Fördergeber: Thüringer Aufbaubank, Europäischer Fonds für regionale Entwicklung, Europäische Union
Begünstigter: Dreiling Maschinenbau GmbH
Mit dem Kick-Off-Meeting am 03.08.2020 startete offiziell das von der Thüringer Aufbaubank einzelbetriebliche FuE-Projekt zur „Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der intelligenten Antriebstechnik mit dem Ziel der Hybridisierung eines verbrennungsmotorischen Antriebsstranges (VM-Powertrain) für luftfahrttechnische Systeme, im speziellen Fall für Ultraleicht – Helikopter“.
Die Projektzielstellung besteht darin, den Antriebstrang für einen UL-Helikopter des Typs CoAX 2D bestehend aus 6‑Zylinder-Flugmotor (120 kW) mit Motorsteuerung, Rotorgetriebe und Koaxialrotor zu hybridisieren.
Gegenüber dem vorhandenen Stand der Technik sind durch die Hybridisierung wesentliche Fortschritte in Bezug auf Flugdynamik und Flugsicherheit zu erwarten.
Die im Rahmen der industriellen Forschung angestrebte und zu untersuchende Hybridlösung fällt in die Kategorie der Mild-Plug-In-Hybride und besteht aus den Hauptkomponenten Kurbelwelle, Kopplung, Startergenerator, Li-Batterie, Leistungselektronik und einer intelligenten Hybridsteuerung.
Der Startergenerator hat zwei Funktionen zu erfüllen, die des Ladestromerzeugers für das Laden der Li-Batterie und die des E‑Motors als zusätzliche Antriebskomponente für den Betrieb des Koaxialrotors. Der Startergenerator wird über eine Kupplung mit der Kurbelwelle des Flugmotors gekoppelt.
Die Li-Batterie ist der Energiespeicher des Hybridsystems und wird im Normalflugbetrieb (Reiseflug) vom Startergenerator geladen. Zusätzlich kann die Li-Batterie auch von der Steckdose geladen werden, wenn der Helikopter auf dem Flugplatz steht.
Beim Starten und beim Steigflug liefert die Li-Batterie zusätzliche Energie für einen Boost-Betrieb an den Startergenerator, der in dieser Betriebsart als E‑Motor geschaltet ist und seine Antriebsleistung an den Antriebsstrang des Koaxialrotors abgibt, so dass die Leistung des Flugmotors sich mit der des Startergenerators addiert.
Eine besondere Rolle übernimmt der Hybridteil (Li-Batterie, Startergenerator, Leistungselektronik, Steuerung) im sogenannten Notlandemodus, d.h. in einer Notfallsituation bei Ausfall des Flugmotors. Im Moment des Triebwerkversagens kommt es am Rotor zur Strömungsumkehr, d.h. die Anströmung der Rotorblätter erfolgt von unten nach oben und der Rotor wird vergleichbar einem Windrad von der Luftströmung angetrieben. Die Rotation wird in diesem Fall als Autorotation bezeichnet und erzeugt einen Auftrieb, der der Absturzbeschleunigung entgegenwirkt. Bei ausreichend starker Autorotation bleibt der Helikopter steuerbar und kann notgelandet werden.
Die Aufgabe der Batterie besteht dabei darin, die zur Unterstützung und Aufrechterhaltung der Autorotation notwendige Energie für einen kurzen, begrenzten Zeitraum bereitzustellen. Das setzt voraus, dass der Ladezustand der Li-Batterie von der Hybridsteuerung so geregelt wird, dass der für einen Notlandemodus erforderliche Energievorrat stets vorhanden ist und erhalten bleibt. Die mechanische Umsetzung erfolgt derart, dass im Notlandemodus der Startergenerator vom Flugmotor (VM) entkoppelt und als batteriebetriebener E‑Motor direkt mit dem Rotorgetriebe gekoppelt wird, um so die Autorotation zu unterstützen.
Für die Verringerung der Absturzgefahr bei Helikoptern ist das ein Novum und kann ein wichtiger Beitrag zur Erhöhung der Flugsicherheit werden. Der Notlandemodus wurde beim Patentamt München zum Patent angemeldet.
Bei der Umsetzung des Forschungsvorhabens wird die Dreiling Maschinenbau GmbH durch eine umfassende Förderung der Thüringer Aufbaubank unterstützt.