Front Electric Sustainer | LZ Design
Moritz Althaus
·
Story
·
Luka Žnidaršič ist sicherlich eine der Personen, die den Segelflug in den letzten Jahren am meisten beeinflusst haben. Er hat den Front Electric Sustainer (FES) entwickelt und arbeitet seit mehr als 15 Jahren an elektrischen Antrieben für Segelflugzeuge aus Slowenien.
Luka, erzähl uns von der Vision deines Unternehmens und wie alles begann.
Ich war ein reiner Segelflugzeugpilot, der Spaß am Wettbewerbsfliegen hatte. Damals waren die verfügbaren Motorensysteme nichts, was ich aus vielen verschiedenen Gründen in meinem Wettkampfsegelflugzeug haben wollte.
Mit der Entwicklung leistungsfähiger Lithium-Ionen-Akkus und bürstenloser Motoren sah ich die Möglichkeit, ein zuverlässiges Frontmotorsystem zu entwickeln, bei dem die Leistung sofort zur Verfügung steht und das viele weitere Vorteile bietet. Im Oktober 2009 führte ich den ersten Testflug mit einem System durch, das auf meinem Segelflugzeug LAK17A montiert war, das sich perfekt als Testumgebung eignete.
Wie viele Menschen arbeiten jetzt bei LZ Design?
Derzeit 7 Personen mit Vollzeitstellen.
Wie viele FES-Systeme produziert ihr?
In den letzten Jahren haben wir etwa 40 FES-Systeme pro Jahr produziert. Insgesamt fliegen mehr als 350 FES-Systeme, auf 24 verschiedenen Segelflugzeugtypen.
Wie haben sich die Batterien seit dem ersten installierten FES-System verbessert?
Seit unseren ersten FES GEN1-Akkupacks haben wir viele Verbesserungen vorgenommen, vor allem in Bezug auf die Sicherheit und die Energiespeicherkapazität
Im Frühjahr dieses Jahres haben unsere neuesten FES GEN4-Akkupacks endlich die Sicherheitstests gemäß den neuesten Anforderungen der EASA bestanden. Die ersten Muster der GEN4-Akkus wurden an alle großen FES-Segelflugzeughersteller geliefert. Jeder Hersteller erstellte Flugtestberichte und beantragte sogenannte technische Hinweise, um sie für die Verwendung in seinen verschiedenen FES-Segelflugzeugtypen zuzulassen.
Was sind die Vorteile von GEN4 gegenüber GEN3?
Das ältere GEN3 hat immer noch Kokam Pouch-Zellen wie GEN2, aber mit höherer Zellkapazität (53Ah statt 40Ah von GEN2), mit einem neuen E-Paper-Display und G-Sensor-Elektronik.
Der neue GEN4 verfügt über zylindrische 18650-Zellen (18 mm Durchmesser, 65 mm Länge), die in vier verschiedenen Versionen erhältlich sind: Zwei Versionen (14S 56Ah, 16S 56Ah) für Einsitzer und zwei Versionen (14S 84Ah, 16S 84Ah) für Doppelsitzer.
Worin besteht der Unterschied zwischen diesen vier Versionen?
Der Unterschied liegt in der Anzahl der parallel geschalteten Zellen (20 bei Einsitzern und 30 bei Doppelsitzern) und der Anzahl der in Reihe geschalteten Zellenblöcke (14 oder 16). Diese Zahlen bestimmen die Batteriekapazität und die Spannungshöhe.
Die einsitzigen Versionen haben eine Kapazität von 5,6 kWh (14S) und 6,4 kWh (16S) und die doppelsitzigen Versionen haben 8,4 kWh (14S) und 9,6 kWh (16S).
Welche Steigerungen erwartest du für die Zukunft?
Es ist sehr schwierig, die Zukunft vorherzusagen. Es ist nicht klar, wie schnell die Bemühungen der Wissenschaftler zu besseren Batterien führen werden. Ich vermute, dass es ohne eine vollständige Änderung der Batteriezellenchemie nicht mehr viele Möglichkeiten gibt, sowohl das Kapazitätsverhältnis (Wh/kg) als auch das Leistungsverhältnis (W/kg) gleichzeitig zu erhöhen, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen.
Du erwartest also keine Kapazitätssprünge bei GEN5?
Ich hoffe es, aber im Moment sehe ich keine Möglichkeit für GEN5.
Gab es Probleme mit der Zuverlässigkeit der älteren Systeme?
Ich bin überrascht, wie zuverlässig selbst die ältesten FES-Systeme sind.
Du fliegst manchmal mit einem DuoDiscus FES. Glaubst du, dass die Batterietechnologie jetzt ein ausreichendes Niveau für eine gute Reichweite in Doppelsitzern erreicht hat?
Für einen Duo Discus FES sind etwa 7 kW Leistung erforderlich, um ihn bei 100 km/h im Horizontalflug zu halten, während man für einen 18-m-Einsitzer nur etwa 4 bis 5 kW benötigt.
Mit GEN4 haben wir es endlich geschafft, dass Doppelsitzer die gleiche Reichweite haben, die Einsitzer mit GEN2 hatten. Mit einem Doppelsitzer sind jetzt ca. 100 km Horizontalflug realistisch. Das bedeutet 1 Stunde Motorflug.
Wann werden wir den Arcus FES sehen?
Die neueste Preisliste von Schempp-Hirth enthält bereits den Arcus FES. Der Rumpf ist fast identisch mit dem Duo Discus FES, sodass ich hoffe, dass wir den ersten Arcus FES in nicht allzu ferner Zukunft sehen werden.
Welche Batterien wird er haben?
In den Arcus könnte man die schwerere 16S-Version von GEN4 (wie bei der DG1001) einbauen, da es kein Problem mit dem maximalen Gewicht der nichttragenden Teile gibt. Die Reichweite wird mehr als 100 km betragen.
Für den Duo Discus ist eine leichtere 14S-Version geplant.
Erwartest du, dass in Zukunft mehr Segelflugzeuge mit FES-Selbststartfähigkeit ausgestattet sein werden?
Bislang sind bereits ein Drittel aller FES-Flugzeuge Eigenstarter (Silent 2 Electro, MiniLAK FES, AS13.5m FES, AS15m FES, Versus, LAK17C FES).
Vor ein paar Jahren ist es uns bereits gelungen, mit einigen Änderungen mehr als 30 kW aus dem System herauszuholen. Mit dieser Leistung sind selbst schwerere 18m FES-Segelflugzeuge in der Lage, ohne Wasserballast selbst zu starten (LAK17C FES, Antares FES). Die wichtigste Voraussetzung ist natürlich ein ausreichend hohes Fahrwerk, um den erforderlichen Propellerabstand zu erreichen. Bei einem Ventus 3 FES ist dies ohne großen Aufwand möglich.
Welche Verbesserungen am Motor werden wir in Zukunft sehen?
Wir sind stets bemüht, unsere Produkte zu verbessern. Kürzlich haben wir eine gute Lösung für eine bessere Kühlung des Motors und für eine weitere Verbesserung der Motoreffizienz bei hohen Leistungseinstellungen gefunden. Das bedeutet, dass zukünftige FES-Motoren einen noch geringeren Temperaturanstieg bei hoher Leistung haben werden.
Je größer der Propeller, desto höher der Wirkungsgrad. Wie ist der Wirkungsgrad des FES im Vergleich zu Flugzeugen mit einem elektrischen Klapptriebwerk?
Die Effizienz des Motorflugs hängt nicht nur von der Propellergröße ab. Ein größerer Propeller muss sich langsamer drehen und erfordert daher einen Elektromotor mit einem größeren Durchmesser, um ein ausreichendes Drehmoment zu erzeugen.
Ein so großer Motor an der Spitze eines Pylons, der dem Luftstrom ausgesetzt ist, erzeugt einen großen Luftwiderstand. Es ist, als würde man mit halb geöffneten Luftbremsen fliegen, und infolgedessen ist viel mehr Leistung des Motors erforderlich.
Du sagst also, dass große Propeller bei der RES keinen Sinn machen?
Nein, ich will damit nur sagen, dass der freiliegende Motor und der Pylon in der Luftströmung zu einem hohen Luftwiderstand führen, der etwa so groß ist wie der eines kompletten Segelflugzeugs, so dass selbst ein großer Propeller mit gutem Wirkungsgrad den schlechten Wirkungsgrad aufgrund des freiliegenden Pylons und Motors nicht ausgleichen kann.
Auf der anderen Seite gibt es mit FES immer noch einen aerodynamisch sauberen Motorflug, so dass man mit FES sogar mit 150km/h fliegen kann, mit einer sehr geringen Leistungserhöhung.
E-Wettbewerbe haben bewiesen, dass die Effizienz des FES-Systems im Vergleich zu allen Einziehsystemen überlegen ist. Nur 4-5 kW Leistung sind für den Horizontalflug eines 18m FES-Segelflugzeugs erforderlich. Zum Vergleich: Unser RES-System, das an der ASG 29 installiert ist, benötigt 7-8 kW für den Horizontalflug.
Gibt es verschiedene Propellerdurchmesser für das FES-System?
Ja, wir haben 1 m, 1,02 m und 1,2 m Propellerdurchmesser. Das FES-System auf der Antares hat einen Propellerdurchmesser von 1,2 m, was dem Durchmesser des JS3 RES entspricht.
Für den Discus und den Arcus verwenden wir den 1,02 m Propeller, da für die längere Motorversion, die für den 1,2 m Propeller erforderlich ist, kein Platz vorhanden ist.
Die FES-Blätter kosten immer noch ein bisschen Widerstand, wenn sie auf dem Rumpf liegen. Besteht die Möglichkeit, dass sie in Zukunft sauberer sitzen?
Bei vielen Wettbewerbsflügen auf höchstem Niveau konnte kein Leistungsunterschied durch FES-Flügel im Vergleich zu anderen Nicht-FES-Flugzeugen festgestellt werden. Der größte Teil des Luftwiderstandes wird von den Flügeln verursacht, und der Rumpf trägt nur einen kleinen Teil dazu bei, der hauptsächlich von seinem Querschnitt abhängt.
Bei den bestehenden Rümpfen ist es kaum möglich, sie sauberer zu gestalten. Aber wenn wir einen speziellen FES-Rumpf entwerfen würden, wären einige weitere Verbesserungen möglich.
Joshua Rieger
Im Moment ist LZ Design der einzige Hersteller des FES-Systems. Glaubst du, dass sich das irgendwann einmal ändern wird?
Es gibt bereits einige Kopien unseres FES-Systems, aber alle sind noch recht unfertig.
Es gibt also keine Patente, die andere Unternehmen daran hindern, das System zu kopieren?
Patente sind sehr teuer, ihr Schutz ist fragwürdig und sie haben eine zeitliche Begrenzung. Wir haben eine EU-registrierte FES und RES als unsere Marken.
Viele neue Segelflugzeuge werden mit dem RES System angeboten
Die meisten der verfügbaren selbststartenden Segelflugzeuge sind keine Spitzenmodelle für den Wettbewerb. Sie bieten Freiheit, sind aber sehr wartungsintensiv.
Elektrische Einziehsysteme versprechen einen geringeren Wartungsaufwand, allerdings um den Preis einer ziemlich hohen Mindetflächenbelastung (50 kg/m2), wenn sie an den neuesten Spitzen-Wettbewerbsflugzeugen mit kleinen Flügelflächen installiert sind. Die minimale Flächenbelastung der meisten mit FES ausgerüsteten Flugzeuge ist viel niedriger, etwa 42 kg/m2.
Neue Tragflächen können zwar hohe Flächenbelastungen gut verkraften, aber bei schlechten Wetterbedingungen ist eine niedrige Flächenbelastung immer noch ein großer Vorteil.
Ein weiterer großer Vorteil von FES ist, dass in Stresssituationen sofort die volle Leistung zur Verfügung steht, ohne dass ein Höhenverlust entsteht. Es gibt keine stressige Phase des Ausfahrens des Pylons und keine Notwendigkeit, Motorstarts nur in bestimmten Gebieten zu planen, von denen aus man mit einem ausgefahrenen Pylon zu einem sicheren Außenlandegebiet gleiten könnte, falls der Pylon nicht eingefahren werden kann.
Planst du, in Zukunft weitere elektrische Antriebe zu entwickeln?
Wir haben bereits unser eigenes RES-System auf Kundenwunsch entwickelt. Es wird ohne strukturelle Änderungen auf einer turbo-vorbereiteten ASG29 installiert. Der Erstflug fand im Frühjahr 2020 statt, noch vor dem AS34Me oder der JS3 RES.
Die Anforderung war, so leicht wie möglich zu sein, für die Wettbewerbsfliegerei auf höchstem Niveau, wo es als Trägerflugzeug eingesetzt wird. Er hat eine minimale Flächenbelastung von 45 kg/m2. Damit entspricht er den Regeln für die maximale Flächenbelastung bei E-Gleitflug-Wettbewerben. Er ist in der Lage, ohne Wasserballast selbst zu starten. Die maximale Steiggeschwindigkeit beträgt etwa 2,7m/s bei einer maximalen Leistung von 35kW. Die maximale Systemspannung beträgt 125 V und die Batterien mit einer Kapazität von 6,5 kWh sind fest im Rumpf eingebaut.
Es handelt sich um ein Muster nach Anhang I (außerhalb der EASA, mit einer nationalen Fluggenehmigung) für experimentelle und wissenschaftliche Zwecke.
Gibt es Pläne, bei diesem System mit einigen Herstellern zusammenzuarbeiten?
Bisher haben wir unsere Motoren für das Electric Libelle Projekt von Streifeneder zur Verfügung gestellt. Es gab auch noch ein paar andere Projekte mit unseren Komponenten.
Moritz Althaus
Es gibt viele ältere Segelflugzeuge ohne Antriebssystem, die von dem FES-System sehr profitieren würden.
Auf dem deutschen Segelfliegertag gab Schempp-Hirth bekannt, dass die Nachrüstung von Discus 2c (T) mit FES jetzt möglich ist. Auch einige Ventus 2cxa (j) wurden bereits mit FES nachgerüstet.
Wir haben auch einige US-Flugzeuge mit experimentellen Zulassungen nachgerüstet (ASW27, JS1, Ventus 2cx, ...). Leider ist die erforderliche Bürokratie für ältere europäische Segelflugzeuge viel zu kompliziert, wenn die Modifikation ohne Unterstützung des Zulassungsinhabers (Herstellers) durchgeführt wird. Es gibt einige Möglichkeiten für eine nationale Fluggenehmigung.
Bislang war es profitabler, FES hauptsächlich für neue Flugzeuge anzubieten. Aufgrund des enormen Preisanstiegs bei neuen Segelflugzeugen wird nun die Nachrüstung bestehender Flugzeuge immer attraktiver.
Es ist auch möglich, einige LS 8b-Modelle mit Kohlefaserflügeln mit dem FES-System nachzurüsten, die genauen Seriennummern stehen auf der Website von DG Aviation. Ältere LS8a sind wegen des maximalen Gewichts der nichttragenden Teile nicht geeignet.
Luka, danke, dass du dir die Zeit genommen hast, mit uns zu sprechen.
Wenn dir der Artikel gefallen hat, kannst du uns hier unterstützen:
Wenn du den dritten Teil der Serie zu Segelflugherstellern direkt per E-Mail bekommen möchtest, kannst du dich dafür in deinem Profil anmelden:
