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ApisJet NACA-Lufteinlässe (großes Foto); Vorderansicht der Turbine und dahinter der Helmholtz-Resonator auf dem Montageschlitten, der auch den Schub im Flug messen kann (unten); ApisJet Röntgen-Zeichnung, Naca-Lufteinlässe sind hellrot gefärbt (Skizze rechts). Machbarkeitsstudie der Hochschule Esslingen wird Mitte 2009 Realität. i ApisJet lSegelfl ugzeug imit iiTurbinenantrieb ❱Neue Triebwerke ❱ Langsam und still gleitet der Segler durch die Lüfte. Dann öffnet er die Lufteinlässe, schwenkt sein Strahlrohr aus und zündet die Turbine. Das hochfrequente Zischen durch- bricht die Stille. Gleichmäßig und konstant fliegt er mit 200 Stundenkilometern übers Land, wäh- rend die Messgeräte die Umweltdaten genau aufzeichnen. So stellen sich über 60 Studenten in Esslingen das Ergebnis ihrer langjährigen Ar- beit zur Entwicklung und zum Bau eines Segel- flugzeugs mit Turbinenantrieb, dem „ApisJet“, im nächsten Sommer beim Erstflug vor. Beim ApisJet handelt es sich um ein Groß- projekt des Instituts für angewandte Forschung, IAF, der Hochschule Esslingen, bei dem ein handelsübliches UL-Segelflugzeug des Typs Apis 2 von Wezel Flugzeugtechnik aus Reutlin- gen mit einem Strahltriebwerk versehen wird. Gesamtprojektleiter Prof. Dr.-Ing. Ulrich Gärt- ner und einer seiner Projektmitarbeiter, Dipl. Ing. Clemens Harr verwirklichen dieses kom- plexe Vorhaben seit dem Wintersemester 2002 mit verschiedenen Studentengruppen in über 20 Einzelprojekten. Am Ende des Gesamtprojektes soll als Machbarkeitsnachweis der fliegende Versuchsträger stehen, ein zugelassener turbi- nenangetriebener Motorsegler nach der Norm CS-22 (siehe Infokasten andere Seite). Neben vielen technischen Problemen, die die Studenten zu lösen hatten, stand auch das Problem der Ein- zelzulassung durch das LBA im Raum. Die Zu- lassungsmöglichkeiten wurden mit dem LBA im Vorfeld erörtert. Um den Gesamtaufwand zu verringern, erklärte uns Projektmitarbeiter Dipl.-Ing. Clemens Harr im Gespräch, sollte der einzubauende Antrieb nicht für den Eigenstart, sondern nur als so genannte Heimkehrhilfe ver- wendet werden. Dadurch wurde die Zulassung des Antriebs als Luftfahrtantrieb bedeutend ver- einfacht und die Verwendung eines preiswerten Großserientriebwerks aus dem Flugzeugmodell- bau ermöglicht. Technische Probleme beim Triebwerkseinbau und besondere Herausforderungen wie Brand- schutz, Schalldämpfung, Gewicht und Splitter- schutz lösten die Studenten in vielen Einzelpro- jekten. Modellbau-Triebwerk Das Basismodell Apis 2 besitzt ein Klapptrieb- werk zum Selbststart, das die Studenten aus- bauten. So entstand genügend Raum für den Einbau eines Strahltriebwerks. Die verwende- te Turbine stammt aus dem Flugzeug-Modell- bau von der Firma JetCat bzw. AMT. Aus Grün- den der Aerodynamik und des Lärmschutzes wird das Triebwerk in den Rumpf eingebaut. Es befindet sich unter dem Tank hinter dem Pilo- tensitz. Da aus Platzgründen auf das originale Klapptriebwerk verzichtet wird, ist das Segel- flugzeug nicht mehr zum Eigenstart fähig, denn die neue P200-Turbine produziert dafür nicht genügend Schub. Das Triebwerk ist relativ einfach aufgebaut: Als Verdichter dient ein einstufiger Radialver- dichter aus einem LKW-Turbolader und die dahinter eingebaute Axialturbine ist ebenfalls einstufig. Das aus Großserienteilen gebaute Triebwerk hat einen geringen Wirkungsgrad und einen relativ hohen Kerosinverbrauch von 0,75 Liter/min. Es leistet 220 bzw. 230 Newton Schub und soll im ApisJet für ein Steigen von 0,5 m/sek sorgen. Eine einfache Bedienung des P200 garantieren der vollautomatische Start und die Überwachung. Zur Beatmung des Triebwerks suchten die Studenten einen Kompromiss zwischen der möglichst kurzen Luftzuführung und einem geringen Luftwiderstand. Dafür wurden zwei NACA- Lufteinlässe an der Rumpfunterseite im Kniebereich des Piloten eingebaut. Zur Verrin- Flügel 6/08 43 ) Neue Triebwerke) gerung des Widerstands sind diese Lufteinläs- se verschließbar. Geöffnet werden sie nur beim Start des Triebwerks durch eine Verriegelungs- automatik. Die gesamte Triebwerkkonstruktion samt Schalldämpfer ist von außen kaum sicht- bar. Die Turbine verbleibt immer im Rumpf. Bei Inbetriebnahme neigt sie sich etwas nach unten. Dabei wird unter dem Rumpf nur das nach un- ten gerichtete Abgasrohr sichtbar, das auch als Schubrohr und Schalldämpfer dient. Hot Spot Mit dem Herausschwenken des Triebwerks öff- nen sich die NACA-Lufteinlässe. In der Turbine wird Luft verbrannt und der Abgasstrahl erreicht eine Temperatur von 650 Grad Celsius. In ande- ren ähnlichen Projekten wurde dieser Strahl über den Rumpf in Richtung des Leitwerks geführt. An der Anströmkante des Leitwerks maß man dann Temperaturen von fast 400 Grad Celsius. Da aus gesetzlichen Gründen die Oberflächen- temperatur des GFK-Rumpfes nicht 54 Grad übersteigen darf, wurde beim ApisJet der Strahl unter den Rumpf geleitet, so dass die gemessene Höchsttemperatur der Rumpferwärmung nur 41 Grad beträgt. Schutzsysteme Für den ApisJet entwickelten die Studenten ver- schiedene Schutzsysteme. Eines davon ist ein Splitterschutzsystem. So ein Minijet-Triebwerk läuft mit einer Drehzahl von 115.000 U/min. Sollte es dabei zu einer mechanischen Zerstö- rung des Turbinenrades kommen, wird bei jedem Trümmerteil eine kinetische Energie freigesetzt, die der Energie eines Kalaschnikow-Projektils entspricht. Um solch einen „Beschuss“ zu ver- meiden, schützen Pilot und Flugzeugstruktur P200 Turbine (links), Schalldämpfer (rechts), dazwischen der Spalt für Frischluft-Beimischung zur Abgaskühlung. zwei Aramid-verstärkte Halbschalen (30 Lagen/ 170g/qm), die das Triebwerk umschließen. Die- ser Splitterschutz ist hitzebeständig, feuerhem- mend und hat den Nachweis für das Rückhalte- vermögen erbracht. Bei der Entwicklung eines Feuerschutzsystems kam erschwerend hinzu, dass dieses System an Bord eines Segelflugzeugs nicht mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Die Studenten konzipierten ein automatisches Brandmelde- und Löschsystem, das nicht mit dem üblichen Halon als Löschmittel funktioniert. Stattdessen werden zwei Liter Wasser, dem Gel- und Film- binder beigemischt ist, mit einem Druck von 20 bar im Triebwerksraum vernebelt. Der Lösch- effekt wird hauptsächlich durch die Abkühlung des Brandherdes und die Verdrängung des Luft- sauerstoffs erreicht. Auch das Problem des Schallschutzes beim Turbinenantrieb bekamen die Studenten in den Griff. Die Lärmentwicklung des Abgasstrahls überstieg deutlich die rechtlichen Grenzwerte der Bauvorschrift CS-22. Durch einen Schall- dämpfer, der als Helmholtz-Resonator gebaut ist und schon für die Abgasstrahlabkühlung sorgt, wurde der Schalldruckpegel in 300 Meter Ab- stand von 82 dB(A) deutlich auf gesetzkonforme 66 dB(A) gesenkt. Im Gegensatz zu reinen Segelflugzeugen ist in motorisierten ULs in der Regel ein Fallschirm- rettungssystem installiert. Im ApisJet soll das Rettungssystem beibehalten werden, um die Si- cherheit zu erhöhen, erläuterte Clemens Harr. Leistungen Der ApisJet fliegt mit Kerosin (JetFuel A1), dem 5 Prozent Turbinenöl (Aeroshell 500) zur Schmierung beigemischt wird. Der Treibstoff- tank mit 30 Liter Volumen befindet sich direkt hinter dem Piloten und oberhalb des Jettrieb- werkes. Mit einer Füllung wird die gesetzlich vorgeschriebene Mindestreichweite von 30 Mi- nuten bei Volllast erreicht. Damit kann der Apis- Jet eine Strecke von 100 Kilometern zurückle- gen. Um die aerodynamische Güte von Apis 2 zu verbessern und damit die Flugleistung zu steigern, wird das ursprünglich starre Fahrwerk beim ApisJet einziehbar gestaltet. Im Vergleich zum konventionellen Klapptrieb- werk erreicht der ApisJet höhere Geschwin- digkeiten mit weniger Vibrationen. Außerdem EASA/LBA CS-22-Norm ) Die Neuauslegung des Flugzeuges wird nach den „Certification Specifications for Sailplanes and Powered sailplanes CS- 22“ der EASA und der „Vorläufigen Richtli- nie für den Einbau von Turbinentriebwerken in Motorseglern“ bzw. dem „Proposal for the development of Airworthiness Code for turbi- ne engines in powered sailplanes“ des LBA erfolgen. Durch die erstmalige Umsetzung dieser neu- en Richtlinie bzw. des Proposal ergibt sich für die Projektpartner ein Innovationsvorsprung, der die Möglichkeit einer aktiven Teilnahme an der Gestaltung der endgültigen Richtlinien bietet. besitzt er eine geringere Leermasse, bessere Triebwerksregelbarkeit und eine geringere Stirn- fläche. Nachteile des Jets sind eine niedrigere Steigleistung, ein wesentlich größerer Verbrauch und die fehlende Selbststartfähigkeit. Der Split- terschutz und das Feuerlöschsystem unterschei- den den ApisJet von ähnlichen Projekten. Nach der Fertigstellung soll der ApisJet der Erforschung der Flug- und Antriebstechnik und dem Umweltschutz dienen. So können beispiels- weise Schadstoffkonzentrationen in der Atmo- sphäre gemessen werden. Dafür sei der ApisJet aufgrund seiner Bauart hervorragend geeignet, erklärt uns Clemens Harr, da im Gegensatz zu einem herkömmlichen Segelflugzeug die Flug- höhe exakt gehalten werden kann und im Ver- gleich zum kolbenbetriebenen Apis 2 kein Ein- fluss des Propellerstrahls und der Motorabgase auf die Messeinrichtung zu erwarten ist. Für Messgeräte ist ein Platz im Rumpf oberhalb der Turbine von etwa 30 Liter Volumen vorhanden. Projektstand Dipl.-Ing. Clemens Harr fasste zum Abschluss unseres Gespräches den heutigen Projektstand zusammen: Das Triebwerk ist dauererprobt, der Bau des modifizierten Rumpfes ist fertiggestellt und die Splitterschutzoptimierung ist im Grun- de fertig. Im Wintersemester werden momen- tan Lastversuche am Rumpf durchgeführt und es sieht so aus, als ob dem angepeilten Erstflug im Sommer 2009 nichts im Wege steht. Marino Boric tt ähnliches Projekt ) Einen anderen Weg zum Turbineneinsatz in einem Segelflugzeug hat die Firma HpH aus Tschechien (www.hph.cz) gewählt: Deren 304S-Segler mit 18 Metern Spannweite wird von der deutschen Turbine TBS 400-J40P angetrieben, die wie beim herkömmlichen Zweitakthilfstriebwerk aus dem Rumpf nach oben herausschwenkt. Laut Herstelleranga- be soll diese Turbine 400 Newton Schub er- zeugen, was einige in der Fliegerszene be- zweifeln. Die Firma HpH lieferte die ersten sechs „Jet-Segler“ mit Experimentalzulas- sung schon aus, weitere befinden sich in un- terschiedlichen Stadien der Fertigung. 30 itLiter istffta Treibstofftank rhl oberhalb sdes urinn-u’s. Turbinen-DummW’s. Der Rumpf des Apis 2 mit dem offenen Lufteinlass. 44 Flügel 6/08 )Neue Triebwerke) Technische Daten & Infos ) Name Projektleiter Prof. Dr.-Ing. Ulrich Gärtner Projektbezeichnung ApisJet ) Struktur, Bauart, Dimensionen Typ nicht-eigenstartfähiger Motorsegler nach CS-22 Basismuster Apis 2 von Wezel Flugzeugtechnik Länge 6,3 m Spannweite 14,85 m max. Abflugmasse 320 kg Höchstgeschwindigkeit 200 km/h (begrenzt) Gleitzahl (Apis 2) 39 Triebwerk AMT Olympus oder JetCat P200 max. Schub 210 - 230 N Tankkapazität 30 L Flugdauer bei Vollschub > 30 min Reichweite bei Reiseleistung > 100 km (berechnet) Treibstoff Kerosin (JetFuel Al) + 5% Turbinenöl (Aeroshell 500) ) Änderungen ApisJet gegenüber Basismuster Apis 2: • Einbau Strahltriebwerk mit Splitterschutz und Schalldämpfer Verschließbare NACA-Lufteinlässe im vorderen Rumpfbereich Einziehfahrwerk Brandschott mit Feuerlösch- und -meldeanlage Kraftstofftank vergrößert und Lage geändert Nutzlastabteil vorhanden Triebwerkssteuerung und teilw. Instrumentierung Schleppkupplung Keine Wölbklappen Rettungssystem verlagert ) Projektpartner: Das Projekt wird in enger Kooperation mit Wezel Flugzeugtechnik, Reut- lingen durchgeführt. Das Unternehmen ist Hersteller und Vertreiber des für dieses Vorhaben verwendeten Ausgangsmusters Apis®2. Der Gründer und Eigentümer der Firma, Martin Wezel, hat an der Universität Stuttgart Luft- und Raumfahrttechnik studiert, danach einige Jahre bei der Firma Grob Luft- und Raumfahrt in Mindelheim und anschließend beim DLR - Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung in Stuttgart gearbeitet. Er hat sich aufgrund seiner beruflichen Laufbahn umfangreiche Erfahrungen auf den Gebieten der Luftfahrzeugkonstruktion und -zulassung erwerben kön- nen. Weitere Informationen zur Firma Wezel Flugzeugtechnik und zum Flugzeug Apis 2 sind im Internet unter http://www.wezel-flugzeugtechnik. de bzw. http://www.apis2.com zu finden. Das Institut für Angewandte Forschung (IAF) „Energetische Systeme" der Hochschule Esslingen führt das Projekt im Bereich der Messtechnik und Simulation durch. Zu dieser Tätigkeit gehören auch die Berechnungen, De- tailkonstruktionen, Triebwerksversuche, Dokumentation und in Zusam- menarbeit mit dem Projektpartner die Erprobung der Zelle und die Zulas- sung des Flugzeuges. Das Institut verfügt im Bereich der Festkörper- und Strömungssimulation über umfangreiche Erfahrungen aus verschiedenen Entwicklungs- und Forschungsprojekten. Im Bereich der Messtechnik be- steht die Möglichkeit, Strahltriebwerke von der vorgesehenen Bauart ex- perimentell zu untersuchen und zu optimieren. Die thermodynamische Modellierung des Triebwerkes kann mit Hilfe von Globalmodellen und Strömungssimulationen erfolgen. Die Untersuchung der Aerodynamik des Segelflugzeuges erfolgt mit Hilfe von Windkanalversuchen und Simulati- onsrechnungen. Für die Simulationen steht ein Pool von Programmen zur Verfügung, die eine vollständige CAD/CAM Kopplung ermöglichen. Damit steht eine durchgängige Erprobungsumgebung vom CAD-Modell bis zum Prototypen zur Verfügung. Weitere Informationen zur Tätigkeit des IAF stehen unter der Home- page unter http://www2.hs-esslingen.de/fachbereiche/mb/Labore/lAF05/ mod_project/apisjet/apisjet.php. Flügel 6/08