Die Herausforderungen der modernen Luftfahrt sind wesentlich bestimmt durch die Ökonomie sowie den Umwelt- und Klimaschutz. Dadurch steht bei der Entwicklung neuer Flugzeuge besonders die Verbesserung der Energieeffizienz bzw. die Reduktion des Brennstoffverbrauchs im Mittelpunkt. Dies soll zu einem großen Teil durch effizientere Triebwerke mit höheren Nebenstromverhältnis, der zunehmenden Elektrifizierung aller Subsysteme sowie der allgemeinen Weiterentwicklung einzelner Subsysteme erreicht werden. Die Herausforderungen machen es damit auch notwendig, neue Ansätze zur Verbesserung der Flugzeugklimaanlage zu betrachten. In aktuell eingesetzten Passagierflugzeugen werden nahezu ausschließlich Flugzeugklimaanlagen auf Basis des Kaltgasprozesses mit pneumatischen Antrieb durch die Triebwerkszapfluft eingesetzt. Der Ersatz des zugrundeliegenden Prozesses durch einen Kaltdampfprozess bietet ein großes Potential zur Erhöhung der Energieeffizienz bei den gegebenen Randbedingungen. Außerdem muss die Verwendung der Zapfluft als Antrieb aufgrund der Verwendung neuer Triebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis sowie potentieller Gesundheitsrisiken überdacht werden. Eine Möglichkeit ist dabei die Nutzung eines elektrischen Antriebs. Weiterhin kann ein Teil der Kabinenabluft, die normalerweise direkt aus dem Flugzeug geleitet wird, in der Klimaanlage zur zusätzlichen Generierung von Leistung verwendet werden. In dieser Arbeit werden die identifizierten Ansätze zu insgesamt sieben Varianten alternativer Flugzeugklimaanlagen weiter entwickelt. Diese Systeme werden dann besonders im Hinblick auf den Brennstoffverbrauch mit dem aktuell eingesetzten Referenzsystem verglichen und bewertet. Die Berechnung der thermodynamischen Zustände der Klimaanlagen, die für den Vergleich notwendig sind, erfolgt über ein selbst entwickeltes Berechnungsmodell. Auf Basis der verschiedenen Anforderungen und Randbedingungen wird dabei eine zweigeteilte Prozesssimulation für neun Betriebsfälle durchgeführt. Während der vereinfachten Auslegungsrechnung werden die wesentlichen Prozessparameter festgelegt. Die darauf folgende Nachrechnung beinhaltet detaillierte Modelle für Wärmeübertrager und Turbomaschinen. Letztere werden über selbst generierte und optimierte Kennfelder implementiert. Die Ergebnisse zeigen für jede neu konzeptionierte Klimaanlage ein deutliche Verringerung des Brennstoffverbrauchs im Vergleich zum Referenzsystem. Die elektrisch angetriebenen Aggregate erreichen eine Reduktion auf 20 % bis 60 % und die pneumatisch betriebenen Systeme auf 40 % bis 80 %.:Vorwort Kurzfassung Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungs- und Symbolverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Problemstellung und Motivation 1.2 Zielsetzung und methodischer Aufbau der Arbeit 1.3 Historischer Überblick und Stand der Technik 2 Anforderungen und Randbedingungen 2.1 Umgebungsbedingungen und Atmosphärenmodell 2.2 Stau- und Außenluft 2.3 Zapfluft 2.4 Kabinenbedingungen 2.5 Flugprofil 2.6 Sicherheitsanforderungen und Designziele 2.7 Betriebskennfeld 3 Konzepte zur Verbesserung der Energieeffizienz 3.1 Anwendung des Kaltdampfprozesses 3.2 Pneumatischer und elektrischer Antrieb 3.3 Kabinenabluftnutzung 3.4 Umluftkühlung 3.5 Kältemittelauswahl 4 Neu entwickelte Prozesse der Flugzeugklimaanlagen 4.1 Pneumatisch angetriebene Systeme 4.1.1 System PN1 ohne Kabinenabluftnutzung 4.1.2 Systeme PNK1, PNK2 und PNK3 mit Kabinenabluftnutzung 4.2 Elektrisch angetriebene Systeme 4.2.1 Systeme EL1 und EL2 ohne Kabinenabluftnutzung 4.2.2 System ELK1 mit Kabinenabluftnutzung 5 Prozesssimulation 5.1 Aufbau des Berechnungsmodells 5.2 Thermodynamische Grundlagen 5.3 Elemente im Prozess 5.3.1 Wärmeübertrager 5.3.2 Turbomaschinen 5.3.3 Mischung 5.3.4 Aufteilung 5.3.5 Wasserabscheider 5.3.6 Drosselorgan und Druckminderer 5.4 Validierung 6 Wärmeübertragermodell 6.1 Wärmeübertragergeometrie und Diskretisierung 6.2 Berechnungsverfahren und iterativer Löser 6.2.1 Energieerhaltung mit Wärmedurchgangsberechnung 6.2.2 Impulserhaltung mit Druckverlustberechnung 6.3 Programmablaufpläne 6.4 Validierung 7 Turbomaschinenmodell 7.1 Vereinfachte Auslegung der Turbomaschinen 7.1.1 Turbine 7.1.2 Radialverdichter 7.2 Erstellung und Optimierung der Turbomaschinenkennfelder 7.2.1 Kennfelderstellung 7.2.2 Grundlagen evolutionärer Algorithmen 7.2.3 Kennfeldoptimierung 7.3 Einbindung des Turbomaschinenmodells in die Prozesssimulation 8 Berechnungsergebnisse und Bewertung der Flugzeugklimaanlagen 8.1 Grundlagen der Bewertung 8.1.1 Zusätzlicher Brennstoffverbrauch durch Zapfluftentnahme 8.1.2 Zusätzlicher Brennstoffverbrauch durch Entnahme von Wellenleistung 8.1.3 Zustätzlicher Brennstoffverbrauch durch Lufteinlässe 8.2 Ergebnisse der Auslegung und Berechnung der Flugzeugklimaanlagen 8.2.1 Massenströme 8.2.2 Elektrische Leistungsaufnahme 8.2.3 Abschätzung der Systemmasse 8.3 Bewertung und Vergleich der Effizienz 8.4 Auswertung der neu entwickelten Flugzeugklimaanlagen 9 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang A Mathematische und physikalische Ergänzungen A.1 Herleitungen A.1.1 Druckverlauf der isothermen Atmosphäre A.1.2 Druckverlauf der adiabatischen Atmosphäre A.2 Ergänzungen A.2.1 Isentropenbeziehungen A.2.2 Adiabatische Rohrströmung mit Reibung Anhang B Wärmeübergangs- und Druckverlustkorrelationen B.1 Wärmeübergang B.1.1 Gültigkeitsgrenzen B.1.2 Korrelationen für den einphasigen Wärmeübergang im Rohr B.1.3 Korrelationen für das Strömungssieden im Rohr B.1.4 Korrelationen für die Strömungskondensation im Rohr B.1.5 Korrelationen für den einphasigen Wärmeübergang an Lamellenrohrwärmeübertragern mit eingeschlitzten Lamellen B.1.6 Korrelationen für den einphasigen Wärmeübergang an Lamellenrohrwärmeübertragern mit wellenförmigen Lamellen B.1.7 Korrelationen für den einphasigen Wärmeübergang im Plattenwärmeübertrager B.1.8 Korrelationen für den einphasigen Wärmeübergang im Rippenplattenwärmeübertrager B.2 Druckverlust B.2.1 Gültigkeitsgrenzen B.2.2 Korrelationen für den einphasigen Druckverlust im Rohr B.2.3 Korrelationen für den zweiphasigen Druckverlust im Rohr B.2.4 Korrelationen für den einphasigen Druckverlust an Lamellenrohrwärmeübertragern mit eingeschlitzten Lamellen B.2.5 Korrelationen für den einphasigen Druckverlust an Lamellenrohrwärmeübertragern mit wellenförmigen Lamellen B.2.6 Korrelationen für den einphasigen Druckverlust im Plattenwärmeübertrager B.2.7 Korrelationen für den einphasigen Druckverlust im Rippenplattenwärmeübertrager Anhang C Schaltbilder C.1 Pneumatisch angetriebene Kaltluftkühlsysteme C.2 Pneumatisch angetriebene Kaltdampfkühlsysteme C.3 Elektrisch angetriebene Kaltdampfkühlsysteme Anhang D Modellparameter D.1 Betriebskennfeld D.2 Systemparameter Anhang E Berechnungsergebnisse und ausgelegte Bauteile E.1 Prozesssimulation E.2 Lufteinlässe und -kanäle E.3 Wärmeübertrager E.4 Turbomaschinen Anhang F Sonstiges F.1 Selbstständigkeitserklärung

A volume-averaged hollow cathode plasma model is presented that serves as a preliminary design tool for orificed hollow cathodes. The plasma discharge volume is subdivided into two computational domains with separate sub-models that are used to determine the emitter and orifice region plasma parameters. The plasma model is coupled with a lumped node thermal model that uses power inputs from the plasma model to estimate the temperature distribution of the hollow cathode. The model has been implemented for conventional cylindrical emitter geometries and for novel disc-shaped emitters. A lanthanum hexaboride (LaB6) hollow cathode has been used to validate the cylindrical model results and shows good agreement with well-known trends of hollow cathodes and published model data, while a calcium aluminate electride (C12A7:e-) hollow cathode developed at Technische Universität Dresden (TUD) served as the basis for the disc configuration. The model results of the disc configuration are presented and discussed to identify trends and optimization potential for hollow cathodes using C12A7:e- emitters. The model results in combination with thermal measurements of the TUD hollow cathode indicate a work function of C12A7:e- in a hollow cathode plasma below 2 eV.

Am Beispiel einer Landmaschine wurde die Integration eines dieselelektrischen Einzelradantriebes unter der Berücksichtigung der spezifischen Anforderungen nachgewiesen. Die Integration des elektrischen Antriebes in die Fahrzeugfelge führt zu einem abgeschlossenen System mit definierten Schnittstellen. Zur Umsetzung des Antriebssystems werden unterschiedliche Lösungen diskutiert und die Vorzugsvariante realisiert. Für das Antriebssystem und das Fahrzeug werden die Funktionsnachweise mittels Simulationsergebnissen, Prüfstands- und Fahrversuchen erbracht. Ebenso wird der Nutzen eines elektrischen Einzelradantriebssystems diskutiert.

Am Beispiel einer Landmaschine wurde die Integration eines dieselelektrischen Einzelradantriebes unter der Berücksichtigung der spezifischen Anforderungen nachgewiesen. Die Integration des elektrischen Antriebes in die Fahrzeugfelge führt zu einem abgeschlossenen System mit definierten Schnittstellen. Zur Umsetzung des Antriebssystems werden unterschiedliche Lösungen diskutiert und die Vorzugsvariante realisiert. Für das Antriebssystem und das Fahrzeug werden die Funktionsnachweise mittels Simulationsergebnissen, Prüfstands- und Fahrversuchen erbracht. Ebenso wird der Nutzen eines elektrischen Einzelradantriebssystems diskutiert.:1 Einleitung 2 Stand der Forschung und Entwicklung bei Fahrzeugantrieben und elektrischen Antriebssystemen 2.1 Allgemeine Entwicklungstendenzen der Antriebssysteme bei mobilen Landmaschinen . 2.2 Meilensteine elektrischer Antriebssysteme 2.3 Fahrantriebe für mobile Landmaschinen 2.4 Übersicht zu elektrischen Antrieben in mobilen Maschinen 2.5 Elektrische Antriebe für Fahrantriebe 2.6 Leistungselektronik für den mobilen Einsatz 2.7 Anpassen der Motorenkennlinie an das Kennfeld des Fahrantriebs 2.8 Elektrische Zusatzkomponenten 3 Konzeption und Entwicklung eines Einzelradantriebes 3.1 Spezifische Anforderungen an den dieselelektrischen Fahrantrieb 3.2 Systementwurf 3.3 Methodik und Entwurf des Einzelradantriebes 3.4 Entwicklung des Einzelradantriebes 3.5 Entwicklung der Wicklungsumschaltung 4 Untersuchungen und Ergebnisse zur Wicklungsumschaltung und der elektrischen Maschine 4.1 Simulationsmodell der Wicklungsumschaltung 4.2 Simulationsergebnisse der Wicklungsumschaltung 4.3 Prüfstandsergebnisse von Wicklungsumschaltung und elektrischer Maschine 5 Integration eines Einzelradantriebes am Beispiel eines Bergtraktors 5.1 Vorstellung des Experimentalaufbaus 5.2 Simulationsmodell der Fahr- und Antriebsdynamik und des Rad-Boden-Kontaktes 5.3 Ergebnisse der simulierten Fahr- und Antriebsdynamik bei Wicklungsumschaltung 5.4 Versuchsaufbau und Messtechnik 5.5 Untersuchungsergebnisse von Generator mit Dieselmotor 5.6 Untersuchungsergebnisse des Radantriebes 5.7 Ergebnisse der gemessenen Fahr- und Antriebsdynamik bei Wicklungsumschaltung 5.8 Bewertung des Einzelradantriebssystems 6 Zusammenfassung 7 Ausblick

Hall-effect thrusters (HETs) are among the most commonly used propulsion systems for attitude and orbit control of satellites. As an arrangement in a cluster or individually, equipped with a mechanical suspension, thrust in all three spatial directions can be generated, but requires additional mechanisms and components. Therefore, the Technische Universität Dresden (TU Dresden) is currently working on a concept for developing a Hall-effect thruster with integrated thrust vector control, which would allow steering in all three spatial directions with just a single thruster. This new concept is intended to work solely by influencing the ion beam and should not have any additional mechanical components. The HET will come with a segmented anode to set different electrical potentials at the anode and cause an inhomogeneous distribution of the electric field within the discharge channel, which results in an inhomogeneous force vector distribution at the exit plane. It is assumed that this will generate turning moments around the center of gravity. Deliberately causing those turning moments can therefore be used for steering with just one thruster. This work presents the concept of the propulsion system, gives an outlook on the advantages of its technology and shows capabilities for space applications.

The development and experimental investigation of two low-power electric propulsion concepts using compact heaterless C12A7 electride (C12A7:e-) hollow cathodes is presented. The first concept represents an electrothermal thruster, in which a cathode discharge is used to heat a gas that is subsequently accelerated in a nozzle-shaped anode. The second propulsion system is an attempt to develop a sub-500 W magnetoplasmadynamic thruster (MPDT) that uses a rectangular discharge channel that allows to increase the applied magnetic field and thus lower the necessary discharge current. Extensive parameter studies with both concepts were conducted, and the thrust and discharge properties of different geometric and operational configurations were determined. This work is a follow-up publication of a previous paper (Gondol and Tajmar in CEAS Space J 14:65–77, 2021).

Die erste Chemnitzer Brennstoffzellenkonferenz wurde vom Innovationscluster HZwo und dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU durchgeführt. Ausgewählte Fachbeiträge und Präsentationen werden in Form eines Tagungsbandes veröffentlicht. / The first fuel cell conference was initiated by the innovation cluster HZwo and the Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology. Selected lectures and presentations are published in the conference proceedings.