investigated, too.

50 energy technologies & power systems Hybridelektrischer Antrieb – Situation und Herausforderungen Die Einbindung elektrischer Energie in den Antrieb von Flugzeugen eröffnet vielfältige Möglichkeiten der Systemgestaltung und stellt damit neue Heraus- forderungen an das Gesamtsystemdesign. Um optimale Antriebskonzepte für eine bestimmte An- wendung zu fi nden, müssen große Designräume analysiert werden. Um einen Überblick über die Situation und die Herausforderungen im Zusammen- hang mit hybridelektrischen Antrieben zu geben, haben die Forscher des Bauhaus Luftfahrt eine „Landkarte“ entwickelt, die den aktuellen Wissens- stand zu wichtigen hybridelektrischen Systemkon- zepten veranschaulicht: Die grundlegenden Heraus- forderungen und Potenziale reiner Seriellhybride sind auf Komponentenebene bereits verstanden. Für turboelektrische Systeme mit paralleler Schub- produktion durch elektrische und konventionelle Antriebsstränge sind Teilbewertungen vorhanden. Für integrierte Parallelhybride wurden in den EU-FP7-Projekten „E-BREAK“ und „ENOVAL“ erste Konzepte am Bauhaus Luftfahrt entwickelt. In „ENOVAL“ wurden Optionen für den mechanisch integrierten Parallelhybridantrieb in einer Konzept- entwurfs- und Performancestudie für eine Kurzstre- ckenfl ugzeuganwendung ausgewertet. Hier wurden ein vielversprechendes Triebwerkslayout, eine elektrische Systemarchitektur und ein sinnvoller Systemhybridisierungsgrad identifi ziert. Außerdem konnten dabei wichtige Erkenntnisse zur Auslegung mechanisch integrierter hybridelektrischer Flugan- triebe abgeleitet werden. Die tatsächlichen Effi - zienzpotenziale hybridelektrischer Antriebe sind jedoch nur auf Gesamtfl ugzeugebene erzielbar. Das Zusammenspiel des Antriebssystems mit synerge- tisch ergänzten Flugzeugtechnologien muss dazu noch besser verstanden werden. Schnittansicht eines mechanisch integrierten parallel- hybriden Getriebe- fantriebwerks Cross-sectional view of mechanically integrated parallel hybrid geared turbo- fan power plant Hybrid-electric propulsion – situation and challenges The introduction of electrical energy into the scheme of aircraft propulsion and power opens a broad variety of system architectural options that poses additional challenges to overall systems design. In order to fi nd best-suited technical con- cepts for a given application case, large confi gura- tional design spaces need to be evaluated. In order to provide an overview of the situation and challenges associated with hybrid-electric propul- sion, researchers at Bauhaus Luftfahrt have de- veloped a “map” that illustrates the present state of knowledge on important hybrid-electric system concepts: The basic challenges and potentials for pure serial hybrids at component level are understood. In turbo-electric setups with thrust produced in parallel by electric and conventional drives, partial assessments are available. For integrated parallel hybrids, initial concepts were developed by Bauhaus Luftfahrt in the EU FP7 pro- jects “E-BREAK” and “ENOVAL”. Most recently in “ENOVAL”, options for mechanically integrated parallel hybrid propulsion were evaluated in a conceptual sizing and performance study for a short-range aircraft application. Here, a most promising power plant layout, electrical systems confi guration and feasible degree of power hybridisation were identifi ed. Moreover, essential design and sizing strategies for mechanically inte- grated hybrid-electric aero propulsion systems were derived. The true effi ciency potentials of hybrid-electric aero propulsion, however, are only accessible at the integrated aircraft level. There- fore, the impact of synergistically annexed airframe technologies still requires a much more detailed understanding.

52 energy technologies & power systems Auswertung von Flugzeugkonzepten mit synergetischer Antriebsintegration Die stärkere Integration des Antriebssystems stellt eine vielversprechende Möglichkeit dar, signifi kante Verbesserungen der Flugzeugeffi zienz zu erzielen. Die erwarteten Synergieeffekte umfassen verschie- dene Disziplinen wie Aerodynamik, Antrieb, Struktur und Flugsteuerung. In dieser Hinsicht wurden die Grenzschichteinsaugung und die Kompensation des Impulsdefi zits im Nachlauf als besonders interes- sant identifi ziert. In der Abbildung rechts oben ist eine konzeptionelle Darstellung des vom Bauhaus Luftfahrt untersuchten Propulsive-Fuselage-Konzepts gezeigt, hier in der Ausführung mit turboelektrisch betriebenem Antrieb im Rumpfheck. Des Weiteren hat das Bauhaus Luftfahrt aktuell veröffentlichte Konzepte analysiert, die auf eine synergetische Antriebsintegration abzielen. Die erfassten Konzepte reichten von unbemannten Flug- zeugen bis zu Langstreckenkonfi gurationen in Blen- ded-Wing-Body-Ausführung. Die Abbildung rechts unten veranschaulicht die wachsende Aufmerksam- keit, die vor allem in der jüngsten Zeit auf die Reali- sierung einer stärker integrierten Triebwerksanord- nung gerichtet ist. Es kann gefolgert werden, dass für kleine Flugzeugtypen ein voll- oder hybridelektri- scher Antrieb im Fokus vieler Untersuchungen steht, da Flugzeuge mit kürzeren Reichweiten im Vergleich zu größeren Typen stärker davon profi tieren können. Auch für Langstreckenfl ugzeuge ist eine allmähliche Abkehr vom mechanischen Antriebsstrang erkennbar. Ebenfalls dargestellt ist das Produkt aus Nutzlast und Reichweite pro Energieaufwand (PREE) der Kon- zepte. Die Abbildung wird mit Konturen des Verhält- nisses von Nutzlast zu erforderlicher Energiemasse ergänzt. Es ist erkennbar, dass die synergetische Kombination aus aerodynamischen Verbesserungen, Gewichtsreduktionsmaßnahmen und einem fort- schrittlichen Antriebssystem für die meisten Konzepte wesentliche Vorteile in PREE sowie Verbesserungen des Nutzlast-Energie-Massenanteils ermöglicht. Vertical fi n Electric drive motor Fan rotor Fan stator Im Rumpfheck installierter turbo- elektrisch betrie- bener Antrieb des Propulsive-Fuse- lage-Konzepts Turbo-electrically driven aft-fuselage propulsor of the Propulsive Fuselage concept A review of synergistic propulsion-airframe integration More closely integrated propulsion systems may be a promising avenue towards signifi cant im- provements in aircraft energy effi ciency. Expected synergy effects cover various disciplines, such as aerodynamics, propulsion, structures, and fl ight controls. In this respect, the principles of bound- ary layer ingestion and wake fi lling have been identifi ed as particularly interesting. An artist view of Bauhaus Luftfahrt’s Propulsive Fuselage concept featuring turbo-electric drive for the aft- fuselage propulsion system is shown in the fi gure top right. Bauhaus Luftfahrt has also analysed recently published concepts targeting such synergistic propulsion-airframe integration. The surveyed concepts ranged from unmanned vehicles to long-range blended wing body layouts. The fi gure bottom right illustrates the growing attention devoted to realising a more closely integrated pro- pulsion-airframe arrangement, especially in the most recent timeframe. It can be concluded that, for small aircraft types, fully or hybrid-electric pro- pulsion is in the focus of many investigations, as aircraft with shorter design ranges may benefi t more compared to larger types. However, even for long-range aircraft, a gradual departure from the purely mechanical drive train is noticeable. Also shown is the payload range energy effi ciency (PREE) of the concepts. The fi gure is supplemented with contours of the payload-to-energy mass frac- tion. It is visible that, for most screened concepts, the synergistic combination of aerodynamic advances, weight reduction technologies, and power plant effi ciency enhancements allows for substantial benefi ts in PREE as well as increased values in the payload-to-energy mass fraction.

54 systems & aircraft technologies Research in aircraft systems and their techno- logical potentials is the focus of the “Systems and Aircraft Technologies” research focus area. Experts from different disciplines collaborate together to target aircraft efficiency improvements, to develop new aircraft design approaches, and to reduce emissions. The emissions cover environmentally relevant exhausts, which are closely linked to aircraft fuel consumption, as well as noise impacts. The aircraft systems them- selves are also actively researched and architec- tural alternatives are modelled, including sensi- tivities to the changes introduced by unconven- tional aspects. Important results for improved propulsion-airframe inte- gration and integrated concepts for hybrid propulsion systems could be shown. Die Systeme und ihre technologischen Potenziale im Flugzeug stehen im Fokus der Arbeiten im Forschungs- schwerpunkt „System- und Flugzeugtechnologien“. Experten aus unterschied- lichen Disziplinen wirken hier zusammen, um die Flugzeug- effizienz weiter zu verbessern, Emissionen zu reduzieren und neue Ansätze für die Flugzeug- entwicklung zu erarbeiten. Die betrachteten Emissionen beinhalten klimatische Aus- wirkungen in Verbindung mit dem Kraftstoffverbrauch des Flugzeugs sowie Lärm- bewertungen. Des Weiteren werden auch die Flugzeug- systeme detailliert untersucht und alternative Architekturen inklusive Sensitivitäten gegen- über Änderungen durch unkonventionelle Aspekte modelliert. So sind in dieser Forschergruppe wichtige Ergebnisse zur besseren An- triebs-Aerodynamik-Wechsel- wirkung und zur grundlegenden Integration hybrider Antriebe erzielt worden. imports imports User A’s reference ontology

56 systems & aircraft technologies Nahtlose Daten- und Modellintegration im Flugzeugentwurf Der Flugzeugvorentwurfsprozess vereint typischer- weise eine Reihe von Softwarewerkzeugen verschie- dener Fachbereiche. Ein konsistenter, semantisch korrekter Datenaustausch zwischen diesen Werkzeu- gen ist für die Ingenieure von großer Bedeutung. Das am Bauhaus Luftfahrt entwickelte OIDA Framework (Ontology-based integration of data models for aeronautics) realisiert semantisches Tag- ging für strukturierte Modelldaten. Dabei werden lokale Modellparameter mit Entitäten einer Referenz- ontologie verknüpft. Sind Parameter verschiedener Modelle der gleichen Entität zugeordnet, so können diese als bedeutungsgleich angesehen und aus- getauscht werden. Im Nachfolgeprojekt „SYMO4PD“1 (System model for preliminary design) wird OIDA mit einem speziell entwickelten Metamodell verknüpft. Dieses besteht aus wenigen flexibel einsetzbaren Elementen. Mit dem Tagging-Mechanismus werden diese Modell- elemente mit Bedeutung aus lokalen, geteilten oder öffentlichen Ontologien angereichert. Das Meta- modell kann flexibel von allen Domänenexperten ein- gesetzt werden, während Ontologien als gemeinsame Wissensbasis für den Datenaustausch dienen. Ein weiterer Fokus im Projekt liegt auf dem Ver- knüpfungsprozess, der für den korrekten Datenaus- tausch entscheidend ist. Durch ein Vorschlagssystem soll der Experte mit relevanter Kontextinformation versorgt werden, um korrekte Zuordnungen erstellen zu können. Die Ergebnisse aus dem „SYMO4PD“-Projekt sollen im LuFo-Projekt „EFFPRO_4.0“2 aufgegriffen werden, um strukturierte Daten (zum Beispiel Model- le von Flugzeugkomponenten) mit unstrukturierten Daten (zum Beispiel Textdokumenten) zu verknüpfen. 1Das Projekt „Normierung eines Datenformats und einer Referenzontologie für die semantische Interoperabilität in modellgetriebenen Entwurfsprozessen“ wird durch das BMWi gefördert (Fördervertragsnummer 01FS14026). 2Das Projekt „Integration und Analyse von Entwurfs- und Produktionsdaten für eine effizientere Entwicklungsprozesskette“ wird durch das LuFo-Programm LUFOV2 gefördert (Fördervertragsnummer 20Y1509E). „SYMO4PD“ unter- stützt die Einbindung öffentlicher Wissens- quellen auf Basis der Web Ontology Language (OWL). “SYMO4PD” supports the integration of a public knowledge base using the Web Ontology Language (OWL). Seamless data and model integration for aircraft design Preliminary aircraft design typically uses a variety of domain-specific software tools. Thus, consistent and semantically correct data exchange becomes a necessity to support engineers in their work. In the past, Bauhaus Luftfahrt developed the OIDA framework (Ontology-based integration of data models for aeronautics) to enable seman- tic tagging for structured model data. This was achieved by linking local model parameters to entities defined in a reference ontology. When parameters of different models are linked to the same entity, they become synonyms and their values can be transferred among models. In the follow-up project “SYMO4PD”1 (System model for preliminary design), OIDA is being coupled with a dedicated meta-model. “SYMO4PD” models consist of few, simple, multifunctional meta-model components. Using OIDA’s tagging mechanism, unspecific model elements are semantically enriched with entities of local, shared, or public ontologies. This pro- duces a flexible meta-model for all domains and a common knowledge base for data exchange. “SYMO4PD” also investigates how to im- prove OIDA’s mapping process. To achieve seman- tic correctness and appropriate data exchange, it is crucial that the user receives enough support while tagging model elements. A recommenda- tion system is being developed to suggest ontol- ogy entities as potential tags, based on the selected model element and its context. The application of “SYMO4PD”’s results is being considered in the LuFo project “EFFPRO_4.0”2 for integrating structured data (for example air- craft component models) with unstructured data (for example domain-specific textual data). 1The project “Normierung eines Datenformats und einer Referenzontologie für die semantische Interoperabilität in modellgetriebenen Entwurfsprozessen” is funded by the BMWi under grant agreement no. 01FS14026. 2The project “Integration und Analyse von Entwurfs- und Produktionsdaten für eine effizientere Entwicklungsprozesskette” is funded by the LuFo programme LUFOV2 under grant agreement no. 20Y1509E.

58 systems & aircraft technologies Flugzeuge in Drachenkonfi guration für das Jahr 2050 Im Rahmen des von der EU geförderten Projekts „ULTIMATE“ wurden neue Triebwerkstechnologien untersucht. Um neue Entwürfe beurteilen zu können, wurden Referenzflugzeuge für das Jahr 2050 auf- gesetzt. Es wurden ein Mittel- und ein Langstrecken- flugzeug mit Open Rotor beziehungsweise Geared Turbofan entworfen. Mit einem Technologiescreening sollten geeignete Technologien zur Effizienzsteige- rung identifiziert werden, mit dem Zweck, die Flight- path-2050-Ziele zu erreichen. Synergien spielen dabei eine wichtige Rolle, um die Gesamteffizienz eines Konzepts zu erhöhen. So wurde zum Beispiel Hybrid Laminar Flow Control (HLFC) implementiert, mit dem Ziel der Widerstandsreduzierung. Dies erlaubt es, Synergieeffekte mit einer weiteren Technologie zu erzeugen: Das Variable Camber System bietet nicht nur einen großen Bereich optimierter Profilgeome- trien während des Reiseflugs, sondern ermöglicht auch die Beeinflussung der Druckverteilung, um die Transitionslänge des HLFC-Systems positiv zu beein- flussen. Zu den final verwendeten Technologien gehört auch eine elektrische Subsystemarchitektur (Abb.), die durch eine Brennstoffzelle versorgt wird. Dadurch sind ein emissionsfreies Rollen am Boden und ein niedriger CO2-Ausstoß möglich. Insgesamt sind die untersuchten Konzepte in der Lage, 47 % an Kraftstoff pro Passagier und Kilometer für die Lang- streckenversion und fast 60 % für das Mittelstre- ckendesign gegenüber dem Jahr 2000 zu reduzieren. Obwohl dies beeindruckende Werte sind, reichen sie allein nicht aus, um die Flightpath-2050-Ziele zu erreichen, was die Notwendigkeit radikalerer Trieb- werks- und Flugzeugarchitekturen unterstreicht. Das „ULTIMATE“- Projekt untersucht neue Triebwerks- technologien für das Jahr 2050. The “ULTIMATE” project targets to improve engine performance for a year 2050 timeframe. Tube-and-wing aircraft for the year 2050 timeframe Within the EU-funded project “ULTIMATE”, new propulsion-related technologies were investi- gated. To assess new designs, reference aircraft for a year 2050 entry into service were necessary. Therefore, a short- to medium-range and a long- range aircraft were designed using an evolution- ary approach and utilising an open rotor and a geared turbofan engine, respectively. The con- ducted technology screening found suitable tech- nologies to increase performance with the target of achieving Flightpath 2050 goals. Finally, a synergistic set of technologies was selected in order to reduce weight and drag of the airframe. The technologies used include an all-electric sub- system architecture (Fig.) powered by a fuel cell. This enables electric taxiing and lowers CO2 consumption. Further technologies were included, for example hybrid laminar flow control, with the aim of drag reduction. Moreover, it was strongly emphasised to use synergistic effects of incor- porated technologies. For example, the variable camber system provides not only a wide range of different optimised air-foil geometries during cruise flight, but also enables favourable flight condition-specific pressure distributions to in- crease transition length from the hybrid laminar flow control system as well as load alleviation capabilities. Overall, the designs are capable of reducing fuel per passenger and distance by 47 % for the long-range version and almost 60 % for the short-range design. While these are im- pressive values, they are not sufficient to reach the Flightpath 2050 goals, emphasising the necessity of radical engine and aircraft architec- tures.

60 systems & aircraft technologies Operationelle und konzeptionelle Maßnahmen zur Fluglärmreduktion Neben der Reduktion des CO2- und NOx-Ausstoßes spielt die Optimierung hinsichtlich Lärmemissionen eine zunehmend wichtige Rolle. Naturgemäß rücken hier Start und Landung in den Fokus und sind maß- geblich für die Lärmzieldefinition der International Civil Aviation Organization (ICAO). Besonders hohe Relevanz hat das Thema Fluglärm beim innerstädti- schen Flughafen CentAirStation und dem zugehörigen Flugzeugkonzept CityBird. Um die Emissionen von Beginn an abschätzen zu können, integriert das Bauhaus Luftfahrt bewährte, semiempirische Quelllärmmodelle für lärmtreibende Komponenten in seine Vorentwurfsplattform. Der für die von der ICAO vorgegebenen Start- und Landema- növer berechnete kumulative Lärmpegel des CityBird liegt mit 233 EPNdB deutlich unter dem für das Jahr 2040 zulässigen Grenzwert. Neben einem kurzen Fahrwerk und modernen, durch die Leitwerke abge- schirmten Triebwerken wirkt sich die vergleichsweise langsame Anfluggeschwindigkeit von 102 Knoten lärmreduzierend aus. Letztere wird durch ungepfeilte Flügel mit durchgängigen Hochauftriebssystemen und Plasmaaktuatoren ermöglicht. Um die Akzeptanz der Bevölkerung gegenüber einer zentral gelegenen CentAirStation zu gewähr- leisten, müssen im Betrieb die innerstädtischen Lärm- vorgaben erfüllt werden. Dazu können sowohl bau- liche als auch operationelle Maßnahmen beitragen. So ist beispielsweise die Start- und Landebahn am Dach des Flughafengebäudes durch Lärmschutz- wände abgeschirmt. Ein steilerer Gleitwinkel beim Landeanflug erhöht zusätzlich die Entfernung zwischen Lärmquelle und -empfänger, was eine sig- nifikante Reduktion der von Fluglärm betroffenen urbanen Fläche bedeutet. Das Abstands- gesetz beschreibt die Abnahme des Schalldrucks p mit zunehmender Entfernung r. The inverse distance law describes the decrease of the sound pressure p with increasing distance r. Operational and conceptual measures for aircraft noise reduction Beside the reduction of CO2 and NOx emissions, the optimisation of the aircraft noise footprint is becoming increasingly important. Naturally, take- off and landing are most relevant for the noise target definition of the International Civil Aviation Organization (ICAO). For the concept studies of the inner-city airport CentAirStation and the cor- responding aircraft configuration CityBird, noise aspects are highly relevant. To enable a preliminary assessment of noise emissions, Bauhaus Luftfahrt integrates well- proven, semi-empirical source noise models for relevant components in its aircraft design plat- form. The considered take-off and approach pro- cedures defined by the ICAO yield to a cumulative noise level of the CityBird of 233 EPNdB, which is clearly below the certification limits for the year 2040. A short undercarriage and advanced, aft- mounted engines shielded by a U-tail contribute to this. Further, unswept wings with a high-lift system that runs along the whole span as well as plasma actuators enable a comparatively low approach speed of 102 knots, which reduces the noise emissions significantly. To ensure public acceptance of a centrally located CentAirStation, inner-city noise standards have to be satisfied. Therefore, various design and operational measures can be taken. For in- stance, the runway on top of the building is enclosed by noise shielding barriers. Furthermore, a higher glide path angle during approach in- creases the distance between the noise emitter and the noise receiver. This results in a consider- able reduction of urban areas, which are exposed to aircraft noise.

62 facts & fi gures Personnel e g a r e v o c a i d e M

64 facts & fi gures Finanzen Finances Im Geschäftsjahr 2016 konnte das Bauhaus Luft- fahrt die Umsatzerlöse um +428.000 EUR (+10,5 %) auf 4,5 Mio. EUR steigern. Die Erträge aus Aufträ- gen und Kooperationen mit den Industriepartnern konnten hierbei um +196.000 EUR (+22,7 %) zule- gen. Die Zunahme bei den Drittmitteleinnahmen betrifft im Wesentlichen neue Projekte innerhalb Horizont 2020 (+176.000 EUR, +39,9 %) und neue Projekte im Luftfahrtforschungsprogramm V (+151.000 EUR, +121,0 %). Auslaufende Projekte aus dem Bayerischen Luftfahrtforschungs- und Technologieprogramm sorgen hingegen für einen rückläufi gen Umsatz (-95.000 EUR, -34,6 %). Für das Jahr 2017 erwartet das Bauhaus Luft- fahrt einen weiteren deutlichen Anstieg bei den Industrieprojekten. Aufgrund neuer internationaler Forschungsvorhaben werden die Drittmitteleinnah- men aus Förderprojekten voraussichtlich ebenfalls deutlich über dem Vorjahresniveau liegen. During the fi scal year 2016, Bauhaus Luftfahrt could increase its revenues by +428,000 euros (+10.5 %) to 4.5 million euros. Hereby, the increase of industry earnings amounts to +196,000 euros (+22.7 %). The growth of funding from third-party projects is mainly due to new projects within the Horizon 2020 programme (+176,000 euros, +39.9 %) as well as other new research projects funded by the German Aviation Research Program V (+151,000 euros, +121.0 %). The decreasing reve- nues (-95,000 euros, -34.6 %) result from ending projects funded by the Bavarian Aviation and Technology Research Program. For the year 2017, Bauhaus Luftfahrt further expects a distinct increase of industry projects. Due to new international-funded research projects, the third-party revenues will be signifi cantly above 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 2014 2015 2016 Forschungsaufträge Industrie Industry research contracts Drittmittelförderprojekte national/EU Third-party-funded projects national/EU Mitgliedsbeiträge Membership fees Zuschüsse Freistaat Bayern/Spenden Grants from the Free State of Bavaria/donations

66 facts & fi gures Zeitschriftenbeiträge Journal contributions 01.10.2016 01.10.2016 01.09.2016 01.06.2016 01.03.2016 01.03.2016 01.01.2016 CEAS Aeronautical Journal | pp. 1-13, DOI 10.1007/s13272-016-0218-z Influences of voltage variations on electric power architectures for hybrid-electric aircraft Autoren/authors: P. Vratny, H. Kuhn, M. Hornung Journal of Engineering for Gas Turbines and Power | Vol. 139, No. 3, pp. 9, DOI 10.1115/1.4034498 Performance Investigation of Cycle-Integrated Parallel Hybrid Turboshafts Autoren/authors: P. Vratny, S. Kaiser, A. Seitz, S. Donnerhack Journal of Air Transport Management | Vol. 56, No. B, pp. 107-117, DOI 10.1016/j.jairtraman.2016.04.023 Challenges for ground operations arising from aircraft concepts using alternative energy Autoren/authors: M. Schmidt, A. Paul, M. Cole, K. Ploetner Journal of Propulsion and Power | Vol. 32, No. 6, pp. 1413-1421, DOI 10.2514/1.B35976 Composite Cycle Engine Concept with Hectopressure Ratio Autoren/authors: S. Kaiser, S. Donnerhack, A. Lundbladh, A. Seitz Aircraft Engineering and Aerospace Technology | Vol. 88, No. 2, pp. 257-267, DOI 10.1108/AEAT-02-2015-0053 Multi-disciplinary design investigation of propulsive fuselage aircraft concepts Autoren/authors: J. Bijewitz, A. Seitz, A. Isikveren, M. Hornung Environmental Science & Technology | Vol. 50, No. 7, pp. 3920-3927, DOI 10.1021/acs.est.5b05414 Thermal Reactor Model for Large-Scale Algae Cultivation in Vertical Flat Panel Photobioreactors Autoren/authors: C. Endres, A. Roth, T. Brueck Environmental Science & Technology | Vol. 50, No. 1, pp. 470-477, DOI 10.1021/acs.est.5b03515 Climate Impact and Economic Feasibility of Solar Thermochemical Jet Fuel Production Autoren/authors: C. Falter, V. Batteiger, A. Sizmann

68 facts & fi gures Konferenzbeiträge Conference contributions 25.09.2016 13.09.2016 13.09.2016 13.09.2016 13.09.2016 12.09.2016 29.08.2016 20.07.2016 30.06.2016 23.06.2016 30th International Congress of the Aeronautical Sciences | Daejeon Fleet Development Planning of Airlines: Incorporating the Aircraft Operating Economics Factor Autoren/authors: O. Oguntona, A. Cui, K. Ploetner, M. Hornung Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2016 | Braunschweig Conceptual studies of a transport aircraft operating out of inner-city airports Autoren/authors: P. Heinemann, M. Schmidt, F. Will, M. Shamiyeh, C. Jessberger, M. Hornung Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2016 | Braunschweig Environmental Life-Cycle Assessment of Universally Electric-Powered Transport Aircraft Autoren/authors: K. Ploetner, L. Miltner, P. Jochem, H. Kuhn, M. Hornung Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2016 | Braunschweig Multi-modal Transport Hub Concept for Inner-city Airport Operation Autoren/authors: M. Urban, C. Jessberger, R. Rothfeld, M. Schmidt, V. Batteiger, K. Ploetner, M. Hornung Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2016 | Braunschweig Performance Modeling of a Composite Cycle Engine with Rotary Engine Autoren/authors: M. Nickl, S. Kaiser, A. Seitz, M. Hornung READ 2016 | Warsaw Sizing and performance implications of a regional aircraft for inner-city airport operations Autoren/authors: P. Heinemann, M. Schmidt, C. Jessberger, F. Will, S. Kaiser, M. Hornung More Electric Aircraft USA | Seattle Power Train Options for a Propulsive Fuselage Aircraft Layout Autor/author: A. Seitz 10th International Symposium on Communication Systems, Networks, and Digital Signal Processing | Prague Availability of Airborne Ad-hoc Communication Network in Global Air Traffic Simulation Autor/author: K.-D. Buechter 13th Aviation Student Research Workshop | Bremen Market Concentration in the Local Catchment of European Hub Airports Autor/author: A. Paul 20th ATRS World Conference | Rhodes Business Model Evolution in the Air Transport Sector: An Analysis of New Business Model Clusters Autoren/authors: M. Urban, M. Klemm

70 facts & fi gures Abschlussarbeiten Theses 25.10.2016 18.07.2016 Master Thesis at Technical University of Munich Technoökonomische Analyse verschiedener Prozesspfade zur Produktion von algenbasiertem Biokerosin Autor/author: B. Akman Master Thesis at Karlsruhe Institute of Technology Environmental Life-Cycle Assessment of Universally Electric-Powered Transport Aircraft Autor/author: L. Miltner

72 facts & fi gures Medienberichterstattung Media coverage Pressemitteilungen des Bauhaus Luftfahrt Press releases issued by Bauhaus Luftfahrt Medienberichte über das Bauhaus Luftfahrt Media reports on Bauhaus Luftfahrt Printmedien Print media Onlinemedien Online media Audiovisuelle Medien Audiovisual media 2014 2015 2016 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Jahrbuch Yearbook