Evaluation of on-demand air mobility concepts with utilization of electric powered small aircraft

• Bewertung von On-Demand Luftverkehrskonzepten unter Einsatz elektrisch angetriebener Kleinflugzeuge

Kreimeier, Michael; Stumpf, Eike (Thesis advisor); Reichmuth, Johannes (Thesis advisor)

Aachen (2018)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Innerhalb sog. Thin-Haul On-Demand Air Mobility (ODAM) Konzepte werden kleine, hochautomatisierte Flugzeuge ohne Pilot, vergleichbar mit Flugzeugen der CS-23 Klasse, als mögliche Transportoption für regionale Fahrstrecken verwendet, für die heutzutage meist bodengestützte Transportmöglichkeiten genutzt werden. Im Gegensatz zur innerstädtischen Mobilität, für die Flugzeuge mit einer vertikalen Start- und Landefähigkeit (VTOL) erforderlich sind, verwenden Thin-Haul geeignete ODAM-Flugzeuge lokale Flugfelder. Der Verzicht einer VTOL-Fähigkeit führt zur Effizienzsteigerung im Reiseflug, weil dadurch Gewichtseinsparungen möglich sind und kein Kompromiss zwischen Reise- und Schwebeleistung erforderlich ist. Ferner wird ein elektrischer oder hybrid-elektrischer Antriebsstrang aufgrund von Nachhaltigkeitszielen, wie bspw. Flightpath 2050 (-90 % Stickoxide und -75 % Kohlendioxid-Emissionen), angewandt. Die erfolgreiche Einführung und weitere Entwicklung dieser ODAM-Systeme hängen in hohem Maße von der wirtschaftlichen Machbarkeit ab. Daher werden in dieser Arbeit zwei Hauptziele verfolgt. Als erstes Hauptziel werden das potenzielle ODAM-Marktvolumen für Deutschland abgeschätzt und sinnvolle Top-Level-Aircraft Requirements (TLAR) abgeleitet. In dieser Analyse werden Zensus-2011-Daten verwendet, innerhalb welcher Deutschland in 1 x 1 km² kleine Gitterzellen diskretisiert wird. Als zweites Hauptziel werden geeignete Flugzeugvorentwürfe ermittelt, um Angebotskosten zuverlässig abzuschätzen. Zu diesem Zweck wird ein multidisziplinäres Flugzeugvorentwurfsprogramm entwickelt, welches ebenfalls die Möglichkeit zur Modellierung verteilter Antriebskonzepte bietet. Die Ergebnisse der Marktanalyse zeigen großes Potenzial für Deutschland, sodass von einem Engpass der Flugfeldkapazitäten auszugehen ist anstelle von einer fehlenden Nachfrage. Insgesamt sind 394 Flugfelder (ausgenommen die 20 verkehrsreichsten Flughäfen) für Thin-Haul ODAM geeignet, wovon 157 Flugfelder eine zur Meereshöhe äquivalente Bahnlänge von mehr als 800 m besitzen. Diese 157 Flugfelder umfassen 17 % der Bevölkerung innerhalb von 10 km Luftlinienentfernung und ca. 45 % innerhalb von 20 km. 96 % der ODAM-Reisen liegen innerhalb von 500 km, 85 % innerhalb von 400 km und 63 % innerhalb von 300 km Luftlinienentfernung. Ein Kleinflugzeug mit vier Passagiersitzen stellt eine sinnvolle Größe dar. Verteilte, elektrische Antriebskonzepte sind ab einer Reisegeschwindigkeit von 300 km/h auf einer Reisehöhe von 12.000 ft und einer Überziehgeschwindigkeit von 61 kts vorteilhaft. Basierend auf einer Passagierauslastung von 60 %, einer Deadhead-Ratio von 10 % zwecks Neupositionierung von Flugzeugen und einer spezifischen Batterieenergie von 400 Wh/kg ergeben sich, je nach TLAR, ODAM-Angebotskosten von 0,35-0,4 €/Passagierkilometer. Die Integration von Ergebnissen der Flugzeugentwurfsstudien mit dem Marktmodell ergibt, dass eine Reisegeschwindigkeit von 250-300 km/h am vorteilhaftesten ist, da eine höhere Reisegeschwindigkeit erhöhte Kosten nicht überkompensiert. Bei realistischen 0,30 €/km Autokosten ergeben sich rund 13.400 Flugfeldverbindungen mit einer Nachfrage von mehr als fünf Passagieren pro Tag und 6.600 davon mit mehr als 20 Passagieren pro Tag. Dies ergibt für die genannten 13.400 Verbindungen 269 Millionen Passagiere pro Jahr. Aufgrund dieser hohen Nachfrage ist ein Kapazitätsengpass der Flugfelder wahrscheinlich.

Einrichtungen

• Lehrstuhl und Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme (ILR) [415310]