Antrieb E: Seele mit Patent

Patentiertes Antriebssystem

Das patentierte Antriebssystem wurde speziell für die Antares entwickelt und ist die Seele des LANGE-Konzepts. Der bürstenlose Außenläufer-Motor EM42 mit 42 kW ist der erste Elektromotor mit einer Zulassung durch die europäische Luftfahrtbehörde EASA. Mit einem Wirkungsgrad von 90% und dem maximalen Drehmoment von 216 Nm ist der Motor nicht nur in der Luftfahrt einzigartig. Zusammen mit leichten und umweltverträglichen Hochleistungsbatterien, innovativer Leistungselektronik und einem langsam drehenden Propeller mit großem Durchmesser ist er Bestandteil eines maßgeschneiderten, integrierten Gesamtsystems. Maximal neun Stunden Ladezeit und Fernsteuerung des Ladezyklus per SMS ermöglichen die Verfügbarkeit der Antares an jedem Flugtag.

Bislang unerreichte Leistungsdaten sind das Ergebnis dieses Ansatzes: hohe Steiggeschwindigkeiten (ca. 4 m/s beim Start), große Startüberhöhung (mehr als 3.200 m bei ruhiger Luft) und ein nahezu lautloser Flug. Hohe Leistungsfähigkeit ist die eine Seite des innovativen und patentierten Antriebskonzepts der Antares. Doch Alltagstauglichkeit braucht auch Zuverlässigkeit, Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Bedienkomfort. Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren hat der Antrieb eine systembedingt hohe Betriebssicherheit und läuft fast vibrationsfrei. Damit werden Zerrüttungs- und Dauerfestigkeitsprobleme vermieden. Zudem kommen nur relativ wenige, dafür extrem hochwertige Bauteile mit minimalem Ausfallrisiko zum Einsatz.

Und, nicht zuletzt: Die Wartung des Antriebs erfordert einen für Flugzeugtriebwerke einzigartig geringen Aufwand.

Propeller

Die beiden speziell für die Antares entwickelten und optimierten Propellerblätter sind direkt am Außenrotor des Elektromotors befestigt und verfügen über einen Propellerkreisdurchmesser von 2 m. Der große Durchmesser bei niedriger Drehzahl führt zu einem hohen Propellerwirkungsgrad und einer geringen Lärmbelastung. Da der Elektromotor von der Luftdichte unabhängig ist, bleibt als höhenabhängige Antriebskomponente nur der Propeller. Der Wirkungsgradverlust des Propellers beträgt in 3000 m gerade einmal 4% im Vergleich zum Meeresspiegel. Damit bietet die Antares 23E beste Vorraussetzungen für den Betrieb auf hochgelegenen Flugplätzen und den Gebirgsflug.

Antriebssteuerung

Alle Funktionen des Antriebssystems, wie Ein- und Ausfahren des Antriebs, Bremsen und Ausrichten des Propellers sowie die Leistungssteuerung, werden über die patentierte Einhebelbedienung an der linken Cockpitwand gesteuert. Die Antriebsbedienung ist intuitiv und blind möglich, womit die Ablenkung des Piloten und das Risiko von Fehlbedienungen auf ein Minimum reduziert wird.

Systemüberwachung

Zur Überwachung der Systeme wie dem elektrischen Antrieb, dem Batteriesystem oder der Hydraulik dienen eine zentrale Rechnereinheit, eine Vielzahl von Sensoren und das große Farbdisplay im Instrumentenpilz. Der Zentralrechner überwacht die verschiedenen Untersysteme und stellt alle relevanten Systemdaten zuzüglich einiger Fluginformationen auf dem großen Farbdisplay im Instrumentenpilz dar. Erreicht ein Systemwert einen kritischen Bereich, wird der Wert farblich markiert dargestellt und eine gesprochene Audio-Warnung weist auf das Problem hin. Vor dem Flug wird das große Display zur Abarbeitung der Checkliste genutzt, während der Pilot nach beendetem Flug die Flugdaten aus dem elektronischen Logbuch ablesen kann.

Die Erfahrung hat uns gezeigt, dass zur Systemüberwachung kaum Aufmerksamkeit des Piloten vom eigentlichen Fliegen „abgezogen“ wird, da dieser von der einwandfreien Funktion des Antriebssystems ausgehen kann, solange keine akustische Warnung erfolgt. Der Computer nutzt die vorhandenen Sensoren auch, um die Bedienung des Piloten zu überwachen, wo es der Sicherheit zuträglich ist. Einige Beispiele:

Es erfolgt eine Bremsklappenwarnung, wenn die Klappen während des Vorflug-Checks oder beim „Gasgeben“ des Motors entriegelt sind
Während des Vorflug-Checks wird ein Warnsignal ausgegeben, wenn der Spornkuller montiert ist oder der Fahrwerksschalter auf „eingefahren“ steht
Es erfolgt eine Fahrwerkswarnung, wenn die Bremsklappen bei eingezogenem Fahrwerk entriegelt werden

Der Datenaustausch zwischen den Systemen findet über zwei serielle CAN-Bus Systeme statt. Diese sind von Bosch speziell für ABS-Bremssysteme von Lastkraftwagen entwickelt worden und zeichnen sich dadurch aus, dass sie durch ihre Datenkodierung keine fehlerhaften Datentransfers zulassen. Aus diesem Grund haben sie mittlerweile auch in der Luftfahrt Einzug gehalten.

Batteriesystem

Die Antares 23E ist mit einem Batteriesystem ausgestattet, das auf Lithium-Ionen Zellen des Typs SAFT VL41M basiert. Als erstes Unternehmen weltweit hat Lange Aviation diese Batterien verwendet. Im Laufe der Zeit hat eine beeindruckende Zahl anderer Anwender die Vorteile dieses Batterietyps zu schätzen gelernt, und das Anwendungsspektrum vergrößert sich stetig.

Warum Lithium-Ionen-Akkus?

Lithium ist das leichteste Metall und verfügt gleichzeitig über das höchste negative Standard-Potenzial. Die geringe Materialdichte und der hohe Spannungspegel führen zu einer hohen spezifischen Energiedichte von Lithium Batterien. Verglichen mit anderen verfügbaren Lithium-Zellen (Li-Po, Li-Su) bieten die Batterien vom Typ SAFT VL41M sehr gute Hochstromfähigkeit und Zyklenfestigkeit. Das qualifiziert SAFT VL41M Li-Ion Zellen für den Einsatz als Energieträger im Flugzeug vor allen anderen marktgängigen Batterietypen.

Lebenserwartung

Die Lebenserwartung der Batterie wird durch zwei Faktoren entscheidend beeinflusst:

die Zyklenanzahl
die natürliche Alterung

Zyklenanzahl

Die Batteriekapazität nimmt mit zunehmender Zahl von Lade- und Entladevorgängen ab. Die Lebenserwartung der Batterie liegt nach neuesten Erkenntnisse bei mehr als 4500 SAE-Zyklen. Ein SAE-Zyklus steht für volles Aufladen der Batterie und eine Entladung auf 20% der Kapazität. Teilentladung bzw. –aufladung entspricht nur einem äquivalenten Anteil eines vollen Zyklus. Nach 4500 dieser SAE-Zyklen hat die Kapazität der Batterie auf 80% des Ausgangszustandes abgenommen. Für den Piloten bedeutet dies, dass die Batterie mindestens 10.800.000 Steigmeter ermöglicht, bevor sie ausgetauscht werden soll.

Natürliche Alterung

In der Praxis relevanter ist die natürliche Alterung der Batterien. So empfiehlt sich der Wechsel der Batterien nach neuesten Erkenntnissen bei einer mittleren Lagertemperatur von 20°C nach 20 Jahren. Auch dann hat die Batteriekapazität auf 80% der Anfangskapazität abgenommen.

Verfügbarkeit

Als Benutzer von SAFT VL41M Batterien befindet sich Lange Aviation in guter Gesellschaft. So werden diese Akkus beispielsweise in den aktuellen europäischen Satelliten, der Militärdrohne RQ-4B Global Hawk, dem Joint Strike Fighter, dem Airbus 350 und vielen anderen Hochtechnologieanwendenungen eingebaut.

Insgesamt 72 Einzelzellen werden über 24 Batteriemodule verteilt. Pro Batteriemodul teilen sich 3 Einzelzellen eine Überwachungselektronik und eine Batterieheizung. Jede Zelle hat eine eigene Spannungs- und Temperaturüberwachung. Zusätzlich gibt es redundant sowohl eine Über- und Unterspannungsüberwachung als auch eine Balanzierelektronik.