More Electric Aircraft für elektrische Flugzeugsysteme
Flugzeugfunktionen schrittweise elektrifizieren
More Electric Aircraft bezeichnet die zunehmende Nutzung elektrischer Energie für Flugzeugfunktionen, die konventionell hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch angetrieben werden. Diese Entwicklung betrifft nicht nur einzelne Komponenten. Sie verändert auch Energieversorgung, Systemarchitektur, Leistungselektronik, Aktuatorik, Steuerung sowie Safety- und Nachweiskonzepte.
Silver Atena entwickelt elektrische und elektronische Systeme für solche Anwendungen. Wir verbinden Systemarchitektur, Leistungselektronik, elektrische Aktuatorik, Steuergeräte, Embedded Software und Verifikation innerhalb des Gesamtsystems.
Herausforderungen bei elektrischen Flugzeugsystemen
Die Elektrifizierung einer Flugzeugfunktion verändert die gesamte technische Funktionskette. Ein elektrischer Aktuator benötigt neben dem Motor eine geeignete Energieversorgung, Leistungselektronik, Sensorik, Regelung, Überwachung und eine mechanische beziehungsweise elektrohydraulische Anbindung an die Flugzeugfunktion. Gleichzeitig muss die Funktion in die elektrische Energiearchitektur, das Bordnetz und die Avionik des Flugzeugs integriert werden. Dadurch entstehen Abhängigkeiten zwischen mehreren Disziplinen.
Diese Zusammenhänge müssen bereits während der Systementwicklung berücksichtigt werden. Späte Änderungen an der Energieversorgung oder an Sicherheitsmechanismen können sonst Anpassungen an mehreren Komponenten auslösen.
Vier zentrale Auslegungsfragen
- Gesamtsystem: Wie arbeiten Energieversorgung, Elektronik, Software, Aktuatorik und Mechanik zusammen?
- Elektrische Leistung: Welche Spannungsebenen, Dauerleistungen und Spitzenleistungen benötigt die Flugzeugfunktion?
- Integration: Welche Folgen haben Verlustwärme, elektromagnetische Wechselwirkungen, Bauraum und Gewicht?
- Safety: Welche Diagnose, Redundanz, Fehlertoleranz und Systemreaktionen sind erforderlich?
Leistungen für elektrifizierte Flugzeugsysteme
Der Entwicklungsumfang kann einzelne elektronische Komponenten, zusammenhängende Subsysteme oder deren Integration in die Flugzeugarchitektur umfassen.
Systemanalyse und Systemarchitektur
Ausgangspunkt sind die funktionalen und technischen Anforderungen an die jeweilige Flugzeugfunktion. Das Requirements Engineering strukturiert und verwaltet die Anforderungen. Die Systemarchitektur ordnet Funktionen und Anforderungen den Systemelementen zu und definiert deren Zusammenspiel – je nach Anwendung inklusive elektrischer Verbraucher, Leistungsanforderungen und Betriebszustände.
Energieversorgung und Bordnetz
Elektrifizierte Flugzeugfunktionen erhöhen den Bedarf an elektrischer Leistung. Lastprofile, Lastkombinationen, Einschaltvorgänge und Fehlerzustände werden deshalb gemeinsam betrachtet und die Bordnetzarchitektur mit Verbrauchern und Leistungselektronik abgestimmt. Die elektrische Leistungsbilanz (Power Budget) zeigt, welche Leistung und Reserve in welchem Betriebszustand verfügbar sein müssen. Zudem wird festgelegt, welche Funktionen in definierten Fehlerfällen verfügbar bleiben, wie Lasten priorisiert werden und wie Energiefluss und Systemzustände überwacht werden.
Leistungselektronik für elektrische Bordsysteme
Leistungselektronik wandelt und steuert elektrische Energie zwischen Bordnetz und Verbraucher, beispielsweise mit DC/DC-Wandlern oder DC/AC-Wechselrichtern. Die Auslegung berücksichtigt Spannungs- und Leistungsbereiche, Topologie, Leistungshalbleiter, Wirkungsgrad, Leistungsdichte, Regelung, Schutz und Diagnose.
Elektrische und elektromechanische Aktuatorik
Elektrische Aktuatorik verbindet Motor, Leistungselektronik, Sensorik, Regelung und mechanische Funktion. Die Systementwicklung berücksichtigt elektrische und mechanische Schnittstellen sowie Anforderungen an Leistung, Dynamik, Positionierung, Überwachung und Fehlerreaktionen. Ein konkretes Beispiel ist die Motorsteuerungselektronik von Silver Atena für elektrische Slat- und Flap-Antriebe. Sie steuert den elektrischen Antrieb und dessen Bremse innerhalb des High-Lift-Systems.
Steuergeräte und Embedded Software
Das Steuergeräte stellt die elektronische Plattform und die erforderlichen Schnittstellen bereit. Die Embedded Software setzt Steuerungs-, Regelungs-, Kommunikations-, Überwachungs- und Diagnosefunktionen auf dieser Plattform um.
Safety und Fehlertoleranz
Bei sicherheitskritischen Systemen werden mögliche Fehlerzustände, ihre Auswirkungen und die erforderlichen Systemreaktionen analysiert. Daraus entstehen Anforderungen an Fehlererkennung, sichere Zustände, Fehlerisolation und Überwachung. Auch die vorgesehenen Sicherheitsmechanismen müssen verifiziert werden.
EMV, Thermik und Leistungsdichte
Elektrische Verluste erzeugen Wärme und beeinflussen Kühlkonzept, Packaging, Leistungsdichte und zulässige Belastung der Komponenten. EMV und Thermomanagement werden deshalb bereits in Architektur und Elektronikentwicklung einbezogen. Mechanik und Gehäuse bestimmen zusätzlich thermische Anbindung, Schutz und Einbausituation.
Entwicklungsprozess für elektrische Bordsysteme
- Anforderungen analysieren: Funktion, elektrische Anforderungen, Safety-Ziele und Schnittstellen zum Flugzeug werden beschrieben.
- System- und Energiearchitektur definieren: Subsysteme, Funktionen, Energiepfade, Spannungsebenen, Schnittstellen und Betriebszustände werden festgelegt.
- Elektronik und Aktuatorik auslegen: Steuergeräte, Leistungselektronik, Sensorik, Motor, Aktuator und Mechanik werden aufeinander abgestimmt.
- Software und Regelung entwickeln: Embedded Software, Diagnose und Regelungsfunktionen setzen die definierte Funktionsarchitektur um.
- Komponenten integrieren: Hardware, Software, Leistungselektronik, Sensorik und Aktuatorik werden schrittweise zusammengeführt.
- System verifizieren und qualifizieren: Umsetzung der Anforderungen, Eignung für die vorgesehene Flugzeugfunktion und Verhalten unter festgelegten Umweltbedingungen werden geprüft.
Standards für elektrische Flugzeugsysteme
Welche Standards gelten, hängt von System, Funktion, Kritikalität, Zulassungsbasis und Entwicklungsumfang ab. Je nach Projekt können insbesondere folgende Regelwerke relevant sein:
- SAE ARP4754B: Entwicklung ziviler Flugzeuge und Systeme
- SAE ARP4761A: Safety-Assessment-Prozess für zivile Flugzeuge und Systeme
- RTCA DO-178C: Software in luftgestützten Systemen und Geräten
- RTCA DO-254: elektronische Hardware in luftgestützten Systemen
- RTCA DO-160: Umweltbedingungen und Prüfverfahren für luftgestützte Geräte
- EN 9100: Qualitätsmanagementsysteme in Luftfahrt, Raumfahrt und Verteidigung
Aus der Nennung eines Standards folgt keine Zertifizierungsaussage. Anzuwendende Ausgabe, Entwicklungsziele, Prüfprofile und Nachweise werden für das konkrete Projekt festgelegt.
Anwendungsfelder der Flugzeugelektrifizierung
More Electric Aircraft umfasst Flugzeugfunktionen, bei denen hydraulische, pneumatische oder mechanische Systeme elektrifiziert oder durch elektrische Lösungen ergänzt werden. Typische Anwendungsfelder sind:
- elektrische und elektromechanische Aktuatoren
- Slat- und Flap-Systeme
- elektrische Steuer- und Stellfunktionen
- elektrische Nebenaggregate
- Bordnetz- und Energieversorgungssysteme
- DC/DC-Wandler
- elektrische Kabinen- und Versorgungssysteme
- Energie- und Leistungsmanagement
Elektrischer und hybrider Vortrieb wird im Bereich Electric Propulsion gesondert behandelt. Dort stehen Antriebsarchitektur, Motor, Inverter, Energiequelle und Propulsionssystem im Mittelpunkt.
Vorteile einer abgestimmten Systementwicklung
Die gemeinsame Betrachtung von Systemarchitektur, Energieversorgung, Elektronik und Aktuatorik macht Wechselwirkungen früher sichtbar. Definierte Schnittstellen zwischen Bordnetz, Steuergerät, Leistungselektronik, Aktuatorik und Avionik unterstützen die Integration.
EMV, Thermik und Sicherheitsanforderungen werden bereits bei Architektur- und Komponentenentscheidungen berücksichtigt. Dadurch können Fehlerreaktionen und notwendige Nachweise früh eingeplant werden. Konkrete Verbesserungen bei Masse, Wirkungsgrad oder Integrationsaufwand müssen jedoch am jeweiligen System nachgewiesen werden.
Flugzeugelektrifizierung im Zusammenspiel der Fachbereiche
- Requirements Engineering und Systemarchitektur strukturieren Anforderungen, Systemelemente und Schnittstellen.
- Energieversorgung und Leistungselektronik stellen die erforderliche elektrische Leistung bereit und steuern den Energiefluss.
- Elektrische Antriebe und Aktuatorik bringen die Motor- und Aktuatorauslegung ein.
- Hardwareentwicklung und Embedded Software setzen die Funktionen der Steuergeräte um..
- Funktionale Sicherheit leitet aus den Safety-Zielen Anforderungen an Architektur, Schnittstellen, Hardware, Software und Verifikation ab.
- Test und Validierung sowie Umwelterprobung prüfen Funktion, Fehlerreaktionen und Verhalten unter festgelegten Umweltbedingungen.
Warum Silver Atena für elektrifizierte Flugzeugsysteme?
Silver Atena verbindet je nach Projektumfang Systementwicklung, Hardware, Embedded Software, Regelung, Leistungselektronik, Mechanik, Safety und Test im Entwicklungsprozess. Dadurch lassen sich technische Abhängigkeiten zwischen den Disziplinen gemeinsam bearbeiten.
Die Erfahrung umfasst sicherheitskritische Aerospace-Elektronik sowie elektrische Aktuatorik und Motorsteuerungselektronik für High-Lift-Systeme. Je nach Projekt reicht unser Leistungsumfang von Anforderungsanalyse und Architektur über Elektronik- und Softwareentwicklung bis zu Integration, Verifikation und Qualifikation.
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